物聯網的Wi-Fi直連技術概述與分析

馮宗越，徐媛媛

(1.中國聯合網絡通信有限公司安徽省分公司，合肥 230001；2.安徽涉外經濟職業學院)

物聯網的Wi-Fi直連技術概述與分析

馮宗越1，徐媛媛2

(1.中國聯合網絡通信有限公司安徽省分公司，合肥 230001；2.安徽涉外經濟職業學院)

隨著互聯網絡的發展，人們的日常生活愈來愈離不開網絡技術的發展和支撐。Wi-Fi技術作為網絡技術的重要組成技術，如今被廣泛應用于互聯網、互聯網+以及物聯網等諸多領域。這些傳統的Wi-Fi網絡技術通信普遍采用了客戶端/服務器(C/S)模式。而Wi-Fi直連技術的誕生打破了原有的網絡通信模式，可以實現設備與設備之間直接的互通互聯，也進一步擴展了互聯網+、物聯網等諸多應用場景。

物聯網；Wi-Fi直連技術；無線網絡

引 言

無線網絡是計算機網絡的一種，消除了有線網絡布線困難、使用不便且不宜檢測故障等缺點。無線網絡發展中最熱的無線局域網(WLAN)采用IEEE802.11標準。無線局域網可分為有固定基礎設施的和無固定基礎設施的無線網[1]。

無線局域網可以根據不同的層次、業務、技術和標準進行分類，根據網絡的拓撲和應用要求可以分為Peer to Peer(對等式)、Infrastructure(基礎結構式)和接入、中繼等[2,6]。

無線局域網從網絡架構上分為獨立型網絡結構(Ad Hoc)和基礎網絡結構兩種。

(1) 獨立型網絡結構

獨立型網絡結構不需要中間介質的支持，站點之間可以進行網絡通信。一組有無線網卡的計算機或者其他設置組成了這種獨立型網絡結構。為了實現這種對等方式的連接，它們必須擁有相同的工組名、ESSID和密碼，否則這個獨立型網絡搭建就會失敗，反之，就可以實現點對點(P2P)與點對多點(P2MP)之間的通信[3]。

(2) 基礎網絡結構

基礎網絡結構最明顯的特征就是以無線介質為中心，向其余具有無線網卡的無線終端提供連接，實現連接必須先通過無線網橋、無線接入網關、無線接入控制器和無線接入服務器等才能構建起這個基礎的網絡構架，這種結構可以把多種復雜的無線局域網組建成一個更復雜強大的網絡，實現更多無線移動辦公的接入。

基礎網絡結構又可以細分為兩種：BSS和ESS。在BSS中，站點間無法進行通信，也就是BSS離不開無線接入點AP，需要依靠AP提供無線連接，并為站點之間的數據通信提供中繼轉發功能。

ESS是一種基礎結構的應用，一個或多個以上的BSS即可被定義成一個ESS，使用者可在ESS上漫游以及獲取BSS中的任何資料，其中AP必須設定相同的ESSID及信道才能允許漫游。

基于IEEE802.11相關系列的分析和了解，本文將進一步研究無線基礎設施網絡，使用這些技術可以實現兩個設備的點對點通信，或者點對多點通信。

1 Ad Hoc技術

Ad Hoc網絡，又名Manet(Mobile Ad Hoc Network)，區別于C/S無線網絡構架，Ad Hoc網絡由IEEE802.11標準委員會于1991年命名[1]，用來描述這種自組織對等式多跳無線通信框架技術。Ad Hoc網絡沒有中心，由若干移動節點終端構成，且有多跳、臨時、自組織等特點。

Ad Hoc結構不需要無線中介設備AP就可以使一定區域內的設備實現相互通信，且這種網絡是一種對等的網絡，任何設備在該網絡架構中都是平等的。只需該設備有無線網卡，Ad Hoc結構就允許該設備進入網絡中。實現這種通信模式的原理是選擇該網絡體系中的一臺設備建立主機直連，其實相當于虛擬一個基礎網絡框架中的AP接入點，這樣就可以實現點對點的網絡互連。在這種網絡中，另一個需要通信的設備可能不在無線的覆蓋范圍，即直接的點對點通信可能無法實現，這樣就需要借助其他的節點把數據進行分組轉發。這樣對每個節點來說，不僅僅是一個節點同時還相當于是一個路由器，使之具有發現以及維持其他路由節點的功能。同時基于IP的分組交換技術被應用到了Ad Hoc網絡，可以在2～6 GHz頻段上提供2～59 Mbp/s速率的數據業務和多媒體業務。

Ad Hoc網絡的前身是分組無線網(Packet Radio Network)。其實早在1972年，美國為了滿足在戰場環境下的通信需要就開始了分組無線網項目的相關研究工作。分組無線網也一直在提高抗破壞性、高速通信上進行研究，為Ad Hoc網絡發展奠定了基礎。

在Ad Hoc網絡中的所有結點的共性是必須具備報文轉發能力，因為不需要中間的路由器等設備，所以這種通信模式可能不會直接達到目的地址，而需要被多個節點進行分組轉發，稱之為多跳(MultiHop)，也稱為多跳網，這也是Ad Hoc網絡與其他形式的移動網絡的最根本區別。為了使Ad Hoc網絡能夠自組織運行，就需要每個結點都具有分層的網絡協議和分布式算法，所以也稱為自組織網絡(Self Organized Network)，Ad Hoc網絡同時又可以稱為無固定設施網絡(Infrastructureless Network)。

從另一層面上說，Ad Hoc網絡是由一組組節點組成，節點對相互協作有著很高的要求，同時對交換信息、信息共享、服務共享、無線鏈路之間通信也有著很高的訴求。Ad Hoc網絡并不像基礎網絡的各個網絡節點，兩者之間正好相反，前者的節點極其不穩定，節點隨時有可能會離開網絡、動態加入該網絡等，而這些動作不會給整個網絡發送信號，而且離開或者進入不會影響其他節點的通信。移動Ad Hoc網絡節點可以快速地移動，一方面起到路由器的功能，里面要有相關的路由協議，發現相關路由和維護路由等；另一方面又作為主機來運行應用，獲取和處理數據，在實現數據分組的發送和接收時依然進行無線通信。因此，網絡節點在網絡中的位置不是唯一的，沒有通信鏈路的網絡也會時有發生。用戶可以采用IEEE802.11無線網卡Ad Hoc模式來構建Ad Hoc網絡。

下面介紹一下Ad Hoc網絡的特點：

① 自組織和自管理：Ad Hoc網絡不存在網絡中心概念，要求網絡具有自組織、自管理、自維護的特性，同樣要求有自主的分布式控制方法。

② 分布式結構：Ad Hoc網絡中，節點具有平等性，且都能獨立地進行數據的分組轉發，每個站點同時具有路由器特性和主機特性，站點之間相互協調。站點的網絡路由協議為了網絡的魯棒和抗毀性采用了分布式的控制方式。

③ 動態拓撲：Ad Hoc網絡利用自身終端節點就可以迅速地建立一個通信網絡。網絡節點可以隨時移動，也可以隨時進入或離開，這些都會使網絡的拓撲結構隨時發生變化[6]，具有高度的動態變化特性。

④ 鏈路寬帶有限且時變：Ad Hoc網絡是動態拓撲的，導致節點轉發的非自身的信息量處在一個動態的變化中。自組網依然是建立在無線通信傳輸技術之上，這也決定了其可提供的信道要遠遠小于有線網絡寬帶，同時無線網絡的共享競爭信道受信號碰撞衰減、噪音干擾、信道間干擾等因素影響，也使得實際帶寬和理論寬帶值相差甚大。

下面介紹一下Ad Hoc網絡的應用領域：

① 由于Ad Hoc網絡與基礎設施網絡有著巨大的不同，所以應用的領域也不同，形成互補。Ad Hoc網絡多被用于沒有基礎設施網絡而需要快速搭建通信網絡的場景，而Ad Hoc 網絡是在軍事需求中產生的，故Ad Hoc網絡必然主要被用于軍事領域。

② 自然災難后，一些基礎的網絡設施遭到破壞，此時就會需要能夠快速布局和組件的Ad Hoc網絡，同樣在通信設施落后地區，基礎設施鋪設的造價過高，這些場所使用Ad Hoc組網是一個不錯的選擇。

③ Ad Hoc也被應用到無線傳感器網絡中，利用其節能、體積小等優點。同時Ad Hoc網絡也被廣泛應用到了個人局域網(Personal Area Network，PAN)，可以滿足移動終端之間通信的需求。個人局域網間的多跳通信也多是用Ad Hoc網絡技術實現的。

2 Wi-Fi Direct技術

Wi-Fi Direct技術是Wi-Fi聯盟推出的另外一項重要技術規范Wi-Fi P2P，并且將其命名為“Wi-Fi Direct”。Wi-Fi Direct技術標準正式發布于2010年10月，Wi-Fi Direct標準允許無線網絡中的設備無需中間網絡設備即可實現互聯。該技術與藍牙技術類似，但是這種技術比藍牙效率高。Wi-Fi Direct既支持點對點直連，也支持點對多點連接，并且Wi-Fi Direct標準會兼容所有的Wi-Fi設備，從11a/b/g至11n等標準。Wi-Fi Direct技術與傳統的Wi-Fi網絡結構對比如圖1所示。

圖1 傳統Wi-Fi網絡與Wi-Fi Direct對比圖

從圖中可以看到，傳統的Wi-Fi網絡必須有一個AP接入點，所有的客戶端通過該AP來進行連接通信，而圖中的Client1和Client2之間不能直接進行通信。Wi-Fi Direct之間省去了AP接入點，Client1與Client2直接可以通信，同時Client1也可以作為Group Owner和多個Client建立點對多通信。除此之外，Wi-Fi Direct設備能夠以中繼模式(STA)加入基礎設施網絡。

實際上Wi-Fi Direct技術模仿了Infrastructure BSS網絡結構。它在組件Wi-Fi Direct Group(即P2P Network)之前，每個智能終端都是一個Wi-Fi Direct Device。當這些Wi-Fi Direct Device在連接之前必須首先進行設備間點對點協商這個過程，這個過程的結果是選擇其中的一個設備當且僅有一個設備充當GO角色(AP，接入點)，這樣其他的設備選擇Client來連接這個扮演GO角色的設備。

為了保證Wi-Fi Direct的數據傳輸速率，要求支持Wi-Fi Direct的設備必須要支持IEEE802.11g及更高標準的技術規范。其中，安全部分必須支持WPA2。由于Wi-Fi Direct被應用在設備之間共享媒體數據的主要場景中，所以WMM(Wi-Fi MultiMedia，針對于音頻和視頻數據的傳輸)必須被 Wi-Fi Direct Device支持。

Wi-Fi Direct規范除了支持Wi-Fi Direct Discovery、Wi-Fi Direct Group Operation以及Wi-Fi Direct PowerManagement以外，還定義了一個可選技術項，名為Managed Wi-Fi Direct Device Operation，該技術項定義了在企業級環境中，方便對Wi-Fi Direct設備進行統一配置和管理。

3 AP直連模式

無線AP(Access Point)，也稱為無線接入點，是在無線終端設備與無線網絡之間建立起通信的橋梁。在無線網絡中充當數據接收和發送的功能，類似于有線網絡中的集線器。無線AP的主要技術基于IEE802.11相關協議，提供更廣闊的Wi-Fi傳輸距離，為無線終端提供網絡接入服務[5-7]。

為了讓終端連接到互聯網，AP主要是提供網絡的廣播和數據的分發和轉接，其服務集標識也稱為網絡名稱(SSID，Service Set Identifier)。一個局域網可以用服務集標識來劃分不同的子網，每個子網不局限于采用統一身份驗證。終端想要連入哪一個子網就需要通過哪個子網的身份驗證，防止未被授權的用戶進入網絡。簡而言之，SSID就是無線局域網的網絡名稱，只有通過驗證的終端才能與之連接。

為了保證用戶身份驗證的安全性，其有著相對完善的密鑰加密，例如WEP、WPA、WP2、PSK等。除了密鑰加密外還有MAC地址過濾來禁止非法的MAC主機接入，具有高度安全性，為了有良好的無線應用環境，這些措施模塊尤為重要。身份驗證同樣不能過于復雜，這樣會影響用戶的使用體驗以及便利性。以下將對熱點接入過程作出分析：

① 當客戶端要連接AP熱點時，客戶端首先發出探測(Probe)請求，主動探測每個通信信道。

② 熱點響應探測，無線熱點接收到客戶端發送的探測請求后，會響應該客戶端的探測請求。

③ 客戶端請求驗證，當客戶端選擇好特定的無線接入熱點之后，向其發送驗證消息。

④ 熱點響應驗證，即無線熱點響應驗證信息。

⑤ 當客戶端通過熱點的驗證成功，客戶端會繼續向該無線熱點發送連接請求。

⑥ 無線熱點響應連接請求并連接。

在客戶端探測無線網絡熱點中，有兩種方式可以實現周邊可探測的無線網絡熱點。

第一種是主動掃描，無線設備通過發送探測請求和探測響應來發現無線訪問熱點。主動掃描有兩種情形：一種是無線設備發送的探測請求攜帶有指定的無線網絡的SSID，即在探測請求中攜帶了要連接的SSID，所有的無線熱點中的訪問熱點符合探測請求中攜帶的SSID時，這些匹配的AP就會進行響應(使用探測響應包含網絡SSID、加密算法、支持的網絡速率等參數)[9]；二是無線設備發送的探測請求中不攜帶有指定的無線網絡SSID，即客戶端發送的探測請求沒有攜帶指定的SSID時，則只要所有能夠覆蓋的范圍內能接收到該探測請求的所有無線AP訪問點都會進行響應，這些探測響應包含網絡SSID、信號強度、加密算法、支持的網絡速率等參數。

第二種方式是被動掃描，即無線設備不會像第一種方式一樣主動去掃描周圍的無線信號，而是由主動掃描信號變為被動接收信標(包含網絡名、加密方式、加密算法、支持的速率等參數)，用接收到的被發送過來的信標來發現無線接入點。這種被動方式會首先選擇信號質量較好的無線接入點。

主動掃描首先需要客戶端向周邊進行廣播探測，從甄別到最終連接無線熱點比被動掃描要花費一些額外的時間；而被動的掃描不會主動地去探測周邊的無線接入點，而是被動地接收附近的無線熱點發出的信標幀。其實在特定的頻率段，當主動掃描不可以用的時候，也可以通過被動掃描來進行甄別[9]。

由于其技術并不是特別復雜，在智能設備、移動終端上的應用也已經十分成熟，而市場上的各種智能設備或智能終端配置有Wi-Fi模塊已經成了一種必備的功能，例如PSP、IPAD、平板、筆記本等，而這些智能設備不僅可以連接無線網絡同時也可以使能AP，使這些設備成為一個移動的無線訪問點，這樣就可以實現設備之間的直接連接，進而實現設備之間的直連通信，同時這種方式也滿足點對多點的通信需求。該模式類似于Ad Hoc技術和Wi-Fi Direct技術。

結 語

[1] 余建平,于根堅,李曉穎,等.無線網絡技術[M].北京:清華大學出版社,2103.

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[3] 甘翼.無線局域網發展及軍事應用前景分析[J].通信技術,2012,45(2):1-5.

[4] 魏恒璐,盧選民.基于JXTA的無線D2D通信系統的研究與實現[J].微型機與應用,2013(16).

[5] 尹圣明.基于WIFI的智能手機P2P服務設計與實現[D].北京:北京郵電大學,2009.

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[7] William Stallings.Wireless Communications and Networks(Second Edition)[M].北京:電子工業出版社,2005.

[8] 姚程.無線網絡媒體訪問控制協議研究[D].合肥:中國科學技術大學,2009.

[9] 劉向宇.IEEE802.11MAC協議中分布式協調功能(DCF)和熱點協調功能(PCF)的軟件實現[D].南京:東南大學,2003.

馮宗越(碩士研究生)，主要研究方向為人工智能與模式識別。

參考文獻

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[8] 張路平,韓建濤,李飚,等.尺度自適應特征壓縮跟蹤[J].國防科技大學學報,2013,35(5):146-151.

[9] 李強,莊麗葵,曹云峰,等.面向固定翼無人機的視覺導引仿真系統設計與實現[J].云南名族大學學報:自然科學版,2015,24(4):325-329.

吳良晶(碩士研究生)，研究領域為計算機視覺；曹云峰(教授)，研究領域為無人機飛行控制與導航；丁萌(副教授)，研究領域為計算機視覺、無人機導航、制導與控制、紅外目標檢測；莊麗葵(講師)，研究領域為視覺導航技術。

(責任編輯：薛士然 收稿日期：2017-02-24)

Overview and Analysis of Wi-Fi Driect Technology in IoT

Feng Zongyue1,Xu Yuanyuan2

(1.Anhui Branch of China United Network Communications Corp,Hefei 230001,China;2.Anhui Foreign Economic Career Academy)

With the development of the Internet,people’s daily life more and more cannot do without the development of network technology and support.The Wi-Fi technology is an important component of the network technology.It is widely used in the Internet,Internetplus and IoT now.The Wi-Fi communication technology is also widely used in the traditional client/server(C/S)mode.The birth of Direct Wi-Fi technology has broken the original mode of network communication,can achieve the direct intercommection between the equipments,that expands the application scenarios.

IoT;Wi-Fi direct technology;wireless network

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2017-02-06)