BLE 5协议栈-通用属性规范层（GATT）

曾经终败给现在 2021-12-09 22:19 388阅读 0赞

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通用属性规范GATT（Generic Attribute Profile）将ATT层定义的属性打包成不同的属性实体，包括服务项、特征项和描述符，这些属性实体组合在一起组成规范，即GATT规范。GATT规范是服务项的集合，服务项是特征项的集合，特征项携带了属性参数和数据，描述符协助特征项描述特征值的形式和功能。

GATT层按照命令的传输方向将设备分成GATT客户端和GATT服务端。客户端发起命令，服务端发出数据。GATT规范定义了客户端设备发现服务端设备的服务项的方法，建立连接以后，客户端设备可以通过发现方法检索服务端设备的GATT服务项和特征项，进而发送命了或数据。

服务端向客户端发送数据以通知和指示的形式发送，客户端收到指示信息需要返回确认信息。

服务端可以向客户端发送通知和指示，客户端按需返回响应。

## 1. 属性 ##

### 1.1 GATT角色 ###

客户端：设备发起命令、请求并接受响应、通知和指示。

服务端：设备接收命令、 请求并发出响应、通知和指示。

设备可以同时属于客户端和服务端。

GATT角色与执行过程相关，它不与设备绑定。设备在执行一个过程时，根据发起命令或接收命令而决定它是服务端还是客户端，该过程结束后就释放GATT角色。

GATT角色不与链路层的主机和从机角色绑定。一个链路层的主机，通常担任GATT客户端角色，也可以担任GATT服务端角色。

### 1.2 属性PDU ###

属性实体PDU如下：

<table> 
 <thead> 
  <tr> 
   <th>字段</th> 
   <th>Attribute Handle</th> 
   <th>Attribute Type</th> 
   <th>Attribute Value</th> 
   <th>Attribute Permissions</th> 
  </tr> 
 </thead> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td>长度</td> 
   <td>2 octets</td> 
   <td>2 or 16 octets</td> 
   <td>variable</td> 
   <td>implementation specific</td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

一个属性包含四个字段：属性句柄、属性类型、属性值和属性权限。

属性句柄用于指定具体的属性。属性句柄有效范围为0x0000-0xFFFF，属性句柄按步进1的增序排列，但有时可能会出现空缺。

属性类型为2字节、4字节或16字节的UUID。 如果是4字节UUID，在封装成属性PDU时根据蓝牙基础UUID转换成16字节标准UUID。

属性值字段包含了属性的具体数据。

属性权限决定了属性是否可读或可写。

### 1.3 属性协议PDU ###

两个设备属性层之间根据属性协议传输数据，属性协议包括几种类型：命令、请求、响应、通知、指示和确认。

属性协议PDU如下：

<table> 
 <thead> 
  <tr> 
   <th>字段</th> 
   <th>Opcode</th> 
   <th>Attribute Parameters</th> 
   <th>Authentication Signature</th> 
  </tr> 
 </thead> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td>长度</td> 
   <td>1 octet</td> 
   <td>variable</td> 
   <td>12 octets</td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

操作码Opcode决定了该PDU的操作过程类型。另外，操作码中包含一个认证标志位。

属性参数中包含了命令或请求的参数，或响应的数据。

最后字段的认证签名为可选字段，仅用于带签名的写操作，当操作码的认证标志位为1，则需要认证签名字段，否则不需要改字段。

### 1.4 属性缓存 ###

客户端与服务端建立连接后，执行发现过程，以获取服务端所携带的全部属性。属性缓存功能用于保存服务端设备的属性句柄，使下一次重新连接时无需执行发现过程。

一般情况下，服务端设备的属性不会改变，但是执行固件升级则可以改变设备的属性。

如果改变设备的属性，将从Service Changed characteristic发出一个指示PDU，告知客户端设备服务端设备的属性发生了改变。该指示PDU中包含了发生改变的属性句柄范围，客户端设备收到该指示，重新执行发现过程，获取更新后的服务端设备的属性句柄。

如果设备的属性确定不能发生改变，则无需增加Service Changed characteristic属性。

如果两端设备完成绑定，则属性缓存信息一直有效，直到收到了Service Changed characteristic发出的指示。如果在服务端的属性在断开后发生了改变，则服务端在下次重连时候发送指示给客户端设备重新缓存属性句柄。

### 1.5 属性分组 ###

GATT定义了三种属性分组：主要服务、次要服务和特征项。

一个属性分组包括声明和定义。

主要服务和次要服务可以使用“按组类型读取”请求获得，特征项不可以。

### 1.6 属性结构 ###

蓝牙协议中包含了许多种GATT规范，每个规范适配一种用户案例，比如FindMe规范适配查找物件的场景，心率传感器规范适配心率测量场景。

每个规范均中均有若干服务项和特征项，服务项和特征项都属于属性实体，它们携带了通信中传输的数据。

服务项分为主要服务和次要服务，主要服务可以引用（Include）另一个主要服务或次要服务，客户端设备可以通过“主要服务发现过程”获取主要服务信息。

特征项包括一个声明、配置、数据和描述符。描述符用于描述特征项的数据如何被访问和展示。

规范、服务项和特征项之间有明确的包含关系，一个GATT规范中可以包括多个服务项，一个服务项中可以包括多个特征项。

GATT的规范结构框图如下：

![GATT\_Profile\_Structure][GATT_Profile_Structure]

## 2. 属性类型 ##

属性的类型由UUID表示，协议栈预留了一些16-bit的UUID来表示常用的属性类型。

### 2.1 服务项 ###

服务项必须包含一个服务项声明，可选地包含多个其他服务项和特征项。所包含的其他服务项和特征项均是该服务项的一部分。

服务项的声明格式如下：

![GATT\_Service\_Declaration][GATT_Service_Declaration]

服务项可以是主要服务项（UUID=0x2800）或次要服务项（UUID=0x2801）。

主要服务项可以独立使用，次要服务项一定要被其他服务项包含引用。

协议栈文档中对次要服务项的使用场景解释有限，在绝大多数情况下均可以不使用次要服务项，仅使用主要服务。

### 2.2 包含 ###

包含现了一个引用机制，比如需要扩展一个现有的服务项，可以在新的服务项中引用该服务项。

假如服务项中包含了其他服务项，则需要加入包含的声明（UUID=0x2802）。

协议栈文档中对包含的使用场景解释有限，在绝大多数情况下均可以不使用包含功能。

### 2.2 特征项 ###

特征项是GATT数据的载体。

特征项包括：特征项的声明（UUID=0x2803），特征值的声明，以及若干描述符。特征值也是一个属性，它的句柄和UUID在特征项的声明中给出。

特征项始于该特征项的声明，结束语下一个特征项的声明。

特征项的声明数据格式如下：

![GATT\_Characteristic\_Format][GATT_Characteristic_Format]

其中属性值字段包括了特征值功能特性（Characteristic Properties），特征值的属性句柄和特征值的UUID。

特征值功能特性如下表所示：

<table> 
 <thead> 
  <tr> 
   <th>特征值功能</th> 
   <th>值</th> 
   <th>描述</th> 
  </tr> 
 </thead> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td>Broadcast</td> 
   <td>0x01</td> 
   <td>允许广播该特征值</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>Read</td> 
   <td>0x02</td> 
   <td>允许读该特征值</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>Write Without Response</td> 
   <td>0x04</td> 
   <td>允许写该特征值，不需要Response</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>Write</td> 
   <td>0x08</td> 
   <td>允许写该特征值，需要Response</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>Notify</td> 
   <td>0x10</td> 
   <td>允许该特征值发送通知</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>Indicate</td> 
   <td>0x20</td> 
   <td>允许该特征值发送指示</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>Authenticated Signed Writes</td> 
   <td>0x40</td> 
   <td>允许带认证签名的写该特征值</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>Extended Properties</td> 
   <td>0x80</td> 
   <td>扩展特性</td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

其中，Broadcase（0x01）、Notify（0x10）和Indicate（0x20）要求该特征值具有服务端特征项配置描述符（CCCD）。

特征项的声明中属性字段的特征值UUID跟特征值的声明中的UUID一致。

特征值的声明中包含了特征值所携带的数据内容，其格式如下：

![GATT\_Characteristic\_Value\_Format][GATT_Characteristic_Value_Format]

### 2.3 描述符 ###

描述符也是一种属性，它是特征项的一部分，用以提供特征值的额外信息。协议栈定义了6种不同的描述符，如下：

<table> 
 <thead> 
  <tr> 
   <th>属性类型</th> 
   <th>UUID</th> 
   <th>描述</th> 
  </tr> 
 </thead> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td>«Characteristic Extended Properties»</td> 
   <td>0x2900</td> 
   <td>特征项的扩展描述符</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>«Characteristic User Description»</td> 
   <td>0x2901</td> 
   <td>特征项的用户描述符</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>«Client Characteristic Configuration»</td> 
   <td>0x2902</td> 
   <td>客户端特征项配置描述符</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>«Server Characteristic Configuration»</td> 
   <td>0x2903</td> 
   <td>服务端特征项配置描述符</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>«Characteristic Format»</td> 
   <td>0x2904</td> 
   <td>特征项数据格式描述符</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>«Characteristic Aggregate Format»</td> 
   <td>0x2905</td> 
   <td>聚合特征项数据格式描述符</td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

0x2900 扩展性描述符，用于Reliable Write和Writable Auxiliaries这两类写属性。

0x2901 用户描述符，用于给出该特征值的文字描述。

0x2902 客户端特征项配置描述符，简称为CCCD，客户端设备通过一个标志参数，设置该特征值能否发送通知和指示。如果该标志参数为0x0001，表示该特征值允许发送通知；如果该标志参数为0x0002，表示该特征值允许发送指示。如果该标志参数为0x0000，表示该特征值不能发送通知和指示。

每个特征项最多能包含一个CCCD，对于具有Broadcast、Notify和Indicate功能的特征项，必须拥有一个CCCD。在两个建立了绑定的设备中，断开连接不会丢失CCCD信息。

0x2903 服务端特征项配置描述符，服务端设备通过一个标志参数，设置该特征值是否在广播中发出。如果该标志参数为0x0001，则广播消息中应该包含该特征值；如果该标志参数为0x0000，则广播消息中不包含该特征值。

0x2904 特征值格式描述符，用于提供特征值的数据格式。可选的数据类型包括：Boolean、1/4字节、1/2字节、1字节、2字节、3字节、4字节、8字节、16字节、带符号整数、无符号整数、浮点数、字符串、结构体等。还可以指定数据的指数、单位、名字空间、描述信息等。

0x2905 聚合特征项格式描述符，专用于聚合特征项。所谓聚合特征值，是指多个特征值共同组合成一个数值，每个特征值仅是该聚合数值的一部分。

## 3. GATT功能 ##

GATT规范实现了以下功能：

1.  Server Configuration
2.  Primary Service Discovery
3.  Relationship Discovery
4.  Characteristic Discovery
5.  Characteristic Descriptor Discovery
6.  Reading a Characteristic Value
7.  Writing a Characteristic Value
8.  Notification of a Characteristic Value
9.  Indication of a Characteristic Value
10. Reading a Characteristic Descriptor
11. Writing a Characteristic Descriptor

这些功能利用了“深入BLE协议栈 —— 属性协议”中的属性协议PDU一节中的多种读写属性PDU。

下面具体分析。

### 3.1 服务端配置 ###

该功能呢包含一个子功能：交换两端设备的ATT\_MTU。

客户端设备发送Exchange MTU Request，其中包含了该设备的ATT\_MTU，服务端设备返回Exchange MTU Response，其中包含了该设备的ATT\_MTU，取二者的较小值作为协商的ATT\_MTU值。

### 3.2 发现主要服务项 ###

该功能包含两个子功能：发现全部主要服务项，按UUID发现主要服务项。

**发现全部主要服务项**

该功能向服务端设备发送Read By Group Type Request，起始句柄为0x0001，结束句柄为0xFFFF，属性类型为0x2800（主要属性的UUID），查找全部符合条件的首要服务项。

服务端返回Read By Group Type Response，响应中包含多个属性信息组成的列表，单个属性信息包含三个参数：元素长度、属性组首尾句柄、属性的UUID。

因为该列表长度不能超过一个属性层的PDU长度，所以需要多次执行请求和响应，直到服务端设备返回“未找到属性项”或到达结束句柄，才能获取全部的主要服务项，如下图所示：

![GATT\_Discover\_All\_Primary\_Services][GATT_Discover_All_Primary_Services]

观察上图，客户端第一次发起请求，查找主要服务项，首末句柄分别是0x0001和0xFFFF。

服务端返回响应中包含三个元素，每个元素代表一个首要服务项。每个元素的长度为0x06。第一个首要服务项的属性句柄为0x0001，类型为UUID1，末尾句柄为0x000F。第二个服务项的属性句柄为0x0010，类型为UUID2，末尾句柄为0x0017。第三个服务项的属性句柄为0x0100，类型为UUID3，末尾句柄为0x01FF。

客户端发起第二次请求，起始句柄设为0x2000。

服务端返回响应中仍然包含三个元素，每个元素的长度为0x06。三个元素分别表示三个首要服务项，其UUID分别为UUID4、UUID5和UUID6，UUID6的末尾句柄为0x04FF。

客户端接着发起第三次请求，起始句柄设为0x0500。

服务端返回错误，错误原因是未找到属性。客户端根据该错误原因，判断已经获取服务端设备的全部主要服务项。

**按UUID发现主要服务项**

该功能向服务端设备发送Read By Group Type Request，起始句柄为0x0001，结束句柄为0xFFFF，属性类型为0x2800（主要属性的UUID），指定的UUID为xxxx，查找全部符合条件的主要服务项。

具体的操作步骤与“发现全部主要服务”一致。

通常具有指定UUID的服务项仅有一个。

### 3.3 发现关系 ###

该功能呢包含一个子功能：查找包含的服务项。

该功能向服务端设备发送Read By Type Request，起始句柄为0x0001，结束句柄为0xFFFF，属性类型为0x2802（包含的声明UUID），查找全部符合条件的被包含服务项。

服务端返回响应，包含了满足条件的服务项的句柄和属性值。

### 3.4 发现特征项 ###

该功能包含两个子功能：发现服务项下的全部特征项，按UUID发现特征项。

**发现服务项下的全部特征项**

该功能向服务端设备发送Read By Type Request，设置已知的服务项首末句柄，属性类型为0x2803（特征项声明的UUID），查找全部符合条件的特征项。

服务端返回Read By Type Response，响应中包含多个“属性句柄 – 值”元素组成的列表。单个元素包含三个参数：元素长度、特征项声明的句柄和特征值参数。特征值参数包括特征值的功能特性、特征值句柄和UUID。

因为该列表长度不能超过一个属性层的PDU长度，所以需要多次执行请求和响应，直到服务端设备返回“未找到属性项”或到达结束句柄，才能获取全部的特征项，如下图所示：

![GATT\_Discovery\_Characteristic][GATT_Discovery_Characteristic]

观察上图，客户端第一次发起请求，查找特征项，首末句柄分别是0x0200和0x0214。

服务端返回响应中包含两个元素，每个元素代表一个特征项。每个元素的长度为0x07。第一个特征项的声明句柄为0x0203，特征值的功能特性为0x02，即具有Read功能，特征值的句柄为0x0204，特征值的UUID为UUID1。第二个特征项的声明句柄为0x0210，特征值的功能特性为0x02，即具有Read功能，特征值的句柄为0x0212，特征值的UUID为UUID2。

由于每个元素的长度为7，表明该两个特征值的UUID均是2字节UUID，如果是16字节UUID，则每个元素的长度应该为0x15。

**按UUID发现特征项**

该功能根据已知的特征项UUID和首末句柄范围，查找满足条件的 特征项。

具体与“发现服务项下的全部特征项”完全一致。

### 3.5 发现描述符 ###

该功能包含一个子功能：发现全部描述符。

该功能向服务端设备发送Find Information Request，设置已知的特征项首末句柄，查找全部符合条件的描述符。

服务端返回Find Information Response，响应中包含多个“属性句柄 – 值”元素组成的列表。单个元素包含三个参数：UUID格式、特征值的句柄和描述符的UUID。如果UUID格式参数等于1，表示描述符的UUID为2字节UUID，如果等于2，表示描述符的UUID为16字节UUID。

因为该列表长度不能超过一个属性层的PDU长度，所以需要多次执行请求和响应，直到服务端设备返回“未找到属性项”或到达结束句柄，才能获取全部的描述符，如下图所示：

![GATT\_Discovery\_Descriptor][GATT_Discovery_Descriptor]

观察上图，服务端的响应数据第一个参数0x01表示UUID1和UUID2均为2字节UUID，第二个参数0x0205表示该描述符上级的特征值的句柄。

### 3.6 读特征值 ###

该功能包含四个子功能：读特征值，按UUID读特征值，读长包特征值，读多个特征值。

**读特征值**

客户端已知特征值句柄，向服务端发送Read Request读取该句柄的特征值。

服务端返回指定句柄的特征值。该特征值长度应小于等于（ATT\_MTU-1），如果大于该限制，则仅返回前（ATT\_MTU-1）个数据。

下图为一次读取过程：

![GATT\_Read\_Request][GATT_Read_Request]

**按UUID读特征值**

客户端已知特征值的UUID，不知道其句柄，向服务端发送Read By Type Request读取该特征值。

具体操作与“按UUID发现特征项”一致。

**读长包特征值**

客户端已知特征值的句柄，但是特征值的长度大于（ATT\_MTU-1），向服务端发送Read Request以读取前（ATT\_MTU-1）个字节，然后发送Read Blob Request并设置合适的偏移量，以读取随后的（ATT\_MTU-1）个字节，重复执行Read Blob Request直到服务端的Read Blob Response内容小于（ATT\_MTU-1），表明该特征值完全被读取。

具体步骤如下：

![GATT\_Read\_Blob\_Request][GATT_Read_Blob_Request]

**读多个特征值**

客户端已知多个特征值的句柄，向服务端发送Read Multiple Request，参数为多个特征值句柄。

服务端返回Read Multiple Response，包含了多个指定的特征值数据。

### 3.7 写特征值 ###

该功能包含五个子功能：写命令，带签名的写命令，写请求，写长包请求，可靠的写请求。

**写命令**

客户端已知特征值句柄，向服务端发送Write Command，写入指定数据。

数据长度不能超过（ATT\_MTU-3）字节，如果超过，仅写入前（ATT\_MTU-3）个字节。

该命令无需服务端返回响应。

**带签名的写命令**

客户端已知特征值句柄，且链接没有经过认证，向服务端发送Write Command，并设置签名认证标志位，实现带签名的写命令。

数据长度不能超过（ATT\_MTU-3-12）字节，其中12表示认证签名的长度，如果超过，仅写入前（ATT\_MTU-3-12）个字节。

该命令无需服务端返回响应。

**写请求**

客户端已知特征值句柄，向服务端发送Write Request，写入指定数据。

数据长度不能超过（ATT\_MTU-3）字节，如果超过，仅写入前（ATT\_MTU-3）个字节。

该命令需要服务端返回响应Write Response。

**写长包请求**

客户端已知特征值句柄，但待写入数据长度过长，向服务端发送Prepare Write Request，设置适当的偏移量，将数据发送至服务端缓存起来，数据发送完毕后，项服务端发送Execute Write Request执行写请求。

待写数据总长度不受限制，但是分步发送数据每次数据长度不得超过（ATT\_MTU-3）。

两种请求均需要对应的服务端响应。

一个写长包请求流程如下：

![GATT\_Long\_Write\_Request][GATT_Long_Write_Request]

**可靠的写请求**

客户端已知特征值句柄，希望一次性写入多字节的数据，或者要求数据的每个字节都必须被安全写入服务端设备，向服务端发送Prepare Write Request，偏移量永远等于0，一次性只发送一个数据，带多字节数据缓存完毕，再发送Execute Write Request执行写请求。

具体的操作与“写长包请求”完全一致。

### 3.8 通知 ###

该功能包含一个子功能：通知。

服务端执行Handle Value Notification，参数为特征值句柄和通知数据，向客户端推送通知。

执行通知前，该特征值需要已经使能通知，并且将通知数据写入该特征值。

该命令无需客户端返回响应。

### 3.9 指示 ###

该功能包含一个子功能：指示。

服务端执行Handle Value Indication，参数为特征值句柄和指示数据，向客户端推送指示。

执行指示前，该特征值需要已经使能指示，并且将指示数据写入该特征值。

该命令需要客户端返回响应Handle Value Confirmation。

### 3.10 读写描述符 ###

该功能包含四个子功能：读描述符，读长包描述符，写描述符，写长包描述符。

读描述符与读特征值一致。

读长包描述符与读长包特征值一致。

写描述符与写请求一致。

写长包描述符与写长包请求一致。

## 4. 与L2CAP层互操作 ##

GATT使用的L2CAP固定信道传输属性数据。

GATT的PDU长度限制ATT\_MTU默认大小为23，它与L2CAP层的MTU值保持一致。

（完）

转载于:https://www.cnblogs.com/yeshenmeng/p/10819429.html

[GATT_Profile_Structure]: /images/20211209/caaaf64a2f1a4a0dac8132b8f493db6f.png
[GATT_Service_Declaration]: /images/20211209/cb192a0594ec4547a9e64ba03ffbc00c.png
[GATT_Characteristic_Format]: /images/20211209/3c1d52e7c51841798a4bef9432c4e6f3.png
[GATT_Characteristic_Value_Format]: /images/20211209/2969bf0f0e71415e81ce50d536cb9ac9.png
[GATT_Discover_All_Primary_Services]: /images/20211209/7830b3867473486eba99ea1498b9ef95.png
[GATT_Discovery_Characteristic]: /images/20211209/689df603e1b04818bc6832dfee9a3c67.png
[GATT_Discovery_Descriptor]: /images/20211209/fb82ee56c53b43fa8b41c1d6407bfa06.png
[GATT_Read_Request]: /images/20211209/17edc982061e41bd879705f33b35d5da.png
[GATT_Read_Blob_Request]: /images/20211209/15708c1f27fe4002b7e363f7328053a4.png
[GATT_Long_Write_Request]: /images/20211209/222cc5944bcc41e8b25e173b646e2ecd.png