# 统一配网

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## 概述

ESP-IDF 支持统一配网，提供可扩展的机制，支持开发者使用不同传输方式和安全方案配置设备的 Wi-Fi 凭证和其他自定义配置。ESP-IDF 为不同的使用场景提供完整可用的 Wi-Fi 配网解决方案，并附带 iOS 和 Android 示例应用程序。开发者可以扩展设备端和手机应用端实现，来满足发送额外自定义配置数据的需求。以下为该实现的重要功能：

1. 可扩展协议

该协议高度灵活，支持开发者在配网过程中发送自定义配置，以及在应用程序中自定义数据格式。

2. 传输方式灵活

该协议可以作为 Wi-Fi（SoftAP + HTTP 服务器）或低功耗蓝牙上的传输方式，并且可轻松应用于任何支持请求—响应行为的传输方式。

3. 安全方案灵活

配网过程中，各使用场景可能需要不同安全方案来保护传输的数据。部分应用程序可能使用 WPA2 保护的 SoftAP 或具有“即插即用 (just-works)”安全方案的低功耗蓝牙。亦或者，应用程序可能认为传输不安全，需要应用层的安全方案。统一配网框架支持应用程序根据需要选择合适的安全方案。

4. 数据格式紧凑

该协议使用 Google Protobufs 作为会话设置和网络配网的数据格式。该方案提供紧凑的数据格式，并可以使用不同编程语言进行数据解析。请注意，该配网的应用数据格式并不只局限于 Protobufs，开发者可以自行选择自己想用的数据格式。

## 配网过程示例

配网过程示例

## 选择传输方式

统一配网支持 Wi-Fi（SoftAP + HTTP 服务器）和低功耗蓝牙（基于 GATT）传输方式。要选择最佳传输方式，需要考虑以下几点：

1. 基于低功耗蓝牙的传输方式的优势在于，在配网过程中，设备和客户端之间的低功耗蓝牙通信通道稳定，可以提供可靠的配网反馈信息。

2. 基于低功耗蓝牙的配网实现可以提升手机应用的用户体验，因为在 Android 和 iOS 系统中，用户可以直接在手机应用内发现并连接设备。

3. 然而，低功耗蓝牙传输在运行时会占用约 110 KB 内存。如果产品在配网完成后不再使用低功耗蓝牙或经典蓝牙功能，几乎所有内存都可以回收并添加到堆中。

4. 基于 SoftAP 的传输方式兼容性很强，但以下两点需要关注：

   > - 设备使用同一频段来托管 SoftAP 以及连接到配置的 AP。由于 AP 可能位于不同信道，可能导致手机无法可靠地接收到连接状态更新。

   > - 手机（即客户端）必须先断开与当前 AP 的连接才能连接到 SoftAP。配网过程完成并且 SoftAP 关闭后，原始网络才会恢复。

5. 使用 SoftAP 传输方式时，不需要为 Wi-Fi 使用场景分配太多额外内存。

6. 在 iOS 系统中，如果使用基于 SoftAP 的配网，用户需要将手机切换到 `系统设置` 页面，手动连接 Wi-Fi 热点。由于 iOS 系统限制，iOS 应用程序中无法使用发现（即扫描）和连接 API。

## 选择安全方案

应用程序开发者需要根据传输方式和其他限制选择相应安全方案。从配网安全角度，需要考虑以下因素：

1. 必须保护客户端发送的配置数据安全以及设备响应数据安全。

2. 客户端应该对连接的设备进行身份验证。

3. 设备制造商可以使用所有权证明 (proof-of-possession, PoP) 这一安全措施，即为每个设备配置一个独特的设备密钥。设备配网时需要输入该密钥，以确保只有设备的合法持有者可以对其进行配网。

有两种安全方案层级可供选择，开发者可以根据需求选择其中一种或结合使用。

1. 传输层安全

对于 SoftAP 配网，可以使用 WPA2 保护的安全方案，则每个设备都会有唯一密码，且该密码也可以用作 PoP。对于低功耗蓝牙配网，在考量其支持的安全层级后，可以使用“即插即用”方案保护传输层的安全。

2. 应用程序层安全

统一配网子系统支持应用层的安全方案（ Security 1 方案），即通过 PoP 提供数据保护和身份验证。如果应用程序不使用传输层的安全方案，或者传输层的安全方案不满足使用场景的需求，可以使用该方案。

## 设备发现

广播和设备发现由应用程序自行处理。根据所选协议，手机应用程序和设备固件应用程序可以选择适当的广播和发现方法。

对于 SoftAP + HTTP 传输方式，通常可以通过设备托管 AP 的 SSID（网络名称）发现。

对于低功耗蓝牙传输方式，可以使用设备名称或包含在广播中的主要服务 (Primary service) 进行发现，也可以将两者结合。

## 架构

以下图表展示了统一配网的架构：

统一配网架构

统一配网依赖名为 协议通信 (protocomm) 的基础层，该层提供了安全方案和传输机制的框架。网络配网层使用 protocomm 提供简单的回调函数，供应用程序设置配置和获取网络状态。应用程序可以控制这些回调的实现方式。此外，应用程序还可以直接使用 protocomm 来注册自定义处理程序。

应用程序会创建一个 protocomm 实例，该实例会映射到特定传输方式和安全方案。protocomm 中的每个传输方式都有“端点”概念，对应特定类型信息通信的逻辑通道。例如，进行安全握手的端点与 Wi-Fi 配置端点不同。每个端点都用字符串标识，具体取决于传输内部对端点变化的表示方式。对于 SoftAP + HTTP 传输方式，端点对应 URI；而对于低功耗蓝牙，端点对应具有特定 UUID 的 GATT 特征。开发者可以创建自定义端点，为同一端点接收或发送的数据实现处理程序。

## 安全方案

目前，统一配网支持以下安全方案：

1. Security 0

无安全功能（即无加密）。

2. Security 1

基于 Curve25519 的密钥交换、共享密钥派生和 AES256-CTR 模式的数据加密。该方案支持两种模式：

> 1. 授权模式 - 使用 PoP 字符串授权会话以及派生共享密钥。

> 2. 无授权模式（不启用 PoP）- 仅通过密钥交换派生共享密钥。

3. Security 2

基于 SRP6a 的共享密钥派生和 AES256-GCM 模式的数据加密。

备注

要启用相应安全方案，需要设置项目配置菜单，更多详情请参考 启用 protocomm 安全版本。

## Security 1 方案

以下时序图展示了 Security 1 方案的详情：

Security 1

## Security 2 方案

Security 2 方案基于 Secure Remote Password (SRP6a) 协议，详情请参阅 RFC 5054。

该协议要求预先使用标识用户名 `I` 和明文密码 `p` 生成盐值 (salt) 和验证器 (verifier)，然后将盐值和验证器存储在 ESP32-S3。

- 应通过适当方式（例如二维码贴纸）将密码 `p` 和用户名 `I` 提供给手机应用程序（即配网实体）。

以下时序图展示了 Security 2 方案的详情：

Security 2

### Security 2 AES-GCM IV 处理

Security 2 方案使用 AES-GCM 对数据进行加密和解密。初始化向量 (IV) 由 8 字节的会话 ID (session_id) 和 4 字节的计数器 (counter) 组成，总计 12 字节。counter 从 1 开始，并在设备和客户端每次执行加密/解密操作后递增。

Security 2 AES-GCM IV 处理

## 示例代码

关于 API 指南和示例用法的代码片段，请参阅 协议通信 和 network_provisioning。

关于应用程序的实现示例，请参阅 provisioning examples。

## 配网工具

以下为各平台的配网应用程序，包括源代码：

- Android:

    - Play Store 上的低功耗蓝牙配网应用程序。

    - Play Store 上的 SoftAP 配网应用程序。

    - GitHub 上的源代码：esp-idf-provisioning-android。

- iOS:

    - App Store 上的低功耗蓝牙配网应用程序。

    - App Store 上的 SoftAP 配网应用程序。

    - GitHub 上的源代码：esp-idf-provisioning-ios。

- Linux/macOS/Windows：基于 Python 的命令行工具 esp_prov，可用于设备配网。

手机应用程序界面简洁，便于用户使用，而开发者可以使用命令行应用程序，便于调试。

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