设备应用跨平台点对点P2P连接传输通讯技术调研

发表于 2022年08月13日
网络安全

钻研背景

多个设施/备连贯同一局域网不同频率的网络后，两端可能呈现不能失常通信的问题。
如果通过Socket进行本地局域网通信，不在一个网络会呈现找不到设施IP，无奈连贯的问题，外网走服务器会呈现提早、数据同步不精确的问题。
在混合网络场景中，在连贯AP时，既能同时在两端点对点通信，并且两端也能别离进行外网拜访。
新技术方向必要条件：须要同时反对Android和iOS两端或更多跨平台电视TV、手环、感温器、基站、macOS、WINDOWS、Linux、WEB等实现。

设备应用跨平台点对点P2P连接传输通讯技术调研 — Nearby Interaction

现状

iOS：在iOS7中，引入了一个全新的框架——Multipeer Connectivity（多点连接）。利用Multipeer Connectivity框架，即使在没有连接到WiFi（WLAN）或移动网络（xG）的情况下，距离较近的Apple设备（iMac/iPad/iPhone）之间可基于蓝牙和WiFi（P2P WiFi）技术进行发现和连接实现近场通信。
Android：Wi-Fi peer-to-peer（P2P，对等网络），它允许具备相应硬件的Android 4.0（API level 14）或者更高版本的设备可以直接通过wifi而不需要其它中间中转节点就能直接通信（Android的Wi-Fi P2P框架符合Wi-Fi联盟的Wi-Fi Direct™直连认证标志）。使用这些API，你可以搜索并连接其它同样支持Wi-Fi P2P的设备，然后再通过一个高速的连接进行互相通信，并且这个连接的有效距离要比蓝牙连接的有效距离要长的多。这对于需要在用户之间共享数据的应用程序非常有用，例如多玩家游戏或者照片分享之类应用。
展望（UWB）：小范围试验测试中，未来可能扩大市场范围

但是iOS的MC框架与Android的Wifi Direct不兼容，需要单独适配。

Andorid端：WiFi-P2P

Wifi P2P (peer to peer)：定义为 Wifi 点对点，也叫 Wifi 直连(Wifi Direct)，它是 Wifi Display(投屏) 应用的技术基础。

官方定义

使用 WLAN 直连 (P2P) 技术，可以让具备相应硬件的 Android 4.0（API 级别 14）或更高版本设备在没有中间接入点的情况下，通过 WLAN 进行直接互联。使用这些 API，您可以实现支持 WLAN P2P 的设备间相互发现和连接，从而获得比蓝牙连接更远距离的高速连接通信效果。对于多人游戏或照片共享等需要在用户之间共享数据的应用而言，这一技术非常有用。

其他定义

WiFi Direct是指允许无线网络中的设备无需通过无线路由器即可相互连接。其原理与蓝牙技术类似，这种标准允许无线设备以点对点形式互连。而更为重要的是，WiFi Direct技术允许一个WiFi设备同时建立多个无线连接，这是目前很多新形态WiFi应用最关键的技术。

WiFi Direct是一种P2P的无线互联技术，它所建立的网络是一种改进型的adhoc网络，采用无线通讯模式。

WiFi两种网络模式：Infrastructure Mode 和Ad Hoc Mode.

WiFi Direct主要解决了物理层的连接问题，包括设备发现和服务发现等。相关技术有NFC和DLNA。

WiFi Direct其他特性：

不需要AP或者路由器，设备内置“soft AP”
对等连接的双方只需一方支持WiFi Direct即可实现无线互联
同时支持基础设施网络和P2P网络。
可以以一对一或者一对多的方式形成设备互联
至少符合802.11g协议才可以通过WiFi Direct CERTIFIED验证
最大传输距离可达到200米，最大传输速度为250Mbps，使用2.4GHz与5GHz两种频段频段，并它支持一对一，以及一对多模式。

重要特性

Wifi P2P 技术并不会访问网络，但由于会使用到 Java Socket，所以需要申请网络权限。
只需要打开 Wifi 即可，不需要加入任何网络或 AP，即可实现对等点连接通讯。（注：在后文的demo中有验证）
支持服务器给群里设备发送消息。
Wifi Direct实现的只是设备间的配对，配对后的文件传输操作还是需要开发者自己来做的。

扩展

Miracast依赖的Wi-Fi技术项有：

Wi-Fi Direct，也就是Wi-Fi P2P。它支持在没有AP（Access Point）的情况下，两个Wi-Fi设备直连并通信。
Wi-Fi Protected Setup：用于帮助用户自动配置Wi-Fi网络、添加Wi-Fi设备等。
11n/WMM/WPA2：其中，11n就是802.11n协议，它将11a和11g提供的Wi-Fi传输速率从56Mbps提升到300甚至600Mbps。WMM是Wi-Fi Multimedia的缩写，是一种针对实时视音频数据的QoS服务。而WPA2意为Wi-Fi Protected Acess第二版，主要用来给传输的数据进行加密保护。

上述的Wi-Fi技术中，绝大部分功能由硬件厂商实现。而在Android中，对Miracast来说最重要的是两个基础技术：

Wi-Fi Direct：该功能由Android中的WifiP2pService来管理和控制。
Wi-Fi Multimedia：为了支持Miracast，Android 4.2对MultiMedia系统也进行了修改。

使用场景

手机连接到某AP上网，运行youtube客户端看视频；手机同时通过Wi-Fi Direct连接到电视，将视频通过Wi-Fi Direct Display投射到大银幕上.
可实现通过 Wifi 连接，同时使用数据网络的场景，比如：手机遥控无人机的同时，无人机需要访问远程服务器上传数据。
目前在市场上，Client形式（客户、用户使用的）的WiFi产品（无论是USB接口、SDIO接口还是UART接口）都支持WiFi Direct，只是这项技术的用户感知不强。市面上其实已经有很多用WiFi Direct底层技术的App，例如快牙、瓦力快传等利用智能手机自身的WiFi模块自建网络并传送文件。

共享传输方式

蓝牙
WLAN（wifi）
- 1、Wifi-直连（p2p）
- 2、手机wifi热点
- 3、通过连接到同一WIFI路由器
  - 1、socket直接传输（启用Android网络发现服务获取IP地址和端口）
  - 2、http协议搭建网站服务）

Demo研究

Android端

说明：根据官方的demo，整理成Andorid Studio中可编译的项目，并添加测试用例。

代码及测试apk请点击：WiFiDirectDemo

官方文档：WLAN 直连（对等连接或 P2P）概览
官方源码链接：WiFiDirectDemo

测试安装包：
在apk目录下，文件名为：wifidirectDemo.apk。

测试用例：

测试之前，记得首先打开手机WiFi,否则部分手机可能出现闪退的问题。

设备支持必要条件：开启WiFI并允许获取定位权限。

以下为五种测试场景：

同一局域网场景：

两个手机连接WLAN热点：如Smart(2.4G/5G)，在同一个网络下。
运行结果：两个手机能正常通信，能正常收发图片。

同一局域网分离出两个路由：

一个手机连接WLAN热点：如Smart-Slim(5G)，另一个手机连接Smart（2.4G/5G）。

运行结果：两个手机能正常通信，能正常收发图片。

AP隔离场景：

一个手机连接4G网络虚拟的人个热点，一个手机连接Smart（2.4G/5G）。
运行结果：两个手机能正常通信，能正常收发图片。

两个手机只需要打开WiFi，不需要连接任何网络。

运行结果：两个手机能正常通信，能正常收发图片。

开发板的测试场景同上述四种测试场景。

小结：只要两端都打开wifi，无论连的是否同一个网络，都可以连接上并收发图片。

异常情况：

有时候会出现搜索不到的情况，需要多试几次才能搜索成功。另外需要Rom取消发送邀请、确认配对连接弹窗。

iOS端

Multipeer connectivity是一个使附近设备通过Wi-Fi网络、P2P Wi-Fi以及蓝牙个人局域网进行通信的框架。最新Nearby Interactions，有了新的UWB发现框架，可能会改变一些情况。
互相链接的节点可以安全地传递信息、流或是其他文件资源，而不用通过网络服务。
此框架是在iOS7以后推出，旨在替代GameKit下的GKPeerPickerController通信。
通过此框架我们可以直接连接同一网络下的设备，让其直接进行类似微信，qq那样的即时通讯效果。

使用场景：

如何在iPhone移动设备上使用Wi-Fi Direct功能

第三方开源跨平台研究

AllJoyn

alljoyn(目前只找到Android 项目services-simulators，iOS端没有找到 )

AllJoyn，由高通公司主导的高通创新中心（Qualcomm Innovation Center）所开发的开放源代码专案，主要用于近距离无线传输，透过Wifi或蓝牙技术，进行定位与点对点档案传输。

FireChat

(Android端和iOS端都有相应的App。未找到开源的项目）

FireChat，是一个专门用于手机的APP，由开放花园公司开发。它能使智能手机在没有网络存取时，经由无线网状网络的蓝牙、Wi-Fi，或苹果公司的多点连线（Multipeer Connectivity）对等网络架构连线。

udark （Android和iOS端都有开源项目,Android端底层未用到WiFi-P2P接口，以蓝牙和NSD为主，两端文档接口不完善）

Mobile peer-to-peer mesh networking library.Integrates into iOS and Android apps and works over Wi-Fi and Bluetooth.

重点对udark进行Demo验证，验证后发现存在以下问题：

Android 端：

可以看到底层源码（只能通过implementation 'io.underdark:underdark:1.0.12'查看jar包），底层代码初步判断是基于蓝牙和WiFI(NSD)混合模式实现。但是连接成功或是失败，寻找原因时，由于没有文档接口说明不好定位问题。

iOS端： 真机存在适配系统版本13及以上的适配问题，目前只能在iOS模拟器上跑通Demo。代码不开源，无法看到连接原理，无法定位问题。

文档：

两端没有接口文档说明，开源作者也无法进一步联系。

结论：

该开源项目暂时不能在项目中运用，需要考虑其他方向。

下一步方向

MQTT
蓝牙套接字
UWB
……

UWB定位系统与蓝牙技术的对比

UWB室内人员定位系统具有高定位精度的特点，在恶劣环境下也能满足企业需求的精度；蓝牙AOA不仅精度不错，生态也很成熟，但是更适用于简单的办公室环境或者商场环境，更倾向于实际室内定位导航。下面我们来具体客观的对两种技术进行分析对比。

UWB vs 蓝牙

1、定位精度

理想状态下，UWB定位与蓝牙定位均能达到厘米级精度，在实际场景当中，UWB穿透障碍物的能力更强于蓝牙；且UWB的有效传输距离在10m以上，是蓝牙定位的两倍左右。

2、功耗

以相同场景下的基站为例，目前UWB基站需要有源供电、太阳能供电的方式，而蓝牙一块电池就可工作很久，在运营维护上具有明显的优势。

3、成本

受制于信号传播距离，蓝牙基站相邻两点距离在6米左右，UWB基站相邻两点在20-50米左右，取决于遮挡情况，设备量上蓝牙需要更多的设备，但UWB单体成本更高，随着UWB技术的不断进步完善，两者间成本的差距会越来越小。

4、应用场景

蓝牙定位在民用场景下如医院、商超、停车场等更适用，此类场景以用户为核心，更注重用户在场景内的体验，如寻车、寻位置等。UWB定位在企业场景下更契合，如工厂、化工、电厂等，此类场景以企业为核心，更注重人员的安全与管理，在定位精度的要求上更高，故UWB比蓝牙更适合。

通讯技术对比

如上图所示是4种协议的基本性能对比，其中需要注意的是距离对比参数，固然早期相对低速率的蓝牙和Zigbee协议的通讯距离基本定位在10m左右，但是实质上，低功耗的这两种通讯方式都在增强其覆盖面。据最近的蓝牙联盟培训获悉，蓝牙4.0也在布局室内定位方案，同时明年可能公布支持300m以上的中距离蓝牙协议。至于Zigbee协议，已经有大量的硬件支持远距离通讯，有些甚至能让传感网络建立到1.5公里之外。需要注意，Zigbee、蓝牙及WIFI都有2.4Ghz的工作频道，顾同时使用下的信号干扰在所难免。这也是近期比较多的WIFI双频类产品的价值所在。

典型系统参数

功耗对比

通过典型系统参数及功耗对比图，大家可以非常直观的看出这几种协议及方案造就的硬件差异。总的来说，蓝牙、Zigbee适用于有限能源的低数据量传输的应用，如移动设备、现在比较火的可穿戴式（可穿戴式现在普遍方案为蓝牙4.0 BLE，虽然功耗上Zigbee有优势，但是毕竟Zigbee不能直接与手机或平板等移动设备连接。）。此外智能家居的很多应用场景需要产品使用内置电源供电时，Zigbee也有广泛的应用空间。前一段时间，Zigbee联盟就公布了基于Zigbee灯光控制标准Zigbee light link（ZLL），基于Zigbee数据网络的楼宇控制系统也是屡见不鲜。

主要知识和信息来源于<A Comparative Study of Wireless Protocols:Bluetooth, UWB, ZigBee, and Wi-Fi> by Jin-Shyan Lee, Yu-Wei Su, and Chung-Chou Shen。附件是paper原稿全貌，有兴趣的小伙伴们可以深入了解下：

comparaitive_wireless_standards 下载