GATT — 是什么，Generic Attribute Profile 及在 Android 中的实现

什么是 GATT？

GATT（Generic Attribute Profile）— 是蓝牙低功耗（BLE）协议，定义了两个 BLE 设备如何通过属性协议（ATT）交换数据。GATT 标准化了数据结构：所有数据被组织为“服务 → 特征 → 描述符”的层次结构。该协议在蓝牙 4.0 规范（2010）中与 BLE 一起引入，此后一直是节能蓝牙设备的主要数据传输机制。与经典蓝牙通过串口（SPP）传输数据不同，GATT 通过读取、写入和通知操作提供结构化的数据访问。

GATT 在 BLE 协议栈中的角色

BLE 协议栈由多个层组成：物理层（无线电）、链路层（连接管理）、L2CAP（逻辑信道传输）、ATT（属性协议 — 属性访问）和 GATT（基于 ATT 的协议）。GATT 是应用程序开发人员处理的最高层。底层的 ATT 提供基本操作：读取、写入、通知和指示属性。GATT 则添加了语义：定义什么是服务、什么是特征、它们如何分组以及读写时适用哪些规则。根据 蓝牙核心规范 5.4（2023），GATT 在单个设备上支持多达 65,535 个属性（服务 + 特征 + 描述符）。

GATT 架构：服务、特征和描述符

GATT 层次结构由三个级别组成。服务（Service）— 解决一个任务的特征的逻辑组（例如，“电池服务”或“心率服务”）。特征（Characteristic）— 具有已知类型的数据单元：当前电量、传感器读数、开关状态。每个特征都有一个值（value）和一个或多个描述符（Descriptors），描述符描述元数据：测量单位、通知设置、值范围。UUID（通用唯一标识符）唯一标识每个服务和每个特征。

特征操作类型

GATT 支持四种与特征交互的操作类型。读取（Read）— 客户端从服务器请求特征的当前值。写入（Write）— 客户端向服务器发送新值。通知（Notify）— 服务器向客户端发送值而无需确认（更快但可靠性较低）。指示（Indicate）— 服务器发送值并确认接收（更可靠但较慢）。开发人员根据场景选择类型：对于脉搏传感器读数，Notify 足够了；对于写入智能锁配置，则需要带确认的 Write。

// Android 代码中的 GATT 数据结构
data class BleService(
    val uuid: UUID,
    val characteristics: List<BleCharacteristic>
)

data class BleCharacteristic(
    val uuid: UUID,
    val properties: Int, // 读取、写入、通知、指示
    val descriptors: List<BleDescriptor>,
    var value: ByteArray?
)

GATT 和 GAP：BLE 协议的区别

在 BLE 规范中定义了两个主要协议：GAP（通用访问协议）和 GATT（通用属性协议）。GAP 负责设备发现、连接建立和可见性管理 — 这是 BLE 的“网络层”。GATT — 负责连接后的数据交换，即“应用层”。开发人员使用 GAP 扫描和连接设备，使用 GATT 从连接的设备读取、写入和接收通知。

GATT 中的角色

GATT 定义了两个角色：GATT 服务器和 GATT 客户端。服务器 — 提供数据的设备（例如，传输脉搏读数的健身追踪器）。客户端 — 请求数据的设备（例如，读取测量值的智能手机）。在大多数场景中，Android 应用程序充当 GATT 客户端，BLE 外设充当 GATT 服务器。然而，Android 也可以充当 GATT 服务器 — 例如，如果应用程序为其他设备模拟 BLE 设备。角色在 GATT 连接建立阶段确定，并且在会话期间不会改变。

GATT 通信在 BLE 中如何工作

GATT 通信过程始于设备之间建立 BLE 连接之后。首先，GATT 客户端通过服务发现（Service Discovery）操作检测 GATT 服务器上的服务 — Android 在连接时通过 BluetoothGatt.discoverServices() 自动执行此操作。发现后，客户端获取可用服务、特征和描述符的列表。然后客户端可以读取特征值（Read）、写入新值（Write）或订阅通知（Set Notify/Indicate）。GATT 服务器在建立连接后可以随时向客户端发送 Notify/Indicate。

MTU — 最大数据包大小

默认情况下，BLE 中单个 GATT 数据包的大小（MTU，最大传输单元）为 23 字节，其中 3 字节为 ATT 标头，20 字节为有效数据。如果应用程序需要传输更多数据（例如 OTA 固件更新），可以通过 Android 中的 requestMtu() 请求将 MTU 增加到 517 字节。增加的 MTU 减少了传输一个数据块所需的包数量 — 可以发送 2 个大包而不是 50 个小包，从而降低功耗并加快传输速度。最大 MTU 取决于 BLE 版本和芯片能力 — 蓝牙 5.0 支持最多 517 字节，较旧版本支持最多 247 字节。

// 订阅特征通知
fun enableNotifications(gatt: BluetoothGatt, characteristic: BluetoothGattCharacteristic) {
    gatt.setCharacteristicNotification(characteristic, true)

    // 启用 CCCD（客户端特征配置描述符）
    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)
    }
}

通知处理

要在 Android 中从 GATT 服务器接收通知，需要实现 BluetoothGattCallback.onCharacteristicChanged() 回调。在此方法中，应用程序在服务器每次发送 Notify 或 Indicate 时接收更新的特征值。对于实时数据处理，请使用缓冲区和 Kotlin 协程 — 这样可以防止在密集通知（例如每秒 100+ 次脉搏读数）时阻塞 UI 线程。对于指示（Indicate），务必在服务器端调用 gatt.sendResponse() — 在 Android 客户端中，这由系统自动处理。

GATT 在 Android 中的实现

在 Android 中，GATT 的开发通过 android.bluetooth 包中的类实现：BluetoothGatt（连接）、BluetoothGattService（服务）、BluetoothGattCharacteristic（特征）和 BluetoothGattDescriptor（描述符）。连接到 BLE 设备始于调用 BluetoothDevice.connectGatt() — 该方法返回 BluetoothGatt，通过它执行所有后续操作。所有 GATT 回调都通过 BluetoothGattCallback 接收 — 这是一个异步接口，在创建 BluetoothGatt 的同一线程中调用。重要提示：所有 GATT 操作必须按顺序执行 — 在同一 BluetoothGatt 上同时调用多个操作会导致错误。

GATT 连接的生命周期

正确管理 GATT 连接的生命周期对于 BLE 应用程序的稳定性至关重要。调用 connectGatt() 后，应用程序等待状态为 STATE_CONNECTED 的 onConnectionStateChange() 回调。然后系统自动启动服务发现，完成后调用 onServicesDiscovered()。只有在此之后才能执行读取、写入和订阅。工作完成后，务必在 onDestroy() 或 onPause() 中调用 gatt.close() — 未关闭的 GATT 连接会消耗电池，并可能阻止在 Android 上重新连接到同一设备。

// 通过 GATT 连接到 BLE 设备
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) }
    }
}

标准 GATT 协议和服务

蓝牙 SIG（特别兴趣小组）定义了数十种具有固定 16 位 UUID 的标准 GATT 协议和服务。最常见的有：电池服务（Battery Service，UUID 180F，特征 Battery Level 2A19）、心率服务（Heart Rate，UUID 180D，特征 Heart Rate Measurement 2A37）、设备信息服务（Device Information，UUID 180A，特征 Manufacturer Name、Serial Number）。使用标准服务可确保不同制造商设备之间的兼容性 — 任何具有心率服务的健身手环都应能与任何支持它的 Android 应用程序配合使用。

设计自定义 GATT 服务

如果标准服务无法满足任务需求，开发人员可以创建自己的 GATT 服务，使用 128 位 UUID（自定义 UUID）。在设计自定义服务时，需要：定义特征的逻辑组（例如，“锁管理服务”），为每个特征分配正确的属性（Read、Write、Notify），通过特征表示格式描述符（Characteristic Presentation Format）确定允许的值和测量单位。对于复杂协议，建议在服务中包含具有 Write 属性的 Command 特征和具有 Notify 属性的 Status 特征 — 这符合工业 BLE 应用程序中采用的 Command/Status 模式。

// 创建自定义 GATT 服务（Android 作为 GATT 服务器）
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
}