BLEのMTU：とは、パケットサイズ、ネゴシエーション

BLEのMTUとは？

Maximum Transmission Unit（MTU）は、BLEのコンテキストにおいて、デバイスが1回のGATT要求で受け入れ可能なアプリケーションプロトコルデータユニット（APDU）の最大サイズです。MTUはATT（属性プロトコル）レベルで定義され、ATTヘッダー（1バイト）+ 有効データを含みます。デフォルトでは、すべてのBLEデバイスは23バイトのMTUをサポートします（23 = 1バイトのATTヘッダー + 22バイトのデータ）。

MTUは無線チャネルの物理的な制限ではなく、GATTレベルでのデバイス間の合意です。リンク層でのBLEパケットの物理サイズはより大きくできますが（BLE 4.0では最大27バイト、Data Length Extensionを使用したBLE 5.0では最大257バイト）、GATT層はトランザクションごとに送信されるデータ量を制限します。Data Length Extension（DLE）は、物理パケットを251バイトに増やす個別のリンク層メカニズムであり、別途ネゴシエーションする必要があります。

MTUとDLEの違い：ATT MTU — GATT要求ごとに送信されるデータ量、DLE — 1つのリンク層パケットに収まるデータ量。最大速度を得るには、両方のパラメータをネゴシエーションする必要があります。DLEがない場合、MTUが247バイトでも、データは複数の27バイトのリンク層パケットに断片化され、スループットが低下します。

MTUネゴシエーション：手順とプロトコル

MTU Size Request — GATT接続確立後にCentralが開始する手順です。Centralは自身のMTU容量（受け入れ可能な最大サイズ）を指定したMTU Requestを送信します。Peripheralは自身の値を含むMTU Responseで応答します。結果のMTUは2つの値の最小値になります。CentralがMTU 512を提案し、Peripheralが128のみをサポートする場合、接続はMTU 128を使用します。

import CoreBluetooth

// iOSで最大MTUを要求する
func requestMTU(central: CBCentralManager,
                    peripheral: CBPeripheral) {
    peripheral.maximumWriteValueLength(
        for: .withoutResponse
    )

// iOSは接続時に自動的にMTUをネゴシエーションする
            // BLE 5.0デバイスのMTU = 512
    let mtu = peripheral.maximumWriteValueLength(
        for: .withResponse
    )

    print("ネゴシエーションされたMTU: " +
          String(mtu))
}

ネゴシエーションのタイミング：MTU Requestは、サービス検出（discoverServices）後、アクティブなデータ送信が開始される前に送信する必要があります。iOS Core Bluetoothでは、接続時にMTUが自動的にネゴシエーションされます。開発者が手動でMTU Requestを送信する必要はありません。Androidでは、requestMTUを明示的に呼び出す必要があります。一度ネゴシエーションされると、MTUはその接続に対して固定され、切断して再接続しない限り再ネゴシエーションはできません。

ATTの制限：MTUが251バイトを超えられない理由

ATT（Attribute Protocol） — GATTが構築されるプロトコルです。ATTパケットの最大サイズは257バイト（ATT_MTU-1）です。このうち、1バイトがOpcode（操作タイプ）、1バイトがHandle、最大255バイトがValueです。したがって、ATT仕様で許可される最大MTUは257バイトですが、実際には一部のオーバーヘッドフィールドが依然として必要であるため、最大251バイトが使用されます。

MTUより大きいデータを送信するには、アプリケーションレベルで断片化（フラグメンテーション）を使用します。開発者は手動でデータを≤ MTUサイズのチャンクに分割し、順次送信します。各チャンクは個別のGATT Write Requestとして送信されます。受信側はチャンクを単一のバッファに組み立てます。GATTには組み込みの断片化サポートはありません。これは開発者の責任です。

興味深い事実：iOSとAndroidはそれぞれMTU 512および517バイトを要求しますが、この値はATT制限を超過しています。実際には、BLEスタックはこれらのデータを自動的に断片化し、それぞれ最大251バイトの複数の順次GATT要求として送信します。開発者にとって、その差は透過的です。iOSではwriteValueは512バイトまでの任意のサイズで動作します。

MTUがパフォーマンスに与える影響

MTUサイズはBLE接続のスループットに直接影響します。MTU 23バイトの場合、理想的な条件下での最大有効転送レートは約7～10 KB/sです。MTUを247バイトに増やすと、速度は60～90 KB/s（DLEと最適な接続間隔を使用）に向上します。これは、画像、オーディオフラグメント、ログを送信するアプリケーションにとって特に重要です。

BLE転送パフォーマンスは、MTU（ATT要求ごとのデータ量）、接続間隔（交換イベントの頻度）、DLE（リンク層パケットごとのデータ量）の3つの要因に依存します。最大速度のための最適な設定：MTU = 247、DLE = 251、接続間隔 = 7.5 ms（最小値）。

Bluetooth SIG White Paper（2023）によると、接続間隔30 msでMTUを23から247バイトに増やすと、スループットが8 KB/sから42 KB/sに向上します。これは5倍の増加です。接続間隔7.5 msでは、スループットは88 KB/sに達します。高速性を必要としないアプリケーション（温度センサー、BLEビーコン）の場合、標準の23バイトMTUで十分です。

iOSとAndroidでのMTU設定

iOS Core Bluetoothは、Peripheralに接続する際にMTUを自動的にネゴシエーションします。開発者はmaximumWriteValueLengthを介して現在のMTUを照会できますが、手動で設定することはできません。iOSはBLE 5.0デバイスで最大512バイト、BLE 4.2で最大247バイトのMTUを使用します。大量のデータを書き込む場合は、配信保証のためにwriteType: .withResponseを使用してください。

// Android（Kotlin）でMTUを要求する
val bluetoothGatt: BluetoothGatt = ...

// MTU 517バイトを要求する
bluetoothGatt.requestMtu(517)

// コールバックで結果を処理する
override fun onMtuChanged(
    gatt: BluetoothGatt,
    mtu: Int,
    status: Int
) {
    if (status == BluetoothGatt.GATT_SUCCESS) {
        println("MTU negotiated: $mtu")
    }
}

AndroidはBluetoothGatt.requestMtu(int)を提供し、517バイトまでの任意のMTUを要求できます。実際のMTUは周辺デバイスによって決定されます。デバイスが23バイトのみをサポートする場合、AndroidはMTU 23を返します。現在のMTUを確認するには、gatt.requestMtu(0)を使用します。これは変更を試みずに現在の値を返します。Android 12+は、TRANSPORT_LEを介した接続時の自動MTUネゴシエーションをサポートしています。

クロスプラットフォームフレームワーク（Flutter、React Native）は通常、requestMTUのAPIを提供します。FlutterBlue Plusライブラリでは、MTUは接続パラメータとして設定されます。RxAndroidBleでは、requestMtuメソッドを介して設定します。アプリケーションレベルでの断片化を回避するために、データ送信を開始する前に、サービス検出後すぐに最大MTUをネゴシエーションすることをお勧めします。

MTUとOTAアップデート

OTA（Over-The-Air）ファームウェアアップデートは、BLEで最もMTUを要求するシナリオです。IoTデバイスの一般的なファームウェアサイズは100～500 KBです。MTU 23バイト、接続間隔30 msの場合、100 KBの転送には約2～3分かかります。MTU 247バイト、DLE 251バイトの場合、20～40秒です。MTU 512バイト（iOS）の場合、10～15秒です。

OTAアップデートプロセスには通常、ファームウェアの≤ MTUサイズのパケットへの断片化、Notify/Writeを介した順次送信、各パケットのチェックサム検証、受信確認が含まれます。パケットが失われた場合、デバイスは再送信を要求します。OTAの信頼性は、MTUと接続間隔の適切な選択に大きく依存します。

OTAの推奨事項：最大MTU（247～512バイト）をネゴシエーションし、接続間隔を7.5～15 ms（デバイスがサポートする場合）に設定し、DLE（Data Length Extension）を使用して物理パケットを251バイトに増やします。バッファメモリが限られているデバイス（nRF52ベースのBLEモジュールなど）の場合は、チップ仕様で最大MTUを確認してください。