1.はじめに

ABEJA大田黒です。これはABEJAアドベントカレンダー2024の14日目の記事です。最近、趣味でESP32を触っています。ESP32では、Bluetooth Low Energy (BLE)を簡単に扱うことができます。手軽に使えてしまう反面、具体的にどういう通信が行われているか気になったので、Snifferデバイスを購入して実際に調べてみる事にしました。

筆者環境
- OS: Windows 10
- Wireshark: 4.4.1
- nRF Sniffer for bluetooth le: 4.1.1

2.セットアップ手順

2.1 Snifferの購入

今回、Adafruit ADA-2269を利用しました。身近なところだと、Amazonや千石電商さん、スイッチサイエンスさんで入手が可能です。2024年11月現在で5000円前後という金額感になっています。

Adafruit ブルーフルーツLE Sniffer Bluetooth低エネルギー(BLE 4.0) nRF51822 v2.0 [ADA2269]

Adafruit

Amazon

重要：必ず技術基準適合証明や工事設計認証を受けているデバイスを使用しましょう。ADA-2269に搭載されているBLEモジュール(RAYRAC社 MDBT40)は工事設計認証を取得しています。

2.2 Wiresharkのインストール

下記からダウンロードが可能です。インストール手順の解説はここでは省略します。

www.wireshark.org

2.3 nRF Snifferのインストール

Fig ダウンロードページ

下記ページ（nRF Sniffer for Bluetooth LE）から、Wiresharkのバージョンに合わせたソフトウェアをダウンロードします。筆者のWiresharkは4系なので「nrf_sniffer_for_bluetooth_le_4.1.1.zip」を使いました。　

www.nordicsemi.com

extcapフォルダのコピー

nrf_sniffer_for_bluetooth_le_4.1.1.zipを展開するとextcapフォルダが出現します。このextcapフォルダの中身をWiresharkのextcapフォルダ配下にコピーします。

Profileのコピー

nrf_sniffer_for_bluetooth_le_4.1.1.zipを展開するとProfile_nRF_Sniffer_Bluetooth_LEフォルダが出現します。このフォルダをWiresharkのprofilesフォルダ配下にコピーします。

pyserialのインストール

依存関係であるpyserialをインストールします。この作業を忘れると正しく動作しません。

$ pip3 install pyserial

動作確認

エラーメッセージではなく、下記のようなメッセージが出てきたら成功です。

$ python nrf_sniffer_ble.py  --extcap-interfaces

2.4 Wiresharkの起動

うまく設定ができていると、下記のようにSnifferデバイスを認識する事ができます。

Snifferデバイスを選択すると、実際に飛び交っているアドバタイズパケットのキャプチャが始まります。

2.5 Snifferコードの一部修正

キャプチャを停止すると、invalid escape sequence \sというエラーメッセージが表示されます。このエラーを調べたところ、下記フォーラムに対応方法が記載されていました。コードを2箇所修正すると良さそうです。(2024年11月20日現在)

invalid escape sequence \s - Nordic Q&A - Nordic DevZone - Nordic DevZone

Line 187 Installed:         "{validation=^\s*((37|38|39)\s*,\s*){0,2}(37|38|39){1}\s*$}{required=true}" % CTRL_ARG_ADVHOP)

Line 187 My Edit:          "{validation=^\\s*((37|38|39)\\s*,\\s*){0,2}(37|38|39){1}\\s*$}{required=true}" % CTRL_ARG_ADVHOP)

Line 716 Installed:         m = re.search("^\s*rssi\s*(>=?)\s*(-?[0-9]+)\s*$", capture_filter, re.IGNORECASE)

Line 716 My Edit:         m = re.search("^\\s*rssi\\s*(>=?)\\s*(-?[0-9]+)\\s*$", capture_filter, re.IGNORECASE)

3.実験

今回はペリフェラルとしてESP32、セントラルとしてAndroidスマホを用意しました。Androidスマホには事前にnRF Connect for Mobileをインストールしておきます。

play.google.com

3.1 ESP32を使った準備

下記コードをArduino IDEもしくはPlatformIOを用いて、ESP32搭載ボードに書き込みます。

このコードは、iBeaconとして振る舞います。また、接続可能になっておりGATT通信によるService・Characteristicを提供しています。

#include <Arduino.h>
#include <BLEDevice.h>
#include <BLEServer.h>
#include <BLEUtils.h>
#include <BLE2902.h>
#include <BLEBeacon.h>

#define DEVICE_NAME         "ESP32"
#define BEACON_UUID_REV     "A134D0B2-1DA2-1BA7-C94C-E8E00C9F7A2D"
#define SERVICE_UUID        "7A0247E7-8E88-409B-A959-AB5092DDB03E"
#define CHARACTERISTIC_UUID "82258BAA-DF72-47E8-99BC-B73D7ECD08A5"

BLEServer *pServer;
BLECharacteristic *pCharacteristic;
bool deviceConnected = false;
uint8_t value = 0;
uint16_t loopcnt = 0;

class MyServerCallbacks : public BLEServerCallbacks {
  void onConnect(BLEServer *pServer) {
    deviceConnected = true;
    Serial.println("deviceConnected = true");
  };

  void onDisconnect(BLEServer *pServer) {
    deviceConnected = false;
    Serial.println("deviceConnected = false");

    // Restart advertising to be visible and connectable again
    BLEAdvertising *pAdvertising;
    pAdvertising = pServer->getAdvertising();
    pAdvertising->start();
    Serial.println("iBeacon advertising restarted");
  }
};

class MyCallbacks : public BLECharacteristicCallbacks {
  void onWrite(BLECharacteristic *pCharacteristic) {
    std::string rxValue = pCharacteristic->getValue();

    if (rxValue.length() > 0) {
      Serial.println("*********");
      Serial.print("Received Value: ");
      for (int i = 0; i < rxValue.length(); i++) {
        Serial.print(rxValue[i]);
      }
      Serial.println();
      Serial.println("*********");
    }
  }
};

void init_service() {
  BLEAdvertising *pAdvertising;
  pAdvertising = pServer->getAdvertising();
  pAdvertising->stop();
  BLEService *pService = pServer->createService(BLEUUID(SERVICE_UUID));
  pCharacteristic = pService->createCharacteristic(
    CHARACTERISTIC_UUID, BLECharacteristic::PROPERTY_READ | BLECharacteristic::PROPERTY_WRITE | BLECharacteristic::PROPERTY_NOTIFY
  );
  pCharacteristic->setCallbacks(new MyCallbacks());
  pCharacteristic->addDescriptor(new BLE2902());
  pAdvertising->addServiceUUID(BLEUUID(SERVICE_UUID));
  pService->start();
  pAdvertising->start();
}

void init_beacon(uint16_t seq_num) {
  BLEAdvertising *pAdvertising;
  pAdvertising = pServer->getAdvertising();
  pAdvertising->stop();
  BLEBeacon myBeacon;
  myBeacon.setManufacturerId(0x4c00);
  myBeacon.setMajor(5);
  myBeacon.setMinor(88);
  myBeacon.setSignalPower(0xc5);
  myBeacon.setProximityUUID(BLEUUID(BEACON_UUID_REV));
  BLEAdvertisementData advertisementData;
  advertisementData.setFlags(0x1A);
  advertisementData.setManufacturerData(myBeacon.getData());
  pAdvertising->setAdvertisementData(advertisementData);
  pAdvertising->start();
}

void setup() {
  Serial.begin(115200);
  Serial.println("Initializing...");
  BLEDevice::init(DEVICE_NAME);
  pServer = BLEDevice::createServer();
  pServer->setCallbacks(new MyServerCallbacks());
  init_service();
  init_beacon(loopcnt);
}

void loop() {
  if (deviceConnected) {
    Serial.printf("*** NOTIFY: %d ***\n", value);
    pCharacteristic->setValue(&value, 1);
    pCharacteristic->notify();
    value++;
  }
  delay(1000);
}

参考：

www.programmingelectronics.com

3.2 ESP32アドバタイズの様子

Passive Scan過程で飛んでいるADV_INDのパケットが見えますね。ADV_INDはAdvertising PDUの一種で「コネクション可能、スキャン可能」を表します。 iBeacon互換の信号を出しているので、Manufacture SpecificのCompayIDがApple, Inc.となっています。