ESP32蓝牙系列二：协议和规范

本文以ESP32的API接口对GAP GATT ATT再做分析

一、GAP

ESP32 BLE 通⽤用访问规范 (GAP) 接口 API 的实现和使⽤用流程， GAP 协议层定义了了 BLE 设备的发现流程，设备管理理和设备连接的建立。

BLE GAP 协议层采⽤用 API 调⽤和事件 (Event) 返回的设计模式，通过事件返回来获取 API在协议栈的处理理结果。当对端设备主动发起请求时，也是通过事件返回获取对端设备的状态。 BLE 设备定义了了四类 GAP ⻆色：

• 广播者 (Broadcaster)：处于这种⻆色的设备通过发送⼴广播 (Advertising) 让接收者发

现⾃己。这种⻆角⾊色只能发⼴播，不能被连接。

• 观察者 (Observer)：处于这种⻆角⾊色的设备通过接收⼴广播事件并发送扫描 (Scan) 请

求。这种⻆角⾊色只能发送扫描请求，不能被连接。

• 外围设备 (Peripheral)：当广播者接受了了观察者发来的连接请求后就会进⼊入这种⻆角

⾊色。当设备进⼊入了了这种⻆色之后，将会作为从设备 (Slave) 在链路路中进⾏行行通信。

• 中央设备 (Central)：当观察者主动进⾏行行初始化，并建⽴立⼀一个物理理链路路时就会进⼊入这角色。这种角色在链路路中同样被称为主设备 (Master)。

1、BLE广播流程

1.1使⽤用 public 地址进行广播
使⽤用 public 地址进⾏行广播时，需要将 esp_ble_adv_params_t 成员 own_addr_type 设置为BLE_ADDR_TYPE_PUBLIC，广播流程图如下：

1.2使用可解析地址进⾏广播

使用可解析地址进⾏广播时，底层协议栈会 15 分钟更更新一次广播地址，需要将esp_ble_adv_params_t 成员 own_addr_type 设置为 BLE_ADDR_TYPE_RANDOM，⼴广播流程图如下：

1.3使用静态随机地址进⾏广播

与使⽤可解析地址进⾏广播一样，使用静态随机地址进行广播也需要将esp_ble_adv_params_t 成员 own_addr_type 设置为 BLE_ADDR_TYPE_RANDOM，⼴广播流程图如下：

2、BLE 广播类型介绍

BLE⼴广播主要有 5 种类型，分别为：可连接可扫描非定向广播 (Connectable scannable undirected event type)、⾼高占空⽐比定向⼴广播 (High duty cycle directed event type)、可扫描⾮非定向⼴广播 (Scannable undirected event type)、不不可连接⾮非定向⼴广播 (Non-connectable undirected event type)、可连接低占空⽐比定向⼴广播 (Connectable low duty cycle directed event type)。

二、GATT

ATT 属性协议规定了了在 BLE 中的最小数据存储单位，而 GATT 规范则定义了如何⽤用特性值和描述符表示⼀一个数据，如何把相似的数据聚合成服务 (Service)，以及如何发现对端设备拥有哪些服务和数据。

GATT 规范引进了了特性值的概念。这是由于在某些时候，一个数据可能并不只是单纯的数值，还会带有⼀些额外的信息：

•比如这个数据的单位是什什么？是重量量单位千克 kg、温度单位摄⽒氏度℃，还是其他单位；

•比如希望具体告知对⽅方这个数值的名称，例例如同为温度属性 UUID 下，希望告知对方该数据表示“主卧温度”，另⼀个数据表示“客厅温度”；

• 比如在表示 230000、 460000 等大数据时，可以增加指数信息，告知对⽅方该数据的指数是 10^4，这样仅需在空中传递 23、 46 即可。

因此GATT 规范引进了描述符的概念，每种描述符可以表达一种意思，⽤户可使⽤用描述符，描述数据的额外信息。必需说明的是，每个数据和描述符并⾮非一一对应，即一个复杂的数据可以拥有多个描述符，⽽而一个简单的数据可以没有任何描述符。
数据本身的属性值及其可能携带的描述符，构成了了特性 (Characteristic)* 的概念。数据特性包含以下几个部分：

• 特性声明 (Characteristic Declaration)：主要告诉对⽅方此声明后⾯面跟的内容为特性数值。从当前特性声明开始到下⼀一个特性声明之间的所有句句柄 (Handle) 将构成一个完整的特性。此外，特性声明还包括紧跟其后的特性数值的可写可读属性信息。

• 特性数值 (Characteristic Value)：特性的核⼼心部分，一般紧跟在特性声明后⾯面，承载特性的真正内容。

• 描述符 (Descriptor)：描述符可以对特性进⾏行行进⼀一步描述，每个特性可以有多个描述

符，也可以没有描述符。

BLE 协议中会把⼀些常⽤用的功能定义成一个个的服务 (Service)*，例如把电池相关的特性和行为定义成电池服务 (Battery Service)；把⼼心率测试相关的特性和⾏行行为定义成⼼心跳服务(Heart Rate Service)；把体重测试相关的特性和⾏行行为定义成体重服务 (Weight Scale Service)。

可以看到，每个服务包含若干个特性，每个特性包含若干个描述符。用户可以根据自己的应用需求选择需要的服务，并组成最终的产品应⽤用。

一个完整服务的特性定义参考如下：

基于 ESP32 IDF 建立 GATT 服务

属性表的结构体规定了了户为了描述⼀个属性⽽需要初始化的元素，通过esp_gatts_attr_db_t 进⾏定义，总结如下：

基于 ESP32 IDF 发现对⽅方设备的服务信息（GATT 客户端）
GATT 客户端需要具有发现对⽅方设备的服务和特性的功能 (Service Discovery)。不同的设备可能会使⽤不同的发现流程，下面以查找对方设备的 GATT 服务为例介绍一下 ESP32 IDF使用的服务发现过程：

• 首先发现对方所有的 Service 信息，包括 Service 的 UUID 和 Handle 范围

- GATT Service， UUID 0x1801， Handles 0x0001~0x0005

- GAP Service， UUID 0x1800， Handles 0x0014~0x001C

• 然后在 GATT 的 Handle 范围内 (0x0001~0x0005)，继续查找所有的特性 (0x2803)

- 找到特性 "Service Change Characteristic”， Handles 0x0002~0x0003

- 其中 0x0002 对应的是这个特性的特性声明

- 其中 0x0003 对应的是这个特性的特性值

- 所以每个特性⾄至少需要占据 2 个 Handle 的属性

• 既然 GATT Service 的 Handles 范围是 0x0001~0x0005，所以在 0x0003 后⾯面可能跟有相应的描述符，因此继续从 0x0004 开始查找所有的描述符

- 其中 0x0004 对应的是 “Client Characteristic Configuration” 描述符

- 其中 0x0005 暂时没有任何信息，可能是为这个 Service 预留留的 Handle

三、ATT

BLE 里面的数据以属性 (Attribute)方式存在，每条属性由四个元素组成：

• 属性句柄 (Attribute Handle)：正如我们可以使⽤用内存地址查找内存中的内容⼀一样，

ATT 属性的句句柄也可以协助我们找到相应的属性，例例如第⼀一个属性的句句柄是

0x0001，第二个属性的句句柄是 0x0002，以此类推，最⼤大可以到 0xFFFF。

• 属性类型 (Attribute UUID)：每个数据有⾃自⼰己需要代表的意思，例如表示温度、发射

功率、电池等各种各样的信息。蓝牙组织 (Bluetooth SIG) 对常用的⼀一些数据类型

进⾏了归类，赋予不同的数据类型不同的标识码 (UUID)。例如 0x2A09 表示电池信

息， 0x2A6E 表示温度信息。 UUID 可以是 16 ⽐比特的 (16-bit UUID)，也可以是 128 比

特的 (128-bit UUID)。

• 属性值 (Attribute Value)：属性值是每个属性真正要承载的信息，其他 3 个元素都是

为了让对⽅方能够更更好地获取属性值。有些属性的⻓长度是固定的，例例如电池属性

(Battery Level) 的⻓长度只有 1 个字节，因为需要表示的数据仅有 0~100%，⽽而 1 个字

节足以表示 1～100 的范围；⽽而有些属性的⻓长度是可变的，例例如基于 BLE 实现的透

传模块。

• 属性许可 (Attribute Permissions)：每个属性对各⾃自的属性值有相应的访问限制，⽐比

如有些属性是可读的、有些是可写的、有些是可读⼜又可写的等等。拥有数据的⼀一⽅方

可以通过属性许可，控制本地数据的可读写属性。

我们把存有数据（即属性）的设备叫做服务器器 (Server)，⽽而将获取别人设备数据的设备叫做客户端 (Client)。下⾯面是服务器和客户端间的常⽤用操作：

• 客户端给服务端发数据，通过对服务器器的数据进行写操作 (Write)，来完成数据发送工作。写操作分两种，一种是写⼊入请求 (Write Request)，一种是写⼊入命令 (WriteCommand)，两者的主要区别是前者需要对⽅方回复响应 (Write Response)，⽽而后者不需要对⽅方回复响应。

• 服务端给客户端发数据，主要通过服务端指示 (Indication) 或者通知 (Notification) 的

形式，实现将服务端更更新的数据发给客户端。与写操作类似，指示和通知的主要区

别是前者需要对⽅方设备在收到数据指示后，进⾏行行回复 (Confirmation)。

• 客户端也可以主动通过读操作读取服务端的数据

服务器器和客户端之间的交互操作都是通过上述的消息 ATT PDU 实现的。每个设备可以指定自己设备⽀支持的最⼤大 ATT 消息⻓长度，我们称之为 MTU。 ESP32 IDF ⾥里里⾯面规定 MTU 可以设置的范围是 23~517 字节，对属性值的总⻓长度没有做限制。

如果用户需要发送的数据包⻓长度⼤大于 (MTU-3)*，则需要调⽤用准⼊入写入请求 (Prepare Write Request) 来完成数据的写操作。同理理，在读取一个数据时候，如果数据的长度超过 (MTU- 1)，则需要通过大对象读取请求 (Read Blob Request) 来继续读取剩余的值。