蓝牙体系与协议栈分层

很多人学 BLE 一上来就钻 GATT，结果调不通时完全不知道问题在链路层还是主机层。先把分层心智模型建立起来，后面所有问题都能"对号入座"。

下面先给一张从上到下的协议栈全景图，建立整体心智模型；后面章节再逐层展开。

BLE 协议栈（从上到下）

应用层 / Profile
  └ 业务逻辑、具体服务（心率 / OTA / 透传…）

HOST（主机层 · 软件，运行在 MCU / CPU 上）
  ├─ GAP   通用访问规范：角色 / 广播 / 连接 / 安全
  ├─ GATT  通用属性规范：服务 / 特征（建立在 ATT 上）
  ├─ ATT   属性协议：Client/Server 读写的最小单位
  ├─ SMP   安全管理：配对 / 绑定 / 加密 / 密钥分发
  ├─ L2CAP 逻辑链路适配：信道复用 / 分段与重组
  └─ HCI   主机-控制器接口：命令 / 事件 / 数据通道

CONTROLLER（控制器层 · 蓝牙芯片固件）
  ├─ Link Layer  链路层：广播 / 扫描 / 连接 / 跳频 / CRC
  └─ PHY        物理层：2.4GHz / GFSK / 40 信道

说明：HOST 与 CONTROLLER 是两个大分区，不是单独一层；GAP / GATT / ATT / SMP / L2CAP / HCI 都在 HOST 内，Link Layer 与 PHY 在 CONTROLLER 内，HCI 是两者的边界。

一、双模与单模

蓝牙分 BR/EDR（经典蓝牙，音频/文件传输）和 BLE（低功耗，传感/控制）。本文只聊 BLE。一颗 BLE SoC（如 nRF52、CC26xx、DA145xx）跑的是"单模 LE 协议栈"。

二、协议栈四层

从下到上：

1. PHY（物理层）：2.4GHz ISM 频段，40 个信道（3 个广播信道 37/38/39 + 37 个数据信道），GFSK 调制。4.2 之前只有 1M PHY，5.0 起支持 Coded PHY（远距离）和 2M PHY（高速）。
2. Link Layer（链路层）：最核心。负责设备状态机（Standby / Advertising / Scanning / Initiating / Connection）、自适应信道跳频、CRC、接入地址、连接管理。它直接决定功耗和连接稳定性。
3. HCI（主机控制接口）：Controller 与 Host 之间的命令/事件/数据通道。单芯片方案里它是内部函数调用；分离架构（如 USB 蓝牙棒、外挂蓝牙模块）上才是真实的串口/HCI 报文。
4. Host（主机层）：
5. L2CAP：复用、分片与重组（MTU 超过 27 字节时在这里分包）
6. ATT：属性协议，读写属性的最小单位
7. GATT：基于 ATT 的服务/特征值抽象（应用层直接打交道的是它）
8. SMP/SM：安全管理、配对绑定
9. GAP：设备角色、广播、连接控制

三、Controller 与 Host 的两种落地

• 单芯片协议栈（nRF52 的 SoftDevice、Zephyr 的 Host+Controller）：都在 SoC 上，HCI 是内部 API。
• 双芯片（MCU + 蓝牙模块）：通过 UART(HCI) 或裸 AT 指令通信。

四、为什么分层重要（排错地图）

• 搜不到 / 连不上 → 看 Link Layer + GAP（广播/扫描参数）
• 连上但读不到数据 → 看 GATT / ATT（UUID、权限、CCCD）
• 连上频繁断 → 看 Link Layer（supervision timeout、干扰、跳频）
• 数据被窃听 → 看 SMP（配对方式）

实战要点：调试 BLE 先判断问题在哪一层，再选工具——空口问题用 Sniffer，应用层问题看 GATT 日志，连接稳定性问题看 Link Layer 参数。