BLE Attribute Protocol

속성(Attribute)

 Attribute(ATT, 속성) 프로토콜은 BLE 프로토콜 스택 중의 하나다. BLE 서버 데이터베이스에서 데이터를 표현하는 방법과 해당 데이터를 읽거나 쓸 수 있는 방법을 정의한다.

속성은 4개의 구성으로 정의한다.

• attribute type : UUID - 128 bit 숫자(혹은 16 이나 32bit를 사용하기도 함)
• attribute handle : 특정 속성을 참조하기 위한 0이 아닌 숫자
• attribute permissions : read and/or write 정의
• attribute value

상기 속성은 ATT에서 정의한 방법을 사용하여 읽거나 쓸 수 있다. 예를 들어 클라이언트가 서버로 요청을 보내면 서버는 클라이언트로 응답을 보내고, 서버에서 클라이언트로 보내는 알림(notification)은 클라이언트에서 응답하지 않는다.

속성 메소드(Attribute method)

 ATT 프로토콜은 속성을 읽거나 쓸 수 있는 방법도 정의한다. 지원되는 방법은 6가지이며 결과적으로 6개의 PDU(프로토콜 데이터 단위)를 정의한다. 6가지 방법과 해당 PDU 유형은 다음과 같다.

• Commands: 클라이언트에서 서버로 전달. response 호출하지 않음
• Requests: 클라이언트에서 서버로 전달. response 호출
• Responses: 서버가 request 를 받았을때 클라이언트로 전달
• Notifications: 서버에서 클라이언트로 전달. 클라이언트의 요청과 무관하게 전송.
• Indications: 서버에서 클라이언트로 전달하고 클라이언트는 response 호출. 클라이언트의 요청과 무관하게 전송.
• Confirmations: 클라이언트에서 indication에 대한 response로 서버로 acknowledgment를 전달 .

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BLE State

 BLE는 아래 5개의 State를 가진다.

• Standby
• Advertising
• Scanning
• Initiating
• Connected

BT core 4.1 이후 Synchronization state 가 추가되었다.

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BLE

BLE란 ?

• Bluetooth Low Energy. 
• 저전력 무선 통신을 위해 특별히 설계된 Classic Bluetooth의 최신 버전
• Bluetooth 4.0 specification의 주요 기능
• Classic Bluetooth는 근거리 무선통신으로 유선통신을 대체하도록 데이터 속도를 염두에 두고 설계되었으며 응용 프로그램에는 대용량 파일 전송, 무선 오디오 등이 포함
• BLE는 높은 데이터 속도 대신 저전력 소비에 최적화되어 IoT 및 배터리 작동 어플리케이션을 대상으로 설계
• 항상 연결되는 Classic Bluetooth와 달리 BLE는 일반적으로 대기(유휴) 모드에 있으며 필요한 경우에만 깨어나도록 설계

BLE Layer 구조

• Controller
• Host
• Application

Controller Layer

• PHY – The Physical Layer
• LL – The Link Layer
• HCI – Controller side Host-Controller Interface

Host Layer

• HCI – Host side Host-Controller Interface
• L2CAP – Logical Link Control and Application Protocol
• SM – Security Manager
• ATT – Attribute Protocol
• GAP – Generic Access Profile
• GATT – Generic Attribute Profile

Application Layer

• User interface
• Data processing
• Logical 

용어정리

• GATT : Generic Attribute Profile. Service와 Characteristics를 사용하여 BLE 장치 간 데이터 전송을 위한 사양을 정의.
• Characteristic : 특성(Charateristic)은 속성(Attribute)라 부르는 정보의 그룹이며 속성은 디바이스간 전송되는 정보의 그룹이다. 속성으로는 아래와 같은 value, declaration, ..
• Value : Data value of the characteristic
• Declaration : Properties of the characteristic (location, type like read, write, notify, indicate etc.)
• Description : ASCII String describing the characteristic.
• Service : A collection of characteristics is called a Service. Each Service has a unique 16-bit or 128-bit ID called UUID.
• UUID : Universally Unique Identifier is a 128-bit ID given to each service and characteristic in a profile. Use the website UUIDGenerator to generate unique IDs. Each service and characteristic has a unique 16-bit or 128-bit ID called UUID.

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Bluetooth Device Address

블루투스 장치 주소 (Bluetooth Device Address) 

• 블루투스 디바이스는 적어도 1개 이상의 디바이스 주소를 갖게 됨
• 48 비트 주소 (피코넷 내 장치 구분) : IEEE MAC 주소 준용
• 각 장치는 1개 이상의 주소를 갖을 수 있음

블루투스 장치 주소 유형

• 직렬 비트 처리 동작에 시드(Seed) 역할을 하고,  접속 코드(Access Code) 유도에도 활용됨
• 접속 코드 유형

        . DAC (Device Access Code)

        . CAC (Channel Access Code)

        . IAC (Inquiry Access Code)

• Public Device Address 유형
• 고정 주소 (공장 출하시 하드웨어적으로 기록) 
• LAP(Lower Address Part)

        . 장치 조회 주소 : 0x 9E8B00 ~ 9E8B3F (64개 주소)

        . 범용 조회 주소 : 0x 9E8B33 (1개 주소)

        . 특수 목적 주소 : 기타 63개 주소

• UAP(Upper Address Part)
• NAP(Non-significant Address Part)

• Random Device Address 유형
• 동적 주소 (재 지정될 수 있음, 피코넷 내에서 만 유일하면 됨)

        . 피코넷 내에서 보안을 위해 빈번히 변할  수도 있음

     

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Bluetooth 통신

Bluetooth 모듈 구분은 Classic Bluetooth와 BLE(Bluetooth Low Energy) 두 가지 유형으로 한다.

BLE (Bluetooth Low Energy)

• 기존 블루투스 무선 기술에 비해 저전력, 저비용, 단순성, 저속도, 소형 지향
• Bluetooth 4.0 (2010) 규격에 포함 발표

BLE 주요 특징

• 연결 중 긴 수면 시간(sleep time)
• 작은 크기의 데이터 전송 단위
• 매우 낮은 Duty Cycle
• 단순한 Topology :  주로 스타형 토폴로지만 지원

BLE 기술적 특징

• 주파수대역 : 기존 블루투스와 동일 (2.4 GHz) 
• 사용 채널  : 2 MHz 폭씩 40개 채널
• 2 MHz 간격 : 2402 + k * 2 MHz (k = 0,1,...,39)
• 다중 접속  : FDMA, TDMA 방식 모두 사용
• 전력 소모  : 15 mA 이내
• 전송 속도  : 1 Mbps 
• 최대 전송 전력 : 10 mW
• 통신 방향  : 양방향 모두 지원 가능하지만, 대개 단방향성 만 지원
• 기기 간에 비 대칭적인 구조로 동작
• 통신 역할  : 기존 블루투스와 달리, 연결 동안 마스터/슬레이브 역할 교환이 없게 됨
• 프로토콜 스택 : 기존 블루투스 보다 단순한 구조 채택

프로필(Profile)

SPP, GATT, A2DP, AVRCP, HFP, ... 등 다수의 프로필 존재

블루투스를 사용하기 위해서는 장치(디바이스)는 특정 블루투스 프로파일(Bluetooth Profile)을 해석할 수 있어야 하며, 프로파일은 가능한 응용 프로그램을 정의하고 블루투스 장치가 다른 블루투스 장치와 통신하는데 사용하는 일반적인 특성을 규정한다.

SPP Profile : Serial Port Profile 1.2 spec

SPP는 Serial Port Profile의 약자로 직렬 포트 프로필이라 하며, Classic Bluetooth의 Profile이다. SPP는 두 피어 장치 간에 RFCOMM을 사용하여 에뮬레이트 된 직렬 케이블 연결을 설정하는 데 필요한 Bluetooth 장치에 대한 요구 사항을 정의한다. 요구 사항은 응용 프로그램에 제공되는 서비스와 Bluetooth 장치 간의 상호 운용에 필요한 기능과 절차를 정의하여 표현한다.

GATT Profile : Incorporated GATT Specification Supplement

GATT는 General ATTribute 의 약자로 일반 속성 프로필이라 하며, BLE 프로필이다. 두 개의 BLE 장치가 서비스 및 특성 이라는 개념을 사용하여 데이터를 앞뒤로 전송하는 방식을 정의하며,  이는 테이블의 각 항목에 대해 16 비트 ID를 사용하여 서비스, 특성 및 관련 데이터를 간단한 조회 테이블에 저장하는 데 사용되는 ATT (속성 프로토콜)라는 일반 데이터 프로토콜을 사용한다. GATT 통신의 두 당사자는 클라이언트/서버 관계(주변 장치는 GATT 서버, Central은 GATT 클라이언트)이다. GATT 및 연결에서 염두에 두어야 할 가장 중요한 것은 연결이 배타적이라는 것으로, BLE 주변 장치는 한 번에 하나의 중앙 장치 (휴대폰 등)에만 연결할 수 있다.

Connected Network Topology

아래 그림은 BLE 장치가 연결되는 환경을 나타내고 있다. 주변 장치는 단지 하나의 중앙 장치(모바일 폰과 같은)에 연결될 수 있으나 중앙장치는 동시에 다수의 주변장치와 연결 할 수 있다.

GATT Transactions

GATT에서 이해해야 할 중요한 개념은 서버/클라이언트 관계다.

주변장치는 ATT 룩업 데이터, 서비스, 특성 정의(Characteristic definitions)를 가지고 있는 GATT 서버로  볼 수 있으며, 폰 혹은 타블릿은 서버에 요구를 전달하는 GATT 클라이언트로 볼 수 있다.

모든 트랜잭션은 보조 장치인 GATT 서버로부터 응답을 받는 주 장치인 GATT클라이언트에 의해 시작된다. 

다음 그림은 주 장치가 모든 트랜잭션을 시작하는 주변 장치 (GATT 서버)와 중앙 장치 (GATT 클라이언트) 간의 데이터 교환 프로세스를 보여준다.

참고 

• https://learn.adafruit.com/introduction-to-bluetooth-low-energy/gatt

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