BluFi ======= :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。 快速入门 -------- 本节将指导您使用 EspBlufi 应用程序在 {IDF_TARGET_NAME} 设备上配置 Wi-Fi。 硬件及软件准备 ^^^^^^^^^^^^^^^^ 硬件： * {IDF_TARGET_NAME} 模组一个 * 电脑一台，并与模组连接，为模组供电并提供串口打印 * 运行 Android 或 iOS 的手机一台 软件： * BluFi 示例: :example:`bluetooth/blufi` （需烧录至 {IDF_TARGET_NAME}） * 手机应用程序：EspBlufi - Android 版本: `EspBlufi For Android `_ - iOS 版本: `EspBlufi For iOS `_ 关于 BluFi 示例烧录的详细说明，请参考 ESP-IDF :doc:`../../get-started/index` 文档。 通过 EspBlufi 应用配置 Wi-Fi ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^ Station 模式配置示例 ################################### 1. **给 {IDF_TARGET_NAME} 上电** 将 {IDF_TARGET_NAME} 连接至电脑，可通过串口工具看到如下打印： .. figure:: ../../../_static/blufi-init-finish.png :align: center :width: 70% 2. **通过 EspBlufi 建立连接** - 在手机上开启 Wi-Fi、蓝牙和位置权限。 - 打开 EspBlufi 应用程序，下拉刷新界面，扫描附近的蓝牙设备。 .. figure:: ../../../_static/espblufi-interface.jpg :align: center :scale: 20% :alt: EspBlufi 界面 EspBlufi 界面 - 点击目标 {IDF_TARGET_NAME} 设备，选择 **连接** 建立蓝牙连接。连接成功后界面显示如下： .. figure:: ../../../_static/interface-success-connection.jpg :align: center :scale: 20% :alt: 蓝牙连接成功界面 蓝牙连接成功界面 同时，串口工具中会出现如下图中的打印： .. figure:: ../../../_static/blufi-ble-connect.png :align: center :width: 80% .. note:: 若界面未显示 **配网** 按钮，或按钮无法点击，请重启 {IDF_TARGET_NAME} 并确认已开启蓝牙权限。 3. **配置 Wi-Fi 网络** - 点击 **配网** 按钮进入网络配置界面： .. figure:: ../../../_static/network-config-interface.jpg :align: center :scale: 20% :alt: 网络配置界面 网络配置界面 - 从下拉列表中选择设备模式。BluFi 支持以下三种模式： - **Station:** 连接至现有 Wi-Fi 网络。 - **SoftAP:** 创建 Wi-Fi 热点。 - **SoftAP/Station:** 同时启用 SoftAP 和 Station 模式。 .. figure:: ../../../_static/select-device-mode.jpg :align: center :scale: 20% :alt: 选择设备模式 选择设备模式 - 选择 **Station** 模式，点击刷新按钮，选择目标 Wi-Fi 名称，并输入密码。 .. figure:: ../../../_static/config-station-mode.jpg :align: center :scale: 20% :alt: 配置 Station 模式 配置 Station 模式 .. only:: esp32 .. note:: {IDF_TARGET_NAME} 仅支持 2.4 GHz Wi-Fi，请确保选择兼容的网络。 - 点击 **确定** 按钮完成配置。成功连接后界面显示如下。标红部分显示当前 Wi-Fi 模式（本例为 Station 模式）及连接信息（如 AP 的 BSSID、SSID 和连接状态）。 .. figure:: ../../../_static/station-connection-info.jpg :align: center :scale: 20% :alt: Station 连接信息 Station 连接信息 同时，串口工具会打印如下信息： .. figure:: ../../../_static/station-connection-log.png :align: center :width: 80% SoftAP 模式配置示例 ############################### 1. **通过 EspBlufi 建立连接** - 将模组上电。使用 EspBlufi 应用程序通过蓝牙连接 {IDF_TARGET_NAME}。 - 在配网界面选择 **SoftAP** 模式： .. figure:: ../../../_static/select-softap-mode.jpg :align: center :scale: 20% :alt: 选择 SoftAP 模式 选择 SoftAP 模式 2. **配置 SoftAP 参数** - 选择加密方式、信道和最大连接数。 - 输入 SoftAP 的 SSID 和密码。 - 点击 **确定** 按钮完成配置。 .. figure:: ../../../_static/config-softap-mode.jpg :align: center :scale: 20% :alt: 配置 SoftAP 模式 配置 SoftAP 模式 3. **验证 SoftAP 配置** 成功配置 SoftAP 后，界面显示当前 Wi-Fi 模式和连接状态： .. figure:: ../../../_static/softap-connection-info.jpg :align: center :scale: 20% :alt: SoftAP 连接信息 SoftAP 连接信息 同时，串口工具会打印如下信息： .. figure:: ../../../_static/softap-connection-log.png :align: center :width: 70% 4. **连接 SoftAP 热点** - 打开手机 Wi-Fi，可以搜索到已配置的 SoftAP： .. figure:: ../../../_static/configured-softap.png :align: center :height: 370 :alt: 已配置的 SoftAP 已配置的 SoftAP - 连接该热点，成功连接后界面如下： .. figure:: ../../../_static/wifi-connection-prompt.png :align: center :height: 370 :alt: Wi-Fi 连接提示 Wi-Fi 连接提示 同时，串口工具打印如下信息： .. figure:: ../../../_static/wifi-connection-log.png :align: center :width: 80% 至此，{IDF_TARGET_NAME} 已通过蓝牙配网成功连接 Wi-Fi 网络。 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** 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。 * 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 b’00） .. list-table:: :header-rows: 1 :widths: 5 15 20 30 * - 控制帧 - 含义 - 解释 - 备注 * - 0x0 (b’000000) - 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 (b’000001) - 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。 * b’0000：无校验、无加密； * b’0001：有校验、无加密； * b’0010：无校验、有加密； * b’0011：有校验、有加密。 * - 0x2 (b’000010) - 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 (b’000011) - 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 (b’000100) - 断开 ESP 设备与 AP 的连接。 - - 不包含数据字段。 * - 0x5 (b’000101) - 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 (b’000110) - 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 (b’000111) - 获取版本信息。 - - * - 0x8 (b’001000) - 断开 BLE GATT 连接。 - - ESP 设备收到该指令后主动断开 BLE GATT 连接。 * - 0x9 (b’001001) - 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 b’01） .. list-table:: :header-rows: 1 :widths: 5 15 20 30 * - 数据帧 - 含义 - 解释 - 备注 * - 0x0 (b’000000) - 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 (b’000001) - 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 (b’000010) - 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 (b’000011) - 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。 * - 0x5 (b’000101) - 发送 SoftAPmode 模式的密码。 - - 请参考备注 1。 * - 0x6 (b’000110) - 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 (b’000111) - 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 (b’001000) - 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 (b’001001) - 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 (b’001010) - CA 认证 - 在进行企业级加密时提供 CA 认证。 - 请参考备注 2。 * - 0xb (b’001011) - 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 (b’001100) - 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 (b’001101) - 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 (b’001110) - 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 (b’001111) - 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 (b’010000) - 版本 - - * data[0]= 主版本 * data[1]= 子版本 * - 0x11 (b’010001) - 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 (b’010010) - 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 (b’010011) - 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 (b’010100) - 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。 * - 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。 - 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： 0xFFFF，16 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