ESP32-C3 学习测试 蓝牙 篇（三、认识蓝牙 GATT 协议）

磨刀不误砍柴工，本文了解一些基本的蓝牙协议基础知识
... 更新概念导图部分关于 Server 和 Service 文字说明          2022/6/13
... 修改出错的地方，细节优化					             2023/5/29

前言

上一篇系列文章我们使用 ESP-IDF 中的示例 GATT server，完成了手机连接开发板的初次体验。

虽然上文我们找到的入门的 GATT server 示例，但是对于蓝牙 GATT 概念，我们还是只停留留在 蓝牙协议栈基本框架层面的内容，对于更具体的理解我们还不知道，所以针对示例来说，我们也无从修改测试。

正所谓磨刀不误砍柴工，我们有必要先深入的学习一下 GATT 以及 GATT 相关的一些知识。

本文我们就来了解一下 蓝牙 GATT 到底是什么？同时了解下我们使用的 ESP32-C3 GATT示例的工程的代码结构。

ESP32-C3学习 蓝牙 篇系列博文连接：
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测试使用的开发板：
自己画一块ESP32-C3 的开发板（第一次使用立创EDA）（PCB到手）
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测试使用的开发环境：
ESP32-C3 VScode开发环境搭建（基于乐鑫官方ESP-IDF——Windows和Ubuntu双环境）
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蓝牙篇系列相关博文：
ESP32-C3 学习测试 蓝牙 篇（一、认识 ESP-IDF 的蓝牙框架、简单的了解蓝牙协议栈）
ESP32-C3 学习测试 蓝牙 篇（二、蓝牙调试APP、开发板手机连接初体验）

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一、概念导图

☆ 即便看完了很多资料，博主自己还是感觉蓝牙协议的专有名词定义有点复杂（相对其他很多物联网无线协议来说），如果不是专门从事蓝牙行业的人，即便官方有资料，对于这些专有名词专有定义也难以全部理解到位。

☆ 但是我们系列博文最终是以应用为目的，使用蓝牙最终还是使用蓝牙做一些数据的传输交互应用。所以对于专有名词暂时不用研究那么深，知道一些基本概念的的作用和意义即可。

对于基本的概念知识，查阅了很多相关的资料后多少有了一个初步的认识，对于蓝牙 GATT 来说，以应用为主所需要的了解的基本概念，主要就是 GATT，GAP，ATT 这几个协议，在系列博文第一篇《ESP32-C3 学习测试 蓝牙 篇（一、认识 ESP-IDF 的蓝牙框架、简单的了解蓝牙协议栈）》关于蓝牙协议的说明对于这几个协议的简单说明，如下图：

对于我们的应用来说，蓝牙无非是用来进行数据交互，我们直接从应用说起，我们使用手机和开发板进行蓝牙通讯，对应的 手机就是 Client 设备，开发板就是 Server 设备。

对于我的学习来说，就是从 BLE通信的这两种设备入手的 ：Client 和 Server。

GATT 的结构

对于 Client 和 Server 的通讯，先来看一张图：

从上面的示意图可以看出，对于 GATT server 有很多分支，可想而知对于他的协议规定会有很多专有名词，我们的应用程序也大多是对 GATT server 这些参数进行修改配置，我总结了几张概念导图。

图中用的是 GATT Server 后面的分支应该是 Service！！

Service 的结构

图中用的是 Server（服务器），应该用 Service ，当初做图的时候估计还有点蒙：

上图中虽然以 Service 作为开头，其实 Service 可组成一个叫 profile 的概念（下面概念说明会讲到 ）。

Profile 的结构

蓝牙官方文档中对于 Profile 说明图：

二、概念说明

虽然上面上了一张概念导图，但是对于里面的一些基本概念我们有必要一个一个单独说明一下。

这里推荐几篇文章，部分内容也有参考：

ATT和GATT的概念

蓝牙【GATT】协议介绍

2.1 名词解释

对概念导图中提到的专有名词进行单独的说明。

Server

• Service可以理解为一个服务，提供数据的服务，比如从机设备，但是在一个 Ble 从机中，可以有多个服务。

  Server 和 Client 通过ATT PDU进行交互。

  Server通过characteristic对数据进行封装，每个service中又包含多个characteristic特征值。

profile

• 如果上面说的 service 是一个蓝牙联盟定义的标准服务，也可以称其为profile。

  profile 可以理解为一种规范，一个标准的通信协议，它存在于从机中。

  蓝牙组织规定了一些标准的profile，比如HID/心率计/体温计/血糖仪等，都是标准蓝牙服务，因此都有相应的profile规格书。

  每个从机都会有一个叫做profile的东西存在，不管是的自定义的simpleprofile，还是标准的心率计profile。

  每个profile中会包含多个service，每个service代表从机的一种能力。

characteristic

• 上面讲到： Server通过characteristic对数据进行封装，每个service中又包含多个 characteristic
  特征值。

  ble主从机的通信均是通过characteristic来实现，可以理解为一个标签，通过这个标签可以获取或者写入想要的内容。

  一个characteristic包含三种条目：characteristic声明，characteristic的值以及characteristic的描述符。

  这3个条目的含义可参考上面的概念导图，这里需要说明的是它们是用attribute来表达的，它们每一个都是一个 attribute 。

  ❤️ Characteristic是在GATT规范中最小的逻辑数据单元，由一个Value和多个描述特性的Desciptior组成。实际上，在与蓝牙设备打交道，主要就是读写Characteristic的value来完成。

attribute

• Attribute 是属于 ATT属性层的东西，它是 ATT层 的核心。

  Attribute其实就是一条一条的数据。前面说过，每个蓝牙设备就是用来提供服务的，而服务就是众多数据的合集，这个合集可以称为数据库，数据库里面每个条目都是一个attribute。

  Attribute 由以下 4 部分组成：属性句柄(Attribute Handler)、属性类型(Attribute
  Type)、属性值(Attribute Value)、属性权限(Attribute Permissions)。
  

  更多详细的说明可参考：

  蓝牙BLE： ATT协议层中属性(Attribute)

  蓝牙属性表理解（Bluetooth Attribute Protocol / ATT ）

UUID

• UUID（universally uniqueidentifier，通用唯一识别码）是一个软件构建标准，一个合法的UUID，一定是随机的、全球唯一的。（UUID并不是BLE独有的概念）

  上面提到的 service 和 characteristic，都需要一个唯一的uuid来标识。

  UUID是128 bit的。

  蓝牙联盟采用为官方的UUID：0000xxxx-0000-1000-8000-00805F9B34FB（上面概念图和推荐博文有详细说明）

2.2 GATT (Generic Attribute Profile)

GATT (通用属性配置) ，它定义两个 BLE 设备通过 Service 和 Characteristic 进行通信；

GATT 就是使用了 ATT（Attribute Protocol）协议，ATT层定义了一个通信的基本框架，数据的基本结构，以及通信的指令，Service 和 characteristic 就是GATT层定义的， GATT层用来赋予每个数据一个具体的内涵，让数据变得有结构和意义。

前面说过 server 端提供服务，服务就是数据，而数据就是一条一条的attribute，而service和characteristic 就是数据的逻辑呈现，或者说用户能看到的数据最终都转化为 service 和 characteristic。

一旦两个设备建立起了连接，GATT 就开始起作用了，这里需要说明的是，GATT 连接必需先经过 GAP 协议。

GATT 连接需要特别注意的是：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；

中心设备和外设需要双向通信的话，唯一的方式就是建立 GATT 连接。

2.3 GAP(Generic Access Profile)

Generic Access Profile（通用访问规范） 它在用来控制设备连接和广播，用于提供蓝牙设备的通用访问功能，包括设备发现、连接、鉴权、服务发现等等。

GATT是建立连接后通信规范， 而蓝牙是通过GAP建立通信的。

GAP 使你的设备被其他设备可见，并决定了你的设备是否可以或者怎样与合同设备进行交互。

GAP 给设备定义了若干角色，其中主要的两个是：外围设备（Peripheral）和中心设备（Central）。

• 外围设备：这一般就是非常小或者简单的低功耗设备，用来提供数据，并连接到一个更加相对强大的中心设备。例如小米手环。
• 中心设备：中心设备相对比较强大，用来连接其他外围设备。例如手机等。

2.4 ATT(Attribute Protocol)

ATT（Attribute Protocol）属性层是 GATT 和 GAP 的基础，它定义了BLE协议栈上层的数据结构和组织方式。

ATT协议定义了两种角色：服务器角色和客户端角色。

站在蓝牙协议栈角度来看，ATT层定义了一个通信的基本框架，数据的基本结构，以及通信的指令，而GATT层就是前文所述的service和characteristic，GATT层用来赋予每个数据一个具体的内涵，让数据变得有结构和意义。

GATT 是脱胎于 ATT ，ATT 是 Attribute Protocol Specification 属性规范协议，注意ATT是协议，而GATT是规范，两者不同点在于 ATT规定了数据格式，而 GATT 则是按照 ATT 的格式将具体数据填充进去。

三、Client 设备连接说明

我们上面讲了很多关于蓝牙 GATT 的概念知识，我们开发板使用了 GATT server 示例后，就是一个 Server 设备，我们的手机就是 Client 设备。

当我们连接上以后，其实可以查看 Server 的信息的，为了加深对上面的概念的理解，我们使用手机连接后的图片来说明一些概念：

在上图中有一点，结合上面第一小节《一、概念导图》 中的 Profile的结构 说明，每个 characteristic 都带有Properties，这个 Properties 为蓝牙特征值的读写权限：

属性名称	描述
read	支持 read 操作
write	支持 write 操作
notify	支持 notify 操作
indicate	支持 indicate 操作

上面是手机客户端与我们烧录示例的 ESP32-C3 开发板连接后的截图，配合本文的上面一些说明，可以让我们更直观的理解上面提到的概念。

结语

在写本文前，博主自己确实对蓝牙的这些概念不太理解，当初看这些概念的时候也参考了很多很多文章，花了很多时间去记住整理这些概念，到现在使用起来还是需要对着概念图看，尴尬 = =！

所谓开发蓝牙应用程序，其实就是开发 service 和 characteristic。通过API，添加自己需要的characteristic 和 service，一个蓝牙设备就诞生了。

只要 characteristic 和 service 是符合GATT规范的，你可以随意添加任何characteristic和service，并将他们组合成一个专门的蓝牙设备。由于这个蓝牙设备是按照规范来定义的，所以它可以与任何其他蓝牙设备，比如手机，互联互通，并完成所要求的的交互动作。

❤️ 本文我们基本上把蓝牙 GATT 的概念认识了一遍，就算从来没接触过蓝牙，从本文入手，应该也能算是入门了解过了一些。
当然，本文并没有深入的阐述每一个概念，一来对于蓝牙协议，博主也是初学者；二来博主还是以应用为目的，应用就是先能够使用修改起来，再谈深入。

那么蓝牙系列的下一篇文章，我们就要回到示例 GATT server ，分析一下示例程序代码，通过实际的程序加深我们对蓝牙 GATT的理解，同时开始进行初步的修改测试 。