低功耗蓝牙 ATT/GATT/Service/Characteristic 规格解读

 

　　什么是蓝牙service和characteristic？如何理解蓝牙profile? ATT和GATT两者如何区分？什么是attribute? attribute和characteristic的区别是什么？蓝牙的互联互通为什么能够做的这么成功？

 

本文除了阐述上述问题 ，并重点阐述蓝牙协议栈中的ATT层和GATT层。

 

低功耗蓝牙协议栈构架结构：

 

如图所示，ATT和GATT是蓝牙协议栈最重要的两层，也是蓝牙应用开发者打交道最多的两层，用户开发应用程序或者说service/profile的时候，调用的都是GATT  API，而GATT又调用ATT  API。在讲解ATT 和  GATT之前 。我们先看一下蓝牙核心规范中一个重要概念：Client/Server (客户端/服务端)架构。

 

BLE  client/server(c/s)架构

　　BLE采用了client/server (c/s)架构来进行数据交互，C/S架构是一种非常常见的架构，在我们身边随处可见，比如我们经常使用的浏览器和服务器也是一种C/S架构 ，这其中浏览器都是客户端client ,服务器是服务端server，server比如淘宝服务器，提供商品信息，广告，社交等服务，而浏览器就是客户端，比如微软的IE ，就可以用来请求这些服务，并使用server提供的服务。BLE与此相似，一般而言，设备提供服务，因此设备时server，手机使用设备提供的服务，因此手机就是client。比如蓝牙体温计，它可以提供 "体温" 数据服务，因此是一个server，而手机则可以请求 "体温" 数据以显示在手机上，因此手机是一个 client.

服务是以数据为载体的，所以说server提供服务其实就是提供各种有价值的数据。

　　　　　　　　　　　　　图一：　C/S架构

 

客户端要访问一个数据，就发送一个request/请求（其实就是一条命令或者PDU），服务端再把数据返回 给 客户端（一条response/响应命令或者PDU），这就是 C/S架构。

 

 

ATT

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　　讲解之前我们先讲解attribute,那么什么是attribute?  其实就是一条条的数据。前面说过，每个蓝牙设备就是来提供服务的，而服务就是众多数据的集合，这个集合可以称为数据库，数据库里面每一个条目都是一个attribute。所以我们把attribute翻译为数据条目。大家可以把蓝牙设备 想象称为一个表格，表格里面每一行就是一个attribute。attribute可以用下图来表示：

 

• Attribute handle  ,Attribute句柄，16-bit长度。Client要访问Server的Attribute，都是通过这个 句柄来访问，也就是说ATT  PUD一般都包含handle的值。用户在软件代码添加characteristic的时候，系统会自动按照顺序的 为相关attribute生成句柄。
• Attribute  type,Attribute类型 ，2字节或者16字节长。在BLE中我们使用UUID来定义数据的类型，UUID是128bit的，所以我们有足够的UUID来表达万事万物 。其中有一个UUID非常特殊，他被蓝牙联盟官方UUID，这个UUID如下所示：

由于这个UUID众所周知，蓝牙 联盟将自己定义的attribute或者数据只用16bit  UUID来表示，比如0x1234,其实他也是128bit，完整表示为：

 

Attribute  type一般是由service和characteristic规格来定义，站在蓝牙协议栈角度来看，ATT层定义了一个通信的基本框架，数据的基本结构，以及通信的指令，而GATT层就是定义serveice和characteristic，GATT层用来赋予每个数据一个具体的含义，让数据变得有及结构和意义。换句话说，没有GATT层 ，低功耗蓝牙也可以通信起来，但是会产生兼容性问题以及通信效率低。

• Attribute  value,就是数据真实的值，0到512字节长。
• Attribute  permissions，Attribute的权限属性，权限属性不会 直接 在 空口包中体现，在隐含 在ATT命令的操作结果中。假设一个attribute read属性设为open(即读操作不需要任何权限)，那么client去读这个attribute时server将直接返回attribute的值；如果这个attribute read属性设为 authentication（即 需要配对才能访问），如果client没有与server配对而直接去访问这个attribute，那么server会返回一个错误码：告诉client你的权限不够，此时client会对server发起配对请求，以满足这个attribute的读属性要求，从而在第二次读操作时 server将把相应的数据返回给client。目前主要有如下四种权限属性：
  • Open ，直接可以读或者写
  •  No  Access  ，禁止读或者写
  • Authentication ，需要 配对才能读或者写，由于配对有很多中类型，因此authentication又衍生多种子类型，比如带不带MITM，有没有LESC
  •  Authorization，跟open一样，不过server返回attribute的 值之前需要应用先授权，也就是说应用可以在回调函数里面去修改读或者写的原始值。
  • Signed，签名后才可以读或者写，这个用的比较少。

 

一个应用所有的 attribute组成一个database，也称为attribute table，一个attribute  table示例如下 所示：

上图：原始attribute数据库（这个表格不能算是 原始attribute，因为它已经把bin数据 转成字符了，大家可以 把相关字符都看成bin数据，就看成原始attribute表格）。

设备支持的服务不同，attribute  table就不同。这里说明一下，当你添加，修改或者删除服务时，那么attribute table就会变，attribute table变了，它占用的RAM空间就会变。

 

ATT，全称attribute  protocol（数据交互协议）。说到底，ATT是由 一群ATT命令组成，就是上文 所述的request(请求)和response(响应)命令。ATT也是蓝牙空口包中的最上层，也就是说，ATT就是大家对蓝牙数据包进行分析的最多的地方。

 

ATT命令，正式称谓ATT  PDU  （Protocol Data Unit，协议数据交互单元）包括4类：读，写，notify（通知）和 indicate（指示）。这些命令又可以分成两种：如果它需要response,那么会在相应命令后面加上request。相反，如果它只是需要ACK而不需要response,那么它 的后面就不会带request。这里要特别强调 一点，ATT所有命令都是 "必达" 的。也就是说每个命令发出去以后，就会立马等ACK信息，如果收到ACK包，发送方认为命令完成；否则发送方一直重发该命令到导致BLE连接断开。换句话说，只要你的BLE连接没有断开，那么 你之前发送的数据包，不管他是用什么ATT  PDU来发送的，它肯定被对方收到了。

　　有时候经常会出现一种情况，大家有时候会碰见  "  丢包  "，其实不是在空中丢包或者被干扰了 ，而是我们 的 发送代码写的有问题，导致包没有被安全的送达到协议栈射频 FIFO中，从而 出现所谓的 " 丢包 "。

 

　　既然每个ATT命令都必达对方，那么还需要request类型的命令做什么？

　　如果一个命令带有request后缀，那么发起方就可以收到命令的response包，这个response包在应用层是有回调事件的，而前述的ACK包在应用层是没有回调事件的。换句话说，不带request的命令，虽然协议栈底层确保了该命令必达对方，但应用层其实并不知道（私有实现方法除外），当你需要实现一个通信序列的时候，这种命令就显得不足了。而采用request/response方式的命令时，request命令发出去之后，必须等到相应的response命令回复才能进行下一步操作，比如发送下一个request命令，这样应用层可以严格按照规定逻辑执行一系列的操作，这个在很多应用场合是非常有用的。Request/response命令对还有一个副作用：大大降低通信的有效速率（吞吐率），因为request/response命令必须在不同的连接间隔中出现，也就是说，你在间隔1中发送了一个request命令，那么response包必须在间隔2或者稍后间隔中回复，而不能在间隔1中回复，这就导致一个数据包的发送需要跨两个连接间隔甚至更多。而不带request后缀的ATT命令就没有这个限制，ACK可以在同一个连接间隔中回复，这样一个连接间隔中可以同时发出多个数据包，这样将大大提高通信速率。大家可以参考下图来理解request和非request命令的区别：

 

 

注：第1个连接间隔中的蓝色包为request命令，旁边的灰色包是该request的ACK；第2个连接间隔的绿色包是response包，而它的ACK是第3个连接间隔中的蓝色包

 

 

注：图中的绿色包就是非request命令，而紧随其后的灰色包就是它的ACK

 

 

不带request的命令只有2个：write command和notification，其余的命令都是带request：所有 read命令，所有write 命令，find命令以及indicate命令，完整的ATT命令（ATT PDU）列表如下所示：

 

 

GATT，Service(服务）和Characteristic(特征数据）

在讲解GATT之前，我们先看一下什么是profile？

　　 Profile是一个大家经常见到的英文单词，但是总感觉领会不到这个词的内涵。Profile,英文本意就是 脸的侧面轮廓，这里大家注意一定要注意，脸的轮廓 不等于脸本身，但是profile本身是对脸的一种抽象，描述和定义，蓝牙规范其实也是使用profile这个引申意义而已，换句话说 ，蓝牙的profile跟英文字典中的profile是同一个意思。要定义蓝牙，必须要有一个规范，这就是蓝牙核心规范v4.2/v5.0/v5.1……蓝牙规范非常复杂和庞大 ，大部分蓝牙设备只实现了蓝牙规范中很少一部分，那么没有实现的这些规范对这个蓝牙设备来说 能不能称为 规范？当然不能！所谓规范或者规格 ，就是强制的，就必须实现。针对这种情况，profile可以很好的应对。我们把蓝牙某部分规范称为profile，这个profile如果设备要实现它，那么它就是强制的，如果设备不用它，也没有关系，这就是profile。基于此，我们可以把profile翻译成子规范或者条件规范或者剖面规范。“蓝牙规范包含很多子规范”，这句话用中文说问题不是很大，但是你把它翻译成英文，那就很难了！这就是 英文需要用profile的原因（而不是spec),  以及为什么profile在规范中出现的如此频繁。

　　　　

GATT，全称generic  attribute  profile，对数据进行一般化/抽象化的子规范，说白了就是对数据进行逻辑化表达的规定。前面说过了，attribute就是一条一条的数据，那么这条数据表示什么？如何对其进行分类？这就是GATT要做的事情，GATT将数据赋予含义，并呈现一定的逻辑结构。

　　Service和characteristic就是GATT层定义的，前面说过，server端提供 服务，服务就是数据，而数据就是一条一条的attribute，而service和characteristic就是数据的逻辑呈现，后者说用户能看到的数据最终都转化为 service和characteristic。比如，一个数据 “37”。有可能是说体温 “37度”，也可能说心率 “37次”或者湿度 “37%”，因此必须对数据进行分类和定义。

　　在蓝牙规格中，每一个具体的蓝牙应用是由多个service组成，而每一个service又是多个characteristic组成，这样我们可以把上面的图一转化为图3.

　　　　　　　　　　　　　图三：service和characteristic

　那么service/characteristic和attribute之间到底是一个怎样的关系？如前所述，service/charateristic是attribute的逻辑表现形式，而attribute是service/characteristic具体实现方式。尤其要注意的是，一条characteristic不是对应一条attribute具体实现方式。尤其注意的是，一条chararcteristic不是对应一条attribute，而是由多条attribute组成。虽然一个数据最有价值的部分是它的值（value )。=，但是 仅有value是不够的，比如27，到底是表示27°温度还是27%湿度；如果表示的是温度，那么它的单位是摄氏度还是华氏度。同时每个数据还有相应的读写属性以及权限属性，因此一个characteristic包含三种类型的数据条目（attribute）：characteristic声明体条目（declaration attribute)，characteristic 值条目（value characteristic)以及characteristic描述符条目（descriptor attribute)  (一个characteristic可以有多个描述符条目），如下所示：

                               

　　由于一个service可以包含多个characteristic，characteristic declaration就是每个characteristic的分界符，解析时一旦遇到characteristic  declaration,就可以认为接下来又是一个新的characteristic了，同时characteristic declaration还将包含value attribute的读写属性等。Charateristic value就是数据的值了，他也是一个单独的attribute，这个比较好理解就不再说了。Charactristic descriptor就是数据的额外信息，比如 温度的单位是什么，数据是用小数表示还是百分比表示等之类的数据描述信息。Descriptor属于可选条目，也就是说，一个characteristic可以不包含任何一条descriptor。这里着重提一种特殊的descriptor：CCCD。一般而言，都是client来访问server的characteristic,即通过ATT读或者写PDU访问相关数据。如果server想直接把自己的characteristic的值告诉client，就需要通过notiy或者indicate PDU，跟其他PDU相比，这两个PUD是由server自己决定什么时候开始传送，而不是被动接收client的命令请求。但client毕竟是客户，他得有自主权，所以引入了一个CCCD来帮助client控制server的行为。client可以通过禁止CCCD以允许notify或者 indicate命令，client可以通过禁止CCCD以允许notify或者indicate命令。重新总结一下。当CCCD使能的情况下，server可以随时notify或者indicate数据 给client；当禁止的时候，哪怕server有数据，它也不能notify或者indicate给client。这里强调一下。当characteristic具有notify或者indicate操作功能时，蓝牙规范要求必须为其添加CCCD attribute.

　　重复强调，不管是characteristic declaration，characteristic value还是characteristic descriptor，实现的时候，都是一条数据条目，即attribute.

　　引入了GATT，我们就可以把图2的 attribute table进行GATT化，得到下面有内涵，有层次，有定义的数据表格：

 

　　所谓开发蓝牙应用程序，其实就是开发service和characteristic。通过API，添加自己需要的characteristic和service，你自己的蓝牙设备就诞生了。只要characteristic和service是符合GATT规范的，你可以随意添加任何characteristic和service，并将他们组合成一个专门的蓝牙设备。由于这个蓝牙设备是按照规范来定义的，所以它可以与任何其他蓝牙设备，比如手机，互联互通，并完成所要求的的交互动作。这里的蓝牙设备，我们还可以进一步细分为蓝牙profile设备和非profile蓝牙设备。前面也提过，profile就是一个子规范，蓝牙profile设备包含的所有实际service和characteristic都是按照profile规格来添加和定义的，比如说心率计profile，就是一个蓝牙联盟定义的蓝牙设备，蓝牙联盟有一份专门的spec来定义心率计profile，在这份spec中规定了心率计profile除了包含心率service，还包含电池service，设备信息service等。从这可以看出，心率profile和心率service是包含关系，前者包含后者。