本文章将介绍在面向连接的蓝牙模式中，ATT(attribute protocol,属性协议)和GATT(generic attribute profile,通用属性配置文件)这两个重要的协议层，它与蓝牙的数据传输密切相关。

1 设备之间如何建立连接(Gap层)

若BLE设备之间要进行数据传输，就需要形成一个通信通道。GAP(通用访问配置文件)来负责这个通道的形成和维护。
GAP指示两台将要连接和通信的设备的角色，一台作为Central(一般为智能手机这种功能强大的设备)，另一台作为Peripheral(一般指需要较少功率的设备)。设备之间建立连接的流程如下：
（1）当作为Peripheral的设备准备好连接时，它必须进入广播状态并在主广播通道(37、38和39)上广播数据包
（2）作为Central的设备必须转换到Scanning状态，并在这三个通道上监听广播包。
（3）当检测到广播包时，Central通过发送连接请求包来向Peripheral发起连接请求。其中，Central设备负责管理连接，可以直接决定连接的一些参数，其中一些参数为：

• Connection Interval：连接的间隔时间
• Peripheral Latency：指定Peripheral可以忽略多少的连接事件
• Channel Map：指定将使用37个数据传输通道中的哪一个进行传输

Central决定这些参数，以连接请求包的方式将这些参数发送到Peripheral，此时就创建了连接。接着，Central将在一个Connection Interval后向Peripheral发送数据包。如果Peripheral接收到数据包并向Central返回一个数据包，则认为连接已经建立。
设备建立连接后，设备之间就可以进行双向数据传输。那么，数据传输到底是如何完成的呢?这就是ATT和GATT要做的事了。

2 ATT

2.1 角色

ATT协议定义了一些角色，每个角色都有它特定的功能。这些角色都是基于Client-Server架构的。

• 服务器(Server)：作为一个数据库，存储可被客户端读写的数据
• 客户端(Client)：请求服务器上的数据

但有一个误区：Central设备将作为ATT的客户端，Peripheral设备将作为ATT的服务端。但实际上Central和Peripheral都既可以做服务端，也可以做客户端。比如，一个可以记录步数、心率等信息的蓝牙智能手环。当手环想向手机传输这些信息的时候，它作为服务端，而手机作为客户端；手环上可以显示当前的时间，这是由手机传过去的，此时手机作为服务端，而手环作为客户端。

2.2 作为服务端时ATT的属性

服务端设备作为一个数据库来存储需要分享给客户端的数据。ATT服务端和Mysql、Oracle这些数据库一样，需要实现：存储和组织数据的方法、访问数据的标准机制。所以，ATT协议负责为服务端设备提供客户端能读写的指定格式化的数据，以及客户端访问、写入和读取数据的机制。

1、Attributes
ATT协议定义了一个叫attribute的数据结构，该数据结构由下列四个字段组成：

• Attribute Handle ：用于给客户端查找一个服务端attribute的uint16_t类型的唯一标识符，也就是给attribute一个“地址”
• Attribute Type (UUID) ：全局唯一的2或16字节的UUID标识符，定义储存于Attribute Value中的数值的具体类型和含义，UUID分为两种：Service UUID和Characteristic UUID
• Attribute Value：属性值
• Attribute Permissions：它表示访问Attribute Value的权限，或者说设置一个属性的安全等级。

在服务端，数据以如下Attribute表格形式存储：

一个BLE服务端的所有Attributes都通过增加Attribute handle的值存储在它的数据库中。

• 句柄之间可以有空隙，只要保证句柄值是按照递增顺序存储的即可

2、Attribute访问方式

ATT协议还定义了读写属性的方式。具体的方式取决于发起属性访问过程的是客户端还是服务端。
①客户端发起属性访问，有两种操作——Write和Read

• 客户端使用Read从服务器读取属性的值，服务器响应属性的值。
• 客户端使用Write将一个属性的值写入服务器，服务器响应写操作是否成功。

②服务端发起属性访问，有两种操作——Notification和Indication

• Notification：当Attribute发生改变时，服务端使用该种方式向客户端发送更新后的属性值，客户端收到后不响应此操作
• Indication：与Notification类似，但是客户端必须发送是否正确收到该Attribute的响应

3、Attribute访问权限
访问权限决定客户端是否可以读、写或读写其中某个属性值，可选权限如下：

• None：没有读写权限
• Readable：可读
• Writable：可写
• Readable and writable：可读写

注意：Attribute handle和Attribute type是公共信息，而Attribute Value和Attribute Permissions是私有信息。为了让客户端可以访问这两个私有信息，服务端需要进行如下操作：

• 读或写的身份验证
• 读或写的授权
• 读或写的加密和配对

从上面的分析可知，ATT协议通过增加属性的句柄数，以线性方式将数据作为Attribute存储在表中。但是，如果我们想要知道存储在服务器上的数据之间的关系，该怎么办呢？

• 关系：类似于在电脑中文件和文件夹的关系，我们直观地理解同一文件夹中的文件是相关的，这将使得在复杂的关系中的查找变得更加容易。

GATT层负责定义分层数据结构，该结构演示了ATT服务器中存储的数据之间的关系或连接。

3 GATT

GATT协议层定义了一个框架，在该框架中，服务端数据库上的Attribute可以被组织起来而有一定的层次关系。GATT层定义了一个4层树形框架，其中根节点为Profile(配置)，它有不同的Services(服务)，不同的服务有不同的Characteristics(特征)，不同的特征通过一个具体的Value(值)或者Descriptor(描述符)来定义，如下图所示。

1、Characteristic
Characteristic是一个基本的存储单元，每个Characteristic都是由value和Descriptor(描述符)组成的。

• Characteristic Value：实际存储的应用数据
• Descriptor：该字段可选，它会存储更多关于Characteristic的信息，比如Characteristic的范围(如整数类型,定义其范围只能在0~100间)、Characteristic单位等。
  • 一个非常常用的描述符是Client Characteristic Configuration Descriptor (CCCD)，它用来使/失能GATT服务端某个Characteristic的Indications和Notifications功能。当使能了某个Characteristic(CCCD的UUID固定为0x2902)的Indications和Notifications功能后，每当服务端的该Characteristic值改变的时候，客户端都可以收到通知。

2、Services
Services主要用来组织数据而不是存储数据。一个Service可以包含多个Characteristics，比如对于蓝牙手环来说，有两个Services：
①心率：包含两个Characteristics，一个是心率值，一个是CCCD
②设备信息：包含一个Characteristics，即设备信息

3、Profile
Profile是上面分层结构的最顶层，它包含了服务端支持的特定服务。有些服务是可选的，而有些服务是必须实现的，这是为了确保两个有相同GATT profile的设备能够相互通信。

服务端的Attribute Table的一个例子如下图所示，每个Services和Characteristics都是使用ATT中的Attributes数据结构描述的，他们都需要先声明。

同时，GATT层可以响应ATT requests，从而实现读写服务端的数据、获得GATT服务器的primary services和订阅/取消订阅服务端某个characteristic的notifications/indications等功能。

4 总结

• ATT协议负责管理设备之间的数据存储。它为服务端提供了一种客户端可以进行读写的Attribute数据结构，并为客户端提供了访问、写入和读取数据的机制(访问方法和权限)。
• GATT层定义了一个层次化的数据结构，它有助于理解存储在服务端中数据(GATT Profile)之间的关系。