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18 KiB
ReStructuredText
BluFi
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^^^^^^
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:link_to_translation:`en:[English]`
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概览
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BluFi 是一项基于蓝牙通道的 Wi-Fi 网络配置功能，适用于 {IDF_TARGET_NAME}。它通过安全协议将 Wi-Fi 的 SSID、密码等配置信息传输到 {IDF_TARGET_NAME}。基于这些信息，{IDF_TARGET_NAME} 可进而连接到 AP 或建立 SoftAP。
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BluFi 流程的关键部分包括数据的分片、加密以及校验和验证。
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用户可按需自定义用于对称加密、非对称加密以及校验的算法。此处，我们采用 DH 算法进行密钥协商，128-AES 算法用于数据加密，CRC16 算法用于校验和验证。
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BluFi 流程
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BluFi 配网流程包含配置 SoftAP 和配置 Station 两部分。
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下面以配置 Station 为例，介绍了广播、连接、服务发现、协商共享密钥、传输数据、回传连接状态等关键步骤。
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1. {IDF_TARGET_NAME} 开启 GATT Server 模式，发送带有特定 *advertising data* 的广播。该广播不属于 BluFi Profile，可以按需对其进行自定义。
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2. 使用手机应用程序搜索到该广播后，手机将作为 GATT Client 连接 {IDF_TARGET_NAME}。该步骤对具体使用哪款手机应用程序并无特殊要求。
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3. 成功建立 GATT 连接后，手机会向 {IDF_TARGET_NAME} 发送数据帧进行密钥协商（详见 :ref:`frame_formats` ）。
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4. {IDF_TARGET_NAME} 收到密钥协商的数据帧后，会按照自定义的协商方法进行解析。
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5. 手机与 {IDF_TARGET_NAME} 进行密钥协商。协商过程可使用 DH/RSA/ECC 等加密算法。
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6. 协商结束后，手机端向 {IDF_TARGET_NAME} 发送控制帧，用于设置安全模式。
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7. {IDF_TARGET_NAME} 收到控制帧后，使用共享密钥以及安全配置对通信数据进行加密和解密。
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8. 手机向 {IDF_TARGET_NAME} 发送 :ref:`frame_formats` 中定义的数据帧，包括 SSID、密码等 Wi-Fi 配置信息。
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9. 手机向 {IDF_TARGET_NAME} 发送 Wi-Fi 连接请求的控制帧。{IDF_TARGET_NAME} 收到控制帧后，即默认手机已完成必要信息的传输，准备连接 Wi-Fi。
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10. 连接到 Wi-Fi 后，{IDF_TARGET_NAME} 发送 Wi-Fi 连接状态报告的控制帧到手机。至此，配网结束。
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.. note::
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1. {IDF_TARGET_NAME} 收到安全模式配置的控制帧后，会根据定义的安全模式进行相关操作。
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2. 进行对称加密和解密时，加密和解密前后的数据长度必须一致。支持原地加密和解密。
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BluFi 流程图
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.. seqdiag::
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:caption: BluFi Flow Chart
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:align: center
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seqdiag blufi {
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activation = none;
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node_width = 80;
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node_height = 60;
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edge_length = 380;
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span_height = 10;
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default_fontsize = 12;
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Phone <- {IDF_TARGET_NAME} [label="广播"];
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Phone -> {IDF_TARGET_NAME} [label="建立 GATT 链接"];
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Phone -> {IDF_TARGET_NAME} [label="协商密钥"];
|
||
Phone <- {IDF_TARGET_NAME} [label="协商密钥"];
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||
Phone -> {IDF_TARGET_NAME} [label="CTRL: 设置 {IDF_TARGET_NAME} 为手机安全模式"];
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||
Phone -> {IDF_TARGET_NAME} [label="DATA: SSID"];
|
||
Phone -> {IDF_TARGET_NAME} [label="DATA: Password"];
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Phone -> {IDF_TARGET_NAME} [label="DATA: 其他信息，如 CA 认证"];
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Phone -> {IDF_TARGET_NAME} [label="CTRL: 连接到 AP"];
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||
Phone <- {IDF_TARGET_NAME} [label="DATA: 连接状态报告"];
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}
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.. _frame_formats:
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BluFi 中定义的帧格式
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---------------------
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手机应用程序与 {IDF_TARGET_NAME} 之间的 BluFi 通信格式定义如下：
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帧不分片格式：
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.. list-table::
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:header-rows: 1
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:widths: 25 25
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* - 字段
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- 值（字节）
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||
* - 类型（最低有效位）
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||
- 1
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||
* - 帧控制
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||
- 1
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||
* - 序列号
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||
- 1
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||
* - 数据长度
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||
- 1
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* - 数据
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- ${Data Length}
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||
* - 校验（最高有效位）
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- 2
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||
如果使能 **帧控制** 字段中的分片位，则 **数据** 字段中会出现 2 字节的 **内容总长度**。该 **内容总长度** 表示帧的剩余部分的总长度，并用于报告终端需要分配的内存大小。
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||
|
||
帧分片格式：
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||
.. list-table::
|
||
:header-rows: 1
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||
:widths: 25 25
|
||
|
||
* - 字段
|
||
- 值（字节）
|
||
* - 类型（最低有效位）
|
||
- 1
|
||
* - 帧控制（分片）
|
||
- 1
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||
* - 序列号
|
||
- 1
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||
* - 数据长度
|
||
- 1
|
||
* - 数据
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- * 内容总长度：2
|
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* 数据内容长度：${Data Length} - 2
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||
* - 校验（最高有效位）
|
||
- 2
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||
通常情况下，控制帧不包含数据位，ACK 帧类型除外。
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|
||
ACK 帧格式 (8 bit)：
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.. list-table::
|
||
:header-rows: 1
|
||
:widths: 25 25
|
||
|
||
* - 字段
|
||
- 值（字节）
|
||
* - 类型 - ACK（最低有效位）
|
||
- 1
|
||
* - 帧控制
|
||
- 1
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||
* - 序列号
|
||
- 1
|
||
* - 数据长度
|
||
- 1
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||
* - 数据
|
||
- ACK 序列号: 2
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||
* - 校验（最高有效位）
|
||
- 2
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1. 类型字段
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||
**类型** 字段占 1 字节，分为 **类型** 和 **子类型** 两部分。其中，**类型** 占低 2 位，表明该帧为数据帧或是控制帧；**子类型** 占高 6 位，表示此数据帧或者控制帧的具体含义。
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|
||
* 控制帧，暂不进行加密，可校验。
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||
* 数据帧，可加密，可校验。
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||
1.1 控制帧（二进制：0x0 b’00）
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.. list-table::
|
||
:header-rows: 1
|
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:widths: 5 15 20 30
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||
* - 控制帧
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||
- 含义
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||
- 解释
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- 备注
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* - 0x0 (b’000000)
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||
- ACK
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||
- ACK 帧的数据字段使用回复对象帧的序列值。
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- 数据字段占用 1 字节，其序列值与回复对象帧的序列值相同。
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||
* - 0x1 (b’000001)
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||
- 将 ESP 设备设置为安全模式。
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||
- 通知 ESP 设备发送数据时使用的安全模式，在数据发送过程中可多次重置。设置后，将影响后续使用的安全模式。
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||
如果不设置，ESP 设备将默认发送不带校验和加密的控制帧和数据帧。从手机到 ESP 设备的数据传输是由这个控制帧控制的。
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||
- 数据字段占一个字节。高 4 位用于控制帧的安全模式设置，低 4 位用于数据帧的安全模式设置。
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||
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||
* b’0000：无校验、无加密；
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||
* b’0001：有校验、无加密；
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||
* b’0010：无校验、有加密；
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||
* b’0011：有校验、有加密。
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||
|
||
* - 0x2 (b’000010)
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||
- 设置 Wi-Fi 的 opmode。
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||
- 该帧包含设置 ESP 设备 Wi-Fi 模式 (opmode) 的设置信息。
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||
- data[0] 用于设置 opmode，包括：
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* 0x00: NULL
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||
* 0x01: STA
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* 0x02: SoftAP
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* 0x03: SoftAP & STA
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|
||
如果设置中包含 AP，请尽量优先设置 AP 模式的 SSID/密码/最大连接数等。
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* - 0x3 (b’000011)
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||
- 将 ESP 设备连接至 AP。
|
||
- 通知 ESP 设备必要的信息已经发送完毕，可以连接至 AP。
|
||
- 不包含数据字段。
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||
|
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* - 0x4 (b’000100)
|
||
- 断开 ESP 设备与 AP 的连接。
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||
-
|
||
- 不包含数据字段。
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||
* - 0x5 (b’000101)
|
||
- 获取 ESP 设备的 Wi-Fi 模式和状态等信息。
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||
-
|
||
- * 不包含数据字段。ESP 设备收到此控制帧后，会向手机回发一个报告 Wi-Fi 连接状态的帧来告知手机端当前所处的 opmode、连接状态、SSID 等信息。
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||
* 提供给手机端的信息类型由手机上的应用程序决定。
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|
||
* - 0x6 (b’000110)
|
||
- 断开 STA 设备与 SoftAP 的连接（SoftAP 模式）。
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||
-
|
||
- data[0~5] 为 STA 设备的 MAC 地址。如有多个 STA 设备，则第二个使用 data[6-11]，依次类推。
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* - 0x7 (b’000111)
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||
- 获取版本信息。
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||
-
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||
-
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||
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* - 0x8 (b’001000)
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||
- 断开 BLE GATT 连接。
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||
-
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||
- ESP 设备收到该指令后主动断开 BLE GATT 连接。
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||
|
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* - 0x9 (b’001001)
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||
- 获取 Wi-Fi 列表。
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||
- 通知 ESP 设备扫描周围的 Wi-Fi 热点。
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||
- 不包含数据字段。 ESP 设备收到此控制帧后，会向手机回发一个包含 Wi-Fi 热点报告的帧。
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||
|
||
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||
|
||
1.2 数据帧（二进制：0x1 b’01）
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.. list-table::
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||
:header-rows: 1
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:widths: 5 15 20 30
|
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||
* - 数据帧
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||
- 含义
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- 解释
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||
- 备注
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* - 0x0 (b’000000)
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||
- 发送协商数据。
|
||
- 协商数据会发送到应用层注册的回调函数中。
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||
- 数据的长度取决于数据长度字段。
|
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* - 0x1 (b’000001)
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||
- 发送 STA 模式的 BSSID。
|
||
- 在 SSID 隐藏的情况下，发送 STA 设备要连接的 AP 的 BSSID。
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||
- 请参考备注 1。
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* - 0x2 (b’000010)
|
||
- 发送 STA 模式的 SSID
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||
- 发送 STA 设备要连接的 AP 的 SSID。
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||
- 请参考备注 1。
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* - 0x3 (b’000011)
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||
- 发送 STA 模式的密码。
|
||
- 发送 STA 设备要连接的 AP 的密码。
|
||
- 请参考备注 1。
|
||
* - 0x4 (b’000100)
|
||
- 发送 SoftAP 模式的 SSID。
|
||
-
|
||
- 请参考备注 1。
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* - 0x5 (b’000101)
|
||
- 发送 SoftAPmode 模式的密码。
|
||
-
|
||
- 请参考备注 1。
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* - 0x6 (b’000110)
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||
- 设置 SoftAPmode 模式的最大连接数。
|
||
-
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||
- data[0] 为连接数的值，范围从 1 到 4。当传输方向是 ESP 设备到手机时，表示向手机端提供所需信息。
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* - 0x7 (b’000111)
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||
- 设置 SoftAP 的认证模式。
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||
-
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- data[0] 包括：
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* 0x00: OPEN
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* 0x01: WEP
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* 0x02: WPA_PSK
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||
* 0x03: WPA2_PSK
|
||
* 0x04: WPA_WPA2_PSK
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||
|
||
若传输方向是从 ESP 设备到手机，则表示向手机端提供所需信息。
|
||
* - 0x8 (b’001000)
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||
- 设置 SoftAP 模式的通道数量。
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||
-
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||
- data[0] 代表支持的通道的数量，范围从 1 到 14。若传输方向是从 ESP 设备到手机，则表示向手机端提供所需信息。
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||
* - 0x9 (b’001001)
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||
- 用户名
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||
- 在进行企业级加密时提供 GATT 客户端的用户名。
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||
- 数据的长度取决于数据长度字段。
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* - 0xa (b’001010)
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||
- CA 认证
|
||
- 在进行企业级加密时提供 CA 认证。
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||
- 请参考备注 2。
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* - 0xb (b’001011)
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||
- 客户端认证
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||
- 在进行企业级加密时提供客户端认证。是否包含私钥，取决于认证的内容。
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||
- 请参考备注 2。
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* - 0xc (b’001100)
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||
- 服务端认证
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||
- 在进行企业级加密时提供服务端认证。是否包含私钥，取决于认证的内容。
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- 请参考备注 2。
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* - 0xd (b’001101)
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||
- 客户端私钥
|
||
- 在进行企业级加密时提供客户端私钥。
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||
- 请参考备注 2。
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||
* - 0xe (b’001110)
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||
- 服务端私钥
|
||
- 在进行企业级加密时提供服务端私钥。
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||
- 请参考备注 2。
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* - 0xf (b’001111)
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||
- Wi-Fi 连接状态报告
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||
- 通知手机 ESP 设备的 Wi-Fi 状态，包括 STA 状态和 SoftAP 状态。用于 STA 设备连接手机或 SoftAP。但是，当手机接收到 Wi-Fi 状态时，除了本帧之外，还可以回复其他帧。
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||
- data[0] 表示 opmode，包括：
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||
* 0x00: NULL
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* 0x01: STA
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||
* 0x02: SoftAP
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||
* 0x03: SoftAP & STA
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||
data[1]：STA 设备的连接状态。0x0 表示处于连接状态且获得 IP 地址，0x1 表示处于非连接状态, 0x2 表示处于正在连接状态，0x3 表示处于连接状态但未获得 IP 地址。
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||
|
||
data[2]：SoftAP 的连接状态，即表示有多少 STA 设备已经连接。
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||
|
||
data[3]及后面的数据是按照 SSID/BSSID 格式提供的信息。 如果 Wi-Fi 处于正在连接状态，这里将会包含最大重连次数；如果 Wi-Fi 处于非连接状态，这里将会包含 Wi-Fi 断开连接原因和 RSSI 信息。
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||
* - 0x10 (b’010000)
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||
- 版本
|
||
-
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||
- * data[0]= 主版本
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* data[1]= 子版本
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||
* - 0x11 (b’010001)
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||
- Wi-Fi 热点列表
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||
- 将 Wi-Fi 热点列表发送给 ESP 设备
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||
- 数据帧的格式为 Length + RSSI + SSID。数据较长时可分片发送。
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||
* - 0x12 (b’010010)
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||
- 报告异常
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||
- 通知手机 BluFi 过程出现异常
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- * 0x00: sequence error
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* 0x01: checksum error
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||
* 0x02: decrypt error
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||
* 0x03: encrypt error
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||
* 0x04: init security error
|
||
* 0x05: dh malloc error
|
||
* 0x06: dh param error
|
||
* 0x07: read param error
|
||
* 0x08: make public error
|
||
* 0x09: data format error
|
||
* 0x0a: calculate MD5 error
|
||
* 0x0b: Wi-Fi scan error
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||
* - 0x13 (b’010011)
|
||
- 自定义数据
|
||
- 用户发送或者接收自定义数据。
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||
- 数据较长时可分片发送。
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||
* - 0x14 (b’010100)
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||
- 设置最大 Wi-Fi 重连次数。
|
||
-
|
||
- data[0] 表示 Wi-Fi 最大重连次数。
|
||
* - 0x15 (b’010101)
|
||
- 设置 Wi-Fi 连接失败原因。
|
||
-
|
||
- data[0] 表示 Wi-Fi 连接失败原因，它的类型应该和 `wifi_err_reason_t` 一致。
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||
* - 0x16 (b’010110)
|
||
- 设置 Wi-Fi 连接失败的 RSSI 。
|
||
-
|
||
- data[0] 表示在 Wi-Fi 连接失败时的 RSSI。 如果在连接结束时没有有意义的 RSSI ， 这个值应该为一个无意义值 `-128`。
|
||
|
||
.. note::
|
||
|
||
- 备注 1: 数据的长度取决于数据长度字段。若传输方向是从 ESP 设备到手机，则表示向手机端提供所需信息。
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||
|
||
- 备注 2: 数据的长度取决于数据长度字段。如果数据长度不够，该帧可用分片。
|
||
|
||
2. Frame Control
|
||
|
||
帧控制字段，占 1 字节，每个位表示不同含义。
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||
|
||
|
||
.. list-table::
|
||
:header-rows: 1
|
||
:widths: 10 35
|
||
|
||
* - 位
|
||
- 含义
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||
* - 0x01
|
||
- 表示帧是否加密。
|
||
|
||
* 1 表示加密。
|
||
* 0 表示未加密。
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||
|
||
该帧的加密部分包括数据字段加密之前的完整明文数据（不包括校验部分）。控制帧暂不加密，故控制帧此位为 0。
|
||
* - 0x02
|
||
- 该数据字段表示帧尾是否包含校验位，如 SHA1、MD5、CRC 等。该数据字段包含序列、数据长度以及明文。控制帧和数据帧都可以选择包含或不包含校验位。
|
||
* - 0x04
|
||
- 表示数据方向。
|
||
|
||
* 0 表示传输方向是从手机到 ESP 设备。
|
||
* 1 表示传输方向是从 ESP 设备到手机。
|
||
* - 0x08
|
||
- 表示是否要求对方回复 ACK。
|
||
|
||
* 0 表示不要求回复 ACK。
|
||
* 1 表示要求回复 ACK。
|
||
* - 0x10
|
||
- 表示是否有后续的数据分片。
|
||
|
||
* 0 表示此帧没有后续数据分片。
|
||
* 1 表示还有后续数据分片，用来传输较长的数据。
|
||
|
||
对于分片帧，在数据字段的前两个字节中，会给定当前内容部分和随后内容部分的总长度（即最大支持 64 K 的数据内容）。
|
||
* - 0x10~0x80
|
||
- 保留
|
||
|
||
3. 序列控制
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||
|
||
序列控制字段。帧发送时，无论帧的类型是什么，序列都会自动加 1，用来防止重放攻击 (Replay Attack)。每次重新连接后，序列清零。
|
||
|
||
4. 长度
|
||
|
||
数据字段的长度，不包含校验部分。
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||
|
||
5. 数据
|
||
|
||
对于不同的类型或子类型，数据字段的含义均不同。请参考上方表格。
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||
|
||
6. 校验
|
||
|
||
此字段占两个字节，用来校验序列、数据长度以及明文。
|
||
|
||
{IDF_TARGET_NAME} 端的安全实现
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||
-----------------------------
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||
|
||
1. 数据安全
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||
|
||
为了保证 Wi-Fi SSID 和密码的传输过程是安全的，需要使用对称加密算法（例如 AES、DES 等）对报文进行加密。在使用对称加密算法之前，需要使用非对称加密算法（DH、RSA、ECC 等）协商出（或生成出）一个共享密钥。
|
||
|
||
2. 保证数据完整性
|
||
|
||
为了保证数据完整性，需要加入校验算法，例如 SHA1、MD5、CRC 等。
|
||
|
||
3. 身份安全（签名）
|
||
|
||
某些算法如 RSA 可以保证身份安全。但如 DH 这类的算法，本身不能保证身份安全，需要添加其他算法来签名。
|
||
|
||
4. 防止重放攻击 (Replay Attack)
|
||
|
||
添加其到序列字段中，并且在数据校验过程中使用。
|
||
|
||
在 {IDF_TARGET_NAME} 端的代码中，你可以决定和开发如密钥协商等安全处理的流程。手机应用向 {IDF_TARGET_NAME} 发送协商数据，数据会传送给应用层处理。如果应用层不处理，可使用 BluFi 提供的 DH 加密算法来协商密钥。
|
||
|
||
应用层需向 BluFi 注册以下几个与安全相关的函数：
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||
|
||
.. code-block:: c
|
||
|
||
typedef void (*esp_blufi_negotiate_data_handler_t)(uint8_t *data, int len, uint8_t **output_data, int *output_len, bool *need_free)
|
||
|
||
该函数用来接收协商期间的正常数据 (normal data)。数据处理完成后，需要将待发送的数据使用 output_data 和 output_len 传出。
|
||
|
||
BluFi 会在调用完 Negotiate_data_handler 后，发送 Negotiate_data_handler 传出的 output_data。
|
||
|
||
这里的两个 “*” 是因为需要发出去的数据长度未知，所以需要函数自行分配 (malloc) 或者指向全局变量，并告知是否需要通过 NEED_FREE 释放内存。
|
||
|
||
.. code-block:: c
|
||
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typedef int (* esp_blufi_encrypt_func_t)(uint8_t iv8, uint8_t *crypt_data, int crypt_len)
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加密和解密的数据长度必须一致。其中 IV8 为帧的 8 位序列，可作为 IV 的某 8 个位来使用。
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.. code-block:: c
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typedef int (* esp_blufi_decrypt_func_t)(uint8_t iv8, uint8_t *crypt_data, int crypt_len)
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加密和解密的数据长度必须一致。其中 IV8 为帧的 8 位序列，可作为 IV 的某 8 个位来使用。
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.. code-block:: c
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typedef uint16_t (*esp_blufi_checksum_func_t)(uint8_t iv8, uint8_t *data, int len)
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该函数用来进行校验，返回值为校验的值。BluFi 会使用该函数返回值与帧的校验值进行比较。
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GATT 相关说明
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UUID
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BluFi Service UUID： 0xFFFF，16 bit
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BluFi（手机 > {IDF_TARGET_NAME}）特性：0xFF01，主要权限：可写
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BluFi（{IDF_TARGET_NAME} > 手机）特性：0xFF02，主要权限：可读可通知
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