GATT — その概要、Generic Attribute Profile、Androidでの実装

GATTとは？

GATT（Generic Attribute Profile）は、2つのBLEデバイスがAttribute Protocol（ATT）を介してデータを交換する方法を定義するBluetooth Low Energy（BLE）プロファイルです。GATTはデータ構造を標準化します：すべてのデータは“サービス → 特性 → ディスクリプタ”の階層に整理されます。このプロファイルはBLEとともにBluetooth 4.0仕様（2010年）で導入され、それ以来、省エネBluetoothデバイスの主要なデータ転送メカニズムであり続けています。データがシリアルポート（SPP）を介して送信されるクラシックBluetoothとは異なり、GATTは読み取り、書き込み、通知操作を通じてデータへの構造化されたアクセスを提供します。

BLEスタックにおけるGATTの役割

BLEスタックは複数のレイヤーで構成されます：物理層（無線）、リンク層（接続管理）、L2CAP（論理チャネル制御）、ATT（Attribute Protocol — 属性へのアクセス）、GATT（ATTベースのプロファイル）。GATTはアプリケーション開発者が扱う最上位のレイヤーです。下位のATTは基本的な操作を提供します：属性の読み取り、書き込み、通知、指示。GATTはセマンティクスを追加します：サービスと特性とは何か、それらがどのようにグループ化されるか、読み書き時にどのようなルールが適用されるかを定義します。Bluetooth Core Specification 5.4（2023年）によると、GATTは単一のデバイス上で最大65,535の属性（サービス＋特性＋ディスクリプタ）をサポートします。

GATTアーキテクチャ：サービス、特性、ディスクリプタ

GATT階層は3つのレベルで構成されます。サービスは1つのタスクを解決する特性の論理グループです（例：“バッテリーサービス”や“心拍数サービス”）。特性は既知の型を持つデータ単位です：現在のバッテリーレベル、センサー読み取り値、スイッチの状態。各特性には値と、メタデータを記述する1つ以上のディスクリプタがあります：測定単位、通知設定、値の範囲。UUID（Universally Unique Identifier）は各サービスと各特性を一意に識別します。

特性操作の種類

GATTは特性と対話するための4種類の操作をサポートします。Read — クライアントがサーバーから特性の現在の値を要求します。Write — クライアントがサーバーに新しい値を送信します。Notify — サーバーが確認なしでクライアントに値を送信します（より高速だが信頼性は低い）。Indicate — サーバーが受信確認付きで値を送信します（より信頼性が高いが低速）。開発者はシナリオに基づいて種類を選択します：心拍数センサーの読み取りにはNotifyで十分です；スマートロックの設定を書き込むには確認付きのWriteが必要です。

// AndroidコードにおけるGATTデータ構造
data class BleService(
    val uuid: UUID,
    val characteristics: List<BleCharacteristic>
)

data class BleCharacteristic(
    val uuid: UUID,
    val properties: Int, // READ, WRITE, NOTIFY, INDICATE
    val descriptors: List<BleDescriptor>,
    var value: ByteArray?
)

GATTとGAP：BLEプロファイルの違い

BLE仕様は2つの主要なプロファイルを定義します：GAP（Generic Access Profile）とGATT（Generic Attribute Profile）。GAPはデバイスの発見、接続確立、可視性管理を担当します — BLEの“ネットワーク層”です。GATTは接続確立後のデータ交換を担当します — “アプリケーション層”です。開発者はデバイスのスキャンと接続にGAPを使用し、接続されたデバイスからのデータの読み取り、書き込み、通知の受信にGATTを使用します。

GATTのロール

GATTは2つのロールを定義します：GATTサーバーとGATTクライアント。サーバーはデータを提供するデバイスです（例：心拍数データを送信するフィットネストラッカー）。クライアントはデータを要求するデバイスです（例：データを読み取るスマートフォン）。ほとんどのシナリオでは、AndroidアプリがGATTクライアントとして機能し、BLEペリフェラルがGATTサーバーとして機能します。ただし、AndroidはGATTサーバーにもなれます — 例えば、アプリが他のデバイスに対してBLEデバイスをエミュレートする場合などです。ロールはGATT接続セットアップ段階で決定され、セッション中は変更されません。

BLEにおけるGATT通信の仕組み

GATT通信プロセスは、デバイス間のBLE接続が確立された後に始まります。最初に、GATTクライアントはService Discoveryを通じてGATTサーバー上のサービスを発見します — AndroidはBluetoothGatt.discoverServices()を介して接続時に自動的にこれを行います。発見後、クライアントは利用可能なサービス、特性、ディスクリプタのリストを取得します。その後、クライアントは特性値の読み取り（Read）、新しい値の書き込み（Write）、または通知への登録（Set Notify/Indicate）ができます。GATTサーバーは接続確立後いつでもクライアントにNotify/Indicateを送信できます。

MTU — 最大転送単位

デフォルトでは、BLEにおける単一のGATTパケット（MTU）のサイズは23バイトで、そのうち3バイトがATTヘッダー、20バイトがペイロードです。アプリケーションがより多くのデータを転送する必要がある場合（例：OTAファームウェアアップデート）、AndroidのrequestMtu()を介してMTUを517バイトまで増やすことができます。MTUの増加により、1つのデータブロックを転送するために必要なパケット数が減少します — 50個の小さなパケットの代わりに2個の大きなパケットを送信でき、消費電力が低下し転送速度が向上します。最大MTUはBLEのバージョンとチップの能力に依存します — Bluetooth 5.0は最大517バイト、古いバージョンは最大247バイトをサポートします。

// 特性通知を購読する
fun enableNotifications(gatt: BluetoothGatt, characteristic: BluetoothGattCharacteristic) {
    gatt.setCharacteristicNotification(characteristic, true)

    // CCCD（クライアント特性設定ディスクリプタ）を有効にする
    val cccdUuid = UUID.fromString("00002902-0000-1000-8000-00805f9b34fb")
    val descriptor = characteristic.getDescriptor(cccdUuid)
    descriptor?.let {
        it.setValue(BluetoothGattDescriptor.ENABLE_NOTIFICATION_VALUE)
        gatt.writeDescriptor(it)
    }
}

通知の処理

AndroidでGATTサーバーから通知を受信するには、BluetoothGattCallback.onCharacteristicChanged()コールバックを実装する必要があります。このメソッドで、サーバーがNotifyまたはIndicateを送信するたびに、アプリは更新された特性値を受け取ります。リアルタイムデータ処理には、バッファとKotlinコルーチンを使用します — これにより、大量の通知（例：毎秒100以上の心拍数データ）が発生している間もUIスレッドのブロックを防ぎます。Indicateの場合は、サーバー側でgatt.sendResponse()を呼び出す必要があります — Androidクライアントでは自動的に処理されます。

AndroidでのGATT実装

Androidでは、GATTの操作はandroid.bluetoothパッケージのクラスを通じて実装されます：BluetoothGatt（接続）、BluetoothGattService（サービス）、BluetoothGattCharacteristic（特性）、BluetoothGattDescriptor（ディスクリプタ）。BLEデバイスへの接続はBluetoothDevice.connectGatt()を呼び出すことから始まります — このメソッドはBluetoothGattを返し、これを介して後続のすべての操作が実行されます。すべてのGATTコールバックはBluetoothGattCallbackに届きます — これはBluetoothGattが作成されたのと同じスレッドで呼び出される非同期インターフェースです。重要：すべてのGATT操作は順次実行する必要があります — 同じBluetoothGattで複数の操作を同時に呼び出すとエラーが発生します。

GATT接続のライフサイクル

GATT接続のライフサイクルを適切に管理することは、BLEアプリの安定性にとって非常に重要です。connectGatt()を呼び出した後、アプリはSTATE_CONNECTED状態のonConnectionStateChange()コールバックを待ちます。その後、システムは自動的にService Discoveryを開始し、完了後にonServicesDiscovered()が呼び出されます。この後でのみ、読み取り、書き込み、登録を実行できます。終了時は、必ずonDestroy()またはonPause()でgatt.close()を呼び出してください — 閉じられていないGATT接続はバッテリーを消費し、Androidで同じデバイスへの再接続をブロックする可能性があります。

// GATT経由でBLEデバイスに接続する
private val gattCallback = object : BluetoothGattCallback() {
    override fun onConnectionStateChange(
        gatt: BluetoothGatt, status: Int, newState: Int
    ) {
        if (newState == BluetoothProfile.STATE_CONNECTED) {
            gatt.discoverServices()
        }
    }

    override fun onServicesDiscovered(gatt: BluetoothGatt, status: Int) {
        val service = gatt.getService(UUID.fromString("180D"))
        val characteristic = service?.getCharacteristic(
            UUID.fromString("2A37")
        )
        characteristic?.let { enableNotifications(gatt, it) }
    }
}

標準GATTプロファイルとサービス

Bluetooth SIGは、固定の16ビットUUIDを持つ数十の標準GATTプロファイルとサービスを定義しています。最も一般的なもの：Battery Service（UUID 180F、Battery Level特性2A19）、Heart Rateサービス（UUID 180D、Heart Rate Measurement特性2A37）、Device Informationサービス（UUID 180A、Manufacturer NameとSerial Number特性）。標準サービスの使用は、異なるメーカーのデバイス間の互換性を保証します — Heart Rateサービスを持つ任意のフィットネスブレスレットは、それをサポートする任意のAndroidアプリで動作するはずです。

カスタムGATTサービスの設計

標準サービスがタスクをカバーしない場合、開発者は128ビットUUIDを持つカスタムGATTサービスを作成できます。カスタムサービスを設計する際には、次のことが必要です：特性の論理グループを定義し（例：“ロック制御サービス”）、各特性に正しいプロパティ（Read、Write、Notify）を割り当て、Characteristic Presentation Formatディスクリプタを通じて許可される値と測定単位を定義します。複雑なプロトコルには、Writeプロパティを持つCommand特性とNotifyを持つStatus特性を含めることを推奨します — これは産業用BLEアプリケーションで採用されているCommand/Statusパターンに従います。

// カスタムGATTサービスを作成する（GATTサーバーとしてのAndroid）
private fun createCustomService(): BluetoothGattService {
    val serviceUuid = UUID.fromString("12345678-1234-5678-1234-56789abcdef0")
    val service = BluetoothGattService(
        serviceUuid, BluetoothGattService.SERVICE_TYPE_PRIMARY
    )

    val charUuid = UUID.fromString("12345678-1234-5678-1234-56789abcdef1")
    val characteristic = BluetoothGattCharacteristic(
        charUuid,
        BluetoothGattCharacteristic.PROPERTY_READ or
        BluetoothGattCharacteristic.PROPERTY_NOTIFY,
        BluetoothGattCharacteristic.PERMISSION_READ
    )
    service.addCharacteristic(characteristic)
    return service
}