Android BLE 开发指南一：GAP和GATT

1、概述

蓝牙分为 经典蓝牙 和 低功耗蓝牙 。我们经常使用的蓝牙耳机和蓝牙音箱就属于经典蓝牙。低功耗蓝牙的简称为 BLE（Bluetooth Low Energy），是在蓝牙 4.0中引入的，相比经典蓝牙，其特点是功耗低，连接快，同时正是因为它功耗低，导致它的传输速率低，但它设计出来就是用来传输数据量不大的场景。BLE广泛用在可穿戴设备和物联网中。Android 系统在 4.3 版本开始支持 BLE ，在 Android 5.0 又进行了更新，支持更多的 BLE 功能。

本篇博客内容摘自下面两篇文章：
Introduction to Bluetooth Low Energy
GATT Profile 简介

2、GAP

GAP 是 Generic Access Profile（通用访问配置文件） 的首字母缩写，它控制蓝牙中的连接和广播。 GAP使您的设备对外界可见，并确定两个设备如何（或不能）相互交互。

角色

GAP定义了设备的各种角色，其中有两个关键的角色是 中央设备（Central） 和 外围设备（Peripheral）。

外围设备 是小型，低功耗，资源有限的设备，可以连接到功能更强大的中央设备。 外围设备包括心率监测器，手环等。

中央设备 通常是手机或平板电脑等，具有更强的处理能力和内存。

广播

在 GAP 中，外围设备通过两种方式向外广播数据： Advertising Data Payload（广播数据） 和 Scan Response Data Payload（扫描回复） ，两种数据格式是一样的，包含多达31个字节的数据。广播数据是必需的，因为外设必需不停的向外广播，让中心设备知道它的存在。扫描回复是可选的，中心设备可以向外设请求扫描回复，这里包含一些设备额外的信息，例如设备的名字。

广播流程

GAP 的广播工作流程如下图：

外围设备将设置一个特定的广播时间间隔，每当此时间间隔过去，它将重新发送它的主要广告数据包。 较长的间隔可以省电，但也导致不容易搜索到设备。

当中心设备监听到这个广播数据时候，会通过发送 Scan Response Request，请求广播方发送扫描响应数据。

广播的网络拓扑结构

大部分情况下，外设通过广播自己来让中心设备发现自己，并建立 GATT 连接，从而进行更多的数据交换。也有些情况是不需要连接的，只要外设广播自己的数据即可。用这种方式主要目的是让外围设备，把自己的信息发送给多个中心设备。因为基于 GATT 连接的方式的，只能是一个外设连接一个中心设备。 使用广播这种方式最典型的应用就是苹果的 iBeacon。广播工作模式下的网络拓扑图如下：

GATT

GATT是 Generic Attribute Profile （通用属性配置文件） 的首字母缩写，它定义了两个蓝牙低功耗设备使用称为 Service （服务） 和 Characteristic （特征） 的概念来回传输数据的方式。它使用称为属性协议（ATT）的通用数据协议，该协议用于在一个简单的查找表中存储服务，特征和相关数据，使用表中每个条目的16位ID。

一旦在两个设备之间建立专用连接，GATT就会发挥作用，这意味着您已经完成了由GAP管理的广播流程。

GATT 连接是独占的。也就是一个 BLE 外设同时只能被一个中心设备连接。一旦外设被连接，它就会马上停止广播，这样它就对其他设备不可见了。当设备断开，它又开始广播。

建立 GATT 连接是中心设备和外设双向通信的唯一方式，中央设备可以向外围设备发送有意义的数据，反之亦然。

GATT 连接的网络拓扑

下图说明了蓝牙低功耗设备在连接环境中的工作方式。 外围设备一次只能连接到一个中央设备，但中央设备可以连接到多个外围设备。

如果需要在两个外围设备之间交换数据，则需要通过中央设备中转。

一旦建立起了连接，通信就是双向的了。对比前面的 GAP 广播的网络拓扑，GAP 通信是单向的。

GATT 通信事务

GATT 通信的双方是 C/S 关系。外设作为 GATT 服务端（Server），它维持了 ATT 的查找表以及 service 和 characteristic 的定义。中心设备是 GATT 客户端（Client），它向 Server 发起请求。

所有通信事务都由主设备GATT客户端启动，后者从从设备GATT服务器接收响应。

一旦连接建立，外设将会给中心设备建议一个连接间隔（Connection Interval）,这样，中心设备就会在每个连接间隔尝试去重新连接，检查是否有新的数据。但是，这个连接间隔只是一个建议，你的中心设备可能并不会严格按照这个间隔来执行，例如你的中心设备正在忙于连接其他的外设，或者中心设备资源太忙。

下图说明了外围设备（GATT服务器）和中央设备（GATT客户端）之间的数据交换过程，主设备启动每个事务：

GATT 结构

BLE中的GATT事务基于名为Profiles，Services和Characteristics的高级嵌套对象，如下图所示:

Profile

Profile 并不是实际存在于 BLE 外设上的，它只是一个被 Bluetooth SIG 或者外设设计者预先定义的Service 的集合。例如心率Profile（Heart Rate Profile）就是结合了 Heart Rate Service 和 Device Information Service 。

Service

Service 是把数据分成一个个的独立逻辑项，它包含一个或者多个 Characteristic。每个 Service 有一个 UUID 唯一标识。 UUID 有 16 bit 的，或者 128 bit 的。16 bit 的 UUID 是官方通过认证的，需要花钱购买，128 bit 是自定义的，这个就可以自己随便设置。

Characteristic

在 GATT 事务中的最低界别的是 Characteristic，Characteristic 是最小的逻辑数据单元，当然它可能包含一个组关联的数据，例如加速度计的 X/Y/Z 三轴值。

与 Service 类似，每个 Characteristic 用 16 bit 或者 128 bit 的 UUID 唯一标识。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。

与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）。