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。

  1. 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。

  1. 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。

  1. 数据格式紧凑

该协议使用 Google Protobufs 作为会话设置和 Wi-Fi 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。

  1. 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

统一配网架构

统一配网依赖名为 Protocol Communication (protocomm) 的基础层,该层提供了安全方案和传输机制的框架。Wi-Fi 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 Wi-Fi 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)。

  1. 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。

  1. 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 Enabling protocomm security version

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-S2。

  • 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

示例代码

关于 API 指南和示例用法的代码片段,请参阅 Protocol CommunicationWi-Fi 配网

关于应用程序的实现示例,请参阅 provisioning

配网工具

以下为各平台的配网应用程序,包括源代码:

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。