解決物聯(lián)網(wǎng)wi-fi的多種配網(wǎng)方案

　　一、Wi-Fi概要

　　Wi-Fi大家很早就接觸了，但是配網(wǎng)對很多人都比較陌生。因為早期的Wi-Fi設備基本都是帶屏幕和輸入設備的(如筆記本/手機/PDA等)，而配網(wǎng)只需要用戶(hù)直接輸入路由器的SSID/password即可，簡(jiǎn)單到被人忽略。

　　但是隨著(zhù)物聯(lián)網(wǎng)的興起，Wi-Fi被大量應用于沒(méi)有人機交互方式的設備中，如智能插座等物聯(lián)網(wǎng)終端產(chǎn)品中，而Wi-Fi(IEEE802.11)標準在設計之初是沒(méi)有考慮這種無(wú)人機交互方式的配網(wǎng)的，也就是沒(méi)有官方標準。配網(wǎng)成了一種類(lèi)似于黑客找漏洞的技術(shù)，這也就導致了市面上配網(wǎng)的配網(wǎng)的方式很多，但也因為沒(méi)有特定的配網(wǎng)方式讓普通人無(wú)法操作,下面我們來(lái)了解一下解決物聯(lián)網(wǎng)wi-fi的多種配網(wǎng)方案。
 

　　配網(wǎng)幾個(gè)概念：

• 狹義配網(wǎng)：Wi-Fi設備獲取路由器信息(SSID,password等)并連接路由器的過(guò)程。
• 綁定：用戶(hù)手機APP賬號與被配網(wǎng)設備關(guān)聯(lián)的過(guò)程。
• 廣義配網(wǎng)：狹義配網(wǎng)+綁定。

　　本文討論的配網(wǎng)如未注明都指狹義配網(wǎng)，并省略云端參與流程。簡(jiǎn)化示意圖如下：

 

　　那么市面上的配網(wǎng)技術(shù)有哪幾種呢?按原理分商用的主要有：

• 一鍵配網(wǎng)
• 廣播包長(cháng)方式
• 組播地址方式
• 設備熱點(diǎn)配網(wǎng)
• 藍牙配網(wǎng)
• 手機熱點(diǎn)配網(wǎng)
• 路由器配網(wǎng)
• 零配
• 其他(如語(yǔ)音配網(wǎng)/攝像頭二維碼配網(wǎng)等)

　　二、詳細介紹

　　1、一鍵配網(wǎng)

　　流程

　　一鍵配網(wǎng)(Smart Config)主要原理為：

　　1.設備進(jìn)入sniffer模式(又叫混雜模式，即不過(guò)濾數據報文)，監聽(tīng)環(huán)境中所有的802.11報文;

　　2.設備需要在所支持的信道(通常1-13)上輪詢(xún)監聽(tīng)(因為設備不知道用戶(hù)手機和目標路由器的信道);

　　3.捕獲到符合配網(wǎng)規則的數據報文后停止信道輪詢(xún)，嘗試在在此信道上接收完成所有報文;

　　4.當前信道接收失敗或超時(shí)重新回到步驟2;

　　5.數據報文接收完成則關(guān)閉sniffer模式，回到station模式并開(kāi)始嘗試連接路由器，狹義的配網(wǎng)過(guò)程完成。

　　數據傳輸方式

　　數據的承載方式有兩種，一種廣播方式，另一種是組播方式。下面分別介紹。

　　設備在接入路由器之前，沒(méi)有獲得對應密鑰，無(wú)法解密路由器局域網(wǎng)內的數據報文(包括連接到目標路由器的用戶(hù)手機的報文)。

　　如下圖所示，設備在sniffer模式收到的數據報文主體即Frame Body部分是加密的，僅幀頭和整個(gè)報文長(cháng)度是不加密的。要通過(guò)手機將配網(wǎng)信息傳給設備，那么就得考慮使用這些信息。

　　MAC幀格式：

　　1)廣播包長(cháng)方式

　　數據報文長(cháng)度共2字節，且包頭和校驗和占掉了一部分字段故不能從0開(kāi)始編碼，而太長(cháng)會(huì )導致整個(gè)數據報文冗余數據急劇增加，如折中取11bit。

　　具體方式為：手機端通過(guò)發(fā)送不同長(cháng)度的廣播報文，將配網(wǎng)信息編碼到報文長(cháng)度信息中。——有點(diǎn)像藏頭詩(shī)吧?

　　2)組播地址方式

　　如果使用地址編碼，即使用下圖的DA編碼,那么就是組播方式。

　　ieee802.11將224.0.0.0~239.255.255.255劃定為組播保留地址，在以太網(wǎng)中，目的IP地址為組播保留地址的數據包，目的MAC地址需要做一個(gè)映射。具體做法是，MAC地址的3個(gè)高字節固定為01:00:5E，后三個(gè)字節依次為組地址的從高字節起的第二字節取低7位、組地址的第三字節和第四字節，例如組地址225.215.145.230對應的MAC地址為01:00:5E:57:91:E6。所以有23個(gè)bit可用戶(hù)編碼。

　　優(yōu)點(diǎn)：用戶(hù)操作簡(jiǎn)單，體驗好(成功時(shí))。

　　缺點(diǎn)：對手機，路由器都有嚴格的兼容性要求，比如有些路由器默認關(guān)閉廣播/組播報文轉發(fā)使得設備收不到路由器轉發(fā)的報文;手機以5G頻段連接到路由器，2.4G的設備壓根收不到包等，諸如此類(lèi)不可控因素導致整體兼容性差，配網(wǎng)成功率低。

　　總結

　　物聯(lián)網(wǎng)剛興起時(shí)大多數廠(chǎng)商的默認選擇，在飽受用戶(hù)投訴之后慢慢被棄用。
 

　　2、設備熱點(diǎn)配網(wǎng)

　　設備熱點(diǎn)配網(wǎng)很好理解：

　　1.設備端Wi-Fi進(jìn)入softAP模式，建立一個(gè)約定名稱(chēng)的AP熱點(diǎn);

　　2.APP端提示用戶(hù)手動(dòng)將手機連接到1中設備建立的熱點(diǎn);

　　3.連接建立后，手機與設備建立局域網(wǎng);

　　4.手機通過(guò)UDP/TCP將配網(wǎng)信息直接傳給設備;

　　5.設備拿到配網(wǎng)信息后切換回station模式，開(kāi)始連接路由器。

　　優(yōu)點(diǎn)：成功率高，可靠。

　　缺點(diǎn)：用戶(hù)操作相對一鍵配網(wǎng)復雜度略高(iphone用戶(hù)需要手動(dòng)跳轉到無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)設置界面連接app界面提示的設備熱點(diǎn))。

　　總結

　　中庸可靠是其取勝之道，在昔日霸主一鍵配網(wǎng)由于成功率不高被廣為吐槽后，設備熱點(diǎn)配網(wǎng)在市場(chǎng)上的占有率穩定提升。
 

　　3、手機熱點(diǎn)配網(wǎng)

　　這是熱點(diǎn)配網(wǎng)(softAP)的一個(gè)變種，熱點(diǎn)不由設備創(chuàng )建而是由手機創(chuàng )建。

　　優(yōu)點(diǎn)：設備無(wú)需支持熱點(diǎn)模式，端上開(kāi)發(fā)工作量較低;

　　可與一鍵配網(wǎng)共存(同時(shí)使能)，在阿里云IOT手機熱點(diǎn)配網(wǎng)中，手機熱點(diǎn)SSID固定為aha，這樣處在一鍵配網(wǎng)模式的設備一旦掃描到周?chē)嬖赼ha熱點(diǎn)即嘗試連接aha。常用來(lái)做備用配網(wǎng)方案。

　　缺點(diǎn)：用戶(hù)體驗不佳，尤其在ios設備上APP無(wú)法自動(dòng)創(chuàng )建熱點(diǎn)，需要用戶(hù)跳轉設置界面手動(dòng)改設備名并手動(dòng)打開(kāi)熱點(diǎn)。

　　總結

　　曾經(jīng)作為一個(gè)創(chuàng )新在阿里IoT中作為一鍵配網(wǎng)失敗后的替補方案，由于一鍵配網(wǎng)本身占比降低，替補的出場(chǎng)率也就更低了。
 

　　4、藍牙配網(wǎng)

　　藍牙配網(wǎng)整體流程跟設備熱點(diǎn)配網(wǎng)差不多。只不過(guò)用ble替換了設備端的熱點(diǎn)，理論上還是一種基于點(diǎn)對點(diǎn)連接的配網(wǎng)方式。

　　優(yōu)點(diǎn)：兼容性較好，成功率高。

　　用戶(hù)體驗好。

　　缺點(diǎn)：成本略高。相對與其他配網(wǎng)模式，需要額外增加藍牙硬件成本。

　　總結

　　適合與本身既有藍牙又有Wi-Fi的應用場(chǎng)景的設備，或者模組成本相對不是那么敏感的土豪設備。隨著(zhù)低成本BLE的推行，其占有率逐漸提升。
 

　　5、路由器配網(wǎng)

　　路由器配網(wǎng)的思路就是路由器在配網(wǎng)模式下開(kāi)啟一個(gè)特定的用于配網(wǎng)的SSID，設備發(fā)現了這個(gè)熱點(diǎn)后連接這個(gè)熱點(diǎn)以獲取配網(wǎng)信息，流程跟手機熱點(diǎn)配網(wǎng)相似。其簡(jiǎn)化流程圖如下：

　　優(yōu)點(diǎn)：用戶(hù)體驗較好。

　　缺點(diǎn)：應用面窄，需滿(mǎn)足設備跟路由器都為同一方案的場(chǎng)景。

　　總結

　　適合端上整套生態(tài)打法的廠(chǎng)商。
 

　　6、零配

　　這是一種充分利用待配設備/及主配設備的高權限優(yōu)勢的配網(wǎng)，要求主配和待配設備的應用程序都能發(fā)送和接收802.11管理幀。直接使用802.11的管理幀(probe request/response)攜帶配網(wǎng)信息，從而實(shí)現高效配網(wǎng)。簡(jiǎn)化原理如下：

　　優(yōu)點(diǎn)：用戶(hù)體驗好，成功率高，如智能音響對智能設備配網(wǎng)即可使用此方式。

　　缺點(diǎn)：應用面窄，需要滿(mǎn)足路由器下存在已經(jīng)配網(wǎng)的同方案設備的要求。

　　總結

　　設計上本身高效可靠，但是由于手機APP權限問(wèn)題，無(wú)法通過(guò)第三方程序組裝或者接收Wi-Fi管理幀，限制了其在手機上的應用(手機不能當主配)，也就使得其只能成為一種輔助或者特定領(lǐng)域的配網(wǎng)方式。
 

　　三、總結對比

　　通過(guò)一個(gè)表格對比各配網(wǎng)方式特點(diǎn)：

　　四、發(fā)展方向

　　除了上面列出的配網(wǎng)方式外，還有其他一些方向供大家參考。

　　1.Wi-Fi P2P。使用Wi-Fi Direct技術(shù)直接將配網(wǎng)信息通過(guò)手機傳給設備。

　　缺點(diǎn)：無(wú)奈僅Android手機支持Wi-Fi Direct技術(shù)，IOS尚不支持。而且不是所有的安卓手機都支持，導致手機兼容性差，一條腿走路注定了無(wú)法普及。
 

　　2.蘋(píng)果AWDL協(xié)議。AWDL可以認為是蘋(píng)果私有的端上P2P協(xié)議，如Air Drop即基于這種協(xié)議。無(wú)奈協(xié)議不開(kāi)源，即使對協(xié)議進(jìn)行破解，使用起來(lái)也存在法務(wù)風(fēng)險。不然可以跟1中方式配合使用，形成互補。

　　因此，上面兩種方式在通用配網(wǎng)中不會(huì )成大氣候。
 

　　3.針對特定場(chǎng)景的配網(wǎng)：

　　語(yǔ)音配網(wǎng)(使用本地語(yǔ)音識別技術(shù)給帶語(yǔ)音識別模塊的設備如智能音響配網(wǎng))。

　　針對智能攝像頭的二維碼配網(wǎng)(攝像頭主動(dòng)掃手機APP生成的二維碼)等。

　　借助了自己獨特的軟硬件優(yōu)勢在相應領(lǐng)域提供體驗上佳的配網(wǎng)體驗，是物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展對細分市場(chǎng)高度定制和優(yōu)化的表現。
 

　　4.DPP(Device Provisioning Protocol)。Wi-Fi Easy Connect的重要組成部分,Wi-Fi Alliance官方制定。由4個(gè)步驟組成：

• 引導：掃描二維碼或輸入字符串觸發(fā)，獲取對方設備的公鑰以及信道、mac等其他信息;
• 驗證：待配與主配通過(guò)上一步獲得的信息建立安全連接;
• 配置：配網(wǎng)信息傳輸給待配設備;
• 接入：待配設備使用配網(wǎng)信息向目標AP認證并建立連接。

　　目前DPP還處于標準制定完善階段，尚未商用。不過(guò)一旦官方出來(lái)制定一套統一配網(wǎng)標準，其前景還是非?？捎^(guān)的，有望一統江湖，很大程度解決配網(wǎng)碎片化的問(wèn)題。
 

　　物聯(lián)網(wǎng)設備WiFi配網(wǎng)方式，在DPP商用之前，設備熱點(diǎn)配網(wǎng)(↗)/藍牙配網(wǎng)(↗)/一鍵配網(wǎng)(↘)仍然是主流。

　　來(lái)源：阿里云開(kāi)發(fā)者社區