2. 蓝牙协议基础与GATT结构

蓝牙低功耗（BLE）协议栈采用分层架构，其中 GATT（Generic Attribute Profile） 是应用层与数据交互的核心接口。理解 GATT 的层次模型——服务（Service）、特征（Characteristic）、描述符（Descriptor）——是构建与测试 Mock 蓝牙设备的基石。本章从协议栈原理出发，深入拆解 GATT 结构，并给出可落地的实现、调试与优化指南。

2.1 蓝牙协议栈层次

BLE 协议栈按功能划分为三大层，GATT 位于 Host 层顶部，直接面向应用：

• Controller：物理层（PHY）+ 链路层（LL），负责射频收发、连接状态管理。
• Host：包含 L2CAP、SMP、ATT 和 GATT。其中 ATT（属性协议） 提供属性读写框架，GATT 在其上定义属性组织方式。
• Application：用户业务逻辑，通过 GATT API 与对端交互。

在 Mock 测试中，通常模拟 Host 层以上的 GATT 行为，以验证应用层的正确性。

2.2 GATT 结构核心概念

GATT 将数据组织为树形层次结构，从顶层到底层依次为：

1. 服务（Service）：逻辑功能单元，例如“电池服务”、“设备信息服务”。由 UUID 唯一标识。
2. 特征（Characteristic）：具体数据项，包含一个值和若干属性（读、写、通知等）。每个服务可包含多个特征。
3. 描述符（Descriptor）：特征的元数据或配置项，例如“客户端特征配置描述符（CCCD）”用于开启通知。每个特征可包含多个描述符。

所有元素均通过 UUID 区分，标准 UUID（16 位）由 Bluetooth SIG 定义，自定义 UUID（128 位）用于私有协议。

2.3 服务、特征、描述符对比

2.4 UUID 与蓝牙规范

UUID 是 GATT 元素的唯一标识。Bluetooth SIG 定义的 16 位标准 UUID 对应通用服务/特征，128 位自定义 UUID 用于厂商私有扩展。Mock 设备应优先复用标准 UUID 以提高互操作性，仅在必要时定义私有 UUID。

// 标准 UUID 示例（16 位）
#define UUID_BATTERY_SERVICE  0x180F
#define UUID_BATTERY_LEVEL    0x2A19

// 自定义 UUID 示例（128 位，用于 Mock 私有服务）
#define UUID_MOCK_SERVICE     "12345678-1234-5678-1234-56789abcdef0"
#define UUID_MOCK_DATA_CHAR   "12345678-1234-5678-1234-56789abcdef1"

2.5 实现流程与代码示例

实现 GATT 结构通常遵循以下步骤：

1. 规划服务、特征、描述符的 UUID 和权限。
2. 注册服务到 GATT 数据库。
3. 为每个特征添加回调函数（读、写、通知）。
4. 配置描述符（如 CCCD）以支持通知/指示。
5. 启动广播或连接等待对端访问。

以下示例基于 Zephyr BLE 栈，展示一个包含“模拟传感器服务”的 GATT 结构定义：

/* 服务与特征 UUID */
#define BT_UUID_MOCK_SERVICE_VAL \
    BT_UUID_128_ENCODE(0x00001234, 0x1234, 0x5678, 0x9abc, 0xdef012345678)
#define BT_UUID_MOCK_DATA_VAL \
    BT_UUID_128_ENCODE(0x00001234, 0x1234, 0x5678, 0x9abc, 0xdef012345679)

static struct bt_gatt_attr mock_attrs[] = {
    BT_GATT_PRIMARY_SERVICE(BT_UUID_DECLARE_128(BT_UUID_MOCK_SERVICE_VAL)),
    BT_GATT_CHARACTERISTIC(BT_UUID_DECLARE_128(BT_UUID_MOCK_DATA_VAL),
                           BT_GATT_CHRC_READ | BT_GATT_CHRC_NOTIFY,
                           BT_GATT_PERM_READ,
                           mock_data_read_cb, NULL, &mock_data_val),
    BT_GATT_CCCD(&mock_ccc_cfg, BT_GATT_PERM_READ | BT_GATT_PERM_WRITE),
    BT_GATT_DESCRIPTOR(BT_UUID_DECLARE_16(0x2901),
                       BT_GATT_PERM_READ,
                       mock_user_desc_read_cb, NULL, "Mock Sensor Data"),
};

static struct bt_gatt_service mock_svc = BT_GATT_SERVICE(mock_attrs);
bt_gatt_service_register(&mock_svc);

客户端侧（Python + bleak）扫描并发现上述服务：

import asyncio
from bleak import BleakScanner, BleakClient

async def discover_gatt():
    device = await BleakScanner.find_device_by_name("MockSensor")
    async with BleakClient(device) as client:
        for service in client.services:
            print(f"Service: {service.uuid}")
            for char in service.characteristics:
                print(f"  Characteristic: {char.uuid}  properties: {char.properties}")
                for desc in char.descriptors:
                    print(f"    Descriptor: {desc.uuid}")

asyncio.run(discover_gatt())

2.6 调试 GATT 结构

• 协议分析仪：使用 nRF Connect（手机端）或 Wireshark（配合 BLE 嗅探器）查看完整 GATT 树。
• ATT 错误码：返回 0x02（无效句柄）通常表示 UUID 或句柄不匹配；0x08（权限不足）检查回调权限配置。
• 日志输出：在服务注册、读写回调中增加日志，确认 GATT 操作流向。

// 启用 Zephyr BLE 日志（prj.conf）
CONFIG_BT_DEBUG_ATT=y
CONFIG_BT_DEBUG_GATT=y

2.7 常见错误与解决方案

2.8 性能与稳定性优化

• 精简结构：单个 Service 包含 3~5 个 Characteristic 为宜，避免单个服务过深或过宽，降低 ATT 遍历耗时。
• 合并通知：多条数据可通过同一个 Characteristic 分批次发送，减少连接间隔内的数据包数量。
• MTU 适配：在连接后协商 MTU（最大传输单元），使单次 GATT 操作承载更多数据，减少交互次数。
• 描述符复用：多个特征共享同一描述符配置时（如相同的 CCCD 处理逻辑），使用 BT_GATT_CCC_CACHING 减少内存占用。

// MTU 协商示例（Zephyr）
void mtu_updated(struct bt_conn *conn, uint16_t mtu) {
    printk("MTU updated: %d\n", mtu);
}
// 注册回调
BT_CONN_CB_DEFINE(conn_callbacks) = {
    .mtu_updated = mtu_updated,
};