蓝牙BLE： ATT协议层中属性(Attribute)

ATT（Attribute Protocol）属性层是GATT和GAP的基础，它定义了BLE协议栈上层的数据结构和组织方式。

属性（Attribute）概念是ATT层的核心，ATT层定义了属性的内容，规定了访问属性的方法和权限。以编程的眼光来看，属性是一个数据结构，它包括了数据类型和数据值，就如同C语言结构体的概念，开发者可以设计独特的结构，来描述外部世界实体。

属性包括三种类型：服务项、特征值和描述符。三者之间存在树状包含关系，服务项包含一个或多个特征值，特征值包含一个或多个描述符，多个服务项组织在一起，构成属性规范（Attribute Profile）。对于常用的属性规范，比如体重计、心率计，SIG(蓝牙技术联盟)做了具体定义，这样的话，只要BLE主从设备均遵守某个Profile来进行设计，那么二者就能够优雅的通信。

ATT层相关的东西与开发者比较近，易于理解，但是章节内容图表较少，阐述偏多。

一. 属性的组成(数据结构)

属性主要由以下四部分组成：属性句柄(Attribute Handler)、属性类型(Attribute Type)、属性值(Attribute Value)、属性权限(Attribute Permissions)。

1.1 属性句柄

属性句柄（Attribute Handle）犹如指向属性实体的指针，对端设备可通过属性句柄来访问该属性，它是一个2字节长度的十六进制码，起始于0x0001，在系统初始化时候，各个属性的句柄逐步加一，最大不超过0xFFFF。

1.2 属性类型

作用是用以区分当前属性是服务项或是特征值等，它用UUID来表示。UUID（universally unique identifier，通用唯一识别码）是一个软件构建标准，并非BLE独有的概念，一个合法的UUID，一定是随机的、全球唯一的，不应该出现两个相同的UUID（出现了，就说明它们俩是同一个UUID）。标准的UUID是一串16字节十六进制字符串，如f6257d37-34e5-41dd-8f40-e308210498b4，在网上可以方便的生成一个UUID。
BLE的属性类型是有限的，有四个大类：

  • Primary Service（首要服务项）
  • Secondary Service（次要服务项）
  • Include（包含服务项）
  • Characteristic（特征值）

这些属性类型分别对应了指定的UUID，BLE对这些UUID与属性类型的映射关系做了规定：

  • 0x1800 – 0x26FF ：服务项类型
  • 0x2700 – 0x27FF ：单位
  • 0x2800 – 0x28FF ：属性类型
  • 0x2900 – 0x29FF ：描述符类型
  • 0x2A00 – 0x7FFF ：特征值类型

假如UUID=0x1800，就表示它是一个首要服务项。

UUID是16个字节的字符串，为什么这里只使用了2字节？

因为这些是常用的UUID，为了减少传输的数据量，BLE协议做了一个转换约定，给定一个固定的16字节模板，只设置2个字节为变化量，其他为常量，2字节的UUID在系统内部会被替换，进而转换成标准的16字节UUID。UUID模板为：

0000XXXX-0000-1000-8000-00805F9B34FB

其中从左数第3、4个字节“XXXX”就是变化位，其他为固定位。如：UUID=0x2A00在系统内部会转换成00002A00-0000-1000-8000-00805F9B34FB。

反之，如果一个特征值的UUID是16字节的，在系统内部它的属性类型也可能写成第3、4字节组成的双字节，比如UUID=1234ABCD-0000-1000-8000-00805F9B34FB，它的属性类型在内部表示为ABCD。主机端扫描到该属性类型，会将其当做是“用户自定义”的类型，然后从其他位置获取该UUID的真实值。

1.3 属性值

用于存放数据。如果该属性是服务项类型或者是特征值声明类型，那么它的属性值就是UUID等信息。如果是普通的特征值，则属性值是用户的数据。属性值需要预留空间以保存用户数据。为了方便理解，我们可以将属性值的空间看做I2C的数据空间，操作特征值里的用户数据，就是对那块内存空间进行读写。

1.4 属性权限

属性权限主要有以下四种：

  • 访问权限（Access Permission）- 只读、只写、读写
  • 加密权限（Encryption Permission） – 加密、不加密
  • 认证权限（Authentication Permission） – 需要认证、无需认证
  • 授权权限（Authorization Permission） – 需要授权、无需授权

访问（Access）权限好理解，如果是只读权限，就不能对其写数据，其他类似。

加密（Encryption）权限也好理解，就是对数据进行加密。

认证（Authentication）是指相互确认对方身份。完成认证流程的两个设备，双方建立信任关系，二者之间的通信通道即可以认为是安全的。BLE中，“认证”过程就是配对。

授权（Authorization）是指对授信设备开放权利。

认证和授权功能容易混淆，其英文拼写也很相似。从上面的概念上看，授权要求设备必须是可信任的，因此授权的管控等级要高于认证——认证的设备未必被授权，授权的设备一定是认证的。理解二者关系，需要引入一个概念：Trusted Device（可信任设备）一个没有经过认证的设备，被称为Unknown Device（未知设备）；经过了认证该设备会在绑定信息中被标记为Untrusted，被称为Untrusted Device（不可信设备）；经过了认证，并且在绑定信息中被标记为Trusted的设备被称为Trusted Device（可信设备）。

授权要求设备为Trusted Device（可信任设备）。在实际使用中，经过配对以后设备即为Untrusted Device——认证，在代码中调用API可以设置设备为Trusted Device——授权。

二. 属性的种类和分组(属性的层级)

属性大致可以分为三种类型：服务项、特征值和描述符。它们的层级关系为：最顶级为Profile, 下面是多个服务项(Service), 服务项下面是多个特征值(Characteristic), 特征值下面是多个描述符(Descriptor)。

每个设备都包含以下必要的特征值和服务项：

PROFILE

  • Generic Access Service（Primary Service）
    • Device Name（Characteristic）
    • Appearance（Characteristic）
  • Generic Attribute Service（Primary Service）
    • Service Changed（Characteristic）
      • CCCD（Descriptor）

服务项这种类型本身并不包含数据，仅仅相当于是一个容器，用来容纳特征值。特征值用于保存用户数据，但它也有自己的UUID， 有点像C语言中的变量int var=0xFF，整形变量var携带了用户数据0xFF，但是它自身还有地址信息（&var），因此在使用时需要先定义再赋值两个步骤。类似的，在处理特征值所携带的用户数据之前，需要先对特征值自身进行声明。

特征值在系统中的表达形式是：声明 + 特征值属性。比如Device Name，它在GATT数据库中表示方式是：

Characteristic 声明: 0x0002, 0x2803, access_property, 0x2A00
Characteristic 项:   0x0003, 0x2A00, access_property, data

其中第一列双字节数代表句柄，第二列双字节数代表属性类型（UUID），0x2803表示该项为“特征值的声明”，0x2A00表示该特征值是Device Name。在第一行特征值声明中，最后一项的属性值就是该特征值的UUID。可以注意到，声明里面的属性值为0x2A00，特征值自己的属性类型也是0x2A00，显然信息冗余了。原因是，假如特征值的UUID为自定义的16字节UUID，在特征值的属性类型中，只能存放2个字节，而UUID的真实值，就存放在特征值声明的属性值项中。

BLE的属性体系在系统中以GattDB表示，即属性数据库。打开CyBle_gatt.c文件，找到cyBle_gattDB变量，如下图

const CYBLE_GATTS_DB_T cyBle_gattDB[0x10u] = { 
    { 0x0001u, 0x2800u /* Primary service                     */, 0x00000001u /*           */, 0x0007u, {{0x1800u, NULL}}                           }, 
    { 0x0002u, 0x2803u /* Characteristic                      */, 0x00000201u /* rd        */, 0x0003u, {{0x2A00u, NULL}}                           }, 
    { 0x0003u, 0x2A00u /* Device Name                         */, 0x00000201u /* rd        */, 0x0003u, {{0x0009u, (void *)&cyBle_attValuesLen[0]}} }, 
    { 0x0004u, 0x2803u /* Characteristic                      */, 0x00000201u /* rd        */, 0x0005u, {{0x2A01u, NULL}}                           }, 
    { 0x0005u, 0x2A01u /* Appearance                          */, 0x00000201u /* rd        */, 0x0005u, {{0x0002u, (void *)&cyBle_attValuesLen[1]}} }, 
    { 0x0006u, 0x2803u /* Characteristic                      */, 0x00000201u /* rd        */, 0x0007u, {{0x2A04u, NULL}}                           }, 
    { 0x0007u, 0x2A04u /* Peripheral Preferred Connection Par */, 0x00000201u /* rd        */, 0x0007u, {{0x0008u, (void *)&cyBle_attValuesLen[2]}} }, 
    { 0x0008u, 0x2800u /* Primary service                     */, 0x00000001u /*           */, 0x000Bu, {{0x1801u, NULL}}                           }, 
    { 0x0009u, 0x2803u /* Characteristic                      */, 0x00002201u /* rd,ind    */, 0x000Bu, {{0x2A05u, NULL}}                           }, 
    { 0x000Au, 0x2A05u /* Service Changed                     */, 0x00002201u /* rd,ind    */, 0x000Bu, {{0x0004u, (void *)&cyBle_attValuesLen[3]}} }, 
    { 0x000Bu, 0x2902u /* Client Characteristic Configuration */, 0x00000A04u /* rd,wr     */, 0x000Bu, {{0x0002u, (void *)&cyBle_attValuesLen[4]}} }, 
    { 0x000Cu, 0x2800u /* Primary service                     */, 0x00000001u /*           */, 0x0010u, {{0xCBBBu, NULL}}                           }, 
    { 0x000Du, 0x2803u /* Characteristic                      */, 0x00001A01u /* rd,wr,ntf */, 0x0010u, {{0xCBB1u, NULL}}                           }, 
    { 0x000Eu, 0xCBB1u /* Custom Buffer                       */, 0x00011A04u /* rd,wr,ntf */, 0x0010u, {{0x00C8u, (void *)&cyBle_attValuesLen[5]}} }, 
    { 0x000Fu, 0x2901u /* Custom Descriptor                   */, 0x00010001u /*           */, 0x000Fu, {{0x001Cu, (void *)&cyBle_attValuesLen[6]}} }, 
    { 0x0010u, 0x2902u /* Client Characteristic Configuration */, 0x00010A04u /* rd,wr     */, 0x0010u, {{0x0002u, (void *)&cyBle_attValuesLen[7]}} }, 
};

通过注释可以看到，每个特征值都有声明和特征值项两部分组成。

由于各个属性的句柄是递增的，因此属性的声明顺序会影响句柄的计算。

描述符是特征值的补充信息，挂载在特征值之下，它可以开辟一段数据空间以携带数据，客户端可以像操作特征值一样对其进行读写，但是描述符弱于特征值，它不具备Notify/Write等读写属性，远不如特征值灵活。有一种描述符叫CCCD（Client Characteristic Configuration Description），当对特征值设置Notify或Indication时，用以控制Notify和Indication的使能情况。

关于gattDB，值得注意的一点是，gattDB是BLE协议栈在内存中开辟的一段专有区域，它会在特定的时候写入Flash进行保存，并在启动时读取出来回写到内存中去。并非所有的BLE数据通信是操作gattDB！比如手机向BLE设备发送一串字符串，从机收到这串字符串并打印出来，这个过程中，这个字符串并没有写入gattDB。那么，即使开发者限制某个特征值为认证、只读等权限，仍然不能阻止这个字符串的发送和打印，因为特征值的权限，都是针对gattDB而言的。进一步，假如BLE从机收到字符串后，希望写入gattDB进行保存，那么就会触发权限问题。以往有开发者说为什么我勾选了属性需要认证，但是配对失败后仍然能够看到手机发来的数据，原因就在这里，就是手机端传来的数据没有涉及到gattDB，当尝试写入gattDB的时候，就会发现报错了。

三. ATT PDU(属性协议)

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），Server和Client通过ATT PDU进行交互。属性协议共有6种：

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 –

它们的区别如下：

客户端发送Request，服务器需要返回一个Response，表明服务器收到了。

服务器发送Indication，客户端需要返回一个Confirmation，表明客户端收到了。

以上两种方式，均是单线程操作，即下一个Request/Indication操作需要在上一个操作收到Response/Confirmation之后才能开始。

客户端发送Command，服务器无需任何返回。

服务器发送Notification，客户端无需任何返回。

因此Command和Notification是不可靠的通信。当通信环境不佳，客户端频繁发送Command，可能发生服务器接收不到或丢弃的情况，Notification也类似。

PDU的具体格式定义如下：

 参数说明：

Opcode：
bit 0-5：操作属性的方法
bit 6：Command 标识位
bit 7：Authentication Signature标识位
Attribute Parameters:
如果Attribute Opcode中身份验证签名标记位为0，则X = 1；
如果Attribute Opcode中身份验证签名标记位为1，则X = 13；
Authentication Signature:
属性操作码和属性参数的可选身份验证签名

 

参考链接：

1. 蓝牙BLE实用教程

2. BLE协议栈-ATT

3. BLE ATT和GATT小结

4. BLE 5 协议栈-属性协议层(ATT)

 

posted @ 2019-12-04 17:41  夜行过客  阅读(11636)  评论(0)  编辑  收藏  举报