BluFi

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概览

BluFi 是一款基于蓝牙通道的 Wi-Fi 网络配置功能，适用于 ESP32-S3。它通过安全协议将 Wi-Fi 的 SSID、密码等配置信息传输到 ESP32-S3，然后 ESP32-S3 可基于这些信息连接到 AP 或建立 SoftAP。

BluFi 流程的关键部分包括数据的分片、加密、校验和验证。

用户可按需自定义用于对称加密、非对称加密和校验的算法。这里我们采用 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 配网功能包含配置 SoftAP 和 Station 两部分。

下面以配置 Station 为例说明配置步骤。BluFi 配网的配置 Station 包含广播、连接、服务发现、协商共享密钥、传输数据、回传连接状态等步骤。

  1. ESP32-S3 开启 GATT Server 模式，发送带有特定 advertising data 的广播。你可以自定义该广播，该广播不属于 BluFi Profile。

  2. 使用手机 APP 搜索到该特定广播，手机作为 GATT Client 连接 ESP32-S3。你可以决定使用哪款手机 APP。

  3. GATT 连接建立成功后，手机会向 ESP32-S3 发送数据帧进行密钥协商（详情见 BluFi 中定义的帧格式 ）。

  4. ESP32-S3 收到密钥协商的数据帧后，会按照使用者自定义的协商方法来解析。

  5. 手机与 ESP32-S3 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 ESP32-S3 发送控制帧，用于设置安全模式。

  7. ESP32-S3 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 ESP32-S3 发送 BluFi 中定义的帧格式 中定义的数据帧，包括 SSID、密码等 Wi-Fi 配置信息。

  9. 手机向 ESP32-S3 发送 Wi-Fi 连接请求的控制帧。ESP32-S3 收到这个控制帧之后，会认为手机已将必要的信息已经传输完毕，准备连接 Wi-Fi。

  10. ESP32-S3 连接到 Wi-Fi 后，发送 Wi-Fi 连接状态报告的控制帧到手机，以报告连接状态。至此配网结束。

备注

  1. ESP32-S3 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

BluFi Flow Chart

BluFi 中定义的帧格式

手机 APP 与 ESP32-S3 之间的 BluFi 通信格式定义如下：

帧不分片情况下的格式 (8 位)：

描述

值

类型字段（最低有效位）

1

帧控制字段

1

序列号字段

1

数据长度字段

1

数据字段

${Data Length}

校验字段（最高有效位）

2

如果使能 帧控制 位，则 总长度 位表示帧的剩余部分的总长度，用于报告终端需要分配多少内存。

帧分片格式（8 位）：

描述

值

类型字段（最低有效位）

1

帧控制字段（分片）

1

序列号字段

1

数据长度字段

1

数据字段

  • Total Content Length: 2

  • Content: ${Data Length} - 2

校验字段（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）：

描述

值

类型字段 - ACK（最低有效位）

1

帧控制字段

1

序列号字段

1

数据长度字段

1

数据字段

ACK 序列号: 2

校验字段（最高有效位）

2

  1. 类型字段

    类型字段，占 1 字节。分为类型字段和子类型字段两部分，类型字段占低 2 位，子类型字段占高 6 位。

    • 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)

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，每次设置后会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)

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

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。

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。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。

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。

备注

  • 备注 1: 数据的长度取决于数据长度字段。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。

  • 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。

  1. Frame Control

    帧控制字段，占 1 字节，每个位表示不同含义。

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 + 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 表示传输方向是手机到 ESP 设备

  • 1 表示传输方向是 ESP 设备到手机

0x08

表示是否要求对方回复 ACK。

  • 0 表示不要求；

  • 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 + 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

  1. 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。

  2. 长度

    数据字段的长度，不包含校验部分。

  3. 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。

  4. 校验

    此字段占两个字节，用来校验“序列 + 数据长度 + 明文数据”。

ESP32-S3 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。有些算法如 DH，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 ESP32-S3 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 ESP32-S3 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：

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 “*”，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。

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。

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。

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 -> ESP32-S3）特性：0xFF01，主要权限：可写

BluFi （ESP32-S3 -> 手机）特性：0xFF02，主要权限：可读可通知

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