解決物聯網wi-fi的多種配網方案

　　一、Wi-Fi概要

　　Wi-Fi大家很早就接觸了，但是配網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)，而配網只需要用戶直接輸入路由器的SSID/password即可，簡單到被人忽略。

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

　　配網幾個概念：

• 狹義配網：Wi-Fi設備獲取路由器信息(SSID,password等)并連接路由器的過程。
• 綁定：用戶手機APP賬號與被配網設備關聯的過程。
• 廣義配網：狹義配網+綁定。

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

 

　　那么市面上的配網技術有哪幾種呢?按原理分商用的主要有：

• 一鍵配網
• 廣播包長方式
• 組播地址方式
• 設備熱點配網
• 藍牙配網
• 手機熱點配網
• 路由器配網
• 零配
• 其他(如語音配網/攝像頭二維碼配網等)

　　二、詳細介紹

　　1、一鍵配網

　　流程

　　一鍵配網(Smart Config)主要原理為：

　　1.設備進入sniffer模式(又叫混雜模式，即不過濾數據報文)，監聽環境中所有的802.11報文;

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

　　3.捕獲到符合配網規則的數據報文后停止信道輪詢，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重新回到步驟2;

　　5.數據報文接收完成則關閉sniffer模式，回到station模式并開始嘗試連接路由器，狹義的配網過程完成。

　　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，沒有獲得對應密鑰，無法解密路由器局域網內的數據報文(包括連接到目標路由器的用戶手機的報文)。

　　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，僅幀頭和整個報文長度是不加密的。要通過手機將配網信息傳給設備，那么就得考慮使用這些信息。

　　MAC幀格式：

　　1)廣播包長方式

　　數據報文長度共2字節，且包頭和校驗和占掉了一部分字段故不能從0開始編碼，而太長會導致整個數據報文冗余數據急劇增加，如折中取11bit。

　　具體方式為：手機端通過發送不同長度的廣播報文，將配網信息編碼到報文長度信息中。——有點像藏頭詩吧?

　　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地址需要做一個映射。具體做法是，MAC地址的3個高字節固定為01:00:5E，后三個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bit可用戶編碼。

　　優點：用戶操作簡單，體驗好(成功時)。

　　缺點：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閉廣播/組播報文轉發使得設備收不到路由器轉發的報文;手機以5G頻段連接到路由器，2.4G的設備壓根收不到包等，諸如此類不可控因素導致整體兼容性差，配網成功率低。

　　總結

　　物聯網剛興起時大多數廠商的默認選擇，在飽受用戶投訴之后慢慢被棄用。
 

　　2、設備熱點配網

　　設備熱點配網很好理解：

　　1.設備端Wi-Fi進入softAP模式，建立一個約定名稱的AP熱點;

　　2.APP端提示用戶手動將手機連接到1中設備建立的熱點;

　　3.連接建立后，手機與設備建立局域網;

　　4.手機通過UDP/TCP將配網信息直接傳給設備;

　　5.設備拿到配網信息后切換回station模式，開始連接路由器。

　　優點：成功率高，可靠。

　　缺點：用戶操作相對一鍵配網復雜度略高(iphone用戶需要手動跳轉到無線局域網設置界面連接app界面提示的設備熱點)。

　　總結

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

　　3、手機熱點配網

　　這是熱點配網(softAP)的一個變種，熱點不由設備創建而是由手機創建。

　　優點：設備無需支持熱點模式，端上開發工作量較低;

　　可與一鍵配網共存(同時使能)，在阿里云IOT手機熱點配網中，手機熱點SSID固定為aha，這樣處在一鍵配網模式的設備一旦掃描到周圍存在aha熱點即嘗試連接aha。常用來做備用配網方案。

　　缺點：用戶體驗不佳，尤其在ios設備上APP無法自動創建熱點，需要用戶跳轉設置界面手動改設備名并手動打開熱點。

　　總結

　　曾經作為一個創新在阿里IoT中作為一鍵配網失敗后的替補方案，由于一鍵配網本身占比降低，替補的出場率也就更低了。
 

　　4、藍牙配網

　　藍牙配網整體流程跟設備熱點配網差不多。只不過用ble替換了設備端的熱點，理論上還是一種基于點對點連接的配網方式。

　　優點：兼容性較好，成功率高。

　　用戶體驗好。

　　缺點：成本略高。相對與其他配網模式，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。隨著低成本BLE的推行，其占有率逐漸提升。
 

　　5、路由器配網

　　路由器配網的思路就是路由器在配網模式下開啟一個特定的用于配網的SSID，設備發現了這個熱點后連接這個熱點以獲取配網信息，流程跟手機熱點配網相似。其簡化流程圖如下：

　　優點：用戶體驗較好。

　　缺點：應用面窄，需滿足設備跟路由器都為同一方案的場景。

　　總結

　　適合端上整套生態打法的廠商。
 

　　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勢的配網，要求主配和待配設備的應用程序都能發送和接收802.11管理幀。直接使用802.11的管理幀(probe request/response)攜帶配網信息，從而實現高效配網。簡化原理如下：

　　優點：用戶體驗好，成功率高，如智能音響對智能設備配網即可使用此方式。

　　缺點：應用面窄，需要滿足路由器下存在已經配網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權限問題，無法通過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域的配網方式。
 

　　三、總結對比

　　通過一個表格對比各配網方式特點：

　　四、發展方向

　　除了上面列出的配網方式外，還有其他一些方向供大家參考。

　　1.Wi-Fi P2P。使用Wi-Fi Direct技術直接將配網信息通過手機傳給設備。

　　缺點：無奈僅Android手機支持Wi-Fi Direct技術，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法普及。
 

　　2.蘋果AWDL協議。AWDL可以認為是蘋果私有的端上P2P協議，如Air Drop即基于這種協議。無奈協議不開源，即使對協議進行破解，使用起來也存在法務風險。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中不會成大氣候。
 

　　3.針對特定場景的配網：

　　語音配網(使用本地語音識別技術給帶語音識別模塊的設備如智能音響配網)。

　　針對智能攝像頭的二維碼配網(攝像頭主動掃手機APP生成的二維碼)等。

　　借助了自己獨特的軟硬件優勢在相應領域提供體驗上佳的配網體驗，是物聯網發展對細分市場高度定制和優化的表現。
 

　　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個步驟組成：

• 引導：掃描二維碼或輸入字符串觸發，獲取對方設備的公鑰以及信道、mac等其他信息;
• 驗證：待配與主配通過上一步獲得的信息建立安全連接;
• 配置：配網信息傳輸給待配設備;
• 接入：待配設備使用配網信息向目標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。不過一旦官方出來制定一套統一配網標準，其前景還是非?？捎^的，有望一統江湖，很大程度解決配網碎片化的問題。
 

　　物聯網設備WiFi配網方式，在DPP商用之前，設備熱點配網(↗)/藍牙配網(↗)/一鍵配網(↘)仍然是主流。

　　來源：阿里云開發者社區