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。

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)
     - 断开低功耗蓝牙 GATT 连接。
     -
     - ESP 设备收到该指令后主动断开低功耗蓝牙 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。

5. 实现更强的安全性

本示例中默认的加密/解密逻辑仅用于演示目的。

如果需要更高等级的安全性，建议通过自定义 BluFi 框架中的安全回调函数，实现您自己的加密、解密、认证以及校验算法。

.. code-block:: c

   esp_err_t esp_blufi_register_callbacks(esp_blufi_callbacks_t *callbacks)


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
