蓝牙BLE GATT完全分析和运用

很多人都做过蓝牙开发，很多人也能够通过仿照GATT例程的方式添加一个属性服务，但是很多人都未必能够清晰地理解BLE的属性profile，也很容易被属性Attribute和特性characteristic所混淆。本文结合BLE的服务发现协议标准和DA14580平台、CC2541平台的应用实践来深入分析GATT，让大家能够自如地构建一个BLE的属性数据库。

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一、 BLE GATT(Generic Attribute Profile)规范

1.   GATT定义

GATT是低功耗蓝牙属性应用规范，应用于主机和从设备之间的数据传输。其与GAP并列为BLE两大profile。

Attribute是属性的意思。何为属性？在各蓝牙单芯片平台的SDK实际使用中，属性是指一条带有标签的、可以被寻址的数据。在蓝牙实际的规范中，寻址即用handle句柄来表示。每个属性都对应一个唯一的handle。

2.   对属性协议需求的思考

蓝牙是无线通信，BLE利用属性协议进行传输，其如此重要，如果我们不理解其需求，那么我们也很难从真正去理解其规范。尽管在实际的蓝牙单芯片SDK中很容易通过模仿的方法进行应用，但是如果想深入地理解其为什么要设计呢？

1)连接的参数是一个设备的固有参数，一般会作为一个服务来提供，如GAP服务；而假设这个设备是一个温度采集器，那么这个温度采集明显跟设备的参数不属于一类，因此可以再作为一个服务。所以属性协议应该支持多个服务。如何来区分这些不同的服务？这即对应蓝牙标准规范规定的UUID。我们可以认为不同的UUID对应不同的确定的服务。

2)连接的参数可以有多个，如Connection Interval、Slave Latency等等，我们如何区分这是一个服务，又如何区分服务包含了这些特性参数。我们可以认为一个服务包含了多个特性（参数）。在蓝牙标准里面，同样是用不同的UUID来区分服务类型、特性类型等等。

3)对于每个特性characteristic，要让对方获取这个特性，就必须要分别告诉对方这个特性的长度是多少，值是多少，而不能只给数值。除此之外，特性还可能有描述值（说明特性名称或者作用等）、特性单位等（国际单位，如米是公里/每小时还是米/秒）。后面这两个是非必选的。

4)属性还应该有一个访问控制，如可读可写还是读写、或者是通知notify/indicate等等，这是数据通信必须具有的权限控制，不管是服务还是特性，它都具有访问控制属性。

3.   属性和属性类型

属性由属性句柄、属性类型、属性值组成。如下图：

1）  属性句柄在实际的运用中可以认为是属性在属性数组中的下标。我们都知道在实际的编程中，下标并不需要专门存储，而只是通过元素的结构体来进行索引即可。因此可以认为属性句柄是一个无形的东西，它只能被所在的设备程序所认识，而不能用于无线传输。

2）  属性类型是真实存在的，其和属性值都会被实际存储。属性类型是由蓝牙标准组织所规范，其一般通过128位的UUID来表征一个具体的属性。由于BLE的GATT可以认为是蓝牙标准规范的精简版，所以BLE被允许只传输前面2字节（16位）的UUID，所有的BLE的UUID的基数都是一样的，如下，只有前面两字节不同。

利用2字节（16位）也可以定义65536种属性了。事实上，蓝牙标准组织对这些UUID进行了分类。如下：

属性类型即是0x2800~0x28ff，在实际的应用中，属性类型主要包括：我们主要使用服务和特性定义两种，其他两个很少用到。

3）  蓝牙标准不仅通过UUID来进行属性分类，而且还用UUID来确定各种具体的服务和特性。所以我们会看到UUID可能会出现在属性的属性类型和属性值两个地方。

4）  蓝牙标准组织规定两个ATT_DECL_PRIMARY_SERVICE服务之间的特性都隶属于第一个服务。这样可以理解在蓝牙服务发现协议中先通过UUID找到目标服务，然后通过ATT_DECL_PRIMARY_SERVICE这个属性类型找到下一个服务，接着即可以在这两个服务中进行特性的遍历，遍历的结果即是目标服务的所有特性。

4.   属性值

属性值的长度可以最长到512字节，但对于某些属性，其长度是固定的。对于蓝牙标准里面规定的UUID所对应的属性（包括服务、特性定义、特性值、特性描述等等），服务、特性定义的长度是确定的，而特性值则是不固定长度的。

所以，对于不同的属性，其属性值是不一样的。也即对于以上五类（通用服务、单位、属性类型、特性描述和区分特性类型）等属性，其属性值的规范是不一样，具体到不同的特性类型，其属性值也是不同的。

1）通用服务类通过唯一的UUID（0x1800~0x26ff）来标识一种明确的服务。好比，0x180f代表电池电量服务。

2）计量单位类通过唯一的UUID来标识一种单位。

3）区分属性类型类通过唯一的UUID来标识该属性是首要服务定义、次要服务、包含服务还是特性定义等。其好比程序中的变量的类型，是整型、字节型、还是确定的结构体。

4）特性描述类除了描述特性的名称、作用之外，还有一个非常重要的配置作用。例如如果提供的特性服务需要主动告知对方，那么对方就必须在连接时进行订阅配置。这样在该特性的数据值发生变更时能够主动地进行notify或者indicate。

5）区分特性类型用于用户定义不同的特性，用于区分该设备里面所有的特性。

5.   特性

把特性理解为一个程序中的一个变量是最好理解的。变量有变量类型和值，变量类型有int整型、字节型等等（其实就是变量的存储长度），值即具体的数值。相应地，而特性则有值和存储值的长度的概念。如同变量的声明和定义，特性characteristic也有声明和定义（赋值）的概念。

一般地，在蓝牙标准里面，特性一般包括三个要素：声明、数值和描述。前两者都是必须的。作为通信交互，一个特性必须要告诉对方声明（存储长度和访问控制）、定义（具体赋值）。在某些特性（如notify或者indicate）里面，特性还需要告知对方附加的配置属性（提供订阅等）。

特性声明必须作为服务属性之后的第一条属性，而数值必须紧随其后。

1）  特性声明

性质为一个8位字段，指示访问控制权限，包括读、写、notify或者indicate等。对于特性声明而言，其一般是只读的（这里只针对声明这条属性本身，而不是针对对应的特性数值）。数值句柄即用于直接寻址接下来的特性数值。其对于通信的对方是很有好处的，因为对方只需要记录该句柄即可在后续的访问中直接寻址，否则每次通信都要遍历。在实际的编程应用中，我们往往在初始化时填入0，代表由底层逻辑来自动更新该handle。而属性UUID和接下来的特性数值属性的区分特性类型值是一致的。

2）特性数值

特性数值也是一个属性，其属性类型填入特性声明的属性UUID。属性值要填入特性数值的访问权限、长度和数值。

3）特性描述

      其可以是字符串表示的特性名称，或者是notify/indicate要求的配置等等。

二、对属性协议重要的理解原则

1)无论是服务还是特性，它们都是一条条属性；特性的各个要素也是一条条属性。只不过，不同的服务是独立的；而一个服务如果有多个特性，那么不同的特性也是独立的；一个特性包含的多条属性则是关联的。

2)对于蓝牙通信来说，其都是通过一个个不同的UUID来标识区分不同的服务，区分不同的特性，甚至服务/特性之间的类别。

3)对于各个蓝牙单芯片SDK平台，其上层应用对于属性协议的支持并不一致，它们只需要保证底层的蓝牙数据格式一致即可。

三、属性协议范例说明

例如一个电池服务包括一个特性（电池电量），那么其至少包括以下属性：首要服务定义（电池服务）、当前电量的特性定义（定义值长度）、当前电量的特性值。如果希望电池电量在低于某个水平时主动告知对方，那么这个电量特性值不仅应该是可读的，还应该是能够notify的。由于有主动告知，因此该特性还需要包括配置要素，用于对方来订阅。

1.对于电池服务这个属性，其属性类型是ATT_DECL_PRIMARY_SERVICE（0x2800），属性值是访问可读和蓝牙标准组织规定的0x180f（位于0x1800到0x26ff之间）；

2.电池当前电量的特性定义这个属性，其属性类型是ATT_DECL_CHARACTERISTIC（0x2803），属性值是可读、特性值句柄和特性值的UUID（0x2A19）。

3.对于当前电量的特性值这个属性，其属性类型是0x2A19（0x2A00~0x7fff之间，区分特性类型），其用于区分多种不同的特性（如一个温度采集器可能要采集多个温度，这里就要用户通过不同的UUID来区分不同的特性了），属性值即访问控制（可读/indicate）、长度（1字节）、数值。

4.配置属性，用于notify的订阅配置。其属性类型是0x2902，属性值是可读/可写（要能写入订阅方的handle）、长度（2个字节）、handle值。

      根据以上分析，我们来重构这个蓝牙的数据底层数据库。

四、DA14580平台SDK属性结构定义

1.单个属性定义

对于不同的属性，其length长度由value的类型来决定。例如服务的属性值对应的结构就是uint16_t；而特性声明的属性值对应的结构就是：

 

2.电池电量服务定义

五、CC254X平台SDK属性结构定义

1.单个属性定义

同样的，属性值pValue的数据结构由其对应的UUID来决定。例如服务属性的pValue对应的结构是gattAttrType_t(包括长度2和具体的服务UUID)。而特性声明的pValue对应的结构是一个字节的访问权限控制。特性数值的pValue对应的结构则是直接的变量定义，其可能是一个字节或者是字节数组，其长度由底层通过判断数组来决定。

2.电池电量服务定义

 

六、参考文献

1.   BLE标准core_V4.0，英文规格书

2.   低功耗蓝牙开发权威指南，蓝牙标准起草人撰写，中译本。

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做蓝牙开发的童鞋们记得点赞啊，网上几乎没有类似这样对底层协议结构进行分析的文章，最多就是写写属性、服务、特性之类的定义，看了过眼就忘。这篇文章应该可以好好收藏，不记得的时候就翻出来看看:-)

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