BLE相关协议(GAP&GATT)

一、GAP

GAP全名是Generic Access Profile,通用访问配置文件,它定义了蓝牙设备的角色,中心和外设,并且控制他们的连接和广播数据。广播数据有两种方式:广播数据和扫描回复数据,数据包大小最长为31字节,其中广播数据方式是必需的。
广播数据就是蓝牙设备自己定时广播数据出来,让周围环境的其它设备可以扫描到它,知道它的存在,是外设主动完成的。而扫描回复数据是可选的,它会根据需要响应请求,比如收到中心设备连接请求,会响应这个请求。这个协议决定了蓝牙设备的交互方式,比如iBeacon只能向外广播消息,而小米手环可以与中心设备双向通信。
GAP的工作流程如下图:


BLE相关协议(GAP&GATT)_第1张图片
GAP广播流程图.png

大部分情况外设广播自己来让中心设备发现自己并建立连接,然后GATT(后面讲到)就可以用来进行更多的数据交换,这种方式是独占的,就是建立连接了以后外设就不再广播了,只跟连接上的中心通信。但也有一种是不需要连接的,比如上面说的Beancon设备,它只需要向外广播数据,只要在一定的范围内,所有的中心设备都可以收到数据,不需要指定跟具体某个中心建立连接,他们的网络拓扑图如下:

BLE相关协议(GAP&GATT)_第2张图片
GAP广播方式网络拓扑图.png
二、GATT

GATT,全名Generic Attribute Profile, 通用属性配置文件。它定义了两个BLE设备的数据传输方式和两个概念:Services 和 Characteristics。它建立在ATT(Attribute Protocol)协议的基础上,ATT协议主要是定义了Attribute(属性)这个数据结构。
一个attribute由三个元素组成:
1、16 bit的句柄(唯一性,用于区分和查找不同的attribute)
2、UUID(ATT本身不定义,留给GATT来定义)
3、一个定长的值value(配合UUID使用,由GATT来决定这个UUID的意义和数据)

GATT协议中的Service和Characteristic需要遵循ATT这种数据结构,ATT会管理这些数据并提供查找方法。

GATT是建立在GAP基础之上发挥作用的,就是两个BLE设备只有通过GAP建立连接之后才能用GATT进行通信。上面说了扫描回复数据交互方式是独占的,所以GATT通信只允许是一个外设和一个中心连接。如果两个外设想要通信,唯一的方式就是建立GATT连接,通过中心来中转。

记住:一个外设只能跟一个中心建立连接(独占的),而一个中心可以同时连接多个外设(一个手机可以同时连接多个BLE设备)
GATT连接网络拓扑图


BLE相关协议(GAP&GATT)_第3张图片
GATT网络拓扑图.png

GATT通信的双方是C/S关系,外设作为GATT的服务器(Server),中心设备是GATT的客户端(Client),它向Server发起请求。注意,所有的通信都是由主设备(客户端Client)发起,服务器Server响应数据反馈给Client。一旦建立了通信连接,外设会建议中心设备做定时连接(connection interval),这样中心设备就会在每个连接间隔尝试重新连接,检查有没有新的数据。这个只是一个建议,中心设备可能不会严格按照这个时间间隔来执行,例如中心设备正忙于连接其它外设或者资源太忙。
外设与中心数据交换图:


BLE相关协议(GAP&GATT)_第4张图片
数据交换图.png

GATT结构由嵌套的Profile、Service、Characteristics组成,如下图:

BLE相关协议(GAP&GATT)_第5张图片
GATT结构图.png

Profile,每个Profile就是预先定义好的Service集合。例如官方的心率Heart Rate Profile就是结合了Heart Rate Service和Device Information Service(可以在这里下载下面这两个PDF文件查看详细内容)

心率.png

所有官方通过GATT的Profile可以看这里

Service就是一个独立的逻辑项,它包含一个或多个Characteristic,每个Service都由唯一的UUID标识,UUID有16位的有128位的,16位的UUID是官方通过认证的,需要花钱购买,128位的可以随便自己定义。完整的Service列表可以看这里。

Characteristic是GATT中最小的逻辑数据单元,当然它可能包含一组关联的数据,例如加速度计的 X/Y/Z 三轴值。还是官方心率的例子,可以看到它包含了 3 个 Characteristic:Heart Rate Measurement、Body Sensor Location 和 Heart Rate Control Point,并且定义了只有第一个是必须的,其他是可选实现的。
每个Characteristic对应的value就是对应格式的实际心率数据。中心可以通过读取service、再进一步读取characteristic来获得具体的心率数值。

与Service类似,每个 Characteristic 用 16 bit 或者 128 bit 的 UUID 唯一标识。所有数据交互必须通过明确的UUID确定到service和characteristic。

你可以免费使用 Bluetooth SIG 官方定义的标准 Characteristic,使用官方定义的,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。

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)。

参考资料:
introduction-to-bluetooth-low-energy
ATT和GATT概述
蓝牙协议详解

你可能感兴趣的:(BLE相关协议(GAP&GATT))