IoT設備WiFi配网及(jí)現(xiàn)狀

由(yóu)上(shàng)图(tú)可(kě)見(jiàn)，APP和(hé)智能(néng)産品之(zhī)間(jiān)並(bìng)沒(méi)有(yǒu)直(zhí)接的(de)交互，而(ér)是(shì)夹雜了”云“端(當然，我(wǒ)们(men)也可(kě)以(yǐ)直(zhí)接走(zǒu)局(jú)域网)。
問(wèn)題(tí)来(lái)了：智能(néng)硬(yìng)件(jiàn)如(rú)智能(néng)插座、智能(néng)空(kōng)调、智能(néng)空(kōng)气净化器等，由(yóu)于(yú)不(bù)具備人(rén)機(jī)交互界面(miàn)，所以(yǐ)不(bù)能(néng)像電(diàn)腦一樣(yàng)的(de)搜索、選擇指定(dìng)的(de)AP並(bìng)輸入(rù)連(lián)接密碼。
WiFi配网，就(jiù)是(shì)用(yòng)来(lái)解(jiě)决智能(néng)設備的(de)聯网需求的(de)。進(jìn)一步来(lái)说(shuō)就(jiù)是(shì)通(tòng)过(guò)某種(zhǒng)方(fāng)式把(bǎ)AP的(de)名(míng)稱(SSID)和(hé)密碼(PWD)告知智能(néng)設備中的(de)WiFi模块(kuài)，之(zhī)後(hòu)智能(néng)設備根(gēn)據(jù)收(shōu)到(dào)的(de)SSID和(hé)密碼連(lián)接指定(dìng)AP。

二(èr)、主流配网方(fāng)式

目前(qián)流行的(de)WiFi配置模式一般有(yǒu)以(yǐ)下(xià)两(liǎng)種(zhǒng):
1、SoftAP配网：智能(néng)設備的(de)WiFi模块(kuài)切(qiè)換到(dào)AP模式，手(shǒu)機(jī)作(zuò)为(wèi)STA連(lián)接智能(néng)設備的(de)AP，之(zhī)後(hòu)双(shuāng)方(fāng)通(tòng)过(guò)建立一个(gè)Socket連(lián)接交互數據(jù)(之(zhī)前(qián)双(shuāng)方(fāng)約定(dìng)好(hǎo)端口(kǒu))。
2、快(kuài)連(lián)/一鍵配置模式：手(shǒu)機(jī)APP把(bǎ)相應(yìng)信(xìn)息打(dǎ)包(bāo)到(dào)802.11數據(jù)包(bāo)的(de)特(tè)定(dìng)區(qū)域，發(fà)送到(dào)周圍环(huán)境中；智能(néng)設備的(de)WiFi模块(kuài)處(chù)于(yú)混雜模式(Promiscuous Model)下(xià)，監听(tīng)网絡中的(de)所有(yǒu)報文(wén)，直(zhí)到(dào)解(jiě)析出(chū)需要(yào)的(de)信(xìn)息(之(zhī)前(qián)双(shuāng)方(fāng)約定(dìng)好(hǎo)數據(jù)格式)。

可(kě)見(jiàn)，两(liǎng)者(zhě)都需要(yào)WiFi硬(yìng)件(jiàn)的(de)支持。SoftAP方(fāng)式需要(yào)硬(yìng)件(jiàn)支持AP模式，快(kuài)連(lián)/一鍵配置方(fāng)式需要(yào)硬(yìng)件(jiàn)支持混雜模式(有(yǒu)些(xiē)WiFi芯片(piàn)廠(chǎng)家(jiā)为(wèi)了省(shěng)電(diàn)關(guān)閉了混雜模式)。

三(sān)、SoftAP配网

/etc/wifi/hostapd.conf配置文(wén)件(jiàn)示例：

/etc/wifi/udhcpd.conf配置文(wén)件(jiàn)示例：

其(qí)次(cì)，智能(néng)設備起(qǐ)一个(gè)socket等待設備連(lián)接自(zì)己，之(zhī)後(hòu)双(shuāng)方(fāng)通(tòng)过(guò)socket通(tòng)信(xìn)。智能(néng)設備收(shōu)到(dào)WiFi信(xìn)息，保存到(dào)/etc/wifi/wpa_supplicant.conf文(wén)件(jiàn)

最後(hòu)，智能(néng)設備退(tuì)出(chū)AP模式並(bìng)連(lián)接指定(dìng)的(de)路由(yóu)器。腳(jiǎo)本(běn)示例：

四、快(kuài)連(lián)/一鍵配置

4.1 無線(xiàn)网卡(kǎ)的(de)工作(zuò)模式

無線(xiàn)网卡(kǎ)是(shì)采用(yòng)無線(xiàn)信(xìn)号(hào)進(jìn)行數據(jù)传輸的(de)終(zhōng)端。無線(xiàn)网卡(kǎ)通(tòng)常包(bāo)括 4 種(zhǒng)模式，分(fēn)别是(shì)廣播模式、多(duō)播模式、直(zhí)接模式和(hé)混雜模式。如(rú)果(guǒ)用(yòng)戶想(xiǎng)要(yào)監听(tīng)网絡中的(de)所有(yǒu)信(xìn)号(hào)，則需要(yào)将网卡(kǎ)設置为(wèi)監听(tīng)模式。監听(tīng)模式就(jiù)是(shì)指混雜模式，下(xià)面(miàn)将对(duì)网卡(kǎ)的(de)幾(jǐ)種(zhǒng)工作(zuò)模式進(jìn)行詳细(xì)介紹。如(rú)下(xià)所述：
（1）廣播模式（BroadCast Model）：它(tā)的(de)物(wù)理地(dì)址（Mac）是(shì) 0XFFFFFF 的(de)幀为(wèi)廣播幀，工作(zuò)在(zài)廣播模式的(de)网卡(kǎ)接收(shōu)廣播幀。
（2）多(duō)播传送（MultiCast Model）：多(duō)播传送地(dì)址作(zuò)为(wèi)目的(de)物(wù)理地(dì)址的(de)幀可(kě)以(yǐ)被(bèi)組内的(de)其(qí)他(tā)主機(jī)同(tóng)时(shí)接收(shōu)，而(ér)組外(wài)主機(jī)卻接收(shōu)不(bù)到(dào)。但是(shì)，如(rú)果(guǒ)将网卡(kǎ)設置为(wèi)多(duō)播传送模式，它(tā)可(kě)以(yǐ)接收(shōu)所有(yǒu)的(de)多(duō)播传送幀，而(ér)不(bù)論它(tā)是(shì)不(bù)是(shì)組内成員。
（3）直(zhí)接模式（Direct Model）：工作(zuò)在(zài)直(zhí)接模式下(xià)的(de)网卡(kǎ)只(zhī)接收(shōu)目的(de)地(dì)址是(shì)自(zì)己 Mac地(dì)址的(de)幀。
（4）混雜模式（Promiscuous Model）：工作(zuò)在(zài)混雜模式下(xià)的(de)网卡(kǎ)接收(shōu)所有(yǒu)的(de)流过(guò)网卡(kǎ)的(de)幀，通(tòng)信(xìn)包(bāo)捕獲程序就(jiù)是(shì)在(zài)这(zhè)種(zhǒng)模式下(xià)运行的(de)。

4.2 快(kuài)連(lián)/一鍵配置概述

一鍵配置通(tòng)过(guò)802.11數據(jù)包(bāo)的(de)特(tè)定(dìng)區(qū)域传輸數據(jù)。802.11是(shì)IEEE制定(dìng)的(de)無線(xiàn)局(jú)域网協議，以(yǐ)802.2的(de)邏輯鍊(liàn)路控制封裝(zhuāng)来(lái)攜带(dài)IP封包(bāo)，因(yīn)此(cǐ)能(néng)夠以(yǐ)802.2 SNAP格式接收(shōu)無線(xiàn)网絡數據(jù)。如(rú)果(guǒ)開(kāi)啟wifi芯片(piàn)的(de)混雜模式監听(tīng)空(kōng)間(jiān)中的(de)無線(xiàn)信(xìn)号(hào)，就(jiù)会(huì)得到(dào)如(rú)下(xià)图(tú)所示的(de)數據(jù)包(bāo)： 

從無線(xiàn)信(xìn)号(hào)監听(tīng)方(fāng)的(de)角(jiǎo)度(dù)来(lái)说(shuō)，不(bù)管(guǎn)無線(xiàn)信(xìn)道(dào)有(yǒu)沒(méi)有(yǒu)加密，Length、Destination、BSSID、Source、Seq、FCS字(zì)段(duàn)總(zǒng)是(shì)暴露(lù)的(de)，因(yīn)此(cǐ)實(shí)用(yòng)信(xìn)号(hào)監听(tīng)方(fāng)法(fǎ)存在(zài)從这(zhè)些(xiē)字(zì)段(duàn)獲取(qǔ)信(xìn)息的(de)可(kě)能(néng)。但從發(fà)送方(fāng)的(de)角(jiǎo)度(dù)来(lái)说(shuō)，由(yóu)于(yú)操作(zuò)系(xì)統的(de)限制(比如(rú)ISO或(huò)者(zhě)Android)，BSSID、Source、Seq、FCS等字(zì)段(duàn)的(de)控制需要(yào)很高的(de)控制權限，發(fà)送方(fāng)一般是(shì)很難拿到(dào)的(de)。綜合这(zhè)些(xiē)客觀条(tiáo)件(jiàn)，目前(qián)有(yǒu)組播方(fāng)式和(hé)廣播方(fāng)式两(liǎng)種(zhǒng)一鍵配置發(fà)包(bāo)手(shǒu)段(duàn)来(lái)完成信(xìn)息的(de)传輸。

4.3 快(kuài)連(lián)/一鍵配置數據(jù)編碼

 應(yìng)用(yòng)层(céng)主要(yào)将一鍵配置相關(guān)的(de)SSID和(hé)密碼信(xìn)息經(jīng)过(guò)一定(dìng)規則編碼後(hòu)進(jìn)行传輸。一鍵配置應(yìng)用(yòng)层(céng)數據(jù)編碼如(rú)下(xià)表(biǎo)：

4.4 組播一鍵配置分(fēn)量(liàng)

由(yóu)于(yú)802.11處(chù)理組播时(shí)具有(yǒu)Destination的(de)後(hòu)三(sān)字(zì)节(jié)與(yǔ)目的(de)組播地(dì)址後(hòu)三(sān)字(zì)节(jié)相同(tóng)的(de)特(tè)性(xìng)，在(zài)實(shí)際使用(yòng)中可(kě)以(yǐ)使用(yòng)組播地(dì)址的(de)变化来(lái)传遞信(xìn)息。而(ér)MAC地(dì)址是(shì)以(yǐ)太网二(èr)层(céng)使用(yòng)的(de)一个(gè)48bit（6字(zì)节(jié)十(shí)六(liù)進(jìn)制數）的(de)地(dì)址，用(yòng)来(lái)标(biāo)識設備位(wèi)置。MAC地(dì)址分(fēn)成两(liǎng)部(bù)分(fēn)，前(qián)24位(wèi)是(shì)組織唯一标(biāo)識符（OUI, Organizationally unique identifier），後(hòu)24位(wèi)由(yóu)廠(chǎng)商自(zì)行分(fēn)配。MAC地(dì)址有(yǒu)單播、組播、廣播之(zhī)分(fēn)。單播地(dì)址(unicast address)表(biǎo)示單一設備、节(jié)點(diǎn)，多(duō)播地(dì)址或(huò)者(zhě)組播地(dì)址(multicast address、group address)表(biǎo)示一組設備、节(jié)點(diǎn)，廣播地(dì)址(broadcast address)是(shì)組播的(de)特(tè)例，表(biǎo)示所有(yǒu)地(dì)址，用(yòng)全(quán)F表(biǎo)示：FF-FF-FF-FF-FF-FF。當然，三(sān)层(céng)的(de)IP地(dì)址也有(yǒu)單播、組播、廣播之(zhī)分(fēn)。MAC的(de)結構如(rú)下(xià)图(tú)：

使用(yòng)組播完成一鍵配置时(shí)，802.11數據(jù)包(bāo)的(de)Destination字(zì)段(duàn)中的(de)Organization Assigned Portion的(de)内容即为(wèi)發(fà)送方(fāng)填写(xiě)的(de)組播地(dì)址的(de)後(hòu)23Bit。每一次(cì)發(fà)包(bāo)过(guò)程可(kě)以(yǐ)传輸23Bit，整个(gè)發(fà)包(bāo)过(guò)程先(xiān)發(fà)Version數據(jù)，然後(hòu)再發(fà)Data數據(jù)。循环(huán)連(lián)續發(fà)送，每包(bāo)數據(jù)的(de)間(jiān)隔为(wèi)10ms，直(zhí)到(dào)設備拿到(dào)所有(yǒu)信(xìn)息並(bìng)校(xiào)验(yàn)通(tòng)过(guò)，然後(hòu)通(tòng)过(guò)Socket通(tòng)知發(fà)送端。

为(wèi)了提(tí)高可(kě)靠性(xìng)，組播發(fà)包(bāo)的(de)过(guò)程的(de)两(liǎng)个(gè)階(jiē)段(duàn)必須按照一定(dìng)規則進(jìn)行編碼和(hé)校(xiào)验(yàn)。

4.5 廣播一鍵配置分(fēn)量(liàng)

一鍵配置還(huán)可(kě)以(yǐ)基于(yú)Length这(zhè)一字(zì)段(duàn)传輸信(xìn)息，發(fà)送方(fāng)可(kě)以(yǐ)通(tòng)过(guò)改变其(qí)所需要(yào)發(fà)送數據(jù)包(bāo)的(de)长(cháng)度(dù)進(jìn)行很方(fāng)便的(de)控制。所以(yǐ)，只(zhī)要(yào)制定(dìng)出(chū)一套(tào)利用(yòng)长(cháng)度(dù)編碼的(de)通(tòng)信(xìn)協議，就(jiù)可(kě)利用(yòng)802.2 SNAP數據(jù)包(bāo)中的(de)Length字(zì)段(duàn)進(jìn)行信(xìn)息传遞。

在(zài)實(shí)際應(yìng)用(yòng)中，我(wǒ)们(men)采用(yòng)UDP廣播包(bāo)作(zuò)为(wèi)信(xìn)息的(de)载體(tǐ)。信(xìn)息發(fà)送方(fāng)向(xiàng)空(kōng)間(jiān)中發(fà)送一系(xì)列的(de)UDP廣播包(bāo)，其(qí)中每一包(bāo)的(de)长(cháng)度(dù)(即Length字(zì)段(duàn))都按照一定(dìng)的(de)規範進(jìn)行編碼，信(xìn)息接收(shōu)方(fāng)利用(yòng)混雜模式監听(tīng)空(kōng)間(jiān)中的(de)無線(xiàn)信(xìn)号(hào)，並(bìng)從數據(jù)鍊(liàn)路层(céng)截取(qǔ)802.2 SNAP格式數據(jù)包(bāo)，便可(kě)得到(dào)已編碼的(de)Length字(zì)段(duàn)，随後(hòu)接收(shōu)方(fāng)便可(kě)根(gēn)據(jù)協議解(jiě)析出(chū)需要(yào)的(de)信(xìn)息。整个(gè)廣播發(fà)包(bāo)过(guò)程分(fēn)成同(tóng)步階(jiē)段(duàn)、Version階(jiē)段(duàn)，Data階(jiē)段(duàn)，其(qí)中同(tóng)步階(jiē)段(duàn)的(de)數據(jù)包(bāo)發(fà)包(bāo)間(jiān)隔为(wèi)5ms，Verson和(hé)數據(jù)的(de)發(fà)包(bāo)間(jiān)隔为(wèi)10ms，每輪結束(shù)後(hòu)暫停50ms。同(tóng)步階(jiē)段(duàn)需要(yào)持續發(fà)送2秒(miǎo)鐘(zhōng)，Version和(hé)數據(jù)階(jiē)段(duàn)需要(yào)連(lián)續發(fà)送20次(cì)为(wèi)一輪，然後(hòu)不(bù)断重(zhòng)複發(fà)送同(tóng)步階(jiē)段(duàn)和(hé)數據(jù)階(jiē)段(duàn)，如(rú)图(tú)所示：

五(wǔ)、WiFi配网應(yìng)用(yòng)現(xiàn)狀

快(kuài)連(lián)/一鍵配置暴露(lù)的(de)問(wèn)題(tí)：
（1）目前(qián)家(jiā)庭用(yòng)的(de)路由(yóu)器無線(xiàn)网絡的(de)模式有(yǒu)802.11b only ,802.11g only, 802.11n only,802.11bg mixed,802.11bgn mixed，路由(yóu)上(shàng)默認的(de)設置幾(jǐ)乎全(quán)部(bù)为(wèi)802.11n only和(hé)802.11bgn mixed等高速路由(yóu)模式，手(shǒu)機(jī)本(běn)身(shēn)發(fà)送的(de)UDP廣播/組播包(bāo)的(de)速率也快(kuài)，而(ér)智能(néng)設備的(de)WiFi模块(kuài)由(yóu)于(yú)性(xìng)能(néng)限制，其(qí)在(zài)處(chù)理速度(dù)上(shàng)可(kě)能(néng)無法(fǎ)抓取(qǔ)完整的(de)信(xìn)息，導致(zhì)快(kuài)連(lián)/一鍵配置失敗。

（2）配网环(huán)境中如(rú)果(guǒ)存在(zài)多(duō)个(gè)同(tóng)類(lèi)型並(bìng)且(qiě)處(chù)于(yú)快(kuài)連(lián)/一鍵配置的(de)設備，可(kě)能(néng)存在(zài)多(duō)个(gè)設備都被(bèi)連(lián)上(shàng)了路由(yóu)器。

（3）配网过(guò)程中有(yǒu)相似的(de)同(tóng)频無線(xiàn)信(xìn)号(hào)的(de)干(gàn)擾，也有(yǒu)幾(jǐ)率導致(zhì)失敗。

綜上(shàng)，在(zài)當前(qián)“高性(xìng)能(néng)手(shǒu)機(jī)+高速路由(yóu)”普及(jí)背景下(xià)，“快(kuài)連(lián)/一鍵配置配网”愈来(lái)愈顯現(xiàn)出(chū)其(qí)在(zài)包(bāo)羅万象的(de)消費者(zhě)局(jú)域网环(huán)境下(xià)難以(yǐ)勝任的(de)窘境。目前(qián)主流廠(chǎng)商，其(qí)配网在(zài)較早(zǎo)的(de)时(shí)候已經(jīng)取(qǔ)消了“快(kuài)連(lián)/一鍵配置”，主推“SoftAP”或(huò)基于(yú)"藍(lán)牙(yá)+WiFi"模組的(de)藍(lán)牙(yá)直(zhí)連(lián)等配网方(fāng)式。