现在低功耗蓝牙(BLE)连接都是建立在 GATT (Generic Attribute Profile) 协议之上。GATT 是一个在蓝牙连接之上的发送和接收很短的数据段的通用规范,这些很短的数据段被称为属性(Attribute)。
- GAP
详细介绍 GATT 之前,需要了解 GAP(Generic Access Profile),它在用来控制设备连接和广播。GAP 使你的设备被其他设备可见,并决定了你的设备是否可以或者怎样与合同设备进行交互。例如 Beacon 设备就只是向外广播,不支持连接,小米手环就等设备就可以与中心设备连接。
设备角色
GAP 给设备定义了若干角色,其中主要的两个是:外围设备(Peripheral)和中心设备(Central)。
- 外围设备:这一般就是非常小或者简单的低功耗设备,用来提供数据,并连接到一个更加相对强大的中心设备。例如小米手环。
- 中心设备:中心设备相对比较强大,用来连接其他外围设备。例如手机等。
- 广播数据
在 GAP 中外围设备通过两种方式向外广播数据: Advertising Data Payload(广播数据)和 Scan Response Data Payload(扫描回复),每种数据最长可以包含 31 byte。这里广播数据是必需的,因为外设必需不停的向外广播,让中心设备知道它的存在。扫描回复是可选的,中心设备可以向外设请求扫描回复,这里包含一些设备额外的信息,例如设备的名字。
- 广播流程
GAP 的广播工作流程如下图所示。
从图中我们可以清晰看出广播数据和扫描回复数据是怎么工作的。外围设备会设定一个广播间隔,每个广播间隔中,它会重新发送自己的广播数据。广播间隔越长,越省电,同时也不太容易扫描到。
- 广播的网络拓扑结构
大部分情况下,外设通过广播自己来让中心设备发现自己,并建立 GATT 连接,从而进行更多的数据交换。也有些情况是不需要连接的,只要外设广播自己的数据即可。用这种方式主要目的是让外围设备,把自己的信息发送给多个中心设备。因为基于 GATT 连接的方式的,只能是一个外设连接一个中心设备。使用广播这种方式最典型的应用就是苹果的 iBeacon。广播工作模式下的网络拓扑图如下:
GATT 的全名是 Generic Attribute Profile(姑且翻译成:普通属性协议),它定义两个 BLE 设备通过叫做 Service 和 Characteristic 的东西进行通信。GATT 就是使用了 ATT(Attribute Protocol)协议,ATT 协议把 Service, Characteristic遗迹对应的数据保存在一个查找表中,次查找表使用 16 bit ID 作为每一项的索引。
一旦两个设备建立起了连接,GATT 就开始起作用了,这也意味着,你必需完成前面的 GAP 协议。这里需要说明的是,GATT 连接,必需先经过 GAP 协议。实际上,我们在 Android 开发中,可以直接使用设备的 MAC 地址,发起连接,可以不经过扫描的步骤。这并不意味不需要经过 GAP,实际上在芯片级别已经给你做好了,蓝牙芯片发起连接,总是先扫描设备,扫描到了才会发起连接。
GATT 连接需要特别注意的是:GATT 连接是独占的。也就是一个 BLE 外设同时只能被一个中心设备连接。一旦外设被连接,它就会马上停止广播,这样它就对其他设备不可见了。当设备断开,它又开始广播。
中心设备和外设需要双向通信的话,唯一的方式就是建立 GATT 连接。
GATT可以被Application或其他Profile使用,其协议栈如下图
GATT可以配置为如下两种角色(Role)
- Client : 命令、请求发起方 - Server : 命令、请求接收方
角色配置实例如下:
Computer是一个温度服务客户端, Sensor是温度服务服务器
Computer向Sensor发起Procedure来读Sensor的值
GATT对蓝牙协议下层的需求如下
- Physical Link : 使用GAP Channel Establishment建立的ATT Bearer - GATT Role: 不依赖于Coontroller角色(Master/Slave) - Security: 对于LE,Security Features(Authorization、Authentication、Encryption)是可选的 对于BR/EDR, Encryption是强制的 - TX order: GATT中的多字节字段,采用Little Endian
- GATT Profile Hierarchy
GATT指定了数据交互的结构(Structure);这个结构体定义了一些基本元素,如Service、Characteristic
这些元素存在于Attribute中
Profile并不是实际存在于 BLE 外设上的,它只是一个被 Bluetooth SIG 或者外设设计者预先定义的 Service 的集合,由一个或多个服务(Service)组成。服务是由Characteristics组成,或是其他服务的引用(Include),Characteristic包含一个值(Value),可能还包含该Value的相关信息。
Service
Service是[数据]和与之关联的[完成某个特定功能的行为]or[特性]的集合,在GATT中,一个服务由服务定义(Service Defintion)来实现,一个服务定义可能包含引用服务(referenced Service)、必要Characteristic和可选Characteristic。
Server有两类
- Primary Service : 拥有基本功能的服务,可被其他服务包含,可以通过Primary Service Discovery过程来发现 - Secondary Service : 仅用来被Primary/Other Secondary Service、高层协议引用的服务
Service definition如下:
Service必须包括一个服务声明(service declaration),可能包含包含零个或者多个Include和Characteristic。服务定义中的Include Definitions和Characteristic Definitions被认为是服务的一部分。服务定义中的顺序为
Service Declaration ~ Include Definitions(>=0) ~ Characteristic Definitions(>=0)
服务声明是一个Attribute,其中Attribute type是一个UUID,分别是0x2800(Primary Service)或者0x2801(Secondary Service)。从服务声明0x2800开始到下一个0x2800属性(即新的服务声明)之间的内容都属于同一个Service,也就是说它没有一个Length来直接说明它多长或多少个数据项。在上图Profile中,一个Profile至少包含一个Service,Gatt discover过程会以0x2800为界限,将两个0x2800中的所有属性划归为前后一个以0x2800开始的Service。服务声明的Attribute Value是第一个服务的UUID。
每个 Service 有一个 UUID 唯一标识。 UUID 有 16 bit 的,或者 128 bit 的。16 bit 的 UUID 是官方通过认证的(参考《16-bit UUID Numbers Document.pdf》),需要花钱购买,也可以自己随便设置。
Included Service(referenced Service)
一个Included Service是一种引用已存在服务的方法,具体办法为在服务定义的开始加上Included Service的引用,这样整个Included Service定义成为新服务定义的一部分。
它是一个Attribute,Attribute Type=0x2802。Attribute Type存储了Attribute Handle或服务的UUID,注意Handle并不真实存在和存储,它只是在远程蓝牙设备里面的程序构建GATTService时创建的、被程序识别和使用。
如果一个Service的Include Definition(A)是引用其他Server的Include Definition(B),那么Include Definition(B)不应该引用Include Definition(A),否则就是循环引用(Circular Reference),当一个Client检测到循环引用或detects nested include declarations to a greater level than it expects,Client应当终止本次通信(ATT Bearer)
Characteristic
由Characteristic Definition定义,包含一个Characteristic声明、Characteristic属性、值、值的描述(Optional)
- Characteristic Declaration : First - Characteristic Value declaration : Second - Characteristic Descriptor Declarations(Optional) : Last(含多个时顺序不关紧要)
Characteristic:在 GATT 事务中的最低界别的是 Characteristic,它是最小的逻辑数据单元,当然它可能包含几个关联的数据,例如加速度计的 X/Y/Z 三轴值。
Characteristic声明,Attribute Type=0x2803,与 Service 类似,从特性声明0x2803开始到下一个0x2803之间的内容都同属于一个特性。
Characteristic声明Attribute Value是特性Value的“特性Properties+属性Handle+特性UUID”(注意Properties和Handle是程序添加的,不是真实存在,实际存储中Characteristic声明Attribute Value只有特性UUID)。
特性Properties的用法,比如可用于广播、可读、可写等。
属性Handle是程序用来标识一个属性,它指向定特性里面的第一个属性值得Handle。因GATT是基于ATT的,所以Profile实际就是属性列表,成为为每个属性用一个Handle标识,制作成一个表,Handle值是按顺序生成的:
上面表格中,Handle为0x0012和0x0013才是一个正常的Characteristic的Value。它也是一个Attribute,可以免费使用 Bluetooth SIG 官方定义的标准 Characteristic,Attribute Type是个UUID,由官方定义的(参考《16-bit UUID Numbers Document.pdf》),可以确保 BLE 的软件和硬件能相互理解。当然,你可以自定义 Characteristic,这样的话,就只有你自己的软件和外设能够相互理解。
以上面表格为例:表中是一个Service,Service UUID=0x180F,查《16-bit UUID Numbers Document.pdf》知道这是电池服务。电池服务特性声明是0x2803,Value指出首个特性的UUID是0x2A19。查《16-bit UUID Numbers Document.pdf》知道特性0x2A19是电量计数,Value域中包含了电池的当前电量。
特性描述配置(这里只是简单介绍)的属性类型0x2902(查《16-bit UUID Numbers Document.pdf》),这样客户端在discover时能知道这个特性描述配置是从属于当前特性的,因为两个特性之间的所有属性同属于前一个特性。特性配置描述支持客户端的订阅,并存储客户端的订阅Handle。当特性值发生变化时,通知客户端的订阅者。针对电池服务来说,当电量发生改变时,通知客户端。
实际上,和 BLE 外设打交道,主要是通过 Characteristic。你可以从 Characteristic 读取数据,也可以往 Characteristic 写数据。这样就实现了双向的通信。所以你可以自己实现一个类似串口(UART)的 Sevice,这个 Service 中包含两个 Characteristic,一个被配置只读的通道(RX),另一个配置为只写的通道(TX)。
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Configured Broadcast
对于LE物理链路,在Server广播模式过程中,Client通过Configured Broadcast告知Server应该在advertising data加入Characteristic Value,方法是Client设置指定bit位;广播频率则是Service、Characteristic行为定义的一部分 -
Summary of GATT Profile Attribute Types
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GATT 连接的网络拓扑
下图展示了 GTT 连接网络拓扑结构。这里很清楚的显示,一个外设只能连接一个中心设备,而一个中心设备可以连接多个外设。ConnectedTopology一旦建立起了连接,通信就是双向的了,对比前面的 GAP 广播的网络拓扑,GATT 通信是双向的。如果你要让两个设备外设能通信,就只能通过中心设备中转。
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GATT 通信事务
ATT 通信的双方是 C/S 关系。外设作为 GATT 服务端(Server),它维持了 ATT 的查找表以及 service 和 characteristic 的定义。中心设备是 GATT 客户端(Client),它向 Server 发起请求。需要注意的是,所有的通信事件,都是由客户端(也叫主设备,Master)发起,并且接收服务端(也叫从设备,Slave)的响应。
一旦连接建立,外设将会给中心设备建议一个连接间隔(Connection Interval),这样,中心设备就会在每个连接间隔尝试去重新连接,检查是否有新的数据。但是,这个连接间隔只是一个建议,你的中心设备可能并不会严格按照这个间隔来执行,例如你的中心设备正在忙于连接其他的外设,或者中心设备资源太忙。
下图展示一个外设(GATT 服务端)和中心设备(GATT 客户端)之间的数据交换流程,可以看到的是,每次都是主设备发起请求:
- Overview
GATT中定义了11项Feature
. Server Configuration. Primary Service Discovery. Relationship Discovery. Characteristic Discovery. Characteristic Descriptor Discovery. Reading a Characteristic Value. Writing a Characteristic Value. Notification of a Characteristic Value. Indication of a Characteristic Value. Reading a Characteristic Descriptor. Writing a Characteristic Descriptor
每个Feature都有对应的过程和子过程,这些过程描述了如何使用ATT来实现各自的功能。
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Feature Support and Procedure Mapping
本节内容省略,请参阅协议。 -
Server Configuration
该过程可被Client用来配置Attribute Protocol的MTU大小
Exchange MTU
Client使用该子过程来设置适配双方均支持的最大ATT_MTU,在BR/EDR物理链路中不应该使用该过程,而应该使用L2CAP Channel Configuration Procedures。该过程对应于ATT的MTU Exchange Request/Response,见 -
Primary Service Discovery
Client使用该过程来发现服务端的Primary Services。一旦发现服务存在,可通过其他过程来访问Primary Services的附加信息(关联主服务和次服务),可使用的其他过程包括Characteristic Discovery和Relationship Discovery。
该过程包括两个子过程:
- Discover All Primary Services- Discover Primary Services by Service UUID
在BR/EDR物理链路上则使用SDP service discovery来发现服务
- Discover All Primary Services
Client使用该子过程来发现服务端的所有Primary Services。该子过程使用ATT的Read By Group Type Request,同时设置如下参数
- Starting Handle : 0x0001- Ending Handle : 0xFFFF- Attribute Type : UUID for <Primary Service>
可能的回应有
- Read By Group Type Response- Error Response
Read By Group Type Response返回三元组列表,三元组包括
- Attribute Handle : 服务声明的Handle- End Group Handle : 服务定义中最后一个Attribute的Handle- Attribute Value : 服务端支持的服务的Service UUID
当收到Error Response时;则表明该过程已经完成。
当Client找到自己所需要的服务时,可以终止该过程。
Note: 3.1中已指出Service Declaration是可读,并且不需要认证或授权;因此权限相关的错误不会发生
下图是一个实例图
- Discover Primary Service by UUID
当Client知道了Service UUID时,可以使用该子过程来发现对应的主服务
该子过程使用ATT的Find By Type Value Request,同时设置参数如下
- Starting Handle : 0x0001- Ending Handle : 0xFFFF- Attribute Value : 16-bit Bluetooth UUID or 128-bit UUID- Attribute Type : UUID for <Primary Service>
可能的回应有
- Find By Type Value Response- Error Response
Find By Type Value Response返回Attribute Handle ranges列表,Attribute Handle range即服务定义的Starting Handle和Ending Handle,如果Attribute Handle range中的End Found Handle不是0xFFFF;那么Client将会再请求一次Req,同时将Starting Handle设置为收到的最后一个Attribute Handle+1
终止规则和权限问题同Discover All Primary Services
下图是一个实例图
- Relationship Discovery
Client使用该过程来发现和其他服务的服务关系
- Find Include Services
Client使用该子过程来发现一个服务定义包含的服务申明
该子过程使用ATT的Read By Type Request,同时设置参数如下
- Starting Handle : 所要查找服务的Starting Handle- Ending Handle : 所要查找服务的Ending Handle- Attribute Type : UUID for <Include>
可能的回应有
- Find By Type Response- Error Response
Find By Type Response返回[Attribute Handle, Attribute Value]集合对,Attribute Value由所包含服务申明的Attribute Handle和End Group Handle组成,当UUID为16-bit Bluetooth UUID时,那么它也将包含在Rsp中
该Req应该被再次请求,同时设置Starting Handle为为收到的最后一个Attribute Handle+1
当Rsp中包含的服务申明中Attribute Handle等于Req的Ending Handle时,该子过程被认为完成(当然Attribute Not Found-Error Rsp也是)
当Include Service使用128-bit UUID时,使用Read Request来获取Include Service UUID,其中Attribute Handle参数设置为Include Service的Attribute Handle
权限规则同上面
下图是一个实例图
来源地址:https://blog.csdn.net/suwen8100/article/details/131301218