2、BLE协议栈基础：物理层、链路层、L2CAP、ATT/GATT 层次结构

做BLE吞吐测试，你得先搞清楚协议栈长什么样。

很多人一上来就调参数、改MTU，结果吞吐死活上不去。为什么？因为他不理解每一层在干什么。我刚开始做蓝牙开发时也犯过这毛病，后来被一个老工程师点醒——「你不懂协议栈，你调什么参数？」

好，今天我们就一层层剥开BLE协议栈。从最底下的物理层，一直看到最上面的应用层。

2.1 整体架构：四层模型

BLE协议栈分四层，从下往上分别是：

• 物理层（PHY）—— 负责发比特流，管频率、调制、速率
• 链路层（LL）—— 负责连接管理、重传、加密
• L2CAP —— 负责数据分包重组、通道复用
• ATT/GATT —— 负责数据读写、服务发现

说白了，数据从应用层往下走，每层加点头部信息，到物理层变成无线电波飞出去。对面收到后，再一层层剥开，拿到原始数据。

我画了张图，帮你直观理解这个结构：

2.2 物理层（PHY）—— 最底层的速度基础

物理层负责把比特变成无线电波。BLE在2.4GHz频段工作，和Wi-Fi、Zigbee挤在一起。

BLE物理层有三种模式：

PHY模式	原始速率	有效吞吐（估算）	适用场景
1M PHY	1 Mbps	~700 kbps	兼容性最好，默认模式
2M PHY	2 Mbps	~1.4 Mbps	高吞吐场景，BLE 5.0引入
LR PHY (长距离)	125/500 kbps	~80-350 kbps	远距离、低速率

你想想看，2M PHY的原始速率是1M的两倍，但实际吞吐能翻倍吗？不一定。因为协议开销还在那里。

2.3 链路层（LL）—— 连接的心脏

链路层是BLE协议栈里最复杂的一层。它管三件事：

• 连接管理—— 建立连接、断开连接、调整连接参数
• 数据重传—— 丢包了自动重发，保证可靠性
• 加密—— AES-128加密，保证数据安全

链路层的工作方式是「事件驱动」。主设备和从设备约定好时间点，到了时间就交换数据。这个时间点叫连接事件（Connection Event）。

连接事件有两个关键参数：

参数	含义	对吞吐的影响
Connection Interval	两个连接事件之间的间隔	间隔越小，吞吐越高，但功耗也高
Slave Latency	从设备可以跳过的事件数	跳过的越多，吞吐越低，但省电

举个例子。连接间隔设成7.5ms（最小值），每个事件能发4个包（LL Data Length Extension支持）。那么一秒钟大概能发：

1000ms / 7.5ms ≈ 133 个事件
每个事件 4 个包
总共 ≈ 532 个包/秒

如果每个包能带251字节数据，那理论吞吐就是：

532 × 251 × 8 ≈ 1.07 Mbps

嗯，这里要注意。这只是链路层的理论值。到了L2CAP和ATT层，还要再打折扣。

2.4 L2CAP —— 数据的分包与重组

L2CAP在链路层之上，负责两件事：

• 数据分包—— 把上层的大数据包切成链路层能处理的小包
• 通道复用—— 多个应用可以共用同一个连接

L2CAP有个重要概念叫MTU（Maximum Transmission Unit）。它决定了上层一次能发多少数据。

BLE 4.2之前，L2CAP的MTU默认是23字节。你没看错，23字节。去掉3字节的ATT头部，实际有效数据只有20字节。这就是为什么老版本的BLE吞吐那么低。

BLE 4.2引入了LE Data Length Extension，把链路层的数据包从27字节扩展到了251字节。L2CAP的MTU也跟着涨到了247字节左右。

到了BLE 5.0，又引入了LE 2M PHY，速率翻倍。但L2CAP的MTU没变，还是247字节。

BLE版本	链路层包大小	L2CAP MTU	有效数据（ATT层）
4.0 / 4.1	27 字节	23 字节	20 字节
4.2	251 字节	247 字节	244 字节
5.0+	251 字节	247 字节	244 字节

2.5 ATT/GATT —— 应用层的读写接口

ATT（Attribute Protocol）定义了数据的读写方式。GATT（Generic Attribute Profile）定义了数据的组织方式。

说白了，ATT是「怎么读写」，GATT是「读写什么」。

ATT有6种操作：

• Request / Response —— 一问一答，可靠但慢
• Command —— 只发不问，快但不可靠
• Notification —— 从设备主动推数据，不需要确认
• Indication / Confirm —— 从设备主动推数据，需要确认

吞吐测试时，我们一般用Notification。为什么？因为它不需要确认，可以连续发。Indication要等确认，效率低一半。

GATT把数据组织成Service和Characteristic。一个Service包含多个Characteristic，每个Characteristic有一个Value。我们读写的就是这个Value。

2.6 各层对吞吐的影响总结

好，我们把四层串起来，看看每一层对吞吐的影响：

层次	影响吞吐的关键因素	优化方向
物理层	PHY模式（1M/2M/LR）	切换到2M PHY
链路层	连接间隔、Data Length	缩小连接间隔，启用DLE
L2CAP	MTU大小	协商MTU到最大值
ATT/GATT	操作类型（Notification vs Indication）	使用Notification，避免等待确认

你看，每一层都有瓶颈。只优化一层，效果有限。必须四层一起调，才能把吞吐拉满。