物聯(lián)網(wǎng)Wi-Fi配網(wǎng)方式的設(shè)計(jì)

什么是配網(wǎng)?有哪些配網(wǎng)方式?物聯(lián)網(wǎng)配網(wǎng)技術(shù)為何魚龍混雜，互不相通?

目前，有多種多樣的配網(wǎng)方案，下面以無(wú)線網(wǎng)絡(luò)攝像頭這個(gè)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備為例，講解各種配網(wǎng)方式的基本工作原理。

設(shè)備熱點(diǎn)配網(wǎng)

設(shè)備熱點(diǎn)配網(wǎng)(dev-ap-config)，是一種比較常用的配網(wǎng)方式，該方式在配網(wǎng)時(shí)，先讓待配網(wǎng)的設(shè)備處于AP模式，讓手機(jī)連接到此設(shè)備上，然后通過(guò)手機(jī)將配網(wǎng)設(shè)備發(fā)送給設(shè)備，然后設(shè)備就可以切換到STA模式，連接Wi-Fi路由器了。其具體的配網(wǎng)過(guò)程如下：

待配網(wǎng)設(shè)備端的Wi-Fi模塊首先工作在AP配網(wǎng)模式(如按下設(shè)備的配網(wǎng)鍵，設(shè)備進(jìn)入配網(wǎng)模式)，開(kāi)啟一個(gè)約定名稱的AP熱點(diǎn)。

手機(jī)APP端掃描設(shè)備機(jī)身的二維碼，獲得設(shè)備ProductKey，并將手機(jī)連接到設(shè)備建立的熱點(diǎn)中。

連接建立后，即手機(jī)與設(shè)備建立了一個(gè)局域網(wǎng)。

手機(jī)通過(guò)某種方式(如TCP或UDP傳輸)將Wi-Fi路由器的配網(wǎng)信息(SSID/password)發(fā)送給設(shè)備。

設(shè)備得到配網(wǎng)信息后，切換到STA模式，即可連接到Wi-Fi。

一 概要

Wi-Fi大家很早就接觸了，但是配網(wǎng)對(duì)很多人都比較陌生。因?yàn)樵缙诘腤i-Fi設(shè)備基本都是帶屏幕和輸入設(shè)備的(如筆記本/手機(jī)/PDA等)，而配網(wǎng)只需要用戶直接輸入路由器的SSID/password即可，簡(jiǎn)單到被人忽略。

但是隨著物聯(lián)網(wǎng)的興起，Wi-Fi被大量應(yīng)用于沒(méi)有人機(jī)交互方式的設(shè)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(biāo)準(zhǔn)在設(shè)計(jì)之初是沒(méi)有考慮這種無(wú)人機(jī)交互方式的配網(wǎng)的，也就是沒(méi)有官方標(biāo)準(zhǔn)。配網(wǎng)成了一種類似于黑客找漏洞的技術(shù)，這也就導(dǎo)致了市面上配網(wǎng)的方法多種多樣，且各家玩各家的，魚龍混雜，互不相通，整體體驗(yàn)偏低。

幾個(gè)概念：

狹義配網(wǎng)：Wi-Fi設(shè)備獲取路由器信息(SSID,password等)并連接路由器的過(guò)程。

綁定：用戶手機(jī)APP賬號(hào)與被配網(wǎng)設(shè)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(zhǎng)方式

組播地址方式

設(shè)備熱點(diǎn)配網(wǎng)

藍(lán)牙配網(wǎng)

手機(jī)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)

阿里云IoT開(kāi)發(fā)的物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)AliOS Things支持上述1-6配網(wǎng)方式。

二 詳細(xì)介紹

1 一鍵配網(wǎng)流程

一鍵配網(wǎng)(Smart Config)主要原理為：

1. 設(shè)備進(jìn)入sniffer模式(又叫混雜模式，即不過(guò)濾數(shù)據(jù)報(bào)文)，監(jiān)聽(tīng)環(huán)境中所有的802.11報(bào)文;

2. 設(shè)備需要在所支持的信道(通常1-13)上輪詢監(jiān)聽(tīng)(因?yàn)樵O(shè)備不知道用戶手機(jī)和目標(biāo)路由器的信道);

3. 捕獲到符合配網(wǎng)規(guī)則的數(shù)據(jù)報(bào)文后停止信道輪詢，嘗試在在此信道上接收完成所有報(bào)文;

4. 當(dāng)前信道接收失敗或超時(shí)重新回到步驟2;

5. 數(shù)據(jù)報(bào)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(shù)據(jù)傳輸方式

數(shù)據(jù)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(shè)備在接入路由器之前，沒(méi)有獲得對(duì)應(yīng)密鑰，無(wú)法解密路由器局域網(wǎng)內(nèi)的數(shù)據(jù)報(bào)文(包括連接到目標(biāo)路由器的用戶手機(jī)的報(bào)文)。

如下圖所示，設(shè)備在sniffer模式收到的數(shù)據(jù)報(bào)文主體即Frame Body部分是加密的，僅幀頭和整個(gè)報(bào)文長(zhǎng)度是不加密的。要通過(guò)手機(jī)將配網(wǎng)信息傳給設(shè)備，那么就得考慮使用這些信息。

1)廣播包長(zhǎng)方式

數(shù)據(jù)報(bào)文長(zhǎng)度共2字節(jié)，且包頭和校驗(yàn)和占掉了一部分字段故不能從0開(kāi)始編碼，而太長(zhǎng)會(huì)導(dǎo)致整個(gè)數(shù)據(jù)報(bào)文冗余數(shù)據(jù)急劇增加，如折中取11bit。

具體方式為：手機(jī)端通過(guò)發(fā)送不同長(zhǎng)度的廣播報(bào)文，將配網(wǎng)信息編碼到報(bào)文長(zhǎng)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(shù)據(jù)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(jié)固定為01:00:5E，后三個(gè)字節(jié)依次為組地址的從高字節(jié)起的第二字節(jié)取低7位、組地址的第三字節(jié)和第四字節(jié)，例如組地址225.215.145.230對(duì)應(yīng)的MAC地址為01:00:5E:57:91:E6。所以有23個(gè)bit可用戶編碼。

優(yōu)點(diǎn)：

用戶操作簡(jiǎn)單，體驗(yàn)好(成功時(shí))。

缺點(diǎn)：

對(duì)手機(jī)，路由器都有嚴(yán)格的兼容性要求，比如有些路由器默認(rèn)關(guān)閉廣播/組播報(bào)文轉(zhuǎn)發(fā)使得設(shè)備收不到路由器轉(zhuǎn)發(fā)的報(bào)文;手機(jī)以5G頻段連接到路由器，2.4G的設(shè)備壓根收不到包等，諸如此類不可控因素導(dǎo)致整體兼容性差，配網(wǎng)成功率低。

總結(jié)

物聯(lián)網(wǎng)剛興起時(shí)大多數(shù)廠商的默認(rèn)選擇，在飽受用戶投訴之后慢慢被棄用。

2 設(shè)備熱點(diǎn)配網(wǎng)設(shè)備熱點(diǎn)配網(wǎng)很好理解：

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

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

3. 連接建立后，手機(jī)與設(shè)備建立局域網(wǎng);

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

5. 設(shè)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)：

用戶操作相對(duì)一鍵配網(wǎng)復(fù)雜度略高(iphone用戶需要手動(dòng)跳轉(zhuǎn)到無(wú)線局域網(wǎng)設(shè)置界面連接app界面提示的設(shè)備熱點(diǎn))。

總結(jié)

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(shè)備熱點(diǎn)配網(wǎng)在市場(chǎng)上的占有率穩(wěn)定提升。

3 手機(jī)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(shè)備創(chuàng)建而是由手機(jī)創(chuàng)建。

優(yōu)點(diǎn)：

設(shè)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(jī)熱點(diǎn)配網(wǎng)中，手機(jī)熱點(diǎn)SSID固定為aha，這樣處在一鍵配網(wǎng)模式的設(shè)備一旦掃描到周圍存在aha熱點(diǎn)即嘗試連接aha。常用來(lái)做備用配網(wǎng)方案。

缺點(diǎn)：

用戶體驗(yàn)不佳，尤其在ios設(shè)備上APP無(wú)法自動(dòng)創(chuàng)建熱點(diǎn)，需要用戶跳轉(zhuǎn)設(shè)置界面手動(dòng)改設(shè)備名并手動(dòng)打開(kāi)熱點(diǎn)。

總結(jié)

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(bǔ)方案，由于一鍵配網(wǎng)本身占比降低，替補(bǔ)的出場(chǎng)率也就更低了。

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

兼容性較好，成功率高。

用戶體驗(yàn)好。

缺點(diǎn)：

成本略高。相對(duì)與其他配網(wǎng)模式，需要額外增加藍(lán)牙硬件成本。

總結(jié)

適合與本身既有藍(lán)牙又有Wi-Fi的應(yīng)用場(chǎng)景的設(shè)備，或者模組成本相對(duì)不是那么敏感的土豪設(shè)備。隨著低成本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(shè)備發(fā)現(xiàn)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(jī)熱點(diǎn)配網(wǎng)相似。

優(yōu)點(diǎn)：

用戶體驗(yàn)較好。

缺點(diǎn)：

應(yīng)用面窄，需滿足設(shè)備跟路由器都為同一方案的場(chǎng)景。

總結(jié)

適合端上整套生態(tài)打法的廠商。

6 零配這是一種充分利用待配設(shè)備/及主配設(shè)備的高權(quán)限優(yōu)勢(shì)的配網(wǎng)，要求主配和待配設(shè)備的應(yīng)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(xiàn)高效配網(wǎng)。

用戶體驗(yàn)好，成功率高，如智能音響對(duì)智能設(shè)備配網(wǎng)即可使用此方式。

缺點(diǎn)：

應(yīng)用面窄，需要滿足路由器下存在已經(jīng)配網(wǎng)的同方案設(shè)備的要求。

總結(jié)

設(shè)計(jì)上本身高效可靠，但是由于手機(jī)APP權(quán)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(jī)上的應(yīng)用(手機(jī)不能當(dāng)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(jié)對(duì)比

通過(guò)一個(gè)表格對(duì)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(jī)傳給設(shè)備。

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

2. 蘋果AWDL協(xié)議。AWDL可以認(rèn)為是蘋果私有的端上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(duì)協(xié)議進(jìn)行破解，使用起來(lái)也存在法務(wù)風(fēng)險(xiǎn)。不然可以跟1中方式配合使用，形成互補(bǔ)。

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(duì)特定場(chǎng)景的配網(wǎng)：

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

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

借助了自己獨(dú)特的軟硬件優(yōu)勢(shì)在相應(yīng)領(lǐng)域提供體驗(yàn)上佳的配網(wǎng)體驗(yàn)，是物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展對(duì)細(xì)分市場(chǎng)高度定制和優(yōu)化的表現(xiàn)。