藍牙BLE: GATT Profile 簡介(GATT 與 GAP)

本文轉載自查看原文 2019-09-11 17:26 2992 藍牙技術相關

一. 引言

現在低功耗藍牙（BLE）連接都是建立在 GATT (Generic Attribute Profile) 協議之上。GATT 是一個在藍牙連接之上的發送和接收很短的數據段的通用規范，這些很短的數據段被稱為屬性（Attribute）。

二. GAP

詳細介紹 GATT 之前，需要了解 GAP（Generic Access Profile），它在用來控制設備連接和廣播。GAP 使你的設備被其他設備可見，並決定了你的設備是否可以或者怎樣與合同設備進行交互。例如 Beacon 設備就只是向外廣播，不支持連接，小米手環就等設備就可以與中心設備連接。

2.1 設備角色

GAP 給設備定義了若干角色，其中主要的兩個是：外圍設備（Peripheral）和中心設備（Central）。

外圍設備：這一般就是非常小或者簡單的低功耗設備，用來提供數據，並連接到一個更加相對強大的中心設備。例如小米手環。
中心設備：中心設備相對比較強大，用來連接其他外圍設備。例如手機等。

2.2 廣播數據

在 GAP 中外圍設備通過兩種方式向外廣播數據： Advertising Data Payload（廣播數據）和 Scan Response Data Payload（掃描回復），每種數據最長可以包含 31 byte。這里廣播數據是必需的，因為外設必需不停的向外廣播，讓中心設備知道它的存在。掃描回復是可選的，中心設備可以向外設請求掃描回復，這里包含一些設備額外的信息，例如設備的名字。（廣播的數據格式我將另外專門寫一個篇博客來講。）

2.3 廣播流程

GAP 的廣播工作流程如下圖所示。

從圖中我們可以清晰看出廣播數據和掃描回復數據是怎么工作的。外圍設備會設定一個廣播間隔，每個廣播間隔中，它會重新發送自己的廣播數據。廣播間隔越長，越省電，同時也不太容易掃描到。

2.4 廣播的網絡拓撲結構

大部分情況下，外設通過廣播自己來讓中心設備發現自己，並建立GATT連接，從而進行更多的數據交換。也有些情況是不需要連接的，只要外設廣播自己的數據即可。用這種方式主要目的是讓外圍設備，把自己的信息發送給多個中心設備。因為基於GATT連接的方式的，只能是一個外設連接一個中心設備。使用廣播這種方式最典型的應用就是蘋果的iBeacon。廣播工作模式下的網絡拓撲圖如下：

三. GATT

GATT 的全名是 Generic Attribute Profile（姑且翻譯成：普通屬性協議），它定義兩個 BLE 設備通過叫做 Service 和 Characteristic 的東西進行通信。GATT 就是使用了 ATT（Attribute Protocol）協議，ATT 協議把 Service, Characteristic遺跡對應的數據保存在一個查找表中，次查找表使用 16 bit ID 作為每一項的索引。

一旦兩個設備建立起了連接，GATT 就開始起作用了，這也意味着，你必需完成前面的 GAP 協議。這里需要說明的是，GATT 連接，必需先經過 GAP 協議。實際上，我們在 Android 開發中，可以直接使用設備的 MAC 地址，發起連接，可以不經過掃描的步驟。這並不意味不需要經過 GAP，實際上在芯片級別已經給你做好了，藍牙芯片發起連接，總是先掃描設備，掃描到了才會發起連接。

GATT 連接需要特別注意的是：GATT 連接是獨占的。也就是一個 BLE 外設同時只能被一個中心設備連接。一旦外設被連接，它就會馬上停止廣播，這樣它就對其他設備不可見了。當設備斷開，它又開始廣播。

中心設備和外設需要雙向通信的話，唯一的方式就是建立 GATT 連接。

3.1 GATT連接的網絡拓撲

下圖展示了 GTT 連接網絡拓撲結構。這里很清楚的顯示，一個外設只能連接一個中心設備，而一個中心設備可以連接多個外設。

一旦建立了連接，通信就是雙向的了，對比前面的GAP廣播的網絡塔撲，GAP通信是單向的。如果你要讓兩個外圍設備能通信，就只能通過中心設備中轉。

3.2 GATT 通信事務

GATT通信的雙方是C/S關系。外設作為GATT服務端（Server），它維持了ATT的查找表以及service和characteristic的定義。中心設備是GATT客戶端（Client），他向Server發起請求。需要注意的是，所有的通信事件，都是由客戶端（也叫主設備，Master）發起，並且接收服務端（也叫從設備，Slava）的響應。
一旦連接建立，外設將會給中心設備建議一個連接間隔（Connection Interval），這樣，中心設備就會在每個連接間隔嘗試去重新連接，檢查是否有新的數據。但是，這個連接間隔只是一個建議，你的中心設備可能並不會嚴格按照這個間隔來執行，例如你的中心設備正在忙於連接其他的外設，或者中心設備資源太忙。

下圖展示一個外設（GATT服務端）和中心設備（GATT客戶端）之間的數據交流流程，可以看到的是，每次都是主設備發起請求：

3.3 GATT 結構

GATT事務是建立在嵌套的Profiles，Services和Characteristics之上的，如下如所示：

Profile Profile並不是實際存在於BLE外設上的，它只是一個被Bluetooth SIG或者外設設計者預先定義的Service的集合。例如心率Profile（Heart Rate Profile）就是結合了Heart Rate Service和Device Information Sercvice。所有官方通過GATT Profile的列表可以從這里找到。
Service Service是把數據分成一個個的獨立邏輯項，它包含一個或者多個Characteristic。每個Service有一個UUID唯一標識。UUID有16bit的，或者128bit的。16bit的UUID是官方通過認證的，需要花錢購買，128bit是自定義的，這個就可以自己隨便設置。
官方通過了一些標准Service，完整列表在這里。以Heart Rate Service為例，可以看到它的官方通過16bitUUID是0x180D，包含3個Characteristic：Heart Rate Measurement，Body Sensor Location和Heart Control Point，並且定義了只有一個第一個必須的，它是可選實現的。
Characteristic 在GATT事務中的最低界別的是Characteristic，Characteristic是最小的邏輯數據單元，當然它可能包含一個組關聯的數據，例如加速度計的X/Y/Z三軸值。與Service類似，每個Characteristic用16bit或者128bit的UUID唯一標識。你可以免費使用Bluetooth SIG官方定義的標准Characteristic，使用官方定義的，可以確保BLE的軟件和硬件能相互理解。當然，你可以自定義Characteristic，這樣的話，就只有你自己的軟件和外設能夠相互理解。
舉個例子，Heart Rate Measurement Characteristic,這是上面提到的Heart Rate Service必需實現的Characteristic，它的UUID是0x2A37。它的數據結構是，開始8bit定義心率數據格式（是UINT8還是UINT16？），接下來就是對應格式的實際心率數據。
實際上，和BLE外設打交道，主要是通過Characteristic。你可以從Characteristic讀取數據，也可以往Characteristic寫數據。這樣就實現了雙向的通信。所以你可以自己實現一個類似串口（UART）的service，這個Service中包含兩個Characteristic，一個被配置只讀的通道（RX），另一個配置為只寫的通道（TX）。