BLE协议栈GATT服务器详细介绍 -D

目录

概述

1 GATT服务器架构

2 核心组成部分及功能介绍

3 工作原理：服务器与客户端的互动

3.1 工作原理介绍

3.2 工作流程

4 GATT服务器和客户端通信流程

4.1 通信流程框图

4.2 流程分解

4.2.1 第一阶段：设备发现与连接

4.2.2 第二阶段：服务与特征发现

4.2.3 第三阶段：数据交互（核心）

概述

GATT服务器是蓝牙低功耗（BLE）通信中的核心数据提供方，简单理解，它是一个包含结构化数据的数据库。当两个BLE设备连接后，扮演GATT服务器角色的设备负责存储并向客户端（Client）提供数据。

1 GATT服务器架构

其数据采用一个清晰的分层结构进行组织：

2 核心组成部分及功能介绍

1）服务（Service）

一个或多个相关功能的集合。例如，“心率监测服务”就是一个完整的服务单元。每个服务由一个唯一的UUID（通用唯一标识符）来标识。

2）特征（Characteristic）

服务中数据交互的实际载体，是最常被读写的基本单元。例如，在“心率服务”中，“心率测量值”就是一个特征。一个特征包含多个属性，例如：

• 值（Value）：特征的实际数据。

• 声明（Declaration）：描述该特征的数据类型和权限。

• 客户端特征配置描述符（CCCD）：一个非常关键的描述符，客户端通过写入这个描述符来订阅或取消订阅服务器的通知（Notification）或指示（Indication）。

3）属性（Attribute）

存储数据的最小单位。服务、特征、描述符在底层都是以属性的形式存储在属性表中。每个属性由句柄（Handle，唯一地址）、类型（UUID）、值和权限组成。

3 工作原理：服务器与客户端的互动

3.1 工作原理介绍

GATT服务器和客户端的角色是动态的，取决于数据流向。在同一个连接中，一个设备可以同时作为某些服务的服务器和另一些服务的客户端。

3.2 工作流程

1）客户端发现服务

连接建立后，客户端首先向服务器请求其属性表，以发现有哪些可用的服务和特征。

2）客户端读写数据

客户端根据需求，向特征值（通过其句柄）发起读取或写入请求，服务器根据该特征的权限决定是否响应。

3）服务器主动推送（关键机制）

这是服务器向客户端发送实时数据的常用方式，有两种模式：

• 通知（Notification）：服务器单向发送，不要求客户端确认。适用于数据丢失影响不大的场景（如实时心率）。

• 指示（Indication）：服务器发送后，必须等待客户端确认。适用于必须可靠送达的数据。

• 要实现推送，客户端必须先写入CCCD来启用订阅。

4 GATT服务器和客户端通信流程

4.1 通信流程框图

GATT服务器与客户端的通信流程是一个精心设计的单向请求-响应和订阅推送相结合的过程。为了让你快速掌握全貌，下图概括了从设备连接到数据交互的完整通信流程：

4.2 流程分解

4.2.1 第一阶段：设备发现与连接

在这一阶段，双方建立物理链路，并确定角色。

1. 广播与扫描：作为GATT服务器的设备（如传感器）会周期性向外广播自己的存在和基本信息。作为GATT客户端的设备（如手机）则主动扫描周围的广播。

2. 发起连接：客户端选定目标服务器后，向其发起连接请求。连接成功后，一个双向通信的通道便建立起来，此时服务器会暂停广播。

4.2.2 第二阶段：服务与特征发现

连接建立后，客户端第一件事就是“探索”服务器能提供什么。

1. 发现所有主服务：客户端向服务器发送Discover All Primary Services请求。服务器回复一个服务列表，每个服务由其唯一的UUID标识。

2. 发现服务的特征：客户端对感兴趣的服务，发送Discover Characteristics请求。服务器回复该服务下所有的特征列表。这是最关键的一步，客户端将获取到每个特征的：

   • 句柄：特征在属性表中的唯一地址，后续所有操作都基于它。

   • UUID：标识特征类型（如心率测量值）。

   • 属性（Properties）：定义了客户端能对此特征做什么（如读、写、通知）。

   • 权限（Permissions）：定义了操作的安全要求（如是否需要加密）。

4.2.3 第三阶段：数据交互（核心）

探索完毕后，真正的数据交换开始，主要有两种模式：

1）模式一：客户端主动发起

• 读取特征值：客户端向指定特征的值句柄发送Read Request。服务器回复Read Response，其中包含特征值。

• 写入特征值：客户端向指定特征的值句柄发送Write Request（要求确认）或Write Command（无需确认）。服务器会根据请求类型和权限决定是否执行并回复。

2）模式二：服务器主动推送

这是实现传感器数据实时上传的关键。但它需要客户端先完成订阅。

1. 客户端启用通知/指示：客户端找到目标特征下的CCCD描述符，并向其写入0x0001（启用通知）或0x0002（启用指示）。

2. 服务器主动推送：一旦订阅成功，当特征值变化或满足条件时，服务器无需客户端询问，就会主动向客户端发送Notification（单向通知）或Indication（需客户端回复确认的指示）。

3）两种模式的交互流程对比