esp-idf/docs/zh_CN/api-guides/blufi.rst

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BluFi
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:link_to_translation:`en:[English]`
概览
-----
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。
BluFi 流程的关键部分包括数据的分片、加密以及校验和验证。
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。
BluFi 流程
----------
BluFi 配网流程包含配置 SoftAP 和配置 Station 两部分。
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。
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。
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。
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` )。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
.. note::
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。
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。
BluFi 流程图
---------------
.. seqdiag::
:caption: BluFi Flow Chart
:align: center
seqdiag blufi {
activation = none;
node_width = 80;
node_height = 60;
edge_length = 380;
span_height = 10;
default_fontsize = 12;
Phone <- {IDF_TARGET_NAME} [label="广播"];
Phone -> {IDF_TARGET_NAME} [label="建立 GATT 链接"];
Phone -> {IDF_TARGET_NAME} [label="协商密钥"];
Phone <- {IDF_TARGET_NAME} [label="协商密钥"];
Phone -> {IDF_TARGET_NAME} [label="CTRL: 设置 {IDF_TARGET_NAME} 为手机安全模式"];
Phone -> {IDF_TARGET_NAME} [label="DATA: SSID"];
Phone -> {IDF_TARGET_NAME} [label="DATA: Password"];
Phone -> {IDF_TARGET_NAME} [label="DATA: 其他信息,如 CA 认证"];
Phone -> {IDF_TARGET_NAME} [label="CTRL: 连接到 AP"];
Phone <- {IDF_TARGET_NAME} [label="DATA: 连接状态报告"];
}
.. _frame_formats:
BluFi 中定义的帧格式
----------------------------
手机应用程序与 {IDF_TARGET_NAME} 之间的 BluFi 通信格式定义如下:
帧不分片格式:
.. list-table::
:header-rows: 1
:widths: 25 25
* - 字段
- 值(字节)
* - 类型(最低有效位)
- 1
* - 帧控制
- 1
* - 序列号
- 1
* - 数据长度
- 1
* - 数据
- ${Data Length}
* - 校验(最高有效位)
- 2
如果使能 **帧控制** 字段中的分片位,则 **数据** 字段中会出现 2 字节的 **内容总长度**。该 **内容总长度** 表示帧的剩余部分的总长度,并用于报告终端需要分配的内存大小。
帧分片格式:
.. list-table::
:header-rows: 1
:widths: 25 25
* - 字段
- 值(字节)
* - 类型(最低有效位)
- 1
* - 帧控制(分片)
- 1
* - 序列号
- 1
* - 数据长度
- 1
* - 数据
- * 内容总长度2
* 数据内容长度:${Data Length} - 2
* - 校验(最高有效位)
- 2
通常情况下控制帧不包含数据位ACK 帧类型除外。
ACK 帧格式 (8 bit)
.. 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
* - 序列号
- 1
* - 数据长度
- 1
* - 数据
- ACK 序列号: 2
* - 校验(最高有效位)
- 2
1. 类型字段
**类型** 字段占 1 字节,分为 **类型****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。
* 控制帧,暂不进行加密,可校验。
* 数据帧,可加密,可校验。
1.1 控制帧二进制0x0 b00
.. list-table::
:header-rows: 1
:widths: 5 15 20 30
* - 控制帧
- 含义
- 解释
- 备注
* - 0x0 (b000000)
- ACK
- ACK 帧的数据字段使用回复对象帧的序列值。
- 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。
* - 0x1 (b000001)
- 将 ESP 设备设置为安全模式。
- 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。
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。
- 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。
* b0000无校验、无加密
* b0001有校验、无加密
* b0010无校验、有加密
* b0011有校验、有加密。
* - 0x2 (b000010)
- 设置 Wi-Fi 的 opmode。
- 该帧包含设置 ESP 设备 Wi-Fi 模式 (opmode) 的设置信息。
- data[0] 用于设置 opmode包括
* 0x00: NULL
* 0x01: STA
* 0x02: SoftAP
* 0x03: SoftAP & STA
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。
* - 0x3 (b000011)
- 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。
* - 0x4 (b000100)
- 断开 ESP 设备与 AP 的连接。
-
- 不包含数据字段。
* - 0x5 (b000101)
- 获取 ESP 设备的 Wi-Fi 模式和状态等信息。
-
- * 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。
* 提供给手机端的信息类型由手机上的应用程序决定。
* - 0x6 (b000110)
- 断开 STA 设备与 SoftAP 的连接SoftAP 模式)。
-
- 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。
* - 0x7 (b000111)
- 获取版本信息。
-
-
* - 0x8 (b001000)
- 断开 BLE GATT 连接。
-
- ESP 设备收到该指令后主动断开 BLE GATT 连接。
* - 0x9 (b001001)
- 获取 Wi-Fi 列表。
- 通知 ESP 设备扫描周围的 Wi-Fi 热点。
- 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。
1.2 数据帧二进制0x1 b01
.. list-table::
:header-rows: 1
:widths: 5 15 20 30
* - 数据帧
- 含义
- 解释
- 备注
* - 0x0 (b000000)
- 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。
- 数据的长度取决于数据长度字段。
* - 0x1 (b000001)
- 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。
- 请参考备注 1。
* - 0x2 (b000010)
- 发送 STA 模式的 SSID
- 发送 STA 设备要连接的 AP 的 SSID。
- 请参考备注 1。
* - 0x3 (b000011)
- 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 (b000100)
- 发送 SoftAP 模式的 SSID。
-
- 请参考备注 1。
* - 0x5 (b000101)
- 发送 SoftAPmode 模式的密码。
-
- 请参考备注 1。
* - 0x6 (b000110)
- 设置 SoftAPmode 模式的最大连接数。
-
- 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。
* - 0x7 (b000111)
- 设置 SoftAP 的认证模式。
-
- data[0] 包括:
* 0x00: OPEN
* 0x01: WEP
* 0x02: WPA_PSK
* 0x03: WPA2_PSK
* 0x04: WPA_WPA2_PSK
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 (b001000)
- 设置 SoftAP 模式的通道数量。
-
- 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。
* - 0x9 (b001001)
- 用户名
- 在进行企业级加密时提供 GATT 客户端的用户名。
- 数据的长度取决于数据长度字段。
* - 0xa (b001010)
- CA 认证
- 在进行企业级加密时提供 CA 认证。
- 请参考备注 2。
* - 0xb (b001011)
- 客户端认证
- 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。
- 请参考备注 2。
* - 0xc (b001100)
- 服务端认证
- 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。
- 请参考备注 2。
* - 0xd (b001101)
- 客户端私钥
- 在进行企业级加密时提供客户端私钥。
- 请参考备注 2。
* - 0xe (b001110)
- 服务端私钥
- 在进行企业级加密时提供服务端私钥。
- 请参考备注 2。
* - 0xf (b001111)
- Wi-Fi 连接状态报告
- 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。
- data[0] 表示 opmode包括
* 0x00: NULL
* 0x01: STA
* 0x02: SoftAP
* 0x03: SoftAP & STA
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。
data[2]SoftAP 的连接状态,即表示有多少 STA 设备已经连接。
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。
* - 0x10 (b010000)
- 版本
-
- * data[0]= 主版本
* data[1]= 子版本
* - 0x11 (b010001)
- Wi-Fi 热点列表
- 将 Wi-Fi 热点列表发送给 ESP 设备
- 数据帧的格式为 Length + RSSI + SSID。数据较长时可分片发送。
* - 0x12 (b010010)
- 报告异常
- 通知手机 BluFi 过程出现异常
- * 0x00: sequence error
* 0x01: checksum error
* 0x02: decrypt error
* 0x03: encrypt error
* 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
* - 0x13 (b010011)
- 自定义数据
- 用户发送或者接收自定义数据。
- 数据较长时可分片发送。
* - 0x14 (b010100)
- 设置最大 Wi-Fi 重连次数。
-
- data[0] 表示 Wi-Fi 最大重连次数。
* - 0x15 (b010101)
- 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。
* - 0x16 (b010110)
- 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。
- 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。
.. list-table::
:header-rows: 1
:widths: 10 35
* - 位
- 含义
* - 0x01
- 表示帧是否加密。
* 1 表示加密。
* 0 表示未加密。
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
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。
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。
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
----------------------------------
1. 数据安全
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:
.. 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
typedef int (* esp_blufi_encrypt_func_t)(uint8_t iv8, uint8_t *crypt_data, int crypt_len)
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。
.. code-block:: c
typedef int (* esp_blufi_decrypt_func_t)(uint8_t iv8, uint8_t *crypt_data, int crypt_len)
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。
.. code-block:: c
typedef uint16_t (*esp_blufi_checksum_func_t)(uint8_t iv8, uint8_t *data, int len)
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。
GATT 相关说明
-------------
UUID
>>>>>
BluFi Service UUID 0xFFFF16 bit
BluFi手机 > {IDF_TARGET_NAME} 特性0xFF01主要权限可写
BluFi {IDF_TARGET_NAME} > 手机特性0xFF02主要权限可读可通知