Wi-Fi Aware (NAN)

支持的芯片[ RTL8730E ][ RTL8721Dx ][ RTL8721F ]

备注

Realtek Wi-Fi NAN 功能只支持带有 wpa_supplicant 的 Linux Host, 包括 Wi-Fi 网卡模式中的 WPAoH 模式 (WHC Wi-Fi 配置选项及模式) 和 RTL8730E Linux 架构。

Wi-Fi NAN 概述

Wi-Fi Aware，也称为 NAN (Neighbor Awareness Networking) 协议，是一项由 Wi-Fi 联盟认证的技术标准。 它允许支持该功能的设备在不依赖于传统的网络基础设施、互联网连接或 GPS 信号的情况下，快速发现、连接并与其他 Wi-Fi 设备交换数据。 与传统的 Wi-Fi 直连（Wi-Fi Direct）相比，NAN 在设备发现阶段功耗更低、效率更高，适合需要持续感知周围环境的应用场景。 这使得一系列创新的点对点（P2P）应用成为可能，例如：

  • 社交应用：查找附近有共同兴趣的朋友或加入一个本地游戏。

  • 信息共享：在会议室里快速分享文件给所有与会者。

  • 本地服务：在商场里接收附近商家的优惠券，或在博物馆里获取关于展品的详细介绍。

Wi-Fi NAN 的高效与低功耗特性，得益于其独特的工作机制，主要包括 NAN 集群、服务发布/订阅模型以及数据链路的建立。

NAN 集群

多个邻近的 NAN 设备可以自动组成一个 NAN 集群 (NAN Cluster) ，集群中的设备能够相互通信。在集群内部，设备共享一套共同的时间信标以进行同步。

设备不会一直保持唤醒状态，而是遵循一个严格的同步时钟，仅在被称为发现窗口 (Discovery Window, DW) 的极短时间片内被唤醒。 在 DW 期间，设备可以广播自己的服务或侦听来自其他设备的服务。在其余绝大部分时间里，设备都处于低功耗的休眠状态。 这种同步休眠/唤醒机制是 NAN 实现低功耗的关键，它避免了传统 Wi-Fi 为了发现彼此而需要持续扫描所带来的较大电量消耗。

../_images/nan_cluster.png

Wi-Fi NAN 集群

服务发布/订阅模型

Wi-Fi NAN 采用了一种高效的发布/订阅 (Publish/Subscribe) 模型进行服务发现：

  • 发布服务 (Publish): 设备可以作为发布者向集群广播它所能提供的服务。

  • 订阅服务 (Subscribe): 其他设备（订阅者）则侦听它们感兴趣的特定服务。

  • 服务发现 (Discovery): 当订阅者在发现窗口期间侦听到匹配其订阅请求的发布消息时，则成功订阅服务。

建立数据链路 (NAN Data Path)

一旦服务订阅成功，两个设备之间就可以选择建立一个 NAN 数据链路 (NAN Data Path, NDP)。这是一个基于 Wi-Fi 的点对点直连链路，具有以下特点：

  • 高带宽: 利用 Wi-Fi 的高速率进行数据传输。

  • 低延迟: 直接连接，无需通过 AP 中转。

  • 安全性: 可以使用 WPA2 安全标准对数据链路进行加密。

NDP 建立后，设备就可以进行文件传输、视频串流、实时游戏等需要高带宽和低延迟的交互。

Wi-Fi NAN 特性支持

Realtek 设备对 Wi-Fi NAN 协议提供了全面的支持，能够作为 NAN 网络中的任何角色运行。具体支持能力如下：

  • 核心功能支持

    • 创建 NAN 集群： 当周围没有可用的 NAN 网络时，设备能够主动初始化一个新的 NAN 集群，并承担主节点 (Master) 的角色，负责广播同步信标，为其他设备的加入提供基础。

    • 加入 NAN 集群： 设备能够自动扫描并发现附近已经存在的 NAN 集群，并与之同步时钟，无缝融入现有的邻近感知网络中，与其他设备进行服务发现。

    • 发布服务: 设备可以广播（发布）一个或多个服务，让周边设备发现。

    • 订阅服务: 设备可以订阅（搜索）特定的服务，并发现提供这些服务的设备。

    • 建立数据链路: 设备间可以建立开放或加密的 NAN 数据链路，并协商时间窗口以进行点对点数据交换。

  • NAN 安全性支持

    • 支持设备间建立加密的数据路径。基于 WPA2 AES 加密方式对单播数据帧进行保护。

    • 支持 NAN 配对 (NAN Pairing) 进行设备间安全身份认证、密钥协商、分发与管理。

    • 支持使用 PTK 进行单播管理帧保护。

    • 支持使用 GTK 进行多播数据帧保护，使用 IGTK 进行多播管理帧保护。

    • 支持使用 BIGTK 进行信标帧保护 (Beacon Protection)。

  • 主要特性

    • 高带宽、低延迟的数据传输： 基于 Wi-Fi 技术，确保数据交换的性能。

    • 安全连接： 在 Wi-Fi 层对已配对设备间的连接进行认证与加密。

    • 多连接能力：支持与多个 Wi-Fi NAN 设备同时建立连接。

    • 网络并发：支持 Wi-Fi NAN 功能与传统 Wi-Fi 网络(STA 模式)并发使用，互不影响。

    • 稳健的拓扑结构：采用完全的点对点拓扑，单个节点的加入或离开不会中断其他节点间的现有连接。

Wi-Fi NAN 移植指南

Realtek Wi-Fi NAN 功能只支持带有 wpa_supplicant 的 Linux Host, 包括 Wi-Fi 网卡模式中的 WPAoH 模式 (WHC Wi-Fi 配置选项及模式) 和 RTL8730E Linux 架构。

RTL8721Dx:

Device 端驱动移植参考 Wi-Fi 网卡模式 ，Host 端驱动移植参考 Wi-Fi 网卡模式 中 Linux 部分。

Wi-Fi NAN 使用指南

nan_test:

Realtek NAN Utility 是一款用户空间工具，它基于开源 iw 库和 nan_vendor_wrapper 私有库，提供了 nan_test 测试脚本，可以直观便捷地操作 Wi-Fi NAN。 NAN Utility 架构如下图所示：

../_images/nan_utility_arch.png

Wi-Fi NAN Utility 架构

NAN Utility 获取及编译

RTL8721Dx:

  1. 获取 NAN Utility

    SDK 下载： 下载方法

    NAN Utility 工具位于： {sdk}/component/wifi/linux_app/nan_utility.

  2. 环境准备

    在 Linux 系统安装以下依赖包：

    sudo apt-get install build-essential

  3. 执行编译

    将 nan_utility 目录复制到 Host Linux 内核源码树，终端执行编译：

    cd nan_utility
make script

    编译完成后，可执行脚本 nan_test 位于 nan_utility/script/ 路径下。

nan_test 参数说明

nan_test 支持的命令及参数如下所示。

nan_test -h

显示帮助信息。

nan_test status

显示当前 NAN 状态，包含以下信息：

  • 模块是否存在

  • 主接口 down/up 状态

  • NAN 接口是否存在

nan_test init

初始化 NAN 接口，通过该命令注册 nan0 接口。执行后 iw dev 结果会显示 nan0 接口，且其与 wlan0 共用同一 phy。

示例：

nan_test init

nan_test deinit

注销 NAN 接口，通过该命令注销 nan0 接口。

示例：

nan_test deinit

nan_test start [pref <value>] [bands [2GHz] [5GHz]]

启动 NAN。

参数：

pref:

Master Preference，默认值 pref = 5。

bands:

支持的频段（publish），可选 2GHz 或 2GHz 5GHz。

示例：

nan_test start pref 5 bands 2GHz 5GHz

nan_test stop

停止 NAN。

nan_test add_func type <publish|subscribe|followup> [solicited] [unsolicited] name <name> [optional param]

添加一个 NAN 服务（function），可带或不带过滤器。

参数：

type:

所添加服务的类型。

solicited / unsolicited:

仅 publish 服务需要，指示该 publish 服务为 solicited 或 unsolicited。

name:

服务名，由此生成 service id，不区分大小写；默认名为 org.wifi.nan.test。

可选参数：

info:

可为简单 buffer 或格式化 buffer。

  • 简单 buffer 会附加到 SDA 属性。

  • 以支持的 OUI 开头的格式化 buffer 将作为结构化 service info 附加到 SDEA。

  • 目前每个服务仅能选择一种 service info，且驱动仅支持 ref[1] 中指定的 OUI。

  • 例：type subscribe active srf include list "00:11:22:33:44:55;66:55:44:33:22:11"

active:

仅 subscribe 服务需要，指示为 active subscribe。

bcast:

仅 solicited publish 需要，指示该服务同时进行广播。

Follow up 服务参数（仅当服务类型为 followup 时需要）：

flw_up_id:

本地 publish 或 subscribe 服务的 instance id，即该 followup 服务想要跟随的服务。

flw_up_req_id:

远端 publish 或 subscribe 服务的 instance id。

flw_up_dest:

远端 publish 或 subscribe 服务的 nmi。

Service response filter 参数（仅当配置 srf 时需要）：

include / exclude:

指示 srf 作为白名单或黑名单。

list <mac1;mac2...>:

指定用于与对端 nmi 逐一比对的列表。

bm bf_idx bf_len <mac1;mac2...>:

指定生成 bloom filter 的方法与组成。

  • 例：type subscribe active srf include bf 3 16 "00:11:22:33:44:55;66:55:44:33:22:11"

Matching filter 参数：

rx_filter <str1:str2...>:

接收匹配过滤器。

tx_filter <str1:str2...>:

发送匹配过滤器。

  • 例 1：type publish solicited rx_filter RTK:ABCD:A23D；type subscribe active tx_filter RTK

  • 例 2：type publish unsolicited tx_filter *:*:*；type subscribe passive rx_filter none

示例：

nan_test add_func type publish unsolicited name android data_path
nan_test add_func type subscribe active name nan_service

nan_test rm_func <cookie>

移除一个 NAN 服务，cookie 在 add_func 时给出。

nan_test data_req [req_type <ndp>] [rsp_nan_mac <mac_addr>] [sec] [publish_id <id>] [min_duration <value>] [max_latency <value>] [sec_pmk <key_content | pairing>] [srv_info <hex_data>] [port_num <value>] [hostname <str>]

发起 NAN data request。

参数：

req_type:

data request 的类型，目前仅支持 ndp。

rsp_nan_mac:

ndp responder 的 mac 地址。

sec:

需要安全数据通路时设置。

publish_id:

指定对端服务的 instance id。

  • 若未指定该 id，则选择 rsp_nan_mac 的第一个服务作为 publish_id。

min_duration:

每个 dw 间隔所需的最小可用 nan slot 数量（单位：nan slot）。

  • 需要 qos 时设置（更多细节参见 nan spec 中的 NDL QoS attr）。

max_latency:

每两个非连续 NDL CRB 之间的最大 nan slot 数量（单位：nan slot）。

  • 需要 qos 时设置（更多细节参见 nan spec 中的 NDL QoS attr）。

sec_pmk:

仅当设置 sec 时出现，指定用于安全 ndp 建立的 pmk。

  • pmk content：例 sec_pmk 123456789ABCDEF0123456789ABCDEF1（注意 pmk 长度应为 32）。

  • pairing：若在 ndp 建立前已完成 nan pairing，则使用该值（pmk 会在 nan pairing 完成后自动生成）。

sec_password:

仅当设置 sec 时出现，指定用于扩展生成安全 ndp 建立所需 pmk 的 password。

  • 注意：password 最大长度为 32。

srv_info:

service info，需以 hex 格式呈现并以逗号分隔。

  • 例：srv_info 50,6f,9a,02,00,02,00,58,1b,01,01,00,06

  • 注意：service info 可有多种格式，但对当前命令集，srv_info 应为将附加到 NDP 属性的简单 buffer。

port_num:

Transport Port，服务当前监听的端口。若设置该参数，NDPE 将以通用 service 格式附加 service info，并忽略 srv_info 参数。

hostname:

DNS-SD hostname。若设置该参数，NDPE 将以通用 service 格式附加 service info，并忽略 srv_info 参数。

示例：

nan_test data_req req_type ndp rsp_nan_mac 00:11:22:33:44:55:66 publish_id 1

nan_test data_rsp [rsp_mode <peer | auto>] [ndl_rsp <reject | accept>] [data_path_id <id>] [publish_id <id>] [initiator_data_address <mac_addr>] [min_duration <value>] [max_latency <value>] [srv_info <hex_data>] [port_num <value>] [hostname <str>]

响应 NAN data request。

参数：

rsp_mode:

响应模式，可选值：peer、auto。

ndl_rsp:

响应状态，可选值：reject、accept。

data_path_id:

当 rsp_mode 为 peer 时出现，为 initiator 创建的 ndp id（更多细节参见 nan spec 中的 ndp attr）。

publish_id:

当 rsp_mode 为 auto 时出现，为对端 publish 服务的 instance id。

initiator_data_address:

当 rsp_mode 为 peer 时出现，为 initiator 的 mac 地址。

min_duration:

每个 dw 间隔所需的最小可用 nan slot 数量（单位：nan slot）。

  • 需要 qos 时设置（更多细节参见 nan spec 中的 NDL QoS attr）。

max_latency:

每两个非连续 NDL CRB 之间的最大 nan slot 数量（单位：nan slots）。

  • 需要 qos 时设置（更多细节参见 nan spec 中的 NDL QoS attr）。

srv_info:

service info，需以 hex 格式呈现并以逗号分隔。

  • 例：srv_info 50,6f,9a,02,00,02,00,58,1b,01,01,00,06

  • 注意：service info 可有多种格式，但对当前命令集，srv_info 应为将附加到 NDP 属性的简单 buffer。

port_num:

Transport Port，服务当前监听的端口。若设置该参数，NDPE 将以通用 service 格式附加 service info，并忽略 srv_info 参数。

hostname:

DNS-SD hostname。若设置该参数，NDPE 将以通用 service 格式附加 service info，并忽略 srv_info 参数。

示例：

nan_test data_rsp rsp_mode peer ndl_rsp accept data_path_id 1

nan_test data_end [ndp_id <id>] [initiator_ndi <mac>]

结束 NAN data path。

nan_test set_ipv6

通过 ifconfig 基于 mac 地址设置本机的 ipv6 link-local 地址，自动将本机 mac 地址转换为 ipv6 地址。

nan_test set_neigh <dst_mac>

设置邻居的 ipv6 link-local 地址，自动将目标 mac 地址转换为 ipv6 地址。

NAN 应用示例

在 NAN 设备间建立 Data Path，需准备两套设备，并完成 NAN 移植以及 NAN Utility 的移植。

备注

在执行示例中的命令时，需要将其中的 MAC 地址替换为您设备的实际 NAN MAC 地址。 可在设备启动 NAN 后，通过 ifconfig 指令查看 nan0 端口的地址信息，如下：

root@raspberrypi:/# ifconfig

nan0: flags=4163<UP,BROADCAST,RUNNING,MULTICAST>  mtu 1500
      inet6 fe80::2e2:4cff:fe00:102d  prefixlen 64  scopeid 0x20<link>
      ether 00:e2:4c:00:10:2d  txqueuelen 1000  (Ethernet)
      RX packets 0  bytes 0 (0.0 B)
      RX errors 0  dropped 0  overruns 0  frame 0
      TX packets 6  bytes 516 (516.0 B)
      TX errors 0  dropped 0 overruns 0  carrier 0  collisions 0

nan_test 示例

Case 1 - Open NDP 建立

Open NDP 允许设备之间建立直接的数据通道，但不进行加密或认证，适用于对安全性要求不高的场景，具有更低的延迟和更简单的设置过程，建立流程如下图所示：

../_images/nan_open_ndp_case.png

Wi-Fi NAN Open NDP 建立流程

按下表所示，在对应的 Host 终端执行指令以建立 Open NDP:

Step

Device A(NDP Responder)

MAC: 00:11:22:33:44:55

Device B(NDP Initiator)

MAC: 66:55:44:33:22:11

Description

1

nan_test init

nan_test start pref 128 bands 2GHz 5GHz

Device A 初始化 NAN，并在 2G 和 5G 启动 NAN。

2

nan_test init

nan_test start pref 5 bands 2GHz 5GHz

Device B 初始化 NAN，并在 2G 和 5G 启动 NAN。

3

nan_test add_func type publish unsolicited name nanservice data_path

Device A 发布一个未加密的服务。

4

nan_test add_func type subscribe name nanservice

Device B 订阅该服务。

5

nan_test data_req req_type ndp rsp_nan_mac 00:11:22:33:44:55 publish_id 1

Device B 向 Device A 发送 Data Path Request，请求建立NDP。

6

nan_test data_rsp rsp_mode peer ndl_rsp accept data_path_id 1

Device A 回复 Data path Response，接受 NDP 请求，NDP 建立成功。

7

nan_test set_ipv6

nan_test set_neigh 66:55:44:33:22:11

nan_test set_ipv6

nan_test set_neigh 00:11:22:33:44:55

Device A & B 设置自身的 IPv6 地址，并将对方的 IPv6 地址添加到 IP 邻居表中。

8

ping6 fe80::6655:44ff:fe33:2211%nan0

Device A 通过 IPv6 地址 ping Device B，可以成功通信。

9

ping6 fe80::0011:22ff:fe33:4455%nan0

Device B 通过 IPv6 地址 ping Device A，可以成功通信。

Case 2 - Secure NDP 建立

Secure NDP 在设备之间建立加密的数据通道，提供了数据传输的机密性和完整性保护，建立流程如下图所示：

../_images/nan_secure_ndp_case.png

Wi-Fi NAN Secure NDP 建立流程

按下表所示，在对应的 Host 终端执行指令以建立基于 PMK 的 Secure NDP:

Step

Device A(NDP Responder)

MAC: 00:11:22:33:44:55

Device B(NDP Initiator)

MAC: 66:55:44:33:22:11

Description

1

nan_test init

nan_test start pref 128 bands 2GHz 5GHz

Device A 初始化 NAN，并在 2G 和 5G 启动 NAN。

2

nan_test init

nan_test start pref 5 bands 2GHz 5GHz

Device B 初始化 NAN，并在 2G 和 5G 启动 NAN。

3

nan_test add_func type publish unsolicited name nanservice data_path sec_pmk 123456789abcdef0123456789abcdef0

Device A 发布服务，宣称支持 ND-TKSA (SDEA with Unicast NDP required and Security Required)。

4

nan_test add_func type subscribe name nanservice

Device B 订阅该服务。

5

nan_test data_req req_type ndp rsp_nan_mac 00:11:22:33:44:55 sec publish_id 1 sec_pmk 123456789abcdef0123456789abcdef0

Device B 向 Device A 发送 Data Path Request，携带 sec_pmk,请求建立加密NDP。

6

nan_test data_rsp rsp_mode peer ndl_rsp accept data_path_id 1

Device A 回复 Data path Response，接受 NDP 请求，NDP 建立成功。

7

nan_test set_ipv6

nan_test set_neigh 66:55:44:33:22:11

nan_test set_ipv6

nan_test set_neigh 00:11:22:33:44:55

Device A & B 设置自身的 IPv6 地址，并将对方的 IPv6 地址添加到 IP 邻居表中。

8

iperf -s -i 1 -V

Device A 运行 iperf server。

9

iperf -c fe80::0011:22ff:fe33:4455%nan0 -i 1 -t 30 -V

Device B 运行 iperf client，与 Device A 建立 TCP 连接。

rtw_aware 示例

参考资料