深入探秘ESP-NOW：WiFi通信协议的轻量级高手

最新推荐文章于 2025-10-13 09:05:06 发布

原创

最新推荐文章于 2025-10-13 09:05:06 发布 · 1.4k 阅读

22 ·

CC 4.0 BY-SA版权

文章标签：

#嵌入式硬件 #网络 #单片机 #stm32 #物联网

文章总结（帮你们节约时间）

深入解析了ESP-NOW无线通信协议的底层架构和工作原理。
详细讲解了ESP-NOW如何利用WiFi物理层和数据链路层技术实现高效通信。
解释了ESP-NOW帧结构和通信机制，包括CCMP加密技术。
展示了如何实现结构化数据传输和加密通信，并提供完整代码示例。
剖析了ESP-NOW数据帧在无线传输过程中的各个环节。

你是否曾经好奇，当两个ESP32S3芯片"窃窃私语"时，它们背后的通信机制究竟是如何运作的？ESP-NOW这个看似简单的通信协议，其实内部蕴含了一整套精妙的设计！今天，让我们掀开ESP-NOW的神秘面纱，从网络底层视角一探究竟，看看这位"无线通信界的忍者"如何在WiFi的世界中轻装上阵！

ESP-NOW底层架构：802.11标准的巧妙变奏

ESP-NOW并非凭空创造的全新协议，而是在现有802.11（WiFi）标准的基础上进行的一次创新性"改编"。如果将WiFi比作一辆功能齐全的豪华轿车，ESP-NOW则是将这辆车的核心引擎保留，却去掉了所有不必要的豪华配置，打造出一辆轻量级高性能赛车！

ESP-NOW充分利用了WiFi的物理层，但绕过了繁重的网络层和传输层，直接在数据链路层上实现设备间的简单高效通信。具体来说，它基于IEEE 802.11的动作帧（Action Frame）机制，这也正是它能够实现低延迟、低功耗通信的核心秘密。

物理层魔法：站在巨人的肩膀上

在物理层，ESP-NOW完全依赖WiFi的无线电技术来传输数据。它使用2.4GHz频段（与标准WiFi相同），采用OFDM或DSSS调制方式，具体取决于设置的数据速率。

ESP-NOW可以在以下WiFi模式下工作：

站点模式（Station）
软AP模式（SoftAP）
混合模式（Station + SoftAP）

这意味着ESP-NOW设备可以同时维持正常的WiFi连接，并通过ESP-NOW与其他设备通信！想象一下，这就像你一边通过邮政系统（WiFi）与远方的人通信，同时还可以和身边的人进行面对面交谈（ESP-NOW）。这种灵活性使得ESP-NOW在复杂的物联网生态系统中表现得尤为出色。

数据链路层解密：帧结构与通信机制

在数据链路层，ESP-NOW的真正独特之处开始显现。它使用的是WiFi标准中的供应商特定动作帧（Vendor Specific Action Frame），这种帧类型本来是为厂商自定义功能预留的。

ESP-NOW帧结构剖析

ESP-NOW的数据帧结构如下：

+--------------+-------------+---------------+-----------+
| MAC 头部     | 分类代码    | 组织标识符    | 随机值    |
| (24字节)     | (1字节)     | (3字节)       | (4字节)   |
+--------------+-------------+---------------+-----------+
| 元素ID       | 长度        | 组织标识符    | 类型      |
| (1字节)      | (1字节)     | (3字节)       | (1字节)   |
+--------------+-------------+---------------+-----------+
| 版本         | 正文        | 消息完整性检查|
| (1字节)      | (≤250字节)  | (变长)        |
+--------------+-------------+---------------+-----------+

乍看之下，这个帧结构可能让人望而生畏，但别担心！ESP-NOW库已经为我们处理了所有这些复杂细节。只需要知道，这种特殊的帧结构允许ESP设备在不建立完整WiFi连接的情况下，直接基于MAC地址进行通信。

通信机制：握手？不需要！

传统WiFi通信需要经过复杂的连接建立过程：探测、认证、关联…而ESP-NOW则采用了更为直接的方式：

发送方知道接收方的MAC地址
发送方将数据封装在动作帧中
发送方直接向接收方的MAC地址发送此帧
接收方接收后立即处理并可以返回确认

没有繁琐的握手过程，没有复杂的连接维护，就像是在拥挤的会议室中，你不需要建立特定的交流规则，只需要知道对方的名字，直接喊出来传递信息就可以了！

加密保护：CCMP的安全屏障

ESP-NOW支持使用CCMP（Counter Mode Cipher Block Chaining Message Authentication Code Protocol）加密方式保护通信安全。CCMP是IEEE 802.11i标准中定义的加密协议，也是WPA2中使用的核心加密技术，基于AES算法提供良好的安全性。

在ESP-NOW中启用加密通信时，所有设备需要共享一个主密钥（PMK），并为每个对等连接派生出一个本地主密钥（LMK）。这种机制确保了即使在开放无线环境中，ESP-NOW的通信也能保持私密性。

结构化数据传输：不只是字符串

在实际应用中，我们往往需要传输各种类型的数据，而不仅仅是简单的字符串。以下是一个在ESP32S3上使用ESP-NOW传输结构化数据的完整示例：

#include <esp_now.h>
#include <WiFi.h>

// 定义一个结构体用于发送数据
typedef struct struct_sensor_data {
   
   
  int device_id;
  float temperature;
  float humidity;
  float pressure;
  uint32_t timestamp;
  bool alarm_flags[3];
} struct_sensor_data;

// 创建一个结构体实例
struct_sensor_data sensorData;

// 接收方MAC地址
uint8_t receiverMacAddress[] = {
   
   0x3C, 0x71, 0xBF, 0x47, 0xA5, 0x5C};

// 发送回调函数
void OnDataSent(const uint8_t *mac_addr, esp_now_send_status_t status) {
   
   
  Serial.print("发送状态: ");
  Serial.println(status == ESP_NOW_SEND_SUCCESS ? "成功" : "失败");
}

// 接收回调函数
void OnDataRecv(const uint8_t *mac_addr, const uint8_t *data, int data_len) {
   
   
  char macStr[18];
  snprintf(macStr, sizeof(macStr), "%02x:%02x:%02x:%02x:%02x:%02x",
           mac_addr[0], mac_addr[1], mac_addr[2], mac_addr[3], mac_addr[4], mac_addr[5]);
  
  Serial.print("接收到来自 ");
  Serial.print(macStr);
  Serial.print(" 的数据，长度: ");
  Serial.println(data_len);
  
  // 转换接收到的数据为结构体
  struct_sensor_data receivedData;
  memcpy(&receivedData, data, sizeof(receivedData));
  
  // 打印接收到的结构化数据
  Serial.println("接收到的传感器数据:"

最低0.47元/天解锁文章