BLE相关协议（GAP&GATT）

一、GAP

GAP全名是Generic Access Profile,通用访问配置文件，它定义了蓝牙设备的角色，中心和外设，并且控制他们的连接和广播数据。广播数据有两种方式：广播数据和扫描回复数据，数据包大小最长为31字节，其中广播数据方式是必需的。
广播数据就是蓝牙设备自己定时广播数据出来，让周围环境的其它设备可以扫描到它，知道它的存在，是外设主动完成的。而扫描回复数据是可选的，它会根据需要响应请求，比如收到中心设备连接请求，会响应这个请求。这个协议决定了蓝牙设备的交互方式，比如iBeacon只能向外广播消息，而小米手环可以与中心设备双向通信。
GAP的工作流程如下图：

GAP广播流程图.png

大部分情况外设广播自己来让中心设备发现自己并建立连接，然后GATT（后面讲到）就可以用来进行更多的数据交换，这种方式是独占的，就是建立连接了以后外设就不再广播了，只跟连接上的中心通信。但也有一种是不需要连接的，比如上面说的Beancon设备，它只需要向外广播数据，只要在一定的范围内，所有的中心设备都可以收到数据，不需要指定跟具体某个中心建立连接，他们的网络拓扑图如下：

GAP广播方式网络拓扑图.png

二、GATT

GATT，全名Generic Attribute Profile, 通用属性配置文件。它定义了两个BLE设备的数据传输方式和两个概念：Services 和 Characteristics。它建立在ATT（Attribute Protocol）协议的基础上，ATT协议主要是定义了Attribute（属性）这个数据结构。
一个attribute由三个元素组成：
1、16 bit的句柄（唯一性，用于区分和查找不同的attribute）
2、UUID（ATT本身不定义，留给GATT来定义）
3、一个定长的值value（配合UUID使用，由GATT来决定这个UUID的意义和数据）

GATT协议中的Service和Characteristic需要遵循ATT这种数据结构，ATT会管理这些数据并提供查找方法。

GATT是建立在GAP基础之上发挥作用的，就是两个BLE设备只有通过GAP建立连接之后才能用GATT进行通信。上面说了扫描回复数据交互方式是独占的，所以GATT通信只允许是一个外设和一个中心连接。如果两个外设想要通信，唯一的方式就是建立GATT连接，通过中心来中转。

记住：一个外设只能跟一个中心建立连接（独占的），而一个中心可以同时连接多个外设（一个手机可以同时连接多个BLE设备）
GATT连接网络拓扑图

GATT网络拓扑图.png

GATT通信的双方是C/S关系，外设作为GATT的服务器（Server），中心设备是GATT的客户端（Client），它向Server发起请求。注意，所有的通信都是由主设备（客户端Client）发起，服务器Server响应数据反馈给Client。一旦建立了通信连接，外设会建议中心设备做定时连接（connection interval），这样中心设备就会在每个连接间隔尝试重新连接，检查有没有新的数据。这个只是一个建议，中心设备可能不会严格按照这个时间间隔来执行，例如中心设备正忙于连接其它外设或者资源太忙。
外设与中心数据交换图：

数据交换图.png

GATT结构由嵌套的Profile、Service、Characteristics组成，如下图：

GATT结构图.png

Profile，每个Profile就是预先定义好的Service集合。例如官方的心率Heart Rate Profile就是结合了Heart Rate Service和Device Information Service（可以在这里下载下面这两个PDF文件查看详细内容）

心率.png

所有官方通过GATT的Profile可以看这里

Service就是一个独立的逻辑项，它包含一个或多个Characteristic，每个Service都由唯一的UUID标识，UUID有16位的有128位的，16位的UUID是官方通过认证的，需要花钱购买，128位的可以随便自己定义。完整的Service列表可以看这里。

Characteristic是GATT中最小的逻辑数据单元，当然它可能包含一组关联的数据，例如加速度计的 X/Y/Z 三轴值。还是官方心率的例子，可以看到它包含了 3 个 Characteristic：Heart Rate Measurement、Body Sensor Location 和 Heart Rate Control Point，并且定义了只有第一个是必须的，其他是可选实现的。
每个Characteristic对应的value就是对应格式的实际心率数据。中心可以通过读取service、再进一步读取characteristic来获得具体的心率数值。

与Service类似，每个 Characteristic 用 16 bit 或者 128 bit 的 UUID 唯一标识。所有数据交互必须通过明确的UUID确定到service和characteristic。

你可以免费使用 Bluetooth SIG 官方定义的标准 Characteristic，使用官方定义的，可以确保 BLE 的软件和硬件能相互理解。当然，你可以自定义 Characteristic，这样的话，就只有你自己的软件和外设能够相互理解。

实际上，和 BLE 外设打交道，主要是通过 Characteristic。你可以从 Characteristic 读取数据，也可以往 Characteristic 写数据。这样就实现了双向的通信。所以你可以自己实现一个类似串口（UART）的 Sevice，这个 Service 中包含两个 Characteristic，一个被配置只读的通道（RX），另一个配置为只写的通道（TX）。

参考资料：
introduction-to-bluetooth-low-energy
ATT和GATT概述
蓝牙协议详解