BLE 协议栈（GAP，GATT；HCI，LL，PHY）

文章目录蓝牙发展历程蓝牙协议分层蓝牙协议栈架构一、主协议层（Host）1.1 GAP（Generic Access Profile，通用访问规范）1.2 GATT（Generic Attribute Profile，通用属性规范）1.3 SM（Security Manager，安全管理）1.4 ATT（Attribute Protocol，属性协议）1.5 L2CAP（Logical Link Control and Adaptation Protocol，逻辑链路 控制 和 适配协议）二、控制层（Controller）2.1 主机控制器（HCI，Host Controller），也称为 设备管理器2.2 链路层（LL，Link Layer）2.3 物理层（PHY）蓝牙（Bluetooth®）：是一种无线技术标准，可实现固定设备、移动设备和楼宇个人域网之间的短距离数据交换。蓝牙由蓝牙技术联盟（SIG，Special Interest Group）管理。蓝牙的波段为2.4GHz短距离无线电频段。蓝牙发展历程序号时间标准特性12010年6月蓝牙4.0（Bluetooth Smart）极低的运行和待机功耗, 支持BLE（低功耗蓝牙）22013年12月蓝牙4.1（软件更新）支持与 LTE 共存，允许设备同时作为中心和外围角色，引入IPv6优化32014年12月蓝牙4.2（硬件更新）（1）实现物联网：支持灵活的互联网连接选项（IPv6/6LoWPAN或Bluetooth Smart网关）。（2）让Bluetooth Smart 更智能：业界领先的隐私权限、节能效益和堪称业界标准的安全性能。（3）让Bluetooth Smart 更快速：吞吐量速度和封包容量提升。42016年6月16日蓝牙5.0（1）针对低功耗设备, 有着更广的覆盖范围和相较现在四倍的速度提升。（2）传输速度上限为24Mbps, 是之前4.2LE版本的两倍（codePHY：500Kbps / 125Kbps）（3）有效工作距离可达300米, 是之前4.2LE版本的4倍（2M PHY）（4）为应对移动客户端需求, 其功耗更低, 且兼容老的版本。52017年7月19日-开始全面支持mesh网状网，实现多对多通信62019年1月28日蓝牙5.1添加方向定位功能，实现厘米级定位；优化GATT缓存72020年1月15日蓝牙5.2引入LE音频（LE Audio），支持多重串流和广播音频；新增增强版ATT82021年7月13日蓝牙5.3提升稳定性、节能性和安全性；优化信道选择和广播设置92023年1月31日蓝牙5.4支持带响应的广播（PAwR），为电子价签等应用提供标准化协议102024年8月27日蓝牙6.0引入信道探测实现高精度测距；优化数据包格式和链路层性能蓝牙协议分层蓝牙协议栈架构物理层射频控制器层 Controller主机控制器接口 HCI主机层 Host应用层 Application应用程序（健康/家居/音频等）GAP通用访问规范GATT通用属性规范SM安全管理器ATT属性协议L2CAP逻辑链路控制与适配协议HCI主机控制器接口LL链路层PHY物理层2.4GHz 射频一、主协议层（Host）1.1 GAP（Generic Access Profile，通用访问规范）GAP是应用层能够直接访问BLE协议栈的最底层，它包括管理广播和连接事件的有关参数。GAP模块代表了所有蓝牙设备的共用基础功能，如传输，协议或者应用规范所使用的模式和访问过程。GAP的服务包括设备发现，连接方式，安全，认证，关联模型和服务发现等。GAP工作流程：主机/集中器（Master/Central）从机/外围设备（Slave/Peripheral）主机/集中器（Master/Central）从机/外围设备（Slave/Peripheral）进入广播状态扫描窗口内监听loop[广播事件]连接建立数据交换（连接状态）设置广播参数（间隔20ms-10.24s）广播数据包（31字节）扫描请求（可选）扫描响应（31字节，可选）连接请求1、角色：为了创建和维护一个BLE连接，引入角色这一概念。一个BLE设备不是主机Master(集中器) 角色，就是从机Slave(外围设备) 角色，这是根据是谁发起这个连接来确定的：主机Master设备总是连接的发起者，而从机Slave总是被连接者。这个访问与连接过程，都在通用访问规范（GAP）进行实现的。2、广播advertising：主机能够与从机建立连接，从机必须处于广播状态，它每经过一个时间间隔发送一次广播数据包，这个时间间隔称为广播间隔，它的范围是20ms到10.24s。广播间隔影响建立连接的时间。主机发送一个连接请求来发起连接之前，必须接收到一个广播数据包。从机发送一个广播数据包之后一小段时间内，只监听连接请求。一个广播数据包最多能携带31个字节的数据，它通常包含：用户可读的名字，关于设备发送数据包的有关信息，用于表示此设备是否可被发现的标志 等类似的标志。当主机接收到广播数据包后，可能发送请求更多数据包的请求，称为扫描回应。如果它被设置成主动扫描，从机将会发送一个扫描回应作为对主机请求的回应，扫描回应也最多可以携带31字节的数据。广播，包括扫描请求和扫描回应，必须在远离WLAN使用的2.4G频段之外的3个频率（37/38/39）上，以防止被WiFi干扰。3、扫描：主机监听广播数据包和 发送扫描请求的过程，有两个定时参数：扫描窗口和扫描间隔。4、连接：主机和从机第一次交换数据定义为连接状态。1.2 GATT（Generic Attribute Profile，通用属性规范）GATT是真正传输数据所在的层。包括了一个数据传输和存储框架以及基本操作。GATT定义了两类角色：服务器(server)和客户端(client)，GATT角色无需和GAP角色绑定，但是可能由更高层的规范进行指定。GATT层次结构：ServiceProfileCharacteristic服务1Service服务2Service特性1Characteristic特性2Characteristic属性：声明Attribute句柄=0x0001UUID=0x2803属性：值Attribute句柄=0x0002UUID=0x2A00属性：描述符Attribute句柄=0x0003UUID=0x2902CCCD（1）角色：除了GAP定义了角色之外，BLE还定义了另外2种角色：GATT服务器和GATT客户端，它们完全独立于GAP的角色。提供数据的设备称为GATT服务器，访问GATT服务器而获得数据的设备称为GATT客户端。在应用中，外围设备peripheral 称为服务器(server)，集中器central 作为客户端(client)。注意：一个设备可以同时作为服务器和客户端。GATT通信过程：GATT服务器（Peripheral）GATT客户端（Central）GATT服务器（Peripheral）GATT客户端（Central）组织属性表发现服务（读取UUID）返回服务列表发现特性（读取句柄）返回特性列表读取特性值返回当前值写入特性值写入响应通知/指示（值变化时）确认（仅指示）（2）GATT的规范层次：一个GATT服务器通过一个称为属性表的表格组织数据，这些数据就是真正发送的数据。属性(attribute)：一个属性包含句柄、UUID、值，句柄是属性在GATT表中的索引，在一个设备中每一个属性的句柄都是唯一的。UUID包含属性表中数据类型的信息，它是理解属性表中的值的每一个字节的意义的关键信息。在一个GATT表中可能有许多属性，这些属性可能有相同的UUID。特性(characteristic)：一个特性至少2个属性：一个属性用于声明，一个属性用于存放特性的值。描述符(descriptor)：任何在特性中的属性不是定义为属性值就是为描述符。客户端特性配置描述符（Client Characteristic Configuration Descriptor，CCCD）服务(service)Profile（配置数据文件）1.3 SM（Security Manager，安全管理）SM负责蓝牙设备之间的配对和密钥分发，提供安全连接和数据加密功能。它定义了配对方法（如Just Works、Passkey Entry、Numeric Comparison等）以及加密密钥的生成和存储机制，确保通信的机密性和完整性。安全管理流程：响应设备（Responder）发起设备（Initiator）响应设备（Responder）发起设备（Initiator）