---

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