3. BLE 协议栈基础：GAP 与 GATT 角色、广播与扫描、连接建立过程、MTU 与 PDU 结构
做 BLE 开发，绕不开两个核心协议：GAP 和 GATT。
我刚开始接触时，也分不清它们到底管什么。后来踩了几个坑才明白——GAP 管“怎么找到对方”，GATT 管“找到之后怎么交换数据”。说白了，一个管连接前，一个管连接后。
3.1 GAP 角色：谁在说话，谁在听？
GAP（Generic Access Profile）定义了设备在无线网络中的四种角色。你想想看，一个蓝牙设备不可能既是广播者又是扫描者——同一时刻只能选一个。
| 角色 | 方向 | 典型场景 |
|---|---|---|
| Broadcaster（广播者） | 只发不收 | 信标、温湿度传感器 |
| Observer（观察者） | 只收不发 | 扫描仪、网关 |
| Peripheral（外设） | 可连接广播 | 手环、心率带 |
| Central（中心） | 主动扫描并发起连接 | 手机、平板 |
我的经验：做低功耗产品时，我习惯把传感器设成 Peripheral 角色，手机做 Central。但如果你做的是网关，Observer 角色就够了——只收不发，功耗更低。
3.2 广播与扫描：连接前的“打招呼”
广播和扫描，是 BLE 连接的第一步。设备通过广播信道（37/38/39）发送数据包，扫描设备则在三个信道上轮流监听。
广播包分两种：
- 可连接广播（Connectable Advertising）：扫描设备可以发起连接请求。
- 不可连接广播（Non-connectable Advertising）：只发不收，适合信标。
扫描也有两种模式：
- 被动扫描（Passive Scanning）：只收广播包，不发请求。
- 主动扫描（Active Scanning）：收到广播后，发送 SCAN_REQ 获取更多数据。
注意：主动扫描会增加功耗。我曾经在一个网关项目里用了主动扫描，结果电池撑不到两天。后来改成被动扫描 + 延长扫描间隔，续航直接翻倍。
3.3 连接建立过程：从广播到数据通道
连接建立，说白了就是“你发广播，我发请求，然后握手”。流程如下：
- Peripheral 发送可连接广播（包含设备地址、广播数据）
- Central 收到广播后，发送 CONNECT_REQ（包含连接参数）
- 双方切换到数据信道（37 个数据信道之一）
- 开始按连接间隔交换数据
连接参数里，最关键的三个：
- 连接间隔（Connection Interval）：7.5ms ~ 4s，越小功耗越高，但延迟低。
- 从机延迟（Slave Latency）：允许从机跳过几次数据交换，省电。
- 监督超时（Supervision Timeout）：超过这个时间没收到包，就认为连接断开。
避坑指南：我曾经把连接间隔设成 7.5ms，结果手机端功耗爆炸。后来改成 30ms + 从机延迟 4，功耗降了 60%。记住：低功耗不是靠缩短连接间隔，而是靠拉长间隔 + 合理利用从机延迟。
3.4 GATT 角色：连接后的“数据通道”
连接建立后，GATT（Generic Attribute Profile）开始工作。它定义了两种角色：
- GATT Server：提供数据的一方（如传感器）
- GATT Client：读取/写入数据的一方（如手机 App）
GATT 的数据结构是分层的：
- Service（服务）：一组相关功能的集合，比如“电池服务”
- Characteristic（特征）：具体的数据点，比如“电池电量百分比”
- Descriptor（描述符）：特征的附加信息，比如“电量单位是 %”
每个 Characteristic 都有属性：
- Read：客户端可以读
- Write：客户端可以写
- Notify/Indicate：服务端主动推送数据
我的习惯：Notify 比 Indicate 更省电，因为 Indicate 需要客户端确认。做数据采集时，我优先用 Notify，除非数据必须可靠传输。
3.5 MTU 与 PDU 结构：数据包长什么样？
MTU（Maximum Transmission Unit）是 BLE 连接中一次能传输的最大数据长度。默认是 23 字节（包含 3 字节头 + 20 字节有效载荷）。
但你可以通过 MTU 协商把它变大。流程很简单：
- 客户端发送
MTU Exchange Request - 服务端回复
MTU Exchange Response - 双方取较小的值作为最终 MTU
MTU 最大能到 247 字节（BLE 4.2）或 512 字节（BLE 5.0）。
注意：MTU 协商必须在连接建立后、数据交换前完成。我见过有人先发数据再协商 MTU，结果数据被截断——嗯，这个坑我踩过。
PDU（Protocol Data Unit）是 BLE 数据包的基本单位。结构如下：
| 字段 | 长度 | 说明 |
|---|---|---|
| Header | 2 字节 | 包含 PDU 类型、长度、LLID 等 |
| Payload | 0~251 字节 | 实际数据内容 |
| MIC | 4 字节 | 消息完整性校验（加密时才有） |
PDU 类型包括：
- LL_CONNECT_REQ：连接请求
- LL_DATA：数据包
- LL_EMPTY：空包（用于保持连接）
- LL_TERMINATE_IND：断开连接
关键点：MTU 是应用层能用的最大数据长度，PDU 是链路层实际传输的数据单元。MTU 协商后，应用层一次能发更多数据，但链路层还是按 PDU 分包发送。
3.6 知识结构图：GAP 与 GATT 的关系
下面这张图，帮你理清 GAP 和 GATT 在整个 BLE 协议栈中的位置：
3.7 小结：记住这几点就够了
- GAP 管连接前，GATT 管连接后
- 广播是单向的，扫描是接收端的行为
- 连接建立靠 CONNECT_REQ，参数决定功耗
- MTU 越大，单次传输数据越多，但协商必须在数据交换前完成
- PDU 是链路层的数据单元，MTU 是应用层能用的最大长度
最后一句：做 BLE 开发，别急着写代码。先把 GAP 和 GATT 的角色搞清楚，再动手——省得后面改来改去。