# BluFi

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## 概览

BluFi 是一项基于蓝牙通道的 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。基于这些信息，ESP32-S3 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. ESP32-S3 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 ESP32-S3。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 ESP32-S3 发送数据帧进行密钥协商（详见 BluFi 中定义的帧格式 ）。

4. ESP32-S3 收到密钥协商的数据帧后，会按照自定义的协商方法进行解析。

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，ESP32-S3 发送 Wi-Fi 连接状态报告的控制帧到手机。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

手机应用程序与 ESP32-S3 之间的 BluFi 通信格式定义如下：

帧不分片格式：

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：

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)：

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）

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）

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。

备注

- 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。

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。

## 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。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 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 “*” 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。

    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。

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。

    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 > 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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