【Android蓝牙-六】蓝牙数据通信机制详解：GATT与ATT服务的技术实现

一、蓝牙协议栈结构与数据流

你是否曾好奇，为什么同样是BLE通信，有些应用速度快、稳定性高，而有些却时常掉线、传输慢？这一切都与蓝牙协议栈的结构和数据流通路径密切相关。

在深入GATT通信机制前，先快速理解BLE协议栈中数据如何流转：

img 当你的数据从应用程序发出，它会被打包成特征值写入请求，通过GATT/ATT层处理，由L2CAP层分段封装，最终通过链路层和物理层发送出去。这个流程决定了通信的效率、可靠性和功耗表现。

二、从实际问题出发：为什么需要理解GATT？

场景1：传数据延时高

场景2：传数据失败率高

场景3：多设备连接
你的应用需要同时连接6个BLE设备采集数据，但总是有设备丢失连接。

这些典型问题，本质上都是GATT通信机制使用不当导致的。通过本文，你将了解如何：

  • 优化MTU提升数据吞吐量
  • 选择正确的读写特征方式
  • 合理设计服务和特征结构
  • 解决多设备并发连接问题

三、GATT通信架构：服务、特征与描述符

GATT基本概念：服务器与客户端

GATT(Generic Attribute Profile)是低功耗蓝牙(BLE)的核心通信框架，它基于简单的客户端-服务器架构：

GATT客户端是发起请求的一方，GATT服务端是响应请求、持有数据的一方。

具体角色定义：

角色职责举例
服务端（Server）持有一个或多个服务（Service），每个服务包含特征（Characteristic）和描述符（Descriptor），等待客户端访问其数据。BLE心率带、BLE温度传感器等
客户端（Client）通过读取、写入、订阅等方式访问服务端的特征值，实现数据交互。手机App、蓝牙主机

GATT的三层数据结构

为了高效组织 BLE 设备中的数据，GATT 使用了三层结构：服务（Service）、特征（Characteristic）和描述符（Descriptor） 。我们可以将它类比成一个图书馆的管理体系：

类比说明：

  • 服务（Service） ：就像图书馆的一个部门（例如“医学区”、“文学区”）
  • 特征（Characteristic） ：每个部门的具体书籍（例如“心脏病学入门”）
  • 描述符（Descriptor） ：附在书上的标签或说明（出版信息、借阅规则）

image.png

实际案例：一个智能手环可能包含以下结构： image.png

这种层次结构使得BLE设备数据组织清晰、标准化，让不同厂商的设备可以互相理解并交互。

UUID：GATT世界的"身份证"

每个服务和特征都有一个UUID(通用唯一标识符)。UUID有两种形式：

  • 16位UUID：蓝牙SIG预定义的标准服务，如0x180D(心率服务)
  • 128位UUID：自定义服务，如"6E400001-B5A3-F393-E0A9-E50E24DCCA9E"

开发经验：尽量使用标准UUID。它不仅缩短了广播包长度(提高发现效率)，还提升了与其他设备的互操作性。不确定是否有合适的标准UUID？查阅蓝牙官方GATT规范。

四、GATT通信流程与操作

连接与服务发现：打开通信之门

在任何GATT操作前，必须先建立连接并发现服务。这个过程实际上比大多数开发者想象的更复杂：

  1. 扫描设备：过滤目标设备并获取其广播数据
  2. 建立连接：通过MAC地址/UUID连接到设备
  3. 服务发现：获取设备提供的所有服务和特征

image.png

典型的Android服务发现代码：

typescript
 代码解读
复制代码
private void discoverServices() {
    Log.d(TAG, "开始服务发现...");
    if (bluetoothGatt != null) {
        boolean discovering = bluetoothGatt.discoverServices();
        Log.d(TAG, "服务发现启动状态: " + discovering);
    }
}

@Override
public void onServicesDiscovered(BluetoothGatt gatt, int status) {
    if (status == BluetoothGatt.GATT_SUCCESS) {
        Log.d(TAG, "服务发现完成!");
        // 解析服务和特征
        for (BluetoothGattService service : gatt.getServices()) {
            Log.d(TAG, "发现服务: " + service.getUuid());
            for (BluetoothGattCharacteristic characteristic : service.getCharacteristics()) {
                Log.d(TAG, "  特征: " + characteristic.getUuid() + 
                      " 属性: " + characteristic.getProperties());
            }
        }
    } else {
        Log.w(TAG, "服务发现失败，状态码: " + status);
        // 添加重试逻辑
    }
}

GATT 特征值读写：BLE 数据交换的核心机制

在 GATT 协议中，特征值的读取与写入是客户端与服务端交互的主要方式。理解不同读写机制的适用场景和性能特点，是 BLE 开发的关键。

读取操作：三种方式对比

BLE 提供了三种读取数据的方式，选择合适的方式将显著影响延迟与功耗：

读取方式适用场景优点缺点
直接读取 (Read)低频访问、静态数据简单直观每次都需请求，延迟高
通知 (Notification)高频变化数据，如传感器值主动推送、低延迟、低功耗不保证可靠送达（无确认机制）
指示 (Indication)安全关键数据，如健康指标等有确认机制，确保送达吞吐量低，通信效率有限

在心率等连续监测场景中，使用 通知 替代轮询读取，可显著降低功耗，延长电池续航。

启用通知的标准流程（代码实战）

要正确启用 Notification，必须完成 两步配置，其中写入 CCCD（客户端配置描述符）是最容易被忽略的一步：

java
 代码解读
复制代码
public boolean enableNotifications(BluetoothGattCharacteristic characteristic) {
    BluetoothGatt gatt = getGatt();
    if (gatt == null || characteristic == null) return false;

    //  第一步：启用本地通知能力
    if (!gatt.setCharacteristicNotification(characteristic, true)) {
        Log.e(TAG, "启用本地通知失败");
        return false;
    }

    //  第二步：写入 CCCD，告知服务端启用通知（或指示）
    BluetoothGattDescriptor cccd = characteristic.getDescriptor(
        UUID.fromString("00002902-0000-1000-8000-00805f9b34fb")
    );
    if (cccd == null) {
        Log.e(TAG, "未找到 CCCD 描述符");
        return false;
    }

    // 设置为通知（Notification）或指示（Indication）
    byte[] value = BluetoothGattDescriptor.ENABLE_NOTIFICATION_VALUE;
    // 若需指示 → 使用 ENABLE_INDICATION_VALUE

    cccd.setValue(value);
    return gatt.writeDescriptor(cccd);
}

常见错误：只调用 setCharacteristicNotification() 而未写入 CCCD，通知将永远不会生效！

2. 写入操作 - 性能与可靠性的权衡

BLE提供两种写入模式：

image.png

实战选择指南：

  • 发送控制命令、配置数据→带响应写入
  • 流式传输、实时数据→无响应写入

无响应写入配合应用层确认机制，可大幅提升传输效率：

scss
 代码解读
复制代码
private final Queue[]> dataQueue = new LinkedList<>(); // 数据队列
private boolean isWriting = false;

public void sendDataWithHighThroughput(byte[] data) {
    // 分包
    List[]> packets = splitDataIntoPackets(data);
    
    // 添加到队列
    dataQueue.addAll(packets);
    
    // 如果没有活跃写入，开始传输
    if (!isWriting) {
        processQueue();
    }
}

private void processQueue() {
    if (dataQueue.isEmpty()) {
        isWriting = false;
        return;
    }
    
    isWriting = true;
    byte[] packet = dataQueue.poll();
    
    // 设置无响应写入模式
    writeCharacteristic.setWriteType(BluetoothGattCharacteristic.WRITE_TYPE_NO_RESPONSE);
    writeCharacteristic.setValue(packet);
    
    // 无需等待回调，立即处理下一包
    if (bluetoothGatt.writeCharacteristic(writeCharacteristic)) {
        // 短暂延迟以避免堵塞BLE堆栈
        new Handler().postDelayed(this::processQueue, 5);
    } else {
        Log.e(TAG, "写入失败，重试...");
        dataQueue.add(packet); // 放回队列
        new Handler().postDelayed(this::processQueue, 100);
    }
}

五、MTU优化："为什么我一次只能传20字节？"

几乎每个BLE开发者都曾困惑：无论如何尝试，一次最多只能传输20字节数据。这是因为BLE默认MTU(Maximum Transmission Unit)为23字节，其中3字节用于ATT协议头，剩余20字节才是你的有效负载。

MTU协商：突破20字节限制

BLE 4.2以上版本支持协商更大的MTU，最高可达512字节，实际上这个取决于你的主从设备的实际支持情况，协商流程如下：

image.png

java
 代码解读
复制代码
// 请求更大的MTU
if (Build.VERSION.SDK_INT >= Build.VERSION_CODES.LOLLIPOP) {
    if (bluetoothGatt.requestMtu(512)) {
        Log.d(TAG, "MTU请求已发送");
    } else {
        Log.e(TAG, "MTU请求发送失败");
    }
}

// MTU协商回调
@Override
public void onMtuChanged(BluetoothGatt gatt, int mtu, int status) {
    if (status == BluetoothGatt.GATT_SUCCESS) {
        Log.d(TAG, "MTU已更改为: " + mtu);
        // 实际可用数据长度 = mtu - 3
        int maxDataLength = mtu - 3;
        Log.d(TAG, "最大数据负载: " + maxDataLength + " 字节");
    } else {
        Log.e(TAG, "MTU更改失败: " + status);
    }
}

关键事实：现代Android手机通常支持约512字节MTU，最终结果取决于你的主从设备的实际支持。总是在连接后协商并记录实际MTU，根据它调整传输策略。

MTU对性能的实际影响

在一个固件更新项目中，MTU对传输时间的影响(100KB文件)：

  • MTU=23: 约180秒
  • MTU=247: 约45秒
  • MTU=512: 约25秒

提升 MTU 带来的两个隐患

尽管提高 MTU 看似“免费提速”，但以下两个问题不容忽视：

  1. 兼容性与堆栈负载

    • 部分 BLE 芯片或旧系统版本对大 MTU 支持不佳。
    • 高 MTU 会占用更多缓冲区资源，可能导致连接不稳定或崩溃。

  2. 出错代价上升

    • 数据包越大，传输出错时的重传代价越高。
    • 某些底层 BLE 控制器缺乏细粒度的错误恢复能力。

开发建议小结

  • 优先使用 requestMtu() 动态协商机制，避免硬编码 MTU。
  • 接收到的 MTU 回调才是真正生效值，发送端必须根据返回值切包。
  • 对于敏感数据流（如语音、图像），应结合分包与校验机制处理异常。

六、实战案例：心率监测应用的GATT设计与优化

现在，让我们将所学应用到实际案例中。假设我们开发一款心率监测应用，需要：

  1. 实时接收心率数据(1Hz频率)
  2. 获取历史心率记录(每5分钟一条)
  3. 配置报警阈值(心率过高/过低时通知)

服务与特征设计

ini
 代码解读
复制代码
心率服务 (UUID: 0x180D)
   ├── 心率测量特征 (UUID: 0x2A37)
   │    ├── 属性: 通知
   │    └── 值: [心率数据，1字节格式标志 + 1字节心率值]
   │
   ├── 历史记录特征 (自定义UUID)
   │    ├── 属性: 读取、长特征值
   │    └── 值: [时间戳 + 心率值的数组]
   │
   └── 报警阈值特征 (自定义UUID)
        ├── 属性: 读取、写入
        └── 值: [最低心率 + 最高心率]

通信流程优化

  1. 连接与服务发现

    java
     代码解读
    复制代码
    // 建立连接后首先设置MTU
bluetoothGatt.requestMtu(512);

// 在onMtuChanged回调中进行服务发现
@Override
public void onMtuChanged(BluetoothGatt gatt, int mtu, int status) {
    if (status == BluetoothGatt.GATT_SUCCESS) {
        // MTU设置成功，开始服务发现
        bluetoothGatt.discoverServices();
    }
}

  2. 实时心率数据

    scss
     代码解读
    复制代码
    // 启用心率通知
BluetoothGattCharacteristic heartRateChar = heartRateService
    .getCharacteristic(UUID.fromString("00002A37-0000-1000-8000-00805f9b34fb"));
enableNotifications(heartRateChar);

// 处理通知数据
@Override
public void onCharacteristicChanged(BluetoothGatt gatt, 
                                    BluetoothGattCharacteristic characteristic) {
    if (UUID.fromString("00002A37-0000-1000-8000-00805f9b34fb")
            .equals(characteristic.getUuid())) {
        byte[] data = characteristic.getValue();
        // 第一个字节是格式标志
        boolean format = (data[0] & 0x01) != 0;
        int heartRate;
        
        if (format) {
            // 心率值是16位整数
            heartRate = ((data[1] & 0xff) | ((data[2] & 0xff) << 8));
        } else {
            // 心率值是8位整数
            heartRate = data[1] & 0xff;
        }
        
        updateUI(heartRate);
    }
}

  3. 批量读取历史记录

    scss
     代码解读
    复制代码
    private void readHistoricalData() {
    // 准备长特征值读取
    final List[]> fragments = new ArrayList<>();
    
    // 读取第一块
    bluetoothGatt.readCharacteristic(historyCharacteristic);
    
    // 处理读取回调
    @Override
    public void onCharacteristicRead(BluetoothGatt gatt, 
                                   BluetoothGattCharacteristic characteristic,
                                   int status) {
        if (status == BluetoothGatt.GATT_SUCCESS) {
            if (historyCharacteristic.getUuid().equals(characteristic.getUuid())) {
                byte[] data = characteristic.getValue();
                fragments.add(data);
                
                // 继续读取下一块(示例逻辑)
                if (needMoreData(data)) {
                    bluetoothGatt.readCharacteristic(historyCharacteristic);
                } else {
                    // 所有数据读取完毕，合并处理
                    processHistoricalData(fragments);
                }
            }
        }
    }
}

性能优化与常见问题解决

  1. 电池优化：调整连接参数延长设备电池寿命

    java
     代码解读
    复制代码
    // 仅适用于Android 8.0+
if (Build.VERSION.SDK_INT >= Build.VERSION_CODES.O) {
    BluetoothGattService service = bluetoothGatt.getService(SERVICE_UUID);
    // 将连接间隔设为较长(省电模式)
    bluetoothGatt.setPreferredPhy(
        BluetoothDevice.PHY_LE_1M,  // TX PHY
        BluetoothDevice.PHY_LE_1M,  // RX PHY
        BluetoothDevice.PHY_OPTION_NO_PREFERRED  // 编码选项
    );
    
    bluetoothGatt.requestConnectionPriority(
        BluetoothGatt.CONNECTION_PRIORITY_BALANCED);
}

  2. 连接稳定性：实现断线重连机制

    scss
     代码解读
    复制代码
    @Override
public void onConnectionStateChange(BluetoothGatt gatt, int status, int newState) {
    if (newState == BluetoothProfile.STATE_DISCONNECTED) {
        Log.w(TAG, "设备断开连接: " + status);
        // 清理状态
        cleanupResources();
        
        // 如果不是用户主动断开，尝试重连
        if (!userDisconnectRequested) {
            Log.d(TAG, "尝试重新连接...");
            // 延迟一段时间后重连(避免立即重连导致的问题)
            new Handler(Looper.getMainLooper()).postDelayed(() -> {
                reconnectToDevice();
            }, 2000);
        }
    }
}

  3. 数据一致性：心率计算检查

    arduino
     代码解读
    复制代码
    private boolean isValidHeartRate(int heartRate) {
    // 检查心率是否在合理范围内(通常人类心率30-220)
    if (heartRate < 30 || heartRate > 220) {
        Log.w(TAG, "收到可疑心率值: " + heartRate);
        return false;
    }
    
    // 检查与前一次测量的突变
    if (lastHeartRate > 0 && Math.abs(heartRate - lastHeartRate) > 20) {
        // 心率突变超过20，可能是测量错误
        suspiciousReadingCount++;
        if (suspiciousReadingCount < 3) {
            // 忽略偶然突变
            return false;
        }
    } else {
        suspiciousReadingCount = 0;
    }
    
    lastHeartRate = heartRate;
    return true;
}

七、BLE安全通信简述

GATT通信安全性是医疗、支付等应用的重要考量。BLE提供了加密和认证机制，但默认设置下通信可能不安全。

安全级别

BLE安全分四个级别：

  1. Security Mode 1, Level 1: 无安全(无配对、无加密)
  2. Security Mode 1, Level 2: 未认证配对加密
  3. Security Mode 1, Level 3: 认证配对加密
  4. Security Mode 1, Level 4: 认证LE Secure Connections配对加密(最安全)

在Android中实现安全GATT通信

java
 代码解读
复制代码
// 设置绑定回调
private final BluetoothGattCallback gattCallback = new BluetoothGattCallback() {
    @Override
    public void onConnectionStateChange(BluetoothGatt gatt, int status, int newState) {
        if (newState == BluetoothProfile.STATE_CONNECTED) {
            // 连接成功，请求提高安全级别(仅适用于已配对设备)
            if (Build.VERSION.SDK_INT >= Build.VERSION_CODES.O) {
                gatt.setEncryptionLevel(BluetoothDevice.ENCRYPTION_LEVEL_FULL);
            }
            
            // 请求MTU和服务发现
            gatt.requestMtu(512);
        }
    }
};

// 为特征设置加密保护
// 注意:这需要在BLE设备固件中配置相应的权限标志

当GATT特征需要加密保护时，客户端尝试读写会触发自动配对过程，这在医疗和隐私数据保护场景下非常重要。

八、总结与最佳实践

通过深入理解GATT通信机制，我们可以设计出高效、可靠、节能的BLE应用。

最佳实践汇总

  1. 服务设计：尽量使用标准UUID，合理组织服务和特征结构

  2. 连接流程：连接后先设置MTU，再发现服务

  3. 数据通信选择：

    • 单次读取：静态配置数据
    • 通知/指示：实时变化数据
    • 无响应写入+队列：大数据吞吐

  4. MTU优化：总是协商最大MTU，但考虑平台差异

  5. 错误处理：实现可靠的重连机制，处理各种异常情况

性能提升关键点

  • 批量处理：多个小数据包合并发送，减少传输次数
  • 合理使用通知：不要过度使用通知机制
  • 异步操作：避免GATT操作阻塞UI线程
  • 连接参数调优：根据应用场景调整连接优先级

理解并掌握这些GATT通信机制，你的BLE应用将更加稳定、高效且省电，无论是在消规类产品还是车规或者工业级产品中都能脱颖而出。

注：本文转载自juejin.cn的万户猴的文章"https://juejin.cn/post/7496341504828817435"。版权归原作者所有，此博客不拥有其著作权，亦不承担相应法律责任。如有侵权，请联系我们删除。
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