物联网的Wi-Fi直连技术概述与分析

冯宗越，徐媛媛

(1.中国联合网络通信有限公司安徽省分公司，合肥 230001；2.安徽涉外经济职业学院)

物联网的Wi-Fi直连技术概述与分析

冯宗越1，徐媛媛2

(1.中国联合网络通信有限公司安徽省分公司，合肥 230001；2.安徽涉外经济职业学院)

随着互联网络的发展，人们的日常生活愈来愈离不开网络技术的发展和支撑。Wi-Fi技术作为网络技术的重要组成技术，如今被广泛应用于互联网、互联网+以及物联网等诸多领域。这些传统的Wi-Fi网络技术通信普遍采用了客户端/服务器(C/S)模式。而Wi-Fi直连技术的诞生打破了原有的网络通信模式，可以实现设备与设备之间直接的互通互联，也进一步扩展了互联网+、物联网等诸多应用场景。

物联网；Wi-Fi直连技术；无线网络

引 言

无线网络是计算机网络的一种，消除了有线网络布线困难、使用不便且不宜检测故障等缺点。无线网络发展中最热的无线局域网(WLAN)采用IEEE802.11标准。无线局域网可分为有固定基础设施的和无固定基础设施的无线网[1]。

无线局域网可以根据不同的层次、业务、技术和标准进行分类，根据网络的拓扑和应用要求可以分为Peer to Peer(对等式)、Infrastructure(基础结构式)和接入、中继等[2,6]。

无线局域网从网络架构上分为独立型网络结构(Ad Hoc)和基础网络结构两种。

(1) 独立型网络结构

独立型网络结构不需要中间介质的支持，站点之间可以进行网络通信。一组有无线网卡的计算机或者其他设置组成了这种独立型网络结构。为了实现这种对等方式的连接，它们必须拥有相同的工组名、ESSID和密码，否则这个独立型网络搭建就会失败，反之，就可以实现点对点(P2P)与点对多点(P2MP)之间的通信[3]。

(2) 基础网络结构

基础网络结构最明显的特征就是以无线介质为中心，向其余具有无线网卡的无线终端提供连接，实现连接必须先通过无线网桥、无线接入网关、无线接入控制器和无线接入服务器等才能构建起这个基础的网络构架，这种结构可以把多种复杂的无线局域网组建成一个更复杂强大的网络，实现更多无线移动办公的接入。

基础网络结构又可以细分为两种：BSS和ESS。在BSS中，站点间无法进行通信，也就是BSS离不开无线接入点AP，需要依靠AP提供无线连接，并为站点之间的数据通信提供中继转发功能。

ESS是一种基础结构的应用，一个或多个以上的BSS即可被定义成一个ESS，使用者可在ESS上漫游以及获取BSS中的任何资料，其中AP必须设定相同的ESSID及信道才能允许漫游。

基于IEEE802.11相关系列的分析和了解，本文将进一步研究无线基础设施网络，使用这些技术可以实现两个设备的点对点通信，或者点对多点通信。

1 Ad Hoc技术

Ad Hoc网络，又名Manet(Mobile Ad Hoc Network)，区别于C/S无线网络构架，Ad Hoc网络由IEEE802.11标准委员会于1991年命名[1]，用来描述这种自组织对等式多跳无线通信框架技术。Ad Hoc网络没有中心，由若干移动节点终端构成，且有多跳、临时、自组织等特点。

Ad Hoc结构不需要无线中介设备AP就可以使一定区域内的设备实现相互通信，且这种网络是一种对等的网络，任何设备在该网络架构中都是平等的。只需该设备有无线网卡，Ad Hoc结构就允许该设备进入网络中。实现这种通信模式的原理是选择该网络体系中的一台设备建立主机直连，其实相当于虚拟一个基础网络框架中的AP接入点，这样就可以实现点对点的网络互连。在这种网络中，另一个需要通信的设备可能不在无线的覆盖范围，即直接的点对点通信可能无法实现，这样就需要借助其他的节点把数据进行分组转发。这样对每个节点来说，不仅仅是一个节点同时还相当于是一个路由器，使之具有发现以及维持其他路由节点的功能。同时基于IP的分组交换技术被应用到了Ad Hoc网络，可以在2～6 GHz频段上提供2～59 Mbp/s速率的数据业务和多媒体业务。

Ad Hoc网络的前身是分组无线网(Packet Radio Network)。其实早在1972年，美国为了满足在战场环境下的通信需要就开始了分组无线网项目的相关研究工作。分组无线网也一直在提高抗破坏性、高速通信上进行研究，为Ad Hoc网络发展奠定了基础。

在Ad Hoc网络中的所有结点的共性是必须具备报文转发能力，因为不需要中间的路由器等设备，所以这种通信模式可能不会直接达到目的地址，而需要被多个节点进行分组转发，称之为多跳(MultiHop)，也称为多跳网，这也是Ad Hoc网络与其他形式的移动网络的最根本区别。为了使Ad Hoc网络能够自组织运行，就需要每个结点都具有分层的网络协议和分布式算法，所以也称为自组织网络(Self Organized Network)，Ad Hoc网络同时又可以称为无固定设施网络(Infrastructureless Network)。

从另一层面上说，Ad Hoc网络是由一组组节点组成，节点对相互协作有着很高的要求，同时对交换信息、信息共享、服务共享、无线链路之间通信也有着很高的诉求。Ad Hoc网络并不像基础网络的各个网络节点，两者之间正好相反，前者的节点极其不稳定，节点随时有可能会离开网络、动态加入该网络等，而这些动作不会给整个网络发送信号，而且离开或者进入不会影响其他节点的通信。移动Ad Hoc网络节点可以快速地移动，一方面起到路由器的功能，里面要有相关的路由协议，发现相关路由和维护路由等；另一方面又作为主机来运行应用，获取和处理数据，在实现数据分组的发送和接收时依然进行无线通信。因此，网络节点在网络中的位置不是唯一的，没有通信链路的网络也会时有发生。用户可以采用IEEE802.11无线网卡Ad Hoc模式来构建Ad Hoc网络。

下面介绍一下Ad Hoc网络的特点：

① 自组织和自管理：Ad Hoc网络不存在网络中心概念，要求网络具有自组织、自管理、自维护的特性，同样要求有自主的分布式控制方法。

② 分布式结构：Ad Hoc网络中，节点具有平等性，且都能独立地进行数据的分组转发，每个站点同时具有路由器特性和主机特性，站点之间相互协调。站点的网络路由协议为了网络的鲁棒和抗毁性采用了分布式的控制方式。

③ 动态拓扑：Ad Hoc网络利用自身终端节点就可以迅速地建立一个通信网络。网络节点可以随时移动，也可以随时进入或离开，这些都会使网络的拓扑结构随时发生变化[6]，具有高度的动态变化特性。

④ 链路宽带有限且时变：Ad Hoc网络是动态拓扑的，导致节点转发的非自身的信息量处在一个动态的变化中。自组网依然是建立在无线通信传输技术之上，这也决定了其可提供的信道要远远小于有线网络宽带，同时无线网络的共享竞争信道受信号碰撞衰减、噪音干扰、信道间干扰等因素影响，也使得实际带宽和理论宽带值相差甚大。

下面介绍一下Ad Hoc网络的应用领域：

① 由于Ad Hoc网络与基础设施网络有着巨大的不同，所以应用的领域也不同，形成互补。Ad Hoc网络多被用于没有基础设施网络而需要快速搭建通信网络的场景，而Ad Hoc 网络是在军事需求中产生的，故Ad Hoc网络必然主要被用于军事领域。

② 自然灾难后，一些基础的网络设施遭到破坏，此时就会需要能够快速布局和组件的Ad Hoc网络，同样在通信设施落后地区，基础设施铺设的造价过高，这些场所使用Ad Hoc组网是一个不错的选择。

③ Ad Hoc也被应用到无线传感器网络中，利用其节能、体积小等优点。同时Ad Hoc网络也被广泛应用到了个人局域网(Personal Area Network，PAN)，可以满足移动终端之间通信的需求。个人局域网间的多跳通信也多是用Ad Hoc网络技术实现的。

2 Wi-Fi Direct技术

Wi-Fi Direct技术是Wi-Fi联盟推出的另外一项重要技术规范Wi-Fi P2P，并且将其命名为“Wi-Fi Direct”。Wi-Fi Direct技术标准正式发布于2010年10月，Wi-Fi Direct标准允许无线网络中的设备无需中间网络设备即可实现互联。该技术与蓝牙技术类似，但是这种技术比蓝牙效率高。Wi-Fi Direct既支持点对点直连，也支持点对多点连接，并且Wi-Fi Direct标准会兼容所有的Wi-Fi设备，从11a/b/g至11n等标准。Wi-Fi Direct技术与传统的Wi-Fi网络结构对比如图1所示。

图1 传统Wi-Fi网络与Wi-Fi Direct对比图

从图中可以看到，传统的Wi-Fi网络必须有一个AP接入点，所有的客户端通过该AP来进行连接通信，而图中的Client1和Client2之间不能直接进行通信。Wi-Fi Direct之间省去了AP接入点，Client1与Client2直接可以通信，同时Client1也可以作为Group Owner和多个Client建立点对多通信。除此之外，Wi-Fi Direct设备能够以中继模式(STA)加入基础设施网络。

实际上Wi-Fi Direct技术模仿了Infrastructure BSS网络结构。它在组件Wi-Fi Direct Group(即P2P Network)之前，每个智能终端都是一个Wi-Fi Direct Device。当这些Wi-Fi Direct Device在连接之前必须首先进行设备间点对点协商这个过程，这个过程的结果是选择其中的一个设备当且仅有一个设备充当GO角色(AP，接入点)，这样其他的设备选择Client来连接这个扮演GO角色的设备。

为了保证Wi-Fi Direct的数据传输速率，要求支持Wi-Fi Direct的设备必须要支持IEEE802.11g及更高标准的技术规范。其中，安全部分必须支持WPA2。由于Wi-Fi Direct被应用在设备之间共享媒体数据的主要场景中，所以WMM(Wi-Fi MultiMedia，针对于音频和视频数据的传输)必须被 Wi-Fi Direct Device支持。

Wi-Fi Direct规范除了支持Wi-Fi Direct Discovery、Wi-Fi Direct Group Operation以及Wi-Fi Direct PowerManagement以外，还定义了一个可选技术项，名为Managed Wi-Fi Direct Device Operation，该技术项定义了在企业级环境中，方便对Wi-Fi Direct设备进行统一配置和管理。

3 AP直连模式

无线AP(Access Point)，也称为无线接入点，是在无线终端设备与无线网络之间建立起通信的桥梁。在无线网络中充当数据接收和发送的功能，类似于有线网络中的集线器。无线AP的主要技术基于IEE802.11相关协议，提供更广阔的Wi-Fi传输距离，为无线终端提供网络接入服务[5-7]。

为了让终端连接到互联网，AP主要是提供网络的广播和数据的分发和转接，其服务集标识也称为网络名称(SSID，Service Set Identifier)。一个局域网可以用服务集标识来划分不同的子网，每个子网不局限于采用统一身份验证。终端想要连入哪一个子网就需要通过哪个子网的身份验证，防止未被授权的用户进入网络。简而言之，SSID就是无线局域网的网络名称，只有通过验证的终端才能与之连接。

为了保证用户身份验证的安全性，其有着相对完善的密钥加密，例如WEP、WPA、WP2、PSK等。除了密钥加密外还有MAC地址过滤来禁止非法的MAC主机接入，具有高度安全性，为了有良好的无线应用环境，这些措施模块尤为重要。身份验证同样不能过于复杂，这样会影响用户的使用体验以及便利性。以下将对热点接入过程作出分析：

① 当客户端要连接AP热点时，客户端首先发出探测(Probe)请求，主动探测每个通信信道。

② 热点响应探测，无线热点接收到客户端发送的探测请求后，会响应该客户端的探测请求。

③ 客户端请求验证，当客户端选择好特定的无线接入热点之后，向其发送验证消息。

④ 热点响应验证，即无线热点响应验证信息。

⑤ 当客户端通过热点的验证成功，客户端会继续向该无线热点发送连接请求。

⑥ 无线热点响应连接请求并连接。

在客户端探测无线网络热点中，有两种方式可以实现周边可探测的无线网络热点。

第一种是主动扫描，无线设备通过发送探测请求和探测响应来发现无线访问热点。主动扫描有两种情形：一种是无线设备发送的探测请求携带有指定的无线网络的SSID，即在探测请求中携带了要连接的SSID，所有的无线热点中的访问热点符合探测请求中携带的SSID时，这些匹配的AP就会进行响应(使用探测响应包含网络SSID、加密算法、支持的网络速率等参数)[9]；二是无线设备发送的探测请求中不携带有指定的无线网络SSID，即客户端发送的探测请求没有携带指定的SSID时，则只要所有能够覆盖的范围内能接收到该探测请求的所有无线AP访问点都会进行响应，这些探测响应包含网络SSID、信号强度、加密算法、支持的网络速率等参数。

第二种方式是被动扫描，即无线设备不会像第一种方式一样主动去扫描周围的无线信号，而是由主动扫描信号变为被动接收信标(包含网络名、加密方式、加密算法、支持的速率等参数)，用接收到的被发送过来的信标来发现无线接入点。这种被动方式会首先选择信号质量较好的无线接入点。

主动扫描首先需要客户端向周边进行广播探测，从甄别到最终连接无线热点比被动扫描要花费一些额外的时间；而被动的扫描不会主动地去探测周边的无线接入点，而是被动地接收附近的无线热点发出的信标帧。其实在特定的频率段，当主动扫描不可以用的时候，也可以通过被动扫描来进行甄别[9]。

由于其技术并不是特别复杂，在智能设备、移动终端上的应用也已经十分成熟，而市场上的各种智能设备或智能终端配置有Wi-Fi模块已经成了一种必备的功能，例如PSP、IPAD、平板、笔记本等，而这些智能设备不仅可以连接无线网络同时也可以使能AP，使这些设备成为一个移动的无线访问点，这样就可以实现设备之间的直接连接，进而实现设备之间的直连通信，同时这种方式也满足点对多点的通信需求。该模式类似于Ad Hoc技术和Wi-Fi Direct技术。

结 语

[1] 余建平,于根坚,李晓颖,等.无线网络技术[M].北京:清华大学出版社,2103.

[2] 罗娜.基于88W8686的手持终端WiFi功能的设计与实现[D].武汉:武汉理工大学,2010.

[3] 甘翼.无线局域网发展及军事应用前景分析[J].通信技术,2012,45(2):1-5.

[4] 魏恒璐,卢选民.基于JXTA的无线D2D通信系统的研究与实现[J].微型机与应用,2013(16).

[5] 尹圣明.基于WIFI的智能手机P2P服务设计与实现[D].北京:北京邮电大学,2009.

[6] Mattbew S Gast. 802.11 Wireless Networks[M].O'Reilly Media Inc,2005.

[7] William Stallings.Wireless Communications and Networks(Second Edition)[M].北京:电子工业出版社,2005.

[8] 姚程.无线网络媒体访问控制协议研究[D].合肥:中国科学技术大学,2009.

[9] 刘向宇.IEEE802.11MAC协议中分布式协调功能(DCF)和热点协调功能(PCF)的软件实现[D].南京:东南大学,2003.

冯宗越(硕士研究生)，主要研究方向为人工智能与模式识别。

参考文献

[1] 丁萌.基于计算机视觉的无人机自主着陆方法研究[D].南京:南京航空航天大学,2006.

[2] Xiaodi Hou,Liqing Zhang.Saliency Detection:A Spectral Residual Approach[J].IEEE Conference on Computer Vision and Pattern Recognition,2007(8):1-8.

[3] A.Neubeck,L,Van Gool.Efficient non-maximum suppression[C]//18th International Conference on Pattern Recognition,2006:850-855.

[4] S Lazebnik,C Schmid,J Ponce.Beyond Bags of Features:Spatial Pyramid Matching for Recognizing Natural Scene Categories[C]//CVPR,2006.

[5] J Yang,K Yu,Y Gong,et al.Linear spatial pyramid matching using sparse coding for image classification[C]//CVPR,2009.

[6] J Platt.Fast training of support vector machines using sequential minimal optimization[C]//Advances in Kernel methods:support vector learning,1998.

[7] K Zhang,L Zhang,M Yang.Fast compressive tracking[J].IEEE Transactions on Pattern Analysis and Machine Intelligence,2014,36(10):2002-2015.

[8] 张路平,韩建涛,李飚,等.尺度自适应特征压缩跟踪[J].国防科技大学学报,2013,35(5):146-151.

[9] 李强,庄丽葵,曹云峰,等.面向固定翼无人机的视觉导引仿真系统设计与实现[J].云南名族大学学报:自然科学版,2015,24(4):325-329.

吴良晶(硕士研究生)，研究领域为计算机视觉；曹云峰(教授)，研究领域为无人机飞行控制与导航；丁萌(副教授)，研究领域为计算机视觉、无人机导航、制导与控制、红外目标检测；庄丽葵(讲师)，研究领域为视觉导航技术。

(责任编辑：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)