基於WiFi Direct實作具自我組織能力之跨群組訊息傳遞系統 The Implementation of Self-Organization Multigroup Messenger System with WiFi-Direct Speaker: Shih-Chi Huang Advisor: Dr. Kai-Wei Ke 2015/06/10

OUTLINE 動機與目的 Wi-Fi Direct Introduction 相關背景知識 系統分析與設計 Page 2

動機與目的 Page 3

動機與目的 在生活中總是會遇到必須立即的傳送資訊給周圍的人知道，當然我們都知道網路很方便，但是沒有網路的呢 ? 如果人潮很多、頻寬不足的狀態下呢 ? 因此我們要開發一個能夠立即的將訊息傳遞給周遭的系統。 以下例車載網路進行說明 Page 4

動機與目的 (Cont.) 相關APP FireChat FireChat 其最特別的地方就是利用手機藍牙來傳送訊息，簡單的說算是接近 P2P（peer-to-peer；點對點）的模式來達成。 適用環境 香港佔中 太陽花事件 無論是自然災難，還是「其他」的原因導致的傳統手機訊號基地台服務中斷 Page 5

Wi-Fi Direct Introduction Page 6

Wi-Fi Direct Introduction What’s Wi-Fi Direct ? 早期被稱為 Wi-Fi 點對點 ( Wi-Fi Peer-to-Peer )，是一套軟體協定，讓 WiFi 裝置可以不透過 Access Point，以點對點的方式，直接與另一個 WiFi 裝置連線，進行高速的資料傳輸，現有的 Wi-Fi 硬體都可以透過 Driver 更新獲得 Wi-Fi Direct 的功能。 Page 7

Wi-Fi Direct Introduction (Cont.) What’s Wi-Fi Direct ? 2009年10月14日，Wi-Fi 聯盟公布他們正在發展這個協定。 2010年10月25日正式開始公開認證。 Wi-Fi Direct 架構在原有的 802.11a、802.11g、802.11n 之上，不支援802.11b。比既有的 ad-hoc 模式更快，同時也支援 WPA2 加密機制。 最大傳輸距離是 200 公尺 最大傳輸速度為 250Mbps 使用 2.4GHz 與 5GHz 頻段 它支援一對一，以及一對多模式。 不支援 802.11b 的原因是因為速度 Wi-Fi Direct 設備不採用802.11b 資料或是特定的資料傳輸速率，例：1，2，5.5 或11Mbps（發送給Wi-Fi Direct 設備和傳統設備的除外），也不對只支援802.11 /b 速率的請求作出回應。 a g n 皆採用 OFDM b 採用 DSSS Page 8

Wi-Fi Direct Introduction (Cont.) 定義 P2P Device 的角色 - 可以區分為兩種不同的角色 P2P Group Owner : 又被稱為”AP-like”，提供 DHCP server，能夠與其他 P2P Device 進行連線。 Client : P2P Client : Wi-Fi P2P 相容的裝置可以連結 P2P Group Owner。 Legacy Client : 受過 Wi-Fi 認證的裝置，即使沒有相容於 P2P，也可以進行連線。 而當兩個裝置進行連結的時候，一個裝置會當作 Group Owner，其餘裝置會變成 Client Page 9

Wi-Fi Direct Introduction (Cont.) P2P Group Owner DHCP 分配規則 當 P2P Group 形成之後 P2P Group Owner 會依照以下規則分配 IP P2P Group Owner 會指派 (192.168.49.1/24) 給自己 其餘 Group Client 會以 (192.168.49.x/24)，x 是隨機值 因此所有的 P2P Group Owner IP 都是 192.168.49.1 Page 10

Wi-Fi Direct Introduction (Cont.) 區分為兩種不同架構 Page 11

Wi-Fi Direct Introduction (Cont.) Wi-Fi Direct mac address 如上頁 Group2 所示，當我們創建 Group 的時候會把 Wi-Fi 本身的 Mac address locally administered bit 改成 1 當作是 Wi-Fi Direct 所使用的 Mac address Example : Samsung S4 Wi-Fi Mac Address : CC:3A:61:E7:B7:A6 Wi-Fi Direct Mac Address : CE:3A:61:E7:B7:A6 Page 12

Wi-Fi Direct Introduction (Cont.) 創建 Group 的流程 – 三種 Group 形成的技術 (Standard、Autonomous、Persistent) Page 13

Wi-Fi Direct Introduction (Cont.) 創建 Group 的流程 – 三種 Group 形成的技術 (Standard、Autonomous、Persistent) Standard 當我們按下 Wi-Fi Direct 中的 Scan，會先執行 Discovery algorithm，Social channels 有 ch. 1,6,11，會有兩種狀態 : a search state : 對所有 Social channels 發出 Probe request a listen state : 監聽所有 Social channels 並回應 Probe response Page 14

Wi-Fi Direct Introduction (Cont.) 創建 Group 的流程 – 三種 Group 形成的技術 (Standard、Autonomous、Persistent) Standard 當收到 Probe response 時，流程到 GO negotiation phase – 此部分使用 three-way handshake (Request / Response / Confirmation) This phase to decide : Who will act as P2P GO Operate in 2.4 GHz or 5GHz bands Page 15

Wi-Fi Direct Introduction (Cont.) 決定哪個裝置當 P2P GO x1 = Group Owner Intent Value of P2P Device 1 x2 = Group Owner Intent Value of P2P Device 2 Tie breaker 決勝局、做莊的當GO、這值是隨機的，會隨著 request 一起傳送 GO Negotiation Flow Diagram Page 16

Wi-Fi Direct Introduction (Cont.) 創建 Group 的流程 – 三種 Group 形成的技術 (Standard、Autonomous、Persistent) 2. Autonomous P2P Device 可以自行創建 P2P Group，此裝置會馬上變成 Group Owner，因此省略了 Wi-Fi Direct Discovery phase GO Negotiation Page 17

Wi-Fi Direct Introduction (Cont.) 創建 Group 的流程 – 三種 Group 形成的技術 (Standard、Autonomous、Persistent) 3. Persistent 在此方法底下，P2P Device 會記錄你與另一個裝置的協議內容，因此下次連線時會先去看紀錄清單是否已經有符合的裝置資訊，如果有就會變成 Persistent 的方法 簡化了 GO negotiation 與 WPS 配置的部分 Page 18

相關背景知識 Page 19

相關背景知識 Wi-Fi Direct vs BlueTooth4.0 Wi-Fi Direct BlueTooth4.0 理論速度 250Mbps 25Mbps 理論距離 200公尺 最大傳輸距離與規範無關，他只和藍芽設備的功能有關。 藍芽技術聯盟表示，藍芽4.0之間距離60公尺沒有問題 安全性 WAP2 (AES 256 bit演算法) AES 128 bit加密 功能 支援 WMM 省電程序，可以將設備的供電時間延長15% ~ 40%。 還提供缺席通知與機會節能機制 (只用於單純的 Wi-Fi Direct 設備小組的環境) 新的低能耗技術 (PDF)，據稱優化之後，即使由一個鈕扣電池供電，使用時間也可以長達一年，甚至更長。(已用於傳輸短脈衝數據) 向後相容性 可以與傳統的 Wi-Fi 設備通訊 不支援低能耗的設備，可以向後兼容，但是低能耗技術和老是藍芽設備的兼容性存在問題 Page 20

相關背景知識 (Cont.) Wi-Fi Direct vs Ad-hoc Wi-Fi Direct 優點 簡單的與數個裝置進行連結 安全性 Service 的功能 Ad-hoc 優點 真的 peer-to-peer 能夠有大型的 mesh 網路 協定簡單 連線前溝通 frames 比較少 Wi-Fi Direct 缺點 有一些拓譜不支援 協定很複雜 連線前溝通 frames 比較多 Ad-hoc 缺點 對沒經驗的使用者很難使用 沒有安全機制 沒有 Service 功能 Page 21

系統分析與設計 Page 22

系統分析與設計 P2P Invitation procedure - 5 種邀請情境 1. A P2P Group Owner 與 P2P Device 要求連線 Page 23

系統分析與設計 P2P Invitation procedure - 5 種邀請情境 2. A P2P Client 與 P2P Device 要求連線 Page 24

系統分析與設計 (Cont.) P2P Invitation procedure - 5 種邀請情境 3. A P2P Device 與 Group Owner 要求連線 Page 25

系統分析與設計 (Cont.) P2P Invitation procedure - 5 種邀請情境 4. A P2P Device 與 P2P Client 要求連線 Page 26

系統分析與設計 (Cont.) P2P Invitation procedure - 5 種邀請情境 5. A P2P Group Devices 與其他的 P2P Group Devices 要求連線 Page 27

系統分析與設計 (Cont.) 系統設計 前面有提到 Legacy Wi-Fi 可以連接至 P2P Group 因此我們要把 WLAN-STA 介面連至於 P2P Group 底下，讓裝置可以跨兩個 P2P Group Page 28

系統分析與設計 (Cont.) 系統設計 由上面的設計可以演變出下面兩個架構 Page 29

系統分析與設計 (Cont.) 系統設計 – 基礎架構 觀察一個群組下溝通的流程 Page 30

系統分析與設計 (Cont.) 系統設計 – 第一種架構 觀察兩個群組下溝通的流程 最大的問題 : 1. GO 與 GO 不能進行溝通 必須要透過其中一個 P2P Client 轉送 2. 右邊的 GO 無法再加入新的點 Page 31

系統分析與設計 (Cont.) 系統設計 – 第二種架構 觀察兩個群組下溝通的流程 此設計可以解決第一種架構 GO 與 GO 不能溝通的問題 與無法加入新的點的問題 所以最終採用此架構去開發系統 Page 32

系統分析與設計 (Cont.) 定義角色 – 分成三種 在第二種架構底下，我們把角色分成三種 P2P Group Owner : 提供 DHCP server，能夠與其他 P2P Device 進行連線。 Client : P2P Client : Wi-Fi P2P 相容的裝置可以連結 P2P Group Owner。 Legacy Client : 受過 Wi-Fi 認證的裝置，即使沒有相容於 P2P，也可以進行連線。 Relay : 同時連結到兩個 P2P Group 的裝置，負責傳遞訊息的責任。 Page 33

系統分析與設計 (Cont.) 資訊傳遞流程 Page 34

系統分析與設計 (Cont.) 自我組態 每一個 P2P Group 會開啟 Service，紀錄的資訊有 所屬 Group 中字串比對最大的 SSID 所屬 Group 中 Client (P2P Client、Legacy Client) 的數量 Page 35

系統分析與設計 (Cont.) 自我組態 比對方法 Page 36

Thanks for your listen Page 37