认识BLE 5协议栈 —— 属性协议层

转自  http://www.sunyouqun.com/2017/04/understand-ble-5-stack-attribute-protocol-layer/

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属性协议（Attribute Protocol）简称ATT。

ATT层定义了属性实体的概念，包括UUID、句柄和属性值等，也规定了属性的读、写、通知等操作方法和细节，这些与属性操作相关的内容称为属性协议。ATT层规定了ATT_MTU值，如果属性值很长，超过了ATT_MTU限制，将使用特殊的读写方法进行操作。

基于ATT层，可以构建出通用属性操作规范。

1. 属性

在蓝牙协议中， 属性是指一个数据实体，它包含标识符，句柄，数据内容，访问权限，安全问题等。

属性协议规定了属性的发现和读写访问的方法。

1.1 类型

属性类型由一个UUID（Universally Unique Identifier）表示。UUID是指从时间尺度和空间尺度都具有唯一性的一串128-bit的数字，该数字串在全球范围内不会重复，并且在未来也不会出现重复。

一个典型的16字节UUID格式为XXXX-XX-XX-XX-XXXXXX。

蓝牙协议设定了一个蓝牙基础UUID： 00000000 – 0000 – 1000 – 8000 – 00805F9B34FB。

利用该基础UUID，可以使用16-bit或32-bit的UUID来代替128-bit的UUID，当传递到对端设备，再还原成128-bit的UUID。

假如16-bit的UUID为YYYY，则还原后的128-bit的UUID为：0000YYYY – 0000 – 1000 – 8000 – 00805F9B34FB。

假如32-bit的UUID为YYYYYYYY，则还原后的128-bit的UUID为：YYYYYYYY – 0000 – 1000 – 8000 – 00805F9B34FB。

ATT层支持使用16-bit和128-bit两种UUID，32-bit的UUID在使用前必须转换成128-bit。

1.2 句柄

属性句柄犹如指向属性实体的指针，对端设备通过句柄来访问该属性。

属性句柄是一个2字节数，有效范围为0x0001-0xFFFF。

属性句柄为有序排列，后面的句柄值会大于前面的句柄，通常下一个属性的句柄值是上一个属性的句柄加1。

1.3 分组

多个属性可以合成一组，一组属性包含的参数为：开始句柄、结束句柄。

1.4 值

属性值可以是一个数字或一个字符串。属性值的长度信息不包含在PDU中，所以需要从PDU的长度间接推算出属性值的长度信息。

属性值通常在一个PDU中发送，如果属性值太长，也可以分成多个PDU进行发送。

1.5 权限

属性的读写权限由ATT层之上的协议层规定，有效的读写权限包括：可读、可写、读写。

在读写属性之前，客户端设备还需要具有足够的安全权限，包括：

• 加密权限：需要加密、无需加密
• 认证权限：需要认证、无需认证
• 授权权限：需要授权、无需授权

如果权限不足，将触发错误处理机制。

1.6 控制点属性

控制点属性是一类特殊属性，它不可读，只能写。

1.7 协议方法

对属性的操作称为协议方法，包括：命令（Command），请求（Request），响应（Response），通知（Notification），指示（Indication）和确认（Confirmation），某些属性PDU还涉及授权签名方法。

1.8 交换MTU Size

ATT_MTU表示ATT层间传输的数据包的最大长度。两端设备可以通过Exchange MTU Request/Response进行交换MTU。

1.9 长包属性

对于读属性的数据包，最大长度为（ATT_MTU-1）个字节。其中减去的1表示1字节的操作码。

对于写属性的数据包，最大长度为（ATT_MTU-3）个字节。其中减去的3表示1字节的操作码和2字节的属性句柄。

如果数据包超过这个长度，则称为长包属性。

读长包属性，需要使用Read Blob Request，写长包属性，需要使用Prepare Write Request和Execute Write Request。

如果使用普通Read操作读长包属性，仅能读取前（ATT_MTU – 1）个字节，使用普通Write操作写长包属性，仅能写前（ATT_MTU-3）个字节。

无论普通属性还是长包属性，属性值的最大长度均为512字节。

1.10 原子操作

一个请求或一个命令，称为一个原子操作。一个原子操作结束后，才能进行新的原子操作。

读写长包属性无法在一个原子操作内完成。

2. 属性PDU

2.1 属性角色

在ATT层协议框架内，拥有一组属性的设备称为服务端（Server），读写该属性值的设备称为客户端（Client）。

2.2 分类

属性PDU有六类：

属性PDU	方向	触发响应
Command	Client -> Server	–
Request	Client -> Server	Response
Response	Server -> Client	–
Notification	Server -> Client	–
Indication	Server -> Client	Confirmation
Confirmation	Client -> Server	–

属性PDU格式如下：

字段	Opcode	Parameter	Authentication Signature
长度	1 octet	0 – (ATT_MTU-X) octets	0 or 12 octets

其中Opcode的第0-5位表示该属性的具体类型，第6位表示命令标志位，如果该位为1，表示该操作码对应一个命令，最后1位表示认证签名（Authentication Signature）标志位，如果该位为1，表示该PDU的最后一个字段中包含12字节的认证签名。

Parameter字段中包含了参数，其长度为0支ATT_MTU-x，如果认证签名位为1，则此处x等于13，否则等于1。

只有写命令才需要认证签名，其他命令不需要。此外，如果链路已经进行加密，则属性PDU中也无需额外添加认证签名。

2.3 操作顺序

对于Request和Indication属性，需要接收端返回响应。在发出Request和Indication后，收到响应之前，不能发出新的Request和Indication。

对于其他无需响应的属性，则可以在自由发送，但是不保证接收端一定能够收到和执行。

可以在Request和Response之间，或Indication和Confirmation之间发送其他无需响应的属性。

2.4 事务

一个Request-Response对，或Indication-Confirmation对，称为一个事务。

对于客户端设备而言，发出Request或收到Indication表示事务的开始，收到Response或返回Confirmation表示事务的结束。

对于服务端设备而言，发出Indication或收到Confirmation表示事务的开始，收到Confirmation或返回Response表示事务的结束。

3. 属性协议PDU

属性协议规定了多种Request-Response对，请求属性由客户端设备发出，响应属性由服务端设备发出。

3.1 错误处理

Opcode	PDU
0x01	Error Response

如果属性PDU的操作码无效，或属性句柄无效，将返回错误响应PDU。在PDU的Parameter字段中，包含了错误编码。

3.2 交换MTU

Opcode	PDU
0x02	Exchange MTU Request
0x03	Exchange MTU Response

客户端设备向服务端设备发送交换MTU请求，提供客户端设备的MTU值。服务端设备获知客户端的MTU值，并返回自己的MTU值。两端设备都将设置较小的MTU值作为新的MTU值。

如果两端设备没有交换MTU，则使用默认的MTU值（BLE下为23）处理属性事务。

3.3 查找信息

PDU	Opcode
0x04	Find Information Request
0x05	Find Information Response
0x06	Find By Type Value Request
0x07	Find By Type Value Response

查找信息请求，包含两个参数：起始属性句柄和结束属性句柄，用于获取服务端设备属性句柄处于该参数区间内的属性。

查找信息响应，包含指定句柄区间内的属性UUID。如果区间内有多个属性，则返回多个响应。

按类型值查找请求，是在查找信息请求的基础上，加上了属性类型和属性值两个参数，这样能够更加精确的找到目标属性。

按类型值查找响应，包含了满足条件的属性句柄列表。

3.4 读属性

Opcode	PDU
0x08	Read By Type Request
0x09	Read By Type Response
0x0A	Read Request
0x0B	Read Response
0x0C	Read Blob Request
0x0D	Read Blob Response
0x0E	Read Multiple Request
0x0F	Read Multiple Response
0x10	Read by Group Type Request
0x11	Read by Group Type Response

按类型读请求，包含三个参数：起始属性句柄、结束属性句柄和属性类型。

按类型读响应，包含了满足条件的属性的“句柄-值”对的列表。

读请求，包含一个参数：属性句柄。

读响应，返回满足条件的属性值。

读片段（blob）请求，用于读取一个长包属性的值，它包含两个参数：属性句柄和偏移量。以不同的偏移量作为参数，多次执行该请求可以读取长包属性的完整值。

读片段响应，包含了长包属性值的指定偏移量片段。

读多次请求，用于读取多个给定句柄的属性值，它包含一个参数：句柄列表。

读多次响应，包含了多个指定句柄的属性值。

按组类型读请求，用于读取指定组类型的属性值，组类型是由ATT层之上的协议层设定的。它包含三个参数：起始属性句柄、结束属性句柄和属性组类型。

按组类型读响应，包含了满足条件的属性值列表。

3.5 写属性

Opcode	PDU
0x12	Write Request
0x13	Write Response
0x14	Write Command
0x15	Signed Write Command

写请求，将待写数值写入指定的属性值，包含两个参数：属性句柄和数值。

写响应，表示写请求执行成功，不含任何参数。

写命令，将待写数值写入指定的属性值，包含两个参数：属性句柄和数值。它不会触发一个写响应。

签名的写命令，与上面的写命令类似，指示包含了额外的参数：认证签名。典型应用是写控制点属性。

3.6 队列写属性

队列写是指利用一个先进先出的队列，缓存多个属性值的写操作，然后在一个原子操作中完成所有的值写入操作。

队列写专门用于长包属性的写操作，现将一个长数据分成多个部分并记录偏移量，然后通过队列缓存，等数据发送完毕，再按照收到的顺序，一次性将整个长数据写入属性值。

Opcode	PDU
0x16	Prepare Write Request
0x17	Prepare Write Response
0x18	Execute Write Request
0x19	Execute Write Response

准备写请求，用于发送一个长数据片段，它包含三个参数：属性句柄、偏移量和待写入数据。

准备写响应，收到准备写请求以后，缓存收到的数据。

执行写请求，对前面缓存的数据执行写操作，它包含一个参数：标志位。如果标志位为1，则执行写操作，如果为0，则取消前面的缓存数据。

执行写响应，根据执行写请求的标志位，执行或取消写操作。

3.7 通知属性

Opcode	PDU
0x1B	Handle Value Notification
0x1D	Handle Value Indication
0x1E	Handle Value Confirmation

发送数值通知，它包含两个参数：属性句柄和属性值。它不需要客户端收到后返回响应。

发送数值指示，它包含两个参数：属性句柄和属性值。它需要客户端收到后返回确认。

发送数值确认，它不包含参数，客户端发出该确认消息表示收到了数值指示。

4. 权限

通知和指示与读写操作类似，也可以设置安全权限。

每个属性可以设置单独的权限。

权限不足将阻止操作，并触发错误响应。

权限问题与ATT之上的协议层有较大联系。