概述

WFB-ng 协议旨在标准化通过原始 WiFi 无线电进行远距离数据传输的通信方式。这里的”远距离”是指标准 802.11 ACK 机制无法工作的距离（超过约 200 米）。

该方案允许使用支持”原始包”传输的普通 WiFi 适配器，以高达 8Mbps（MCS #1 调制）的速度传输任意数据流，传输距离可达数十公里。目前主要基于 Realtek RTL8812AU 芯片的适配器。

应用场景

  • 机器人与地面站之间的通信
  • 业余卫星（CUBESAT）与地球的通信
  • 地面数字无线电通信

工作原理

标准 WiFi 传输范围的主要限制在于：接收方必须在严格规定的时间间隔内发送 ACK 确认包。当两个站点之间的距离超过约 200 米时，接收方无法及时确认数据包，导致数据传输失败。

部分 WiFi 适配器支持”原始模式”（raw mode），可以绕过标准的 802.11 协议栈来收发数据包，关闭 ACK 机制的要求。此时传输距离不再受限于 ACK 超时，仅取决于接收灵敏度和发射功率。但需要自行实现 MAC 层（介质访问控制层）。

协议描述

基本特性

  • 支持点对点链路
  • 每个节点可同时参与任意数量的链路
  • 每条链路拥有独立的加密密钥集
  • 最多支持 256 个单向数据流

MAC 地址格式

发送方 MAC 地址的后四个字节用于标识链路归属：

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0x57, 0x42, 0xaa, 0xbb, 0xcc, 0xdd
 ^W   ^B   ^link_id(3 bytes) ^stream_id(1 byte)
  • 前两个字节为协议头 'W'(0x57)、'B'(0x42)
  • 中间三个字节为链路 ID（link id）
  • 最后一个字节为流编号（stream number）

第一个地址字节 0x57 的低两位被设置，表示该地址是多播且本地管理的。

数据流分配方案

范围 方向 用途
0 - 127 下行（飞行器 → 地面站） 视频、Mavlink、隧道等
128 - 255 上行（地面站 → 飞行器） 控制指令等

流编号分配：

  • 0 - 15: 视频流（默认：0）
  • 16 - 31: Mavlink 流（默认：16）
  • 32 - 47: 隧道流（默认：32）
  • 其他范围保留供将来使用

数据处理流程

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原始 UDP 数据包 → FEC 编码(zfec) → ChaCha20-Poly1305 加密 → WiFi 无线电包发送

无线数据包格式

协议定义两种包类型：

类型 packet_type 说明
数据包 1 包含 FEC 编码后的加密数据
会话包 2 包含加密的会话参数和会话密钥

数据包结构

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// Session key packet
typedef struct {
    uint8_t packet_type; // packet_type = 2
    uint8_t session_nonce[crypto_box_NONCEBYTES];  // random data
} __attribute__((packed)) wsession_hdr_t;

typedef struct{
    uint64_t epoch;       // 丢弃旧 epoch 的会话包
    uint32_t channel_id;  // (link_id << 8) + port_number
    uint8_t fec_type;     // FEC 类型
    uint8_t k;            // FEC k
    uint8_t n;            // FEC n
    uint8_t session_key[crypto_aead_chacha20poly1305_KEYBYTES];
    uint8_t tags[];       // 可选 TLV 属性
} __attribute__((packed)) wsession_data_t;

// Data packet
typedef struct {
    uint8_t packet_type;  // packet_type = 1
    uint64_t data_nonce;  // (block_idx << 8) + fragment_idx
} __attribute__((packed)) wblock_hdr_t;

typedef struct {
    uint8_t flags;
    uint16_t packet_size;
} __attribute__((packed)) wpacket_hdr_t;

IEEE 802.11 帧头

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static uint8_t ieee80211_header[] = {
    0x08, 0x01, 0x00, 0x00,               // data frame, STA to DS via AP
    0xFF, 0xFF, 0xFF, 0xFF, 0xFF, 0xFF,   // receiver: broadcast
    0x57, 0x42, 0xaa, 0xbb, 0xcc, 0xdd,   // sender: channel_id
    0x57, 0x42, 0xaa, 0xbb, 0xcc, 0xdd,   // bssid: channel_id
    0x00, 0x00,                           // (seq_num << 4) + fragment_num
};

完整包结构

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radiotap_header:
  ieee_80211_header:
    数据包:
      wblock_hdr_t   { packet_type=1, nonce=(block_idx<<8)+fragment_idx }
        wpacket_hdr_t  { flags, packet_size }
          data         ← 使用 session key 加密和认证

    会话包:
      wsession_hdr_t { packet_type=2, nonce=random() }
        wsession_data_t { epoch, channel_id, fec_type, k, n, session_key, TLV tags }
          ← 使用 crypto_box_easy(rx_publickey, tx_secretkey) 加密和认证

实现要点

参考实现

wfb-ng.org — WFB-NG 协议栈的参考实现（C + Python/Twisted），GPLv3 许可证。

加密机制

WFB-ng 使用 libsodium 进行数据流加密：

  1. TX 启动时生成新的会话密钥
  2. 使用公钥认证加密（cryptobox）加密会话密钥
  3. 每 SESSION_KEY_ANNOUNCE_MSEC（默认 1 秒）广播一次会话包
  4. 会话包使用 X25519 ECDH 密钥进行加密和认证
  5. 数据包使用 crypto_aead_chacha20poly1305_encrypt 加密，以 session key 和包索引作为 nonce

密码派生密钥（KDF）

对于低风险场景，可以从用户提供的密码派生密钥：

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unsigned char salt[crypto_pwhash_argon2i_SALTBYTES] = 
    {'w','i','f','i','b','r','o','a','d','c','a','s','t','k','e','y'};
unsigned char seed[crypto_box_SEEDBYTES * 2];

crypto_pwhash_argon2i(
    seed, sizeof(seed), password, strlen(password), salt,
    crypto_pwhash_argon2i_OPSLIMIT_INTERACTIVE, // 低 CPU 消耗
    crypto_pwhash_argon2i_MEMLIMIT_INTERACTIVE, // 约 64MB RAM
    crypto_pwhash_ALG_ARGON2I13);               // 兼容旧版 libsodium

crypto_box_seed_keypair(drone_publickey, drone_secretkey, seed);
crypto_box_seed_keypair(gs_publickey, gs_secretkey, seed + crypto_box_SEEDBYTES);

测试向量： 密码为 secret password 时：

  • gs.key SHA1: cb8d52ca7602928f67daba6ba1f308f4cfc88aa7
  • drone.key SHA1: 7a6ffb44cebc53b4538d20bdcaba8d70c9cf4095

RX-Ring（接收环形缓冲区）

由于多个 RX 无线电有各自的内部队列，数据包可能乱序到达。RX-Ring 是一个循环缓冲区，按 FEC 块分组存储数据包：

  • rx_ring_front: 第一个已分配 FEC 块的索引
  • alloc_size: 已分配的块数

新包处理逻辑：

  1. 属于新的 FEC 块 → 在 RX ring 中分配（如果块已被处理则忽略）
  2. 属于已有的 FEC 块 → 添加到该块（如果包已处理则忽略）

成功解码所有分片后，输出并移除它之前的所有未完成块。当 RX ring 满时，覆盖头部的旧块。

这样可以保证输出的 UDP 数据包始终有序且无重复。

默认情况下 WFB-ng 将每个源 UDP 包封装到一个 WiFi 包中。但 Mavlink 包通常很小（小于 100 字节），单独发送会产生过多开销。优化的 Mavlink 模式会将多个 Mavlink 包聚合到一个 UDP 包中，直到达到 MAX_PAYLOAD_SIZE 或超过 mavlink_agg_in_ms 超时时间。

TX FEC 超时

默认情况下，如果少于 K 个数据包且没有新数据可用，WFB-ng 不会关闭 TX FEC 块。对于交互式协议或可变速率的数据流（如 Mavlink、IP 隧道），TX 可以发送带有 WFB_PACKET_FEC_ONLY 标志的空包来关闭非空的 FEC 块。或者可以使用 K=1 的 FEC 配置。