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分层思想

无论是OSI七层模型，还是在BLE协议，为了能快速理解，可以利用分而治之的思想把大问题分割成多个小问题。各层向上提供服务，向下提供兼容。

从整体来看，低功耗蓝牙体系的整体结构主要分为三个部分：主机host，控制器，以及基于此向上提供的应用层。主机就是开发接触比较多的软件栈部分，用来管理设备间通讯以及如何利用无线电提供服务。

控制器就是负责发送和接收无线电信号，以及如何把携带信息的数据包翻译成无线电信号的物理设备。

BLE协议栈概览

协议封层见下图：

GATT（Generic attribute profile ）

GATT用来规范attribute中的数据内容，并运用group（分组）的概念对attribute进行分类管理。其引入了特性、服务、以及他们之间的关系、特征描述符等。还定义了一些

规程

用来发现服务、特性、服务之间的关系，以及用来读取和写入特征值。

ATT（Attribute protocol）

ATT层用来定义用户命令及命令操作的数据，比如读取某个数据或者写某个数据。BLE引入了attribute概念，用来描述一条一条的数据。Attribute除了定义数据，同时定义该数据可以使用的ATT命令，因此这一层被称为ATT层。

SMP（Secure manager protocol）

SMP用来管理BLE连接的加密和安全。

L2CAP（Logic link control and adaptation protocol）

L2CAP对LL进行了一次简单封装，LL只关心传输的数据本身，L2CAP就要区分是加密通道还是普通通道，同时还要对连接间隔进行管理。

GAP（Generic access profile）

GAP简单的对LL payload进行一些规范和定义，目前主要用来进行广播，扫描和发起连接等。

HCI（Host controller interface）

HCI主要用于2颗芯片实现BLE协议栈的场合，用来规范两者之间的通信协议和通信命令等。

LL（Link Layer链路层）

具体选择不同的射频通道进行通信，识别空中数据包，选择在哪个时间点把数据包发送出去，以及保证数据的 完整性，ACK 如何接收，如何实现重传，以及如何对链路进行管理和控制等等。

LL层只负责把数据发出去或者收回来，对数据进行怎样的解析则交给上面的GAP或者GATT。

PHY（Physical layer物理层）

PHY层用来指定BLE所用的无线频段，调制解调方式和方法等。决定整个BLE芯片的功耗，灵敏度以及selectivity等射频指标。

BLE client/server(C/S) 架构

如下图所示：、

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。这与http请求响应机制有相似之处。

GATT，Service（服务）和Characteristic（特征数据）

• GATT Server通过属性表（Attribute table）来组织数据，就是对数据进行逻辑化表达的规定。

• GATT，全称generic attribute profile，对数据进行一般化/抽象化的子规范，

attribute是一条一条的数据，GATT将对数据赋予含义，并呈现一定的逻辑结构。

• 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

• 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）。

BLE组织数据形式如下图：

1、Characteristic declaration 就是每个 characteristic 的分隔符,同时characteristic declaration还将包含value attribute的读写属性。

2、Characteristic value就是数据的值了，它也是一个单独的attribute。

3、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,可以为没有也可以有多个。

一种特殊的descriptor：CCCDclient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。

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。

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。

ATT命令，正式名称：ATT PDU（Protocol Data Unit，协议数据交互单元），

4类：读，写，notify（通知）和indicate（指示）

attribute，那么什么是attribute？其实就是一条一条的数据。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。attribute形式如下图，这些数据条目组成属性表。

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:0000xxxx-0000-1000-8000-00805F9B34FB

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128bit0000xxxx-1234-1000-8000-00805F9B34FB=0x1234

Attribute permissions

，Attribute的权限属性

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。

BLE Link layer协议解析

BLE链路层（link layer）定义了一种packet（空中包）格式

蓝牙广播包

蓝牙广播包，全名蓝牙广播通道（channel）空中包，即在蓝牙广播通道上传输的空中包，为两种空中包的一种，其具体格式如下所示：

Advertising Header即前述的LL header，长度为一个字节，其每bit定义如下所示：

PDU Type为3bit，具体定义如下。可以看出扫描PDU和发起连接PDU都属于广播包.

TxAdd/RxAdd，各占1bit:

表示随后的Device Address字段代表的蓝牙MAC地址类型，值0代表Public地址，值1代表Random地址。

Payload length定义如下所示，所以广播包PDU最长37个字节。

Device Address，广播包中的强制字段，俗称蓝牙MAC地址，如果是广播包，则是advertiser的MAC地址；如果是scan包或者连接请求包，则是scanner的MAC地址。

蓝牙device address为6个字节，这样Advertising data最长为：37-6 = 31B，

这就是广播包数据最长只能31个字节的由来。

如前所述，device address分public和random两种。

蓝牙数据通道空口包（数据包）

与蓝牙广播包相对应，蓝牙数据包是另一种BLE packet。

蓝牙数据包是蓝牙数据信道空中包的简称，表示空中包只在蓝牙数据信道上传输，即除37/38/39之外的其他37信道。

从格式上来说，蓝牙数据包又分空包（empty packet）和普通数据包（data packet）两种，空包格式如下

空包：由图可见，空包整个payload为空，故名空包。

普通数据包：格式如下，

Data header，即前述的LL header，在数据包中的定义如下所示(bit)：

LLID（2bits）， link layer ID，对LL PDU进行分类：LL data PDU和LL control PDU。

LL Data PDU有两种：

Header中的LLID=01b时，Continuation fragment of an L2CAP message, or an Empty PDU。

这种类型的PDU，要么是一个未传输完成L2CAP message（长度超过255，被拆包，此时不是第一个），要么是一个空包（Header中的Length为0）。

Header中的LLID=10b时，Start of an L2CAP message or a complete L2CAP message with no fragmentation。这种类型的PDU，要么是L2CAP message的第一个包，要么是不需要拆包的完整的L2CAP message，

无论哪种情况，Header中的Length均不能为0。

LL control PDU:

Header中的LLID=11b时，表示这个数据包是用于控制、管理LL连接的LL control PDU。LL Control PDU是在Link layer层直接进行交互的，也就是说他们不会经过后面的L2CAP层LL control PDU的payload的格式如下：

Opcode指示控制&管理packet的类型，包括：

LL_CONNECTION_UPDATE_REQ，连接参数的更新；

LL_CHANNEL_MAP_REQ，Channel map的更新；

LL_TERMINATE_IND，连接即将被关闭的通知（可以通知被关闭的原因）；

LL_ENC_REQ、LL_ENC_RSP、LL_START_ENC_REQ、LL_START_ENC_RSP，加密有关的请求；

等等，具体可参考“BLUETOOTH SPECIFICATION Version 4.2 [Vol 6, Part B]”。

NESN/SN，NESN和SN各占1bit。SN全称为sequence number，表示当前发送的packet编号。

NESN，next expected sequence number，用来告知对方下一个期待的packet的编号。

Link layer使用SN来告知对方这个packet是新数据包还是重传包，

用NESN来告诉对方你之前发我的包已经收到了（相当于ACK的作用），

我现在期待下一个新的数据包了，因此BLE没有专门的ACK包，它是通过NESN/SN来实现ACK和重传双重功能的。

MD（1bit），more data，用来指示对方我还有数据包要传，请继续打开射频窗口准备接收。

一个connection event包含多个数据包交互），用的就是MD来实现的。

以notify命令为例，设备（Server）notify第一个数据包并将MD置1，Client（比如手机）收到这个notify命令后，就知道Server还有数据包要传，此时手机可以继续发一个空包给设备，以让设备把第二个notify命令发过来，详情如下所示。

注：Master为手机（Client），Slave为设备（Server）。

Payload Length or Data Length，BT4.0/4.1定义如之前所示，这就是蓝牙4.0/4.1一个包只能传20个字节的根源。

BT4.2之后，Payload length 8 bits全部用来表示长度，这样的话，payload size最大可达251字节（255 – MIC size）

L2CAP length，2字节长度，表示后面information payload的长度，

information payload最大长度除了受这个L2CAP length字段约束，同时还受MTU的限制。MTU，Maximum Transmission Unit，是ATT层与L2CAP层可以交互的最大数据长度，

或者说是Client与Server可以交互的最大长度。

总结一下，蓝牙spec里面定义了2个长度字段：LL data length和L2CAP length，
同时ATT层还定义了一个MTU，以限制ATT PDU最大长度。
LL data length可以通过LL_LENGTH_REQ和LL_LENGTH_RSP来动态改变，
MTU size则可以通过后面要讲到的Exchange MTU Request和Exchange MTU Response来改变，
而L2CAP length无法动态改变，也就是说不能超过65535。

从数据格式了解ATT

Opcode总体分为6种大类型的:

• Opcoderequest / response

• indicate / confirm

• command

• notify

所有的ATT数据，都是属于这6种类型的子类request 和command从client 端发起，区别是request 必须要有response ，而command 不需要，单向indicate和notify从server 端发起，区别是indicate必须要有confirm 返回，而notify不需要，是单向的。

0x01 ERROR_RSP:

报错的opcode，handle，是什么错误（error code，1个byte）经常error rsp用于表示流程结束标志具体的error code。

0x02 EXCHANGE_MTU_REQ/ 0x03 EXCHANGE_MTU_RSP

request ，client向server发起交换mtu 的请求，request中携带自己支持的mtu值（2字节）,server 端收到之后，会根据自己所支持的mtu值与接收到的比较，取较小的值，回复给client端。在没有收到exchange rsp 之前，双方用默认值ATT_MTU=23。ATT_MTU大小范围在23-512之间如果ATT 链接建立过程中没有MTU request ，双方使用默认值。

0x04 FIND_INFORMATION_REQ /0x05 FIND_INFORMATION_RSP

request，client 发给server。client 不知道server有定义哪些服务，告诉一个区间，返回server 定义的ATT类型，att支持的类型是有uuid 决定的，response 中 format 决定返回的信息需要告诉handle 和uuid 成组的信息。

0x06FIND_BY_TYPE_VALUE_REQ/0x07 FIND_BY_TYPE_VALUE_RSP

较于find information request，多一个uuid和value 限制条件start ，end 定义一个查找区间要查找什么类型，设置uuid过滤条件，比如primary serviceatt value，设置att value过滤条件，比如0x1801，定义GAP service值一般常用于discover service 开头，将范围设置为0-0xffff，返回GAP的primary service，过滤条件能够减少返回的数量。拿到对端的类型之后，才能通过恰当的方式去操作ATT，读取ATT携带的数据。

0x08 READ_BY_TYPE_REQ/ 0x09 READ_BY_TYPE_RSP

需要知道server段关于目标类型的ATT 数据分布情况。常见的UUID type 包括：include，characteristic，PNP ID等等，返回信息value是搜索类型的申明ATT信息，handle是指搜索类型对应的handle。所有定义的类型，第一条ATT就是申明。

0x0A READ_REQ / 0x0B READ_RSP

通过read by type获取到了操作方法及value对应的handle 值，下一步就是直接去获取handle对应的value，在读这个handle之前，必须要先获取到对端的类型，只有这样，返回的值才能够被正确解析SIG有规定部分类型的值 的数据格式，用户也可以自定义数据类型及其对应值的格式。

0x0C READ_BLOB_REQ / 0x0D READ_BLOB_RSP

如果ATT携带数据超过了MTU最大值，一次读取不完，这种情况下需要使用多次读取。如何判断数据超长第一次read response中，数据 size 等于（最大值-1），则马上改用 read blob req读取余下的所有值， 直到response中 数据size 小于最大值-1。读取的过程中，request 会传递offest=（最大值-1）的计数，保证数据完整性。每读取一次offset累加（最大值-1）因此read blob request一般都在第一次read request 之后用。

0x0e READ_MULTIPLE_REQ / 0x0f READ_MULTIPLE_RSP

如果遇到多个value size较小，多次读取显然不是一个明智的选择，read mutil request能够实现一次读取多个value值。

0x10 READ_BY_GROUP_TYPE_REQ / 0x11 READ_BY_GROUP_TYPE_RSPATT

group 是一个虚拟的概念，并没有指定的数据，明确表示具体的ATT属于哪一个service group。ATT数据结构中最大的单元是service。以service 为例， 每个service，以service declaration开头，以下一个service declaration结束，在这两个handle直接就属于同一个service group。

0x12 WRITE_REQ / 0x13 WRITE_RSP

用于向已知handle 写入值。如果写成功，会有write RSP返回。write 用于已经知道所操作handle 的数据类型。0x52 WRITE_CMD / 0xD2 SIGNED_WRITE_CMD用于client向 service写入数据，单向写入，没有反馈。

0x16 PREPARE_WRITE_REQ/ 0x17 PREPARE_WRITE_RSP

对于一些超长度的ATT value，可以分批写入req ，offset，value rsp 中携带已经完成写入的handle ，如果req 和rsp 中handle 和offset相同，则表明写入成功这个命令执行完必须搭配下一个命令，才能生效，server端仅仅只是cache这个value，还没有写入。

0x18 EXECUTE_WRITE_REQ / 0x19 EXECUTE_WRITE_RSP

搭配上一个命令使用，包含两种状态，生效或者取消。server接受到这个命令后，会根据状态，执行对应的操作。

0x1b HANDLE_VALUE_NTFserver主动发起，notify 可以在任何时候发出，不需要client 回复。

0x1d HANDLE_VALUE_IND / 0x1e HANDLE_VALUE_CFM

又一种主动从server 端发起的ATT类型，与notify最大的区别是，需要client回复comfirm，如果回复超时，ACL 对断开如果client 接收到indication，会回复confirm。0x23 MULTIPLE_HANDLE_VALUE_NTF一个notify 中可以包含多个handle value值。

总结：属性协议是比较简单的协议，客户端通过它可以发现并获取属性服务器上的属性。

巨人的肩膀

本文学习自以下文档：

[1] 详解BLE 空中包格式—兼BLE Link layer协议解析.iini.CSDN

[2] 低功耗蓝牙ATT/GATT/Profile/Service/Characteristic规格解读.iini.博客园

[3] 低功耗蓝牙开发权威指南–第一部分 综述 （第1-4章）.sundaygeek.CSDN

[4] 低功耗蓝牙开发权威指南 .Robin Heydon