Низкоуровневое обнаружение Wi-Fi устройств в домашней сети

Чтобы сделать собственное уникальное устройство для «умного дома» сейчас достаточно купить микроконтроллер и электронные компоненты. Конечно, на рынке уже есть множество «умных» устройств, но не все производители предоставляют открытое API, и уж точно единицы разрешают (или по крайней мере не запрещают) создавать собственные прошивки. Иногда наступает тот момент, когда кажется, что разработать и запрограммировать собственное устройство будет лучшим решением.

В этой статье я расскажу про несколько способов «‎научить» микроконтроллер распознавать присутствие людей дома исключительно с помощью Wi-Fi.

^{Источник изображения}
Мне с детства нравились часы. Конечно, желания заполнить всю комнату звенящими часами, словно Доктор Браун, у меня не было, но часов в моей комнате было достаточно. Тем не менее, пришлось повзрослеть и желание иметь множество часов как-то приутихло.

Наступила взрослая самостоятельная жизнь и вопрос с часами стал одним из маленьких конфликтов интересов. Мне хотелось иметь светящиеся часы, которые ненавязчиво покажут время в любое время дня и ночи. Моя девушка же придерживается мнения, что никакой свет, даже слабый, не должен препятствовать засыпанию.

Компромисс находился простой: в процессе подготовки ко сну выключать часы. Правда, их нужно с утра как-то включить, что в свою очередь нерационально: проще взять телефон, там время тоже есть. Значит, нужно как-то автоматически определять моменты, подходящие для отключения и включения часов.

Быстро проанализировав подготовку ко сну, я обнаружил там повторяющееся действие, а именно, отключение Wi-Fi на телефоне. Такой триггер позволит «умным» часам выключаться не по сухому «расписанию», а в нужные моменты времени.

Давайте определимся, из чего состоят часы и какие ограничения накладываются на окружение.

Что там внутри

^{Подключение платы к светодиодной матрице (источник alexgyver.ru)}

Набор юного «самодельщика» прост:

• плата Wemos D1 Mini на базе чипа ESP8266 с Wi-Fi;
• светодиодная WS2812B-совместимая матрица размером 32х8;
• блок питания 5В, 2А;
• для разработки прошивки используется Arduino IDE.

Разумеется, полагаться на внутренние часы микроконтроллера неразумно и нужна отдельная плата часов реального времени. Однако, согласно любительскому исследованию, скорость расхождения внутреннего времени микроконтроллера составляет примерно одну секунду в день. Это не критично для настенных часов, а при наличии доступа в интернет, синхронизация с сервером времени решит проблему.

Минимальные вложения для сборки данного устройства накладывают следующие ограничения:

• в домашней сети отсутствуют какие-либо системы, выполняющие мониторинг сети;
• допустимы изменения в конфигурации домашнего роутера;
• допустимы изменения в конфигурации сетевого подключения на телефоне;
• модификация ПО домашнего роутера запрещена;
• модификация ПО телефона запрещена.

Под модификацией ПО подразумевается создание собственных программных решений, которые по событиям в операционной системе телефона могут отправить команду. Во-первых это «‎не спортивно»‎, а во-вторых потребует кроссплатформенной разработки, если захочется включить в поддержку чей-то iPhone, а потом и пару ноутбуков с разными операционными системами.

^{Современные устройства умеют подменять MAC-адрес во имя конфиденциальности}
Единственный уникальный идентификатор, с помощью которого можно найти телефон в домашней сети — MAC-адрес. Однако, современная техника умеет генерировать «подставной» MAC-адрес, что усложняет определение устройства. Тем не менее, для заданных Wi-Fi-сетей эту опцию можно отключить.

Итак, у нас есть MAC-адрес, что будем делать?

Можно придумать несколько вариантов в зависимости от искомого устройства и используемого маршрутизатора/точки доступа.

Большую часть решений объединяет одно: подключение к домашнему Wi-Fi. Минимальный код, с которым будем работать.

#include <ESP8266WiFi.h>
#include <WiFiManager.h>

void setup() {
  Serial.begin(115200);

  WiFiManager wifiManager;
  wifiManager.setDebugOutput(false);
  wifiManager.autoConnect("habr-example", "supergeneral");
  Serial.print("Connected! IP address: ");
  Serial.println(WiFi.localIP());

  /* Здесь также инициализация для FastLED и других библиотек,
   * которые не важны для данного примера 
   **/ 
}

void loop() {
  // Основной код
  ledTick();
}

Для упрощения работы с Wi-Fi используется библиотека WiFiManager. Если в памяти микроконтроллера нет информации о известных точках или они недоступны, WiFiManager запустит собственную точку доступа с веб-интерфейсом для быстрого подключения к новому Wi-Fi.

Самое простое решение всегда на поверхности: давайте «пинганем» телефон. На поверку, в мире микроконтроллеров протокол ICMP используется неохотно. Так, в lwIP (lightweight IP, реализации стека TCP/IP для встраиваемых систем) есть минимальная поддержка протокола ICMP, но этого недостаточно. Для наших целей придется поставить библиотеку ESP8266-ping.

Для уведомления об успешном или неуспешном пинге библиотека использует функции обратного вызова. Напишем функцию с простой логикой:

• если устройство было недоступно, а сейчас доступно — устройство появилось в сети;
• если устройство недоступно MAX_PING попыток подряд — устройство ушло из сети.

#define MAX_PING 5

boolean current_state = false;
unsigned char attempts = 0;

void* responseCallback(const PingerResponse& response) {
  if(response.ReceivedResponse) {
    if(current_state == false) {
      attempts = 0;
      current_state = true;
      Serial.println("Device on");
    }
  } else {
    if(current_state == true) {
      attempts++;
      if(attempts > MAX_PING) {
        current_state = false;
        Serial.println("Device off");
      }
    }
  }
  return (void*)true;
}

Инициализируем библиотеку ESP8266-ping:

#define PING_INTERVAL 1000

Pinger pinger;

void setup() {
  // Общая инициализация опущена

  pinger.OnReceive(&responseCallback);
}

Так как пинг — не единственная наша задача, создаем функцию, которая раз в PING_INTERVAL миллисекунд отправляет ICMP-пакет.

unsigned long previousTime = 0;
void pingTick() {
  if(millis() - previousTime > PING_INTERVAL) {
    previousTime = millis();
    pinger.Ping("192.168.88.148", 1, PING_INTERVAL / 2);
  }
}

void loop() {
  // Другие Tick() функции опущены
  pingTick();
}

#include <ESP8266WiFi.h>
#include <WiFiManager.h>

#include <Pinger.h>

#define MAX_PING 5
#define PING_INTERVAL 1000

Pinger pinger;
boolean current_state = false;
unsigned char attempts = 0;

void* responseCallback(const PingerResponse& response) {
  if(response.ReceivedResponse) {
    if(current_state == false) {
      attempts = 0;
      current_state = true;
      Serial.println("Device on");
    }
  } else {
    if(current_state == true) {
      attempts++;
      if(attempts > MAX_PING) {
        current_state = false;
        Serial.println("Device off");
      }
    }
  }
  return (void*)true;
}

unsigned long previousTime = 0;
void pingTick() {
  if(millis() - previousTime > PING_INTERVAL) {
    previousTime = millis();
    pinger.Ping("192.168.88.148", 1, 1000);
  }
}

void setup() {
  Serial.begin(115200);

  WiFiManager wifiManager;
  wifiManager.setDebugOutput(false);
  wifiManager.autoConnect("habr-example", "supergeneral");
  Serial.print("Connected! IP address: ");
  Serial.println(WiFi.localIP());

  pinger.OnReceive(&responseCallback);
}

void loop() {
  pingTick();
}

Третий аргумент функции Ping задает время ожидания ответа и ему стоит быть меньше, чем промежутки между пингами. Однако, здесь фигурирует только IP-адрес, еще и явно прописанный в прошивке. Есть два решения данной ситуации:

1. в настройках DHCP-сервера явно «прибить» адрес к MAC-адресу искомого устройства;
2. пинговать все адреса подсети и проверять MAC-адрес.

При условии, что часы — это домашнее устройство, а домашнюю сеть и телефоны не меняют пять раз на дню, то первое решение выглядит достойно. При этом время реакции часов на выход устройства из сети — MAX_PING * PING_INTERVAL миллисекунд.

Но случаются вредные устройства, которые не отвечают на ICMP-запросы.

Далеко за примером ходить не надо: операционная система Microsoft Windows по умолчанию игнорирует ICMP-запросы. Такой расклад дел не сильно усложняет жизнь. Устройство может игнорировать ICMP-запросы, но ARP-запросы ему проигнорировать не получится. Поэтому для «особо вредных» устройств у нас более хитрый план: очищаем ARP-таблицу, отправляем несколько пингов, проверяем ARP-таблицу.

ARP (англ. Address Resolution Protocol — протокол определения адреса) — протокол в компьютерных сетях, предназначенный для определения MAC-адреса по IP-адресу другого компьютера. © Википедия

Особенность ARP-протокола заключается в том, что он работает только в пределах одного Ethernet-сегмента. Тем не менее, ожидается, что домашняя сеть не должна быть сложной.

Доступ к ARP-таблицам на ESP8266 возможен через функции lwIP. Эти функции — для смелых и простым смертным не нужны, поэтому примеров и объяснений достаточно мало, нужно читать еще и комментарии к коду. Добавляем в проект включение заголовочных файлов lwip:

#include <lwip/etharp.h>

Удаляем функцию обратного вызова и изменяем pingTick() следующим образом:

void pingTick() {
  if(millis() - previousTime > PING_INTERVAL) {
    previousTime = millis();

    // IP-адрес искомого устройства, может быть глобальным
    IPAddress addr = IPAddress(192,168,88,148);

    // Итерация по ARP-таблице
    ip4_addr_t *ip;
    struct netif *netif;
    struct eth_addr *ethaddr;
    bool found = false;
    for(int i=0; i<ARP_TABLE_SIZE; i++) {
      if (etharp_get_entry(i, &ip, &netif, &ethaddr)) {
        if(addr[0] == (ip->addr & 0xFF) &&
           addr[1] == (ip->addr >> 8 & 0xFF) &&
           addr[2] == (ip->addr >> 16 & 0xFF) &&
           addr[3] == (ip->addr >> 24 & 0xFF)) {
          found = true;
        }
      }
    }

    // Очищаем ARP-таблицу 
    etharp_cleanup_netif(netif);
    
    // Запускаем следующий раунд пингов
    pinger.Ping(addr, 5, 100);

    // Обрабатываем информацию
    if(found) {
      Serial.println("Device on");
    } else {
      Serial.println("Device off");
    }
  }
}

Время реакции этого способа равно PING_INTERVAL, в моем случае я увеличил это число до пяти секунд. Способ потенциально хороший, но в тестах в моей домашней сети он постоянно сбоил и способ с ICMP-ответами работал стабильнее. Поэтому если ваше устройство не скупится отвечать на пинг, то лучше использовать предыдущий способ.

#include <ESP8266WiFi.h>
#include <WiFiManager.h>

#include <Pinger.h>
#include <lwip/etharp.h>

#define MAX_PING 5
#define PING_INTERVAL 5000

Pinger pinger;
boolean current_state = false;
unsigned char attempts = 0;

unsigned long previousTime = 0;
void pingTick() {
  if(millis() - previousTime > PING_INTERVAL) {
    previousTime = millis();

    // IP-адрес искомого устройства, может быть глобальным
    IPAddress addr = IPAddress(192,168,88,148);

    // Итерация по ARP-таблице
    ip4_addr_t *ip;
    struct netif *netif;
    struct eth_addr *ethaddr;
    bool found = false;
    for(int i=0; i<ARP_TABLE_SIZE; i++) {
      if (etharp_get_entry(i, &ip, &netif, &ethaddr)) {
        if(addr[0] == (ip->addr & 0xFF) &&
           addr[1] == (ip->addr >> 8 & 0xFF) &&
           addr[2] == (ip->addr >> 16 & 0xFF) &&
           addr[3] == (ip->addr >> 24 & 0xFF)) {
          found = true;
        }
      }
    }

    // Очищаем ARP-таблицу 
    etharp_cleanup_netif(netif);
    
    // Запускаем следующий раунд пингов
    pinger.Ping(addr, 5, PING_INTERVAL / 10);

    // Обрабатываем информацию
    if(found) {
      if(current_state == false) {
        current_state = true;
        Serial.println("Device on");
      }
    } else {
      if(current_state == true) {
        current_state = false;
        Serial.println("Device off");
      }
    }
  }
}

void setup() {
  Serial.begin(115200);

  WiFiManager wifiManager;
  wifiManager.setDebugOutput(false);
  wifiManager.autoConnect("habr-example", "supergeneral");
  Serial.print("Connected! IP address: ");
  Serial.println(WiFi.localIP());
}

void loop() {
  pingTick();
}

Но что делать, если эти варианты по каким-то причинам не подходят?

Микроконтроллер на базе ESP8266 может быть Wi-Fi-сниффером. У него можно включить неразборчивый режим (promiscuous mode) и собирать пролетающие мимо пакеты. Существует несколько репозиториев, в которых есть код запускающий сниффер на вашем ESP8266.

Телефоны с включенным Wi-Fi будут постоянно рассылать разные пакеты, и часть из них не будет иметь шифрования. Таким образом, можно определять наличие или отсутствие телефона в сети.

Несмотря на то, что способ надежный как швейцарские часы, у данного решения есть ряд проблем:

• если рядом множество Wi-Fi сетей, то поток пакетов будет большим, что потребует самодельного фильтра. Возможно этот фильтр будет медленнее, чем в lwIP.
• В этом режиме ESP8266 не имеет доступа в интернет, так как не подключена к Wi-Fi. Если вы хотели добавить погоду или синхронизацию с NTP — это будет затруднительно.
• Микроконтроллер может «не услышать» пакет от вашего устройства в силу физических причин, а так как пакет не предназначался микроконтроллеру, повторения не будет.
• Сниффер может не понравиться соседям, их друзьям или местным законам.

Но существует более простой, надежный и быстрый способ получения информации о подключенных устройствах.

Этот способ требует соответствующего сетевого оборудования. Если у ваш домашний роутер работает на OpenWRT или RouterOS, то он точно подойдет.

Данный способ построен на парсинге логов маршрутизатора. Маршрутизатор всегда знает MAC-адрес подключившегося и в большинстве случаев выдает адрес с помощью DHCP-сервера. Поэтому, логи маршрутизатора — это самый быстрый и самый надежный способ.

Для моего Mikrotik hAP ac lite лог подключения и отключения выглядит следующим образом. MAC-адреса вымышлены.

wireless,info 80:35:XX:XX:XX:XX@wlan2: disconnected, received deauth: sending station leaving (3)
wireless,info 80:35:XX:XX:XX:X@wlan2: connected, signal strength -44

Настраиваем логирование по метке wireless,info в удаленный порт. Для ускорения обработки на микроконтроллере задействуем протокол UDP. Настраиваем UDP-сервер следующим образом:

#include <WiFiUdp.h>

WiFiUDP syslog;
void setup() {
  // Общая инициализация опущена

  syslog.begin(514);
}

Далее периодически опрашиваем UDP-сервер на предмет пришедших пакетов.

#define BUF_SIZE 4096
char str[BUF_SIZE];
String masterMac = "80:35:XX:XX:XX:XX";
void syslogTick() {
  int packetSize = syslog.parsePacket();
  if(packetSize > 0) {
    int n = syslog.read(str, BUF_SIZE);
    str[n] = '';

    String syslog_str = String(str);
    String mac = syslog_str.substring(14, 31);
    String reason = syslog_str.substring(39);
    
    bool connected = true;
    if(reason.startsWith("disconnected")) {
      connected = false;
    }

    if(mac != masterMac) {
      return;
    }

    if(connected) {
      Serial.println("Device connected!");
    } else {
      Serial.println("Device disconnected!");
    }
  }
}

Пакет содержит MAC-адрес и причину события. Достаточно «‎разобрать»‎ пришедшую строку и записать состояние.

Этот способ, конечно, тоже обладает недостатком. Так, при перезагрузке микроконтроллера, потребуется узнать текущее состояние искомого устройства. Но для этого можно использовать способ с ICMP-запросом.