LAB3. Wi-Fi: aprovisionamiento y ahorro de energía

Objetivos

Esta práctica se divide en dos partes en las que se estudiarán dos aspectos avanzados de Wi-Fi. Los objetivos de cada parte son los siguientes:

• Aprovisionamiento de credenciales Wi-Fi:

  • Entender y experimentar con distintos modos de aprovisionamiento de credenciales Wi-Fi, vía BLE y SoftAP.
  • Comprobar el intercambio de claves en claro realizando aprovisionamientos desde la línea de comandos, así como observar la utilidad (y necesidad) del envío cifrado de credenciales.

• Modos de ahorro de energía:

  • Entender los tres modos de funcionamiento del ESP32 en cuanto a ahorro energético en conexiones Wi-Fi.
  • Observar la desviación en latencia de recepción de paquetes en función del modo aplicado.

Parte 1. Aprovisionamiento de credenciales Wi-Fi

Entendemos por aprovisionamiento Wi-Fi el mecanismo o mecanismos mediante los cuales es posible proporcionar a un dispositivo, de forma externa y segura, el conjunto de credenciales necesario para conectarse a una red Wi-Fi. Es decir, si nuestro código en el ESP32 está preparado para conectarse a una Wi-Fi por WPA2 personal, en lugar de configurar una red fija o una serie de redes válidas, añadimos a nuestro código un componente de aprovisionamiento, que permitirá al usuario conectarse al ESP32 para indicarle el nombre de la red Wi-Fi (SSID) a la que conectarse y la contraseña que debe utilizar. El aprovisionamiento, por tanto, suele hacerse la primera vez que se usa el dispositivo y no suele ser necesario repetirlo.

ESP-IDF proporciona un componente que ofrece un servicio de aprovisionamiento Wi-Fi por dos mecanismos: Bluetooth Low Energy (modo BLE) o a través de un punto de acceso Wi-Fi temporal (modo SoftAP). ESP-IDF proporciona una serie de APIs (con nombres de función network_prov_mgr_*) para implementar de forma sencilla ambos modos de aprovisionamiento.

Inicialización del servicio de aprovisionamiento

La función network_prov_mgr_init() se utiliza para configurar e inicializar el componente de aprovisionamiento y debe invocarse antes de cualquier otra llamada a funciones de la API network_prov_mgr*. Además, cabe destacar que el componente de aprovisionamiento depende en las funcionalidades de otros componentes (en particular de NVS, TCP/IP, el bucle de eventos y Wi-FI), por lo que estos deben inicializarse previamente. Para finalizar el componente de aprovisionamiento, basta con llamar a la función network_prov_mgr_deinit().

Un ejemplo de inicialización sería:

network_prov_mgr_config_t config = {
  .scheme = network_prov_scheme_ble,
  .scheme_event_handler = NETWORK_PROV_SCHEME_BLE_EVENT_HANDLER_FREE_BTDM
};

ESP_ERR_CHECK(network_prov_mgr_init(config));

La estructura de configuración network_prov_mgr_config_t contiene campos que permiten especificar el comportamiento del componente. El campo scheme define el esquema o tipo de aprovisionamiento a utilizar, mientras que el campo scheme_event_handler especifica la función callback que tratará los eventos relacionados con el componente de aprovisionamiento.

Hay tres esquemas de aprovisionamiento disponibles:

• network_prov_scheme_softap: se crea un punto de acceso temporal desde el nodo a aprovisionar. El aprovisionador debe conectarse a este punto de acceso y transmitir las credenciales vía Wi-Fi, utilizando el servidor HTTP creado por el componente de aprovisionamiento.
• network_prov_scheme_ble: el nodo crea un servidor GATT al que se puede conectar el aprovisionador utilizando Bluetooth Low Energy (BLE), que usará la tabla GATT para comunicar las credenciales Wi-Fi.
• network_prov_scheme_console: permite transmitir la información de aprovisionamiento a través de la consola serie.

Una vez aprovisionado el nodo, las credenciales se almacenan en la memoria flash, quedando disponibles tras los siguientes reinicios del dispositivo.

Comprobación del estado de aprovisionamiento

Es posible comprobar el estado de aprovisionamiento de un dispositivo mediante la función network_prov_mgr_is_wifi_provisioned(), que permite verificar si las credenciales de conexión Wi-Fi están ya almacenadas en la memoria no volátil (NVS).

Aunque existen varios métodos para eliminar la información de aprovisionamiento almacenada en la NVS, utilizaremos el mecanismo proporcionado por idf.py para borrar su contenido. Para ello, ejecutaremos el comando:

idf.py erase-flash

Parámetros de inicialización del servicio de aprovisionamiento

Al inicializar el componente de aprovisionamiento, es necesario especificar un nombre de servicio y, opcionalmente, una clave. Esto se traduce en:

• SSID y contraseña para el modo SoftAP (es decir, cuando el esquema de aprovisionamiento se ha configurado como network_prov_scheme_softap).

• Nombre del dispositivo BLE para el modo BLE (cuando el esquema de aprovisionamiento se ha configurado como network_prov_scheme_ble).

Además, internamente el componente de aprovisionamiento utiliza el mecanismo de comunicación protocomm, que permite configurar tres niveles de seguridad para la transmisión de las credenciales de aprovisionamiento:

• Nivel 0: las credenciales se intercambian en texto claro, sin cifrado ni prueba de posesión (Proof of Possession, PoP). Un PoP es una cadena secreta (por ejemplo, abcd1234) que el aprovisionador debe conocer para demostrar que está autorizado a establecer una sesión segura.

• Nivel 1: se realiza un handshake previo entre ambos extremos, con intercambio de claves y utilizando cifrado AES-CTR para proteger los datos. Admite el uso de PoP.

• Nivel 2: se realiza un handshake previo entre ambos extremos, con intercambio de claves y utilizando cifrado AES-GCM para proteger los datos. Este nivel permite utilizar el mecanismo de sal y verificador (salt and verifier) para la autenticación.

De esta forma, un ejemplo de inicialización del gestor de aprovisionamiento para el nivel 2 podría resultar en el siguiente código:

network_prov_security_t security = NETWORK_PROV_SECURITY_2;

network_prov_security2_params_t sec2_params = {};

ESP_ERROR_CHECK(example_get_sec2_salt(&sec2_params.salt, &sec2_params.salt_len));
ESP_ERROR_CHECK(example_get_sec2_verifier(&sec2_params.verifier, &sec2_params.verifier_len));

network_prov_security2_params_t *sec_params = &sec2_params;

char service_name[12];
get_device_service_name(service_name, sizeof(service_name));

const char *service_key = NULL;

ESP_ERROR_CHECK(network_prov_mgr_start_provisioning(security, (const void *)sec_params, service_name, service_key));

El proceso de aprovisionamiento finalizará automáticamente al conectar el ESP32 a un AP con éxito (es decir, al obtener una IP). En cualquier caso, también puede detenerse de forma manual en cualquier momento mediante la función network_prov_mgr_stop_provisioning().

Espera a la finalización del proceso de aprovisionamiento

Habitualmente, las aplicaciones de usuario que se ejecutan en el ESP32 deben esperar a que finalice el proceso de aprovisionamiento antes de continuar. Una vez completado el proceso, se librean los recursos utilizados por el gestor de aprovisionamiento y se ejecuta la lógica principal de la aplicación.

Existen dos mecanismos para implementar este comportamiento:

• Mediante una llamada bloqueante a la función network_prov_mgr_wait(), que permite esperar a que finalice el proceso de aprovisionamiento:

// Inicialización del servicio de aprovisionamiento
ESP_ERR_CHECK(network_prov_mgr_start_provisioning(security, pop, service_name, service_key));

// Esperar a que finalice el aprovisionamiento
network_prov_mgr_wait();

// Liberar recursos
network_prov_mgr_deinit();

// A partir de aquí, comenzaría la lógica de la aplicación
// ...

• El segundo mecanismo estaría basado en eventos (es decir, sería no bloqueante), interceptando eventos de tipo NETWORK_PROV_EVENT y llamando a network_prov_mgr_deinit() cuando el evento sea NETWORK_PROV_END:

static void event_handler(void* arg, esp_event_base_t event_base, int event_id, void* event_data)
{
    if (event_base == NETWORK_PROV_EVENT && event_id == NETWORK_PROV_END) {
        // Liberar recursos una vez el proceso de aprovisionamiento ha finalizado
        network_prov_mgr_deinit();
    }
}

Herramientas de aprovisionamiento para dispositivos móviles

Existen aplicaciones para móviles preparadas por Espressif para llevar a cabo el proceso de aprovisionamiento de dispositivos ESP32. Estas aplicaciones están disponibles para Android e iOS y permiten realizar el aprovisionamiento mediante transporte BLE y SoftAP:

• Android:

  • Aprovisionamiento BLE
  • Aprovisionamiento SoftAP

• iOS:

  • Aprovisionamiento BLE
  • Aprovisionamiento SoftAP

Estas aplicaciones se comunican de forma sencilla con el ESP32 que aún no ha sido aprovisionado. El mecanismo de comunicación depende del tipo de transporte utilizado. En el caso de BLE, se define una tabla GATT con distintas características que permiten escribir datos en el dispositivo. Veremos qué es una tabla GATT en las próximas prácticas. En el caso de SoftAP, se crean una serie de endpoints (URIs HTTP) que permiten leer y escribir de forma sencilla los datos que se desean intercambiar entre ambos extremos de la comunicación.

La siguiente tabla resume los endpoints definidos por la implementación estándar del protocolo de aprovisionamiento. Estos pueden modificarse o ampliarse en función de la información adicional que deseemos intercambiar:

	Endpoint (BLE + Servidor GATT)	URI (SoftAP + HTTP)
Establecimiento de sesión	prov-session	http://IP:80/prov-session
Escaneo de redes disponibles	prov-scan	http://IP:80/prov-scan
Configuración del aprovisionamiento	prov-config	http://IP:80/prov-config
Versión del protocolo	proto-ver	http://IP:80/proto-ver

Los detalles de este tipo de protocolos de aprovisionamiento van más allá de los objetivos de esta práctica. No obstante, es conveniente disponer de algún mecanismo que permita inspeccionar lo que hacen y determinar, por ejemplo, si el intercambio de credenciales se realiza en texto plano (en claro) o de forma cifrada. Para ello, podemos utilizar esp_prov.py, una herramienta de línea de comandos incluida en el componente network_provisioning descargado como parte del ejemplo wifi_prov (directorio managed_components/espressif__network_provisioning/tool/esp_prov).

Esta herramienta permite aprovisionar dispositivos desde nuestro PC. Además, ofrece la posibilidad de utilizar un endpoint adicional (custom-data) para enviar información adicional de aprovisionamiento, como el nombre del dispositivo o las credenciales necesarias para acceder a un servidor externo.

Su uso es sencillo y puede consultarse ejecutando python esp_prov.py -h. Básicamente, la herramienta actúa como cliente de aprovisionamiento y permite comunicarse con el dispositivo mediante BLE o SoftAP.

Si se usa SoftAP, el PC debe conectarse a la Wi-Fi temporal creada por el dispositivo a aprovisionar. El componente de aprovisionamiento del ESP32 expondrá un servidor HTTP en 192.168.4.1:80 al que se conectará la herramienta para realizar el aprovisionamiento y enviar las credenciales indicadas en la línea de comandos:

python esp_prov.py --transport softap --service_name 192.168.4.1:80 --sec_ver 0 --ssid SSID_EJEMPLO --passphrase CLAVE_EJEMPLO

Podemos monitorizar el tráfico de red utilizando herramientas de captura de paquetes como Wireshark. Esto nos permitirá inspeccionar el contenido de los paquetes transmitidos y analizar si las credenciales se envían en texto claro o si, por el contrario, están cifradas.

También podemos utilizar BLE y niveles de seguridad más avanzados:

python esp_prov.py --transport ble --sec_ver 2

Si no especificamos todos los datos necesarios mediante parámetros de línea de comandos, la herramienta solicitará de forma interactiva la información que falte.

Parte 2. Modos de ahorro de consumo Wi-Fi

ESP-IDF admite distintos modos de ahorro de energía, con soporte tanto a nivel de dispositivo (station) como de punto de acceso (AP). Estos modos se basan en las características de ahorro energético contempladas en el estándar IEEE 802.11, concretamente en el modo Modem-sleep.

Este modo funciona exclusivamente cuando un dispositivo está configurado como station y se encuentra conectado a un AP. Cuando el modo Modem-sleep está activo, el dispositivo alterna periódicamente su estado entre activo y sleep. Durante el estado sleep, tres de los principales componentes del subsistema de comunicación inalámbrica (PHY, BB y RF) se desactivan para reducir el consumo energético. Pese a permanecer inactivos, la estación mantiene su conexión lógica con el AP en todo momento. Este modo ofrece dos submodos de ahorro energético: mínimo y máximo:

• En el modo mínimo, la estación se despierta cada intervalo DTIM (por ejemplo, cada tres beacons) para recibir los datos pendientes. El DTIM es un indicador incluido en beacons concretos que señala cuándo se transmitirán las tramas broadcast y multicast almacenadas en el AP. En este modo, la estación puede recibir estas tramas sin problema, siempre que permanezca conectada y siga correctamente este mecanismo de recepción. Sin embargo, el ahorro energético puede ser limitado si el DTIM es corto. Además, este intervalo está determinado por el AP, por lo que la estación no puede modificarlo.

• En el modo máximo, la estación se despierta cada intervalo de escucha (intervalo definido por ella misma) para recibir los datos pendientes. Este intervalo no tiene por qué coincidir con el DTIM y, de hecho, suele configurarse con un valor mayor para aumentar el ahorro energético. En este modo, las tramas broadcast y multicast pueden perderse si la estación permanece en estado de reposo cuando el AP las transmite tras el DTIM. El intervalo de escucha puede configurarse mediante una llamada a esp_wifi_set_config() antes de establecer la conexión con el AP.

Cabe destacar que el mecanismo DTIM indica cuándo se transmitirán desde el AP las tramas broadcast y multicast. Por su parte, las tramas unicast dirigidas a una estación se almacenarán temporalmente en el AP mientras esta permanezca dormida y se solicitarán y entregarán cuando vuelva a estar activa.

Para activar el modo mínimo, es necesario invocar a la función esp_wifi_set_ps(WIFI_PS_MIN_MODEM). En cambio, para configurar el modo máximo, utilizaremos esp_wifi_set_ps(WIFI_PS_MAX_MODEM). En ambos casos, la llamada debe realizarse después de esp_wifi_init(). Los modos de ahorro de energía se activarán cuando la estación se conecte al AP y dejarán de funcionar cuando se desconecte.

Es posible desactivar el ahorro energético mediante una llamada a esp_wifi_set_ps(WIFI_PS_NONE). Obviamente, esto aumentará el consumo energético, pero reducirá la latencia de recepción de los datos. Con el modo de ahorro activado, la recepción de los datos se retrasará tanto como el intervalo DTIM (en modo mínimo) o el intervalo de escucha (en modo máximo). El modo de ahorro por defecto es WIFI_PS_MIN_MODEM.

En el modo AP, ESP-IDF no soporta todas las funciones de ahorro energético definidas en el estándar Wi-Fi. En concreto, un AP programado vía ESP-IDF solo almacenará temporalmente las tramas unicast destinadas a las estaciones conectadas a dicho AP, pero no las tramas broadcast ni multicast. Por tanto, las estaciones que tengan activado el ahorro energético podrían perder estas tramas si permanecen dormidas cuando se transmiten.

El ejemplo power_save, incluido en el directorio wifi, ilustra mediante un código sencillo la configuración de una estación en los dos modos de ahorro energético. Estos modos pueden seleccionarse a través de menuconfig. Además, se ofrece una opción para modificar el intervalo de escucha en el modo de ahorro máximo.