feat(main): 将全局函数重构为单例类模式
- 将 debug_log 模块重构为 DebugLog 单例类，封装 UART、UDP 和环形缓冲区日志输出 - 将 health_monitor 模块重构为 HealthMonitor 单例类，统一健康状态管理和监控逻辑 - 更新 main.cpp 中的初始化调用，使用单例实例替代原有全局函数 - 添加健康监控任务作为第四个 FreeRTOS 任务，增强系统监控能力 - 更新固件版本从 0.2.11 到 0.3.0，反映架构重大变更
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小龙虾
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@@ -1,7 +1,9 @@
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/*
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/*
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* protocol.h - 帧格式、CRC16、AES 加密解密
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* T2.2, T1.3
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* ESP-IDF 6.0 适配版本 - 使用硬件 AES-128-CBC + 硬件 RNG
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* Protocol 类封装协议层功能。
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*/
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#ifndef PROTOCOL_H
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#define PROTOCOL_H
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@@ -50,115 +52,42 @@ typedef struct {
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} session_ctx_t;
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/**
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* @brief 初始化协议层资源，建立 CRC/AES 等基础能力的可用状态。
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* @brief 协议层类（单例）
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*
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* 封装 CRC16、AES-128-CBC、帧构建/解析、会话管理等功能。
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* 大部分方法为静态工具方法，单例仅持有初始化标志。
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*/
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void protocol_init(void);
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class Protocol {
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public:
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static Protocol& instance();
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/**
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* @brief 计算一段数据的 CRC16-Modbus 校验值。
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* @param data 待校验的数据指针。
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* @param len 数据长度（字节）。
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* @return CRC16 校验值。
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*/
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uint16_t crc16_modbus(const uint8_t *data, size_t len);
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void init();
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/**
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* @brief 按协议格式构建一帧数据，返回生成后的总帧长度。
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* @param cmd 命令码。
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* @param payload 负载数据指针，可为 NULL。
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* @param len 负载长度（字节）。
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* @param out_frame 输出帧缓冲区。
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* @return 帧总长度，失败返回 -1。
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*/
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int frame_build(uint8_t cmd, const uint8_t *payload, size_t len, uint8_t *out_frame);
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static uint16_t crc16Modbus(const uint8_t *data, size_t len);
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static int buildFrame(uint8_t cmd, const uint8_t *payload, size_t len, uint8_t *out_frame);
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static int parseFrame(const uint8_t *frame, size_t frame_len,
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uint8_t *out_cmd, uint8_t *out_payload, size_t *out_len);
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static int aesEncrypt(const uint8_t *plaintext, size_t len,
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const uint8_t *key, const uint8_t *iv,
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uint8_t *ciphertext_out);
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static int aesDecrypt(const uint8_t *ciphertext, size_t len,
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const uint8_t *key, const uint8_t *iv,
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uint8_t *plaintext_out);
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static void scrambleGenerate(uint32_t timestamp, uint32_t mem_addr,
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uint32_t rand_seed, uint8_t *nonce_out);
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static int sessionKeyInit(session_ctx_t *sess, const uint8_t *k_session);
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static void sessionKeyClear(session_ctx_t *sess);
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static int sessionEncrypt(session_ctx_t *sess, const uint8_t *in, size_t len, uint8_t *out);
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static int sessionDecrypt(session_ctx_t *sess, const uint8_t *in, size_t len, uint8_t *out);
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static void generateRandomNonce(uint8_t *nonce, size_t len);
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/**
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* @brief 解析一帧协议数据，提取命令字、负载和长度，失败返回 -1。
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* @param frame 待解析的帧数据。
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* @param frame_len 帧数据总长度。
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* @param out_cmd 输出参数，解析出的命令码。
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* @param out_payload 输出缓冲区，存放解析出的负载。
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* @param out_len 输出参数，负载实际长度。
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* @return 0 成功，-1 失败。
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*/
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int frame_parse(const uint8_t *frame, size_t frame_len,
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uint8_t *out_cmd, uint8_t *out_payload, size_t *out_len);
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private:
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Protocol() = default;
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~Protocol() = default;
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Protocol(const Protocol&) = delete;
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Protocol& operator=(const Protocol&) = delete;
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/**
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* @brief 使用 AES-128-CBC 对明文进行加密，返回密文长度，失败返回负值。
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* @param plaintext 明文数据。
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* @param len 明文长度（字节）。
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* @param key 128 位 AES 密钥。
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* @param iv 128 位 CBC 初始向量。
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* @param ciphertext_out 输出缓冲区，存放密文。
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* @return 密文长度，失败返回 -1。
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*/
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int protocol_aes_encrypt(const uint8_t *plaintext, size_t len,
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const uint8_t *key, const uint8_t *iv,
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uint8_t *ciphertext_out);
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/**
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* @brief 使用 AES-128-CBC 对密文进行解密，返回去除填充后的明文长度。
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* @param ciphertext 密文数据。
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* @param len 密文长度（字节，须为 16 的倍数）。
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* @param key 128 位 AES 密钥。
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||||
* @param iv 128 位 CBC 初始向量。
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* @param plaintext_out 输出缓冲区，存放解密后的明文。
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* @return 明文长度，失败返回 -1。
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*/
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int protocol_aes_decrypt(const uint8_t *ciphertext, size_t len,
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const uint8_t *key, const uint8_t *iv,
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uint8_t *plaintext_out);
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/**
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* @brief 根据时间戳、内存地址和随机种子生成 16 字节随机数。
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* @param timestamp 时间戳种子。
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* @param mem_addr 内存地址种子。
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* @param rand_seed 随机数种子。
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* @param nonce_out 输出缓冲区，存放生成的 16 字节随机数。
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*/
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void scramble_generate(uint32_t timestamp, uint32_t mem_addr,
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uint32_t rand_seed, uint8_t *nonce_out);
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/**
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* @brief 用给定会话密钥初始化会话上下文。
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* @param sess 待初始化的会话上下文。
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* @param k_session 128 位会话密钥。
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* @return 0 成功，-1 失败。
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*/
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int session_key_init(session_ctx_t *sess, const uint8_t *k_session);
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/**
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* @brief 清除会话上下文中的密钥与状态信息。
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* @param sess 待清除的会话上下文。
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*/
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void session_key_clear(session_ctx_t *sess);
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/**
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||||
* @brief 使用当前会话上下文对输入数据执行加密。
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* @param sess 会话上下文。
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* @param in 输入明文。
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* @param len 数据长度。
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* @param out 输出密文缓冲区。
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* @return 密文长度，失败返回 -1。
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*/
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||||
int session_encrypt(session_ctx_t *sess, const uint8_t *in, size_t len, uint8_t *out);
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||||
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||||
/**
|
||||
* @brief 使用当前会话上下文对输入数据执行解密。
|
||||
* @param sess 会话上下文。
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||||
* @param in 输入密文。
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||||
* @param len 数据长度。
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||||
* @param out 输出明文缓冲区。
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||||
* @return 明文长度，失败返回 -1。
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||||
*/
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||||
int session_decrypt(session_ctx_t *sess, const uint8_t *in, size_t len, uint8_t *out);
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/**
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||||
* @brief 使用 ESP-IDF 硬件 RNG 生成指定长度的随机数。
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||||
* @param nonce 输出缓冲区。
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||||
* @param len 随机数字节数。
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*/
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||||
void generate_random_nonce(uint8_t *nonce, size_t len);
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bool m_initialized = false;
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};
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#endif // PROTOCOL_H
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