[藍芽]低功耗藍芽之 GAP、GATT
低功耗藍芽之 GAP、GATT
低功耗藍芽之 GAP、GATT
基礎介紹
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profile
profile 可以理解為一種規範，一個標準的通訊協議，它存在於藍芽從機中（服務端）；藍芽組織規定了一些標準的 profile，例如 HID OVER GATT，防丟器，心率計等；每個 profile 中會包含多個 service，每個 service 代表從機的一種能力。
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service
service 可以理解為一個服務，在 BLE 從機中有多個服務，例如：電量資訊服務、系統資訊服務等；每個 service 中又包含多個 characteristic 特徵值；每個具體的 characteristic 特徵值才是 BLE 通訊的主題，比如當前的電量是 80%，電量的 characteristic 特徵值存在從機的 profile 裡，這樣主機就可以通過這個 characteristic 來讀取 80% 這個資料。
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characteristic
characteristic 特徵值，BLE 主從機的通訊均是通過 characteristic 來實現，可以理解為一個標籤，通過這個標籤可以獲取或者寫入想要的內容。
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UUID
UUID，統一識別碼，我們剛才提到的 service 和 characteristic 都需要一個唯一的 uuid 來標識；每個從機都會有一個 profile，不管是自定義的 simpleprofile，還是標準的防丟器 profile，他們都是由一些 service 組成，每個 service 又包含了多個 characteristic，主機和從機之間的通訊，均是通過 characteristic 來實現。
BLE
藍芽低能耗（Bluetooth Low Energy，BLE）技術“完成”一次連線(即掃描其它裝置、建立鏈路、傳送資料、認證和適當地結束)只需 3ms。而標準藍芽技術完成相同的連線週期需要數百毫秒。應用 BLE 藍芽 4.0 首先必須瞭解的兩個協議：GAP（通用訪問協議）、GATT（通用屬性協議）。兩個協議都隸屬於 Host 層，直接關係到應用層開發，與 BLE 開發人員的關係比較密切，其分別負責連線前資料廣播和連線後的資料傳輸。
GAP
GAP 協議
GAP（Generic Access Profile）主要用來控制裝置連線和廣播，GAP 使你的裝置被其他裝置可見，並決定了你的裝置是否可以或者怎樣與互動裝置進行通訊。 GAP 層有 4 種不同型別的廣播：通用的、定向的、不可連線的以及可發現的。裝置每次廣播時，會在 3 個廣播通道上傳送相同的報文。這些報文被稱為一個廣播事件。除了定向報文以外，其他廣播事件均可以選擇 20ms - 10.28s 不等的間隔。通常，一個廣播中的裝置會每一秒廣播一次，廣播事件之間的時間稱為廣播間隔，主機可以控制該間隔。例如 Beacon 裝置就只是向外廣播，不支援連線，小米手環就等裝置就可以與中心裝置連線。
GAP 裝置角色
GAP 給裝置定義了若干角色，其中主要的兩個是：外圍裝置（Peripheral - 從機 - 服務端）和中心裝置（Central - 主機 - 客戶端）。
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外圍裝置 - 從機：
這一般就是非常小或者簡單的低功耗裝置，用來提供資料，並連線到一個更加相對強大的中心裝置，例如小米手環；
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中心裝置 - 主機：
中心裝置相對比較強大，用來連線其他外圍裝置。例如手機等；
GAP 廣播資料
在 GAP 中外圍裝置通過兩種方式向外廣播資料： Advertising Data Payload（廣播資料）和 Scan Response Data Payload（掃描回覆），每種資料最長可以包含 31 byte。這裡廣播資料是必需的，因為外設必需不停的向外廣播，讓中心裝置知道它的存在。掃描回覆是可選的，中心裝置可以向外設請求掃描回覆，這裡包含一些裝置額外的資訊，例如裝置的名字。
GAP 廣播流程
GAP 的廣播工作流程如下圖所示。
從圖中我們可以清晰看出廣播資料和掃描回覆資料是怎麼工作的。外圍裝置會設定一個廣播間隔，每個廣播間隔中，它會重新發送自己的廣播資料。廣播間隔越長，越省電，同時也不太容易掃描到。
GAP 廣播的網路拓撲結構
大部分情況下，外設通過廣播自己來讓中心裝置發現自己，並建立 GATT 連線，從而進行更多的資料交換。也有些情況是不需要連線的，只要外設廣播自己的資料即可。 用這種方式主要目的是讓外圍裝置，把自己的資訊傳送給多箇中心裝置。因為基於 GATT 連線的方式的，只能是一個外設連線一箇中心裝置。使用廣播這種方式最典型的應用就是蘋果的 iBeacon。廣播工作模式下的網路拓撲圖如下：
GATT
GATT 的全名是 Generic Attribute Profile，他定義兩個 BLE 裝置通過叫做 Service 和 Characteristic 的東西進行通訊。GATT 就是使用了 ATT（Attribute Protocol）協議，ATT 協議把 Service，Characteristic 遺蹟對應的資料儲存在一個查詢表中，次查詢表使用 16bit ID 作為每一項的索引。
一旦兩個裝置建立起了連線，GATT 就開始起作用了，這也意味著，你必需完成前面的 GAP 協議。 這裡需要說明的是，GATT 連線，必須先經過 GAP 協議。實際上，我們在 Android 開發中，可以直接使用裝置的 MAC 地址，發起連線，可以不經過掃描的步驟。這並不意味不需要經過 GAP，實際上在晶片級別已經給你做好了，藍芽晶片發起連線，總是先掃描裝置，掃描到了才會發起連線。
GATT 連線需要特別注意的是：GATT 連線是獨佔的。 也就是一個 BLE 外設同時只能被一箇中心裝置連線。一旦外設被連線，它就會馬上停止廣播，這樣它就是一個 BLE 外設同時只能被一箇中心裝置連線。一旦外設被連線，它就會馬上停止廣播，這樣它就對其他裝置不可見了。當裝置斷開，它又開始廣播。
中心裝置和外設需要雙向通訊的話，唯一的方式就是建立 GATT 連線。
GATT 連線的網路拓撲
下圖展示了 GTT 連線網路拓撲結構。這裡很清楚的顯示，一個外設只能連線一箇中心裝置，而一箇中心裝置可以連線多個外設。
一旦建立起了連線，通訊就是雙向的了，對比前面的 GAP 廣播的網路拓撲，GAP 通訊是單向的。如果你要讓兩個裝置外設能通訊，就只能通過中心裝置中轉。
GATT 通訊事務
GATT 通訊的雙方是 C/S 關係。外設作為 GATT 服務端（Server），它維持了 ATT 的查詢表以及 service 和 characteristic 的定義。中心裝置是 GATT 客戶端（Client），它向 Server 發起請求。需要注意的是，所有的通訊事件，都是由客戶端（也叫主裝置，Master）發起，並且接收服務端（也叫從裝置，Slave）的響應。
一旦連線建立，外設將會給中心裝置建議一個連線間隔（Connection Interval）,這樣，中心裝置就會在每個連線間隔嘗試去重新連線，檢查是否有新的資料。但是，這個連線間隔只是一個建議，你的中心裝置可能並不會嚴格按照這個間隔來執行，例如你的中心裝置正在忙於連線其他的外設，或者中心裝置資源太忙。
下圖展示一個外設（GATT 服務端）和中心裝置（GATT 客戶端）之間的資料交換流程，可以看到的是，每次都是主裝置發起請求：
GATT 結構
GATT 事務是建立在巢狀的Profiles, Services 和 Characteristics之上的的，如下圖所示：
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Profile Profile 並不是實際存在於 BLE 外設上的，它只是一個被 Bluetooth SIG 或者外設設計者預先定義的 Service 的集合。例如心率Profile（Heart Rate Profile）就是結合了 Heart Rate Service 和 Device Information Service。所有官方通過 GATT Profile 的列表可以在網站上找到。
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Service Service 是把資料分成一個個的獨立邏輯項，它包含一個或者多個 Characteristic。每個 Service 有一個 UUID 唯一標識。 UUID 有 16 bit 的，或者 128 bit 的。16 bit 的 UUID 是官方通過認證的，需要花錢購買，128 bit 是自定義的，這個就可以自己隨便設定。
官方通過了一些標準 Service，完整列表可以在網站上找到。以 Heart Rate Service 為例，可以看到它的官方通過 16 bit UUID 是 0x180D，包含 3 個 Characteristic：Heart Rate Measurement, Body Sensor Location 和 Heart Rate Control Point，並且定義了只有第一個是必須的，它是可選實現的。
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Characteristic 在 GATT 事務中的最低界別的是 Characteristic，Characteristic 是最小的邏輯資料單元，當然它可能包含一個組關聯的資料，例如加速度計的 X/Y/Z 三軸值。
與 Service 類似，每個 Characteristic 用 16 bit 或者 128 bit 的 UUID 唯一標識。你可以免費使用 Bluetooth SIG 官方定義的標準 Characteristic，使用官方定義的，可以確保 BLE 的軟體和硬體能相互理解。當然，你可以自定義 Characteristic，這樣的話，就只有你自己的軟體和外設能夠相互理解。
舉個例子， Heart Rate Measurement Characteristic，這是上面提到的 Heart Rate Service 必需實現的 Characteristic，它的 UUID 是 0x2A37。它的資料結構是，開始 8 bit 定義心率資料格式（是UINT8 還是 UINT16？），接下來就是對應格式的實際心率資料。
實際上，和 BLE 外設打交道，主要是通過 Characteristic。你可以從 Characteristic 讀取資料，也可以往 Characteristic 寫資料。這樣就實現了雙向的通訊。所以你可以自己實現一個類似串列埠（UART）的 Sevice，這個 Service 中包含兩個 Characteristic，一個被配置只讀的通道（RX），另一個配置為只寫的通道（TX）。