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

什么是蓝牙service和characteristic？到底怎么理解蓝牙profile？ATT和GATT两者如何区分？什么又是attribute？attribute和characteristic的区别是什么？蓝牙的互联互通为什么能做得这么成功？

本文将对以上问题进行阐述，并重点阐述蓝牙协议栈中的ATT层和GATT层，本文偏重理论，如果你对低功耗蓝牙不是很了解，建议配合如下两篇文章一起阅读：

1. 蓝牙协议栈架构

如文章“深入浅出低功耗蓝牙(BLE)协议栈”所述，低功耗蓝牙协议栈框架结构如下所示：

如图所示，ATT和GATT是蓝牙协议栈重要的2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又调用了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。

2. 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，比如我们经常用到的浏览器和服务器也是一种C/S架构，这其中浏览器是客户端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与此类似，一般而言设备提供服务，因此设备是server，手机使用设备提供的服务，因此手机是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1：C/S架构

客户端要访问某一个数据，就发送一个request/请求（其实就是一条命令或者PDU），服务端再把该数据返回给客户端（一条response/响应命令或者PDU），这就是C/S架构。

3. ATT

讲解ATT之前我们先讲解attribute，那么什么是attribute？其实就是一条一条的数据。前面说过，每个蓝牙设备就是用来提供服务的，而服务就是众多数据的合集，这个合集可以称为数据库，数据库里面每个条目都是一个attribute。所以在这里我把attribute翻译成数据条目。大家可以把一个蓝牙设备想象成一个表格，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的，也就是说ATT PDU一般都包含handle的值。用户在软件代码添加characteristic的时候，系统会自动按顺序地为相关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128 bit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，它被蓝牙联盟采用为官方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，其实它也是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service和characteristic，GATT层用来赋予每个数据一个具体的内涵，让数据变得有结构和意义。换句话说，没有GATT层，低功耗蓝牙也可以通信起来，但会产生兼容性问题以及通信的低效率。

Attribute value，就是数据真正的值，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，而是隐含在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，由于配对有多种类型，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，签名后才能读或者写，这个用得比较少。

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：

图2：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，就成了原始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，在Nordic 例程中attribute table占用多少RAM是静态分配的，即通过宏ATTR_TAB_SIZE来控制attribute database大小，因此当你对服务进行了任何修改，记得一定要去修改ATTR_TAB_SIZE的值，否则协议栈初始化会报错：RAM不够或者太多。

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之后，会立马等ACK信息，如果收到了ACK包，发送方认为命令完成；否则发送方会一直重传该命令直到超时导致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，不管它是用什么ATT PDU来发送的，它肯定被对方收到了。我估计很多人对此会产生疑问，因为他们经常碰到丢包的情况，其实大家经常碰到的“丢包”，不是空中把包丢了或者包在空中被干扰了，而是大家发送的代码写得有问题，导致你要发送的包没有被安全送达到协议栈射频FIFO中，从而出现所谓的“丢包”。以后大家碰到丢包情况，请先检查你的代码，保证你的数据包正确完整安全地送达到协议栈射频FIFO中，只要数据包放到了协议栈射频FIFO中，蓝牙协议栈就能保证该数据包“必达”对方。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方式的命令对，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：

4. GATT，Service（服务）和Characteristic（特征数据）

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，英文本义就是脸的侧面轮廓，这里大家一定要注意，脸的轮廓不等于脸本身（脸本身是非常复杂和细致的），但profile本身是对脸的一种抽象，描述和定义，蓝牙核心规范其实也是使用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，意义基本接近。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可以很好地应对。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将对数据赋予含义，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，或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”，也有可能是说心率“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组成的，而每一个service又是由多个characteristic组成的，这样我们可以把上面的图1转化成图3。

图3：service和characteristic

那service/characteristic和attribute之间到底是一个怎么样的关系？如前所述，service/characteristic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，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声明条目（declaration attribute），characteristic值条目（value attribute）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。Characteristic value就是数据的值了，它也是一个单独的attribute，这个比较好理解就不再说了。Characteristic 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notify或者indicate PDU，跟其他PDU相比，这2个PDU是由server自己决定什么时候开始传送，而不是被动接受client的命令请求。但client毕竟是客户啊，它得有自主权，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以不接收 notify或者indicate命令，client也可以通过使能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CCCD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。

最后再说一下，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：

下面我们再从手机角度来看一下service和characteristic长什么样。大家可以仿照“手把手教你开发BLE数据透传应用程序”，制作一个蓝牙设备，然后通过手机nRF Connect应用程序去连接这个设备，将得到如下界面：

可以看到手机呈现的就是上文讲的service和characteristic，nRF Connect为了让整个界面变得更美观，将访问属性，UUID，handle等跨多列来表示了，并隐藏了很多信息，以致于很多初学者不能把理论和实际二者一一对应起来（nRF connect桌面版显示的信息会更多点，大家也可以用桌面版看看service和characteristic包含哪些信息）。Nordic之前推出过一款Master Control Panel（MCP）PC版应用程序，功能跟nRF connect非常相似，MCP现在已经不推荐使用了，不过MCP有一个好处，它对service和characteristic的组织方式更接近底层实现方式，对大家理解service和characteristic是非常有帮助的。还是这个设备，我用MCP跟它连接并进行服务发现，你会发现它呈现的界面如下所示：

这个图就跟上面讲的理论知识可以一一对应起来了，Nordic UART Service (NUS)服务包含2个characteristic：RX和TX，每一个条目都是一个attribute，NUS服务本身就是一个attribute，而RX characteristic本身又包含2条attribute：一条是declaration attribute，一条是value本身attribute。由于TX支持notify，所以它包含3条attribute，除了declaration和value外，另外一条attribute是CCCD。每个attribute都有handle，UUID和value，handle用来访问该attribute，UUID用来指明该attribute的类型，value就是attribute实际包含的数据本身。

上述蓝牙设备除了包含NUS服务，还包含“GAP”和“GATT”服务，如下所示：

这里的“GAP”，跟我们蓝牙协议栈框架里面的GAP可不是一回事，这里的GAP是一个service，而蓝牙协议栈里面的GAP是一个子协议；GATT也是同样的道理。为了不引起混淆，nRF connect把这里的GAP服务称为“Generic Access”服务，把这里的GATT服务称为“Generic Attribute”服务。“Generic Access” 服务包含Device name，Appearance，PPCP以及CAR等characteristic。 “Generic Attribute”服务包含Service Change等characteristic。

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。Nordic开发了很多蓝牙profile应用，如果你的应用就是一个profile，那么可以完全使用这些现成的例子而不做任何修改，这样做还有一个好处：BQB认证流程将大为简化，你只需做一些文档声明工作，不再需要出具测试报告，就可以获得BQB认证证书。这里强调一下，如果你的设备没有完全按照心率profile来，但也包含心率service，这个时候你就不能说你的设备是一个心率profile设备，虽然你的设备不是心率profile设备，但是它提供的功能基本上跟心率profile设备差不多，因为它包含心率service。这种情况下，你的设备还是一个标准的蓝牙设备，还是可以去过BQB认证的，而且过BQB认证的流程也不复杂，就是比profile设备多了一个自测报告而已。这种设备跟手机通信，是没有任何兼容性或者互联互通问题的。最后强调一下，目前大部分人开发的蓝牙应用程序，其实都是非profile蓝牙应用程序，比如手环、共享单车、蓝牙透传等。