ESP-NOW — альтернативный протокол обмена данными для ESP8266 и ESP32. Основные понятия

Моя цель - предложение широкого ассортимента товаров и услуг на постоянно высоком качестве обслуживания по самым выгодным ценам.



Технология ESP-NOW — это упрощенный протокол связи WiFi с передачей коротких пакетов между парами сопряженных устройств, разработанный и выпущенный Espressif в 2016.07 для микроконтроллеров ESP8266 и ESP32. При этом дополнительные процедуры, связанные с поддержкой протокола WiFi не используются, что ускоряет процесс обмена пакетами.

ESP-NOW может применяться в Интернете Вещей для управления интеллектуальными источниками света, реле, розетками, другими устройствами дистанционного управления, получения информации от датчиков и других приложений.

ESP-NOW поддерживает следующие функции


  • Зашифрованная и незашифрованная связь между сопряженными парами устройств.
  • Смешанные зашифрованная и незашифрованная связь между сопряженными устройствами.
  • Передача до 250 байт полезной информации.
  • Настройка функции обратного вызова для информирования прикладного уровня, в частности, об успешности или сбое передачи.


ESP-NOW также имеет следующие особенности и ограничения


  • Скорость передачи — не более 1 мбит/с на частоте 2,4гГц, т.е. ESP-NOW работает на той же частоте и каналах, что и ваш роутер WiFi.
  • Протокол WiFi не используется
  • Аналогичен протоколу с низким энергопотреблением, используемому в беспроводной мыши 2,4 ГГц.
  • Требуется только начальное сопряжение.
  • После сопряжения соединение не разрывается.
  • Широковещательная передача не поддерживается — только множественная раздача сопряженным парам устройств.
  • Максимум 20 пар, включая зашифрованные, поддерживаются на одном устройстве, включая зашифрованные пары.
  • Максимум 10 зашифрованных пар поддерживаются в режиме Station.
  • Максимум 6 в режиме SoftAP или SoftAP + Station.
  • Шифрование многоадресной рассылки не поддерживается.

Безопасность


ESP-NOW применяет технологию фреймов IEEE802.11 Action Vendor вместе с функцией IE, разработанной Espressif, и технологией шифрования CCMP, реализуя безопасное коммуникационное решение без установления соединения. Устройство с Wi-Fi поддерживает основной мастер-ключ (PMK) и несколько локальных мастер-ключей (LMK)

  • PMK используется для шифрования LMK с помощью алгоритма AES-128.
  • LMK сопряженного устройства используется для шифрования пользовательской информации методом CCMP. Максимальное количество разных LMK — 6. Если LMK для сопряженного устройства не задан, пользовательские данные шифроваться не будут.

Базовый уровень


На нижнем уровне протокола ESP_NOW поддерживается связанный список, содержащий информацию о локальном устройстве и о сопряженном устройстве, в том числе MAC-адреса и ключи. ESP-NOW также хранит часто используемые данные для прикладного уровня, чтобы избежать накладных расходов на повторную обработку связанного списка. Информация об устройствах используется для отправки и получения данных и включает в себя

Информацию о локальном устройстве:

  • PMK: 16 байт — основной мастер-ключ, который используется для шифрования ключа на присоединенном устройстве (KOK в API) ESP_NOW поддерживает PMK по умолчанию, поэтому настройка не требуется. Если необходимо, можно убедиться, что значение PMK совпадает с локальным устройством.
  • Режим: 1 байт — режим локального устройства определяющий передающий WiFi интерфейс (SoftAP или STA) ESP-NOW. Режим сопряженного устройства не влияет на какую-либо функцию, а только сохраняет информацию о режиме для прикладного уровня. В режиме STA WiFi применим только Station и SoftAP WiFi — только SoftAP.
    Режимы ESP_NOW работы локального устройства
    Режим Состояние Приоритет WiFi
    IDLE не определено передача данных не разрешена
    CONTROLLER главный STA
    SLAVE подчиненный SoftAP

    COMBO главный&подчиненный SoftAP


Информацию о сопряженном устройстве в паре (включая часто используемую информацию и другую пользовательскую информацию):

  • LMK: 16 байт — локальный мастер-ключ, который используется для шифрования ключа полезной информации во время связи в данной паре.
  • MAC-адрес: 6 байт — адрес сопряженного устройства, совпадает с адресом отправителя. Например, если пакет отправляется со Station, MAC-адрес должен совпадать с адресом Station.
  • Режим: 1 байт — режим локального устройства определяющий передающий интерфейс (SoftAP или STA) ESP-NOW.
  • Канал: 1 байт — канал, через который обмениваются данными устройства, соединенные в пару.Может иметь значение 0..255. Канал не влияет ни на какую функцию, а только сохраняет информацию о канале для прикладного уровня. Значение определяется прикладным уровнем. Например, 0 означает, что канал не определен; 1 ~ 14 означает действительные каналы; всем остальным значениям могут быть назначены функции, которые определены прикладным уровнем.

Espressif не рекомендует использовать продолжительные операции в функциях обратного вызова при посылке/отправке пакетов, что связано, предположительно, с реализацией алгоритмов, использующих механизм прерываний. В пользу этого предположения так же говорят и проблемы, связанные с динамическим выделением памяти в функциях обратного вызова, что решается предпочтительным использованием статических переменных, а так же неоднозначность применения механизма исключений MicroPython.

Реализация асинхронности процессов запуска/завершения, установки связи в паре, получении/передачи пакетов Espressif не описывается, что так же не облегчает применение идеологии asyncio MicroPython.

Формат пакета ESP-NOW


  • Заголовок MAC: 24 байта.
  • Категория: 1 байт, указывающий на категорию создателя пакета. Установлено значение (127).
  • ID организации: 3 байта, содержит уникальный идентификатор, который является первыми тремя байтами MAC-адреса, примененного Espressif. Установлено значение (0x18fe34)
  • Случайное значение: 4 байта, используется для защиты данных.
  • Данные создателя пакета: 7-255байт

Данные создателя пакета содержат следующие поля:

  • ID: 1 байт, Установлено значение (221).
  • Длина: 1 байт, общая длина ID организации, типа, версии и пользовательских данных.
  • ID организации: 3 байта, содержит уникальный идентификатор, который является первыми тремя байтами MAC-адреса, примененного Espressif. Установлено значение (0x18fe34)
  • Тип: 1 байт, протокол ESP-NOW. Установлено значение (4)
  • Версия: 1 байт, текущая версия ESP-NOW. Установлено (1)
  • Содержимое: 0-250 байт пользовательские данные.
  • FCS: 4 байта, контрольная сумма

Так как ESP-NOW не использует протокол WiFi, заголовок MAC немного отличается от заголовка стандартных пакетов. Биты FromDS и ToDS поля FrameControl равны 0. В первом поле адреса задан адрес назначения. Во втором поле адреса указан адрес источника. Третье поле адреса установлено как широковещательный адрес (0xff: 0xff: 0xff: 0xff: 0xff: 0xff).

Основной алгоритм применения


Начало и завершение


Перед началом использования ESP-NOW рекомендуется установить интерфейс Wi-Fi в нужном режиме. Обычно интерфейс Station устанавливается для CONTROLLER, интерфейс SoftAP для SLAVE и COMBO. Так же целесообразно остановить Wi-Fi после завершения использования ESP-NOW.

Для начала работы ESP-NOW вызвать esp_now_init() и esp_now_deinit() для завершения. Когда вызывается esp_now_deinit(), вся информация о сопряженных устройствах удаляется.

Привязка функций обратных вызовов


Функция обработки вызова при отправке пакета esp_now_register_send_cb() может использоваться для информирования прикладного уровня отправляющей стороны в паре об успешности или неудаче передачи, например, если информация на подуровне MAC передана успешно.

При использовании esp_now_register_send_cb() следует учитывать:

В связанной паре:

  • Если прикладной уровень не получил пакет, но функция обратного вызова вернула «success», причиной может быть:
    — атаки от мошеннического устройства
    — ошибки установки зашифрованного ключа
    — потери пакетов на прикладном уровне Espressif
  • Если прикладной уровень получил пакет, но функция обратного вызова возвращает ошибку, причиной может быть:
    — Канал занят, и ACK не получен.

При множественной связи со всеми парами локального устройства:

  • Если функция обратного вызова возвращает «success», это означает, что пакет был отправлен успешно.
  • Если функция обратного вызова возвращает ошибку, это означает, что пакет не был успешно отправлен.

Функция обработки вызова при получении пакета esp_now_register_receive_cb() возвращает информацию, включающую в себя MAC-адрес отправляющего устройства в паре и полезную информацию. Так же может использоваться для информирования прикладного уровня отправляющего устройства в паре от принимающего о том, что пакет был успешно принят.

Добавление пары сопряженных устройств


Прежде чем отправлять данные необходимо добавить устройство в список пар сопряженных устройств вызовом esp_now_add_peer(). Перед отправкой данных группе установленных пар необходимо добавить устройство с групповым MAC-адресом. Диапазон канала сопряженных устройств составляет от 0 до 14. Если канал установлен на 0, данные будут отправляться по текущему каналу. В противном случае канал должен быть установлен как канал, на котором находится локальное устройство.

Безопасность


Если ключ необходимо зашифровать, для настройки можно вызвать esp_now_set_pmk(), чтобы установить PMK. Если PMK не установлен, будет использоваться PMK по умолчанию и выбрать один и тот же ключ для всех устройств. Так же для выбранных пар установить LMK.

Отправка данных пакетами ESP-NOW


Для отправки данных ESP-NOW используется esp_now_send (). При этом функция, установленная ранее в esp_now_register_send_cb() вернет ESP_NOW_SEND_SUCCESS при отправке функции обратного вызова, если данные были успешно приняты на уровне MAC. В противном случае вернется ESP_NOW_SEND_FAIL. Несколько причин могут привести к тому, что ESP-NOW не сможет отправить данные. В частности,

  • целевое устройство не существует;
  • каналы устройств не совпадают;
  • данные теряются при передаче.

Не гарантируется, что прикладной уровень обязательно примет данные. При необходимости можно отправить подтверждение при получении данных ESP-NOW. При возникновении тайм-аута при подтверждении, передачу данных ESP-NOW следует повторить. Порядковый номер также может быть назначен для данных ESP-NOW для удаления дубликатов данных.

При отправке данных ESP-NOW через esp_now_send() следует учитывать, что за один раз можно отправлять не более 250 байтов информации.

ВНИМАНИЕ! Слишком короткий интервал между отправкой двух пакетов ESP-NOW может привести к ошибкам исполнения функции обратного вызова, в связи с чем рекомендуется отправлять следующий пакет данных ESP-NOW после того, как функция обратного вызова при обработке предыдущей отправки успешно завершилась. Функция обратного вызова отправляется из высокоприоритетной задачи Wi-Fi. Поэтому не рекомендуется выполнять продолжительные операции в функции обратного вызова. Вместо этого можно разместить необходимые данные в статическую очередь и обработать их из процессом с более низким приоритетом.

Если функция отправки возвращает MAC-адрес, то он будет отправлен на устройство с этим MAC-адресом. Если функция отправки возвращает NULL, то пакет будет отправлен ​​всем устройствам, присоединенным к отправляющему, что может привести к сбою передачи или задержке из-за перегрузки сети.

Получение данных пакетами ESP-NOW


Функция обратного вызова также запускается из задачи Wi-Fi. Поэтому не рекомендуется выполнять продолжительные операций в функции обратного вызова. Вместо этого можно разместить необходимые данные в статическую очередь и обработать их процессом с более низким приоритетом.

В заключение изложенного


Мой опыт сборки Espressif IDE и MicroPython с ESP-NOW, описывающий ошибки, с которыми столкнулся при сборке и варианты их исправления собираюсь выложить после достижения устойчивого результата. Тогда же сделаю и описание библиотеки ESP-NOW на MicroPython с обнаруженными ошибками, способами их устранения. К сожалению, в связи с тем, что исходный код ESP-NOW закрыт и распространяется только в бинарном виде, понимание алгоритмов протокола ESP-NOW эмпирическое и существует ряд уже выявленных проблем, по которым не всегда находятся варианты их логичного преодоления, но в целом ESP-NOW успешно применяется в сообществе как C-пользователей, так и Питонистов исходя из более 300 применений, представленных на GitHub.

Описание библиотеки ESP-NOW на С от Espressif

Описание и открытые источники ESP-NOW на MicroPython
Источник: https://habr.com/ru/post/502260/

Интересные статьи

Интересные статьи

Продвижение свободы слова за счет изменения экономической и цифровой инфраструктуры интернета БУДУЩЕЕ СВОБОДЫ СЛОВА Серия статей, для переосмысления Первой поправки ...
Привет, Хабр! Мы в Dodo Pizza Engineering очень любим данные (а кто их сейчас не любит?). Сейчас будет история о том, как накопить все данные мира Dodo Pizza и дать любому сотруднику компании удо...
Как быстро определить, что на отдельно взятый сайт забили, и им никто не занимается? Если в подвале главной страницы в копирайте стоит не текущий год, а старый, то именно в этом году опека над са...
Вам приходилось сталкиваться с ситуацией, когда сайт или портал Битрикс24 недоступен, потому что на диске неожиданно закончилось место? Да, последний бэкап съел все место на диске в самый неподходящий...
Как обновить ядро 1С-Битрикс без единой секунды простоя и с гарантией работоспособности платформы? Если вы не можете закрыть сайт на техобслуживание, и не хотите экстренно разворачивать сайт из бэкапа...