谈谈对WiFi P2P的理解

概述

Wifi peer-to-peer（也称Wifi-Direct）是Wifi联盟推出的一项基于原来WIfi技术的可以让设备与设备间直接连接的技术，使用户不需要借助局域网或者AP（Access Point）就可以进行一对一或一对多通信。这种技术的应用场景非常多，只要设备支持WiFiP2P的协议，就可以实现传文件，屏幕共享（Miracast），甚至是联机玩游戏，而周围没有任何可以上网的设备。

P2P架构简介

Wifi P2P架构中定义了3个组件，它们分别为：
P2P Device： 支持Wifi P2P协议的设备，比如手机、电脑、平板等，它是以下角色的实体，没成为Group Owner或Group Client前的设备都是“P2P Device”。
P2P Group Owner： 简称GO，是协议中的一种角色，相当于AP，一个组里只有一个GO。
P2P Group Client： 简称GC，是另一种角色，一个组里可以有多个GC。

通过以上可知，Wifi P2P的拓扑结构是1:n的，其中多个GC连接一个GO，这样的一个结构可以称为一个组，如下图所示。

P2P Discovery介绍

P2P Discovery主要是让设备间快速发现和建立连接，在官方的规范中（Wi-Fi Peer-to-Peer (P2P) Technical Specification），它包含以下4项子技术：

• Device Discovery
  促使两个P2P设备到达一个公共信道并交换设备信息（例如设备名称和设备类型），即设备间的发现。
• Service Discovery
  是一个可选功能，允许P2P设备在形成连接之前发现可用的更高层服务。
• Group Formation
  用于协商哪个设备将要称为GO，并形成一个新的组。
• P2P Invitation
  用于调用一个持久的P2P组（ Persistent P2P）或邀请一个P2P设备加入一个已经存在的组。

Device Discovery 流程

设备发现流程利用了IEEE 802.11标准中的Probe Request和Probe Response帧来搜索周围的P2P设备，并且要求Probe Request帧中的数据必须包含P2P IE信息，否则不会响应。

设备发现流程分为Scan和Find两个阶段，其中Find阶段又分有Listen和Search两个状态，下面分别进行详细讲解。

Search State
搜索状态，在这个状态中，设备会分别向1、6、11频道发送包含P2P IE信息的Probe Request帧，这几个频段被称为Social Channels。

Listen State
监听状态，在这个状态中，设备会在1、6、11频段中随机选择一个进行监听，若收到带有P2P IE信息的Probe Request帧，则会发出Probe Response帧进行响应）。值得一提的是，设备一旦选择好监听的频段，则在整个发现流程中都不会改变。

Scan Phase
扫描阶段，P2P Device会向各个频段发送Probe Request帧，在这个阶段中，设备只发送而不会响应Probe Request帧，完成后进入下一阶段，即Find阶段。

Find Phase
发现阶段，从名字上看，发现和扫描差不多，但实际上它们的工作大不相同。在这个阶段中，设备会在Listen State和Search State两个状态之间来回切换。在Search State，设备发出Probe Request帧，而在Listen State，设备接收Probe Request帧并发出Probe Response帧进行响应。

注意
为什么选择1、6、11频段作为Social Channels，涉及到了物理层的知识，有兴趣的可以自己了解一下。另外，只有在同一频段上，设备间才能交换信息。

下图为Device Discovery的完整流程图。

通过上图可以了解Device Discovery的完整流程：

• 上层发送开始发现的命令后，设备首先会进入Scan阶段，向各个频段发送Probe Request帧。
• 接着进入Find阶段的Listen状态，可以看到设备1和设备2的监听的频段并不相同（设备1监听channel 1，设备2监听channel 6），而且Listen状态的持续时间为100TU的随机整数倍，这个整数在minDiscoverableInterval和maxDiscoverableInterval之间，默认为1和3，而厂商可以修改这两个值。随机是为了避免设备同时进入Listen状态和Search状态，导致始终无法发现对方。
• 接着切换到Search状态（设备1），分别向1、6、11频段发送Probe Request帧，因为设备2监听的是频段6，所以只能接收到设备1在频段6发出的Probe Request帧，并回复Probe Response帧，设备1收到Probe Response帧后，便通知上层成功发现设备。

Service Discovery

服务发现流程可在设备成功发现后的任何时间被执行，例如在成功发现设备后且在组形成之前。服务发现流程利用的是 Generic Advertisement Service（GAS）帧，类似与Probe Request和Probe Response帧，它也是IEEE 802.11定义的。这个协议具有很高的扩展性和灵活性，可发现不同的高层服务协议类型，比如Bonjour和UPnP协议。

服务发现的流程也很简单，跟设备发现流程相似，下图是设备成功发现后继而进行服务发现的流程。

通过服务发现流程，一台设备可以获得另一台设备的一下信息：

• 所有服务的列表
• 单个服务的信息
• 多个服务的信息
• 服务信息是否发生变化

跟设备发现流程类似，服务发现流程也涉及到请求帧（Service Discovery Query frame）与响应帧（Service Discovery Response frame），这两个帧是GAS帧中的一个字段。设备发现网络的意图不同，请求帧与响应帧的字段也会不同，下面以请求帧为例。

意图	TLV(Type-Length-Value)数量	Service Protocol Type	Query Data Length
请求全部服务	1	0	0
请求单种类型的全部服务	1	表1的非0值	0
请求一个特定类型的一个特定服务	1	表1的非0值	相应Query Data的长度
请求多种类型的多个服务	多个	表1的非0值	相应的Query Data的长度

解释： 在请求帧中，TLV是请求帧和响应帧的一个字段，包括Query Data Length、Service Protocol Type、Service Transaction ID和Query Data本身，如下图所示。

因此，如果设备A想请求设备B的UPnP类型的所有服务，则请求帧中只需包含一个TVL，且Length的值为0，Service Protocol Type的值为1。

Group Formation

完成设备发现之后，就可以进行组协商了。上面提到组协商的主要作用是决定哪个设备当GO，并创建一个新的组。整个协商过程包括三次握手，如下图所示。

可以看到GO Negotiation Request帧和GO Negotiation Response帧中包含了一个Group Owner Intent属性，这个属性代表设备成为GO的渴望程度，最大值为15（15表示该设备一定要成为GO）。设备间通过比较Group Owner Intent属性的值决定谁成为GO，规则如下。

• 当两个设备的Group Owner Intent属性的值不相等时，值大的成为GO。
• 若两设备的值相等，则判断是否小于15，若小于15，Tie breaker bit是1的成为GO。
• 若两设备的值都是15，说明两个设备都想要成为组员，则此次组协商失败。

P2P Invitation

P2P邀请流程是一个可选项，以下情况有可能会用到：

• 一个P2P GO邀请一个P2P Device作为GC加入组。
• 一个P2P GC邀请一个P2P Device加入其所在的组，目的是为了使用P2P Device的一些服务。
• 请求调用一个持久的P2P组，其中一个设备该组曾经的GO。

类似于设备发现和服务发现流程，邀请流程也涉及到P2P Invitation Request 帧与P2P Invitation Response帧。不同的情况，这些帧的内容也不同。以上面第一种情况为例，即一个P2P GO邀请一个P2P Device作为GC加入组。

P2P Invitation Request应包含P2P Group ID、P2P Group BSSID、信道列表、操作信道和配置超时属性，信道列表属性应指明P2P设备作为P2P组的操作信道可以支持的信道。操作信道和配置超时属性设置如下：
操作信道属性表明P2P组的工作信道；配置超时属性中的GO Configuration Timeout字段应设置为0。

P2P Invitation Response应包括信道列表和配置超时属性，信道列表指明了P2P客户端可以支持的操作信道。信道列表中的信道只能包含来自P2P邀请请求帧中Channel List属性的信道。Configuration Timeout属性应指示在P2P邀请响应指示成功后，P2P客户端准备加入P2P组所需的配置时间。在没有P2P设备通常支持的信道或者响应的P2P客户端不支持当前操作信道的情况下，P2P邀请响应帧应包括状态属性，状态码字段设置为“失败；没有公共信道”。