在早期叫做Neighbor Awareness Networking，所以被简称为NAN，后来最新的协议规范改名为Wi-Fi Aware，中文一般叫做wifi感知技术，最新的规范可在联盟官网查询，本文根据Wi-Fi_Aware_Specification_v3进行分析。

一. NAN是啥？有啥用？

主要用例和优势，用官方的讲就是：

Wi-Fi Aware使移动体验更加愉快和富有成效，因此用户可以从中受益。诸如经营场地、交通枢纽和零售店等的企业可以通过 Wi-Fi Aware提高生产率、扩大品牌知名度并使服务得到更多的使用。

• 无需接入网络，就可向支持 Wi-Fi Aware 的打印机安全地发送文件；

• 在展览会或会议上发现同事，在穿过展厅时，接收有关展位、即将开始的演示或其他感兴趣的事项的提示信息；

• 无需互联网连接，就可在路过时查看餐馆菜单并预定座位，即使餐馆尚未开门也一样；

• 无需携带原始身份证，能够以你喜欢的形式出示身份信息。

Wi-Fi Aware 使设备制造商和应用开发商能够帮助用户更深入地洞察周围的世界，用他们接收的信息创造个性化体验，重塑我们与环境互动的方式。

说了这么多，可能还是不甚明白这个是咋样的，所以还是联盟演示的视频变现的最为直观：

这样看来，我感觉这才是推广广告的最有用功能啊，脑补一下以后进入某些商厦手机就蹦出各种打折信息......这可比之前那种热点广告要高级。

二. Wi-Fi Aware 功能

用一张联盟的图来总结其功能为：

1. Wi-Fi Aware 主要功能

2. Wi-Fi Aware 架构

3. 硬件要求

• 802.11n 2.4 GHz 是必须支持的

• 802.11n和802.11ac 5 GHz 是可选的

• 设备时钟精度为+/-500 ppm 或更好

▪ 工作温度为 0-80˚C

• 必须支持 OFDM data rates: 6, 9, 12, 18, 24, 36, 48 and 54 Mbps

▪ NAN Synchronization and NAN Discovery Beacon frames 必须支持以 6 Mbps速率发送

▪ NAN Service Discovery Public Action frames 必须支持以 OFDM data 速率发送

• 支持测距的设备必须支持FTM协议的作为 initiator 和 responder 

▪ 当测距服务发现初始化时，订阅型设备应该是 FTM initiator角色

三. 基本概念

每一个支持NAN的设备就可以叫做NAN Device。

多个NAN Device组成的集群就叫做NAN Cluster。

NAN cluster拓扑如下图所示：

NAN测距架构如下图所示：

NAN数据通信架构如下图所示：

需要进行单播数据通信的两个NAN设备之间需要建立 NAN Data Path (NDP)，成功后建立NAN Device Link (NDL)确保能共享NDP的资源。

一个NAN集群中包含两个及以上的NAN Device在唤醒时共享同一个NDC则称之为NAN Data Cluster (NDC)。

NAN也支持和其他工作模式共存，如下图所示：

NAN设备的地址规则

每个NAN设备拥有一个管理接口地址NAN Management Interface Address (NMI)，可能有一个或多个数据接口地址NAN Data 

Interface Addresses (NDI)。NDI可以和NMI一样，也可以不同。

在NAN集群中，NAN设备可以使用NMI或NDI地址作为所有管理帧的transmitter地址。

在NAN集群中，NAN设备可以使用NMI或NDI地址接收所有单播管理帧和所有的广播管理帧。

NAN设备可以在多个不同的NDP中使用同一个NDI，可以使用不同的多个NDI，这都是协议允许的。

NAN Network ID

NAN Network ID 规定为 51-6F-9A-01-00-00. 

组播NAN Service Discovery frames 和 

NAN Action frames 在A1域使用组播地址 51-6F-9A-01-00-00。

NAN Cluster ID

NAN Cluster ID 也是一个mac地址，和bssid类似，规定为范围为从 50-6F-9A-01-00-00 到 50-6F-9A-01-FF-FF。NAN Cluster ID 在设备初始化时随机生成一个即可。

关于NAN发送的帧中A3域如何填，可以看下表示意：

关于下面这些都在规范中做了说明，这里不在叙述。

Address fields in NAN and Non-NAN frames

Address field definition for NAN frames

Address Field Definition for Non-NAN Management Frames

四. NAN 同步

1. 操作信道

• 2.4G只使用6信道（2.437 GHz）；

• 设备只支持5G低频（5.150 – 5.250 GHz）时使用44信道(5.220 GHz)；

• 设备只支持5G高频（5.725 – 5.825 GHz）时使用149信道(5.745 GHz)；

• 设备5G高低频都支持时使用149信道(5.745 GHz)；

当然NAN Data Path可以使用其它任意信道。

NAN也使用STA的默认WMM EDCA参数：

2. NAN Discovery Window

这个不太好描述，可以理解为所有NAN设备处于工作的时间和信道对应的这段时间叫做Discovery Window (DW)。

DW间隔512TU，DW时间持续16TU。

2.4G DW从TSF 0TU时刻开始算起，5G DW从TSF 128TU时刻开始算起。

DW期间NAN可以发送NAN Synchronization Beacon frames给其它设备同步时钟。每个NAN设备在DW期间最多只能发送一个NAN Synchronization Beacon frame 。

DW0：TSF低23为0的DW 

除了处于Non-Master Non-Sync状态的设备，在DW0时都要唤醒。

注意：NAN中所谓的唤醒，不仅仅是指真的硬件节电睡眠，也可以是处于其他模式/信道在工作 而只是NAN没有工作。

3. NAN设备同步时钟

同一个NAN集群的NAN设备应该同步同一个时钟。每个NAN设备需要根据一套算法参与发送NAN Beacon帧。

4. NAN设备的角色和状态

一个NAN设备有Master和Non-Master两种角色；

Non-Master角色又有Sync和Non-Sync两种状态。

NAN设备的角色和状态是可以发生转换的，如下图所示：

关于NAN设备的角色和状态转换的条件详细可以看协议下面四个章节，这里不在翻译：

• NAN Device Role and State Transition in the 2.4 GHz frequency band

• NAN Master to Non-Master Sync State Transition

• NAN Non-Master to Master Role Transition

• NAN Non-Master Sync to Non-Master Non-Sync State Transition

• NAN Non-Master Non-Sync to Non-Master Sync State Transition

• NAN Device role and state transition in the 2.4 GHz and 5 GHz frequency band

NAN设备不同的角色和状态下所能发送的帧也不同：

• Master角色可以发送NAN Synchronization Beacon 和 NAN Discovery Beacon frame

• 在DW期间，Non-Master角色处于Sync状态时才能发送NAN Synchronization Beacon frame

• Non-Master角色处于Non-Sync状态时不能发送NAN Synchronization Beacon frame

• 在DW期间，NAN设备都可以发送NAN Service Discovery frame

5. NAN Master Rank

每个NAN设备都包含一个NAN Master Rank，Master Preference越高越容易成为NAN Master。

NAN Master Rank由下面三部分构成：

• Master Preference

• Random Factor

• NAN Interface Address

Master Rank计算公式:

Master Rank = Master Preference * 2^56 + Random Factor * 2^48 + MAC[5] *2^40 +… + MAC[0]

Master Preference和Random Factor是俩随机数；

Master Preference更新为非0值之后，240DWs内不得改变且不能变回0；

Random Factor更新后，要在120DWs-240DWs时间内改变，取值范围0-255.

NAN Interface Address更新后，在240DWs内不得改变。

当加入新的集群时，就需要重设NAN Master Rank。

6. Anchor Master

锚定主设备（Anchor Master）是集群中Master Rank最高的设备。 

锚定主设备为NAN集群中的其它设备提供TSF时钟。

每一个NAN设备都有可能成为锚定主设备。

一个NAN设备可以通过下面的方式变成锚定主设备：

• 初始化作为一个新的NAN集群时

• 原先锚定主设备的Master Rank发生了改变

▪ NAN设备自己的Master Rank发生了变化

▪ 同一个集群中的其它NAN设备的Master Rand发生了变化

• 收不到集群中的锚定主设备的NAN Beacon frames了

当NAN设备自己的Master Rand发生变化后可能丢失锚定主设备角色 或 集群中其它NAN设备的Master Rank发送变化。

7. Anchor Master selection

集群中的NAN设备使用同一套锚定主设备选择算法，主要维护两套数据：

Current Anchor Master Record 

        • Anchor Master Rank (AMR): The Master Rank of the Anchor Master 

        • Hop Count to Anchor Master: the number of NAN Devices between the NAN Device and the Anchor Master.

        • Anchor Master Beacon Transmission Time (AMBTT)

Current Anchor Master Record 初始化时应该被设置为下列值: 

        • The AMR is set to its own Master Rank;

        • The Hop Count to Anchor Master is set to zero;

        • The AMBTT is set to 0x00000000.

Last Anchor Master Record

        • Anchor Master Rank (AMR) 

        • Anchor Master Beacon Transmission Time (AMBTT)

Last Anchor Master Record在初始化时必须被设置为0。

简单说就是根据AMR AMBTT Hop Count这些条件，详细可以看协议这节，这里不在翻译。

8. NAN的发现和同步

按照协议上写的，可以通过Beacon或Probe Response发现NAN集群，但是协议上只写了NAN Beacon帧的组帧格式，并没有提probe如何组帧，比较奇怪。

NAN Discovery Beacon帧的发送：

每个处于Master角色的NAN设备非DW期间要发送NAN Discovery Beacon frame以便发现NAN集群。

发送NAN Discovery Beacon frame的规则：

• 发送间隔不能超过200TU

• 发送间隔不能低于50TU.

默认应使用最小的发射功率和AC_VO队列发送NAN Discovery Beacon frame。

NAN Cluster Grade(CG)

每一个NAN集群都有一个CG，计算方法如下：

CG = 2^64*A1+A2

A1是集群锚定主设备的Master Preference；

A2是8字节的TSF时间，其低19位置0。

9. 加入NAN Cluster

NAN设备启动后，一般是先进行被动扫描，然后才开始后续动作：

• 如果发现一个或多个NAN集群，则选择CG最高的集群加入

• 如果发现一个或多个NAN集群都具有最高CG，则选择AMR最高的集群加入

• 没有发现的话，自己就创建了一个集群

在加入集群时，NAN设备就应该同步集群的TSF时钟。

规范这里提到了一点，也可以通过Probe Response帧的Cluster Discovery attribute来发现集群，关于probe帧这本规范描述的总是很含糊。

10. NAN Cluster合并

当一个集群中的NAN设备扫描到其他的集群时：

• 如果发现存在一个或多个CG值高于当前集群的集群，则该NAN设备将重新加入CG值最高的集群。

• 如果一个或多个集群的最高CG相同，则加入AMR最高的集群。

当NAN设备决定加入一个最高CG集群时，如果NAN设备之前是Master或Non-Master Sync，则它应该在旧的集群DW中发送一次NAN Synchronization Beacon frame，其NAN IE包含对应的新集群信息、A3域设置为新的Cluster ID。

当通过集群合并的方式加入新的集群时，一个NAN设备的角色和状态应该与之前的集群相同。

11. NAN设备在DW期间发送下面的帧：

• NAN Synchronization Beacon frame

• NAN Service Discovery frame (SDF)

• NAN Action frame (NAF)

规范规定NAN设备在DW信道上不能发送数据帧。

五. NAN Service Discovery

NAN服务发现框架使NAN设备能够从其他NAN设备中查找服务、为其他NAN设备创建服务。

规范共定义了两类服务发现协议:

• 发布型消息（Publish message）

• 订阅型消息（Subscribe message）

NAN Discovery Engine

DE定义method和event，应用层就可以直接使用，定义如下：

1. Methods

Publish(service_name, matching_filter_tx, matching_filter_rx, service_specific_info, configuration_parameters, 
datapath_parameters, qos_requirements, range_configuration_parameters, security_configuration_parameters)
CancelPublish(publish_id)
Subscribe(service_name, matching_filter_rx, matching_filter_tx, service_specific_info, configuration_parameters, 
range_configuration_parameters)
CancelSubscribe(subscribe_id)
Transmit(handle, service_specific_info, configuration_parameters)
UpdatePublish(publish_id, service_specific_info)
GASScheduleRequest(publish_id, address)

2. Events

DiscoveryResult(subscribe_id, service_specific_info, service_update_indicator, publish_id, address, range_measurement, 
FSD_parameters, datapath_parameters, qos_requirements, security_parameters)
Replied(publish_id, address, subscribe_id, range_measurement, service_specific_info)
PublishTerminated(publish_id, reason)
SubscribeTerminated(subscribe_id, reason)
Receive(id, peer_instance_id, service_specific_info, address, range_measurement)
GASScheduleConfirm(status, publish_id, address)

可以用图直白的解释这个流程的执行过程：

• Unsolicited Publish command data flow

• Solicited Publish command data flow

六. NAN Scheduler

NAN设备应该指明FAW在NAN管理帧中：

• One or more Further Availability Map attributes;

• One or more NAN Availability attributes;

• NAN ASI attributes associated with NAN Operations; 

• NAN ASI attributes associated with Non-NAN Operations.

这里面，NAN Availability attribute里面会携带Channel Entries指示使用的信道等信息。

此外还有下面这些需要关注：

NAN Aligned Schedule Indication attributes

Further Availability attributes

Unaligned Schedule

七. NAN data communication

规范同样定义了method和event，让应用层方便使用，定义如下：

1. Methods

DataRequest(type, publish_id, responder_nan_address, multicast_address, qos_requirements, security, 
initiator_ipv6_interface_identifier, service_specific_info)
DataResponse(type, status, ndp_id or mc_id, initiator_data_address, multicast_address, qos_requirements, security, 
responder_ipv6_interface_identifier, service_specific_info)
DataEnd(type, status, ndp_id, nmsg_id, initiator_data_address)
DataUpdate(type, ndp_id, nmsg_id, initiator_data_address, qos_requirements)

2. Events

DataIndication(type, publish_id, ndp_id or mc_id, initiator_data_address, responder_data_address, security, 
initiator_ipv6_interface_identifier, service_specific_info)
DataConfirm(type, status, ndp_id or mc_id, nmsg_id, initiator_data_address, responder_data_address, 
responder_ipv6_interface_identifier, service_specific_specific_info)
DataTermination(type, status, ndp_id or mc_id, nmsg_id, initiator_data_address)

用图解释流程的执行过程：

• NDP setup without pairwise security association

• NDP setup with pairwise security association

TCP/IP bring-up using the NDPE attribute

这里需要指出，规范特别定义了使用NDPE可以协商使用IPV6地址、tcp/udp协议和端口，所以这样就可以不止是使用二层通信，上层就可以以socket进行数据通信。这个过程可以用图表示为：

八. NAN security and privacy protection

• 802.11 encrypted unicast Data frames

• 802.11 Protected Management frames (PMF)

• Creation of Secure Service Identifiers

一般安全加密部分实现，都是软件协商出类型，将密钥设置到硬件去加解密报文，所以加密算法这里就不研究了。

九. NAN ranging

NAN设备的测距，可以实现类似电子围栏的功能，对设备进入某区域和离开某区域能做到精确通知，如：

规范同样定义了method和event，定义如下：

1. Methods

Range_Request(MAC_Address, range_id, configuration_parameters)
Cancel_Range(range_id):
Range_Response(response_control_parameters, matching_filter_for_response, range_id, configuration_parameters)

2. Events

Range_Result (MAC_Address, range_id, range_measurement, event_type)
Range_Request_Indication (MAC Address, range_id, configuration_parameters)

用图解释流程的执行过程：

• NAN ranging invoked by a NAN service

• NAN ranging invoked as a part of service discovery

FTM协议测距流程示意图：

十. NAN帧格式

简单说，一个NAN管理帧主要包含NAN IE和NAN attributes。

NAN IE格式如下图：

NAN attribute格式如下图：

具体的Attribute ID有哪些定义，直接去规范查询即可，规范详细列了取值和格式，这里不再细述。

1. NAN Synchronization和NAN Discovery Beacon帧格式

FC规定按如下规则填写：

fromDS和toDS置为0。

A1填写为广播地址。

A2填为发送方地址。

A3填为Cluster ID。

一般NAN Synchronization Beacon帧的Beacon Interval填为512TU，NAN Discovery Beacon帧的Beacon Interval填为100TU。

2. NAN Service Discovery frame format

3. NAN Action frame format

其中NAN Action frame subtypes定义为：

十一. Bluetooth Low Energy

BLE通过发送Discovery Service (TDS) 触发NAN设备进行服务发现。传输发现服务使用通用帧格式，用于携带基本服务信息，以触发在NAN应使用上的进一步发现。

虽然这里描述的机制是针对BLE触发NAN的，但同样的机制也可以应用于触发其他无线电，如Wi-Fi Direct、WiGig、HaLow等。

BLE触发数据封装在BLE advertising报文中，Transport Discovery Data AD Type Code字段设置为0x26 (TDS)，Organization ID字段设置为0x02 (Wi-Fi联盟通用服务发现)。BLE TDS帧格式如图所示：

Header域定义如下图：

协议流如下图所示：

• Example of protocol flow for BLE triggers NAN operation initiated by a Browser

• Example of protocol flow for BLE triggers NAN operation initiated by a Seeker

十二. NFC

NAN设备可以使用NFC连接来触发NAN服务发现和安全的NDP设置。

执行流程如下图所示：

• Example of NFC triggered NAN Protocol using NFC Negotiated Connection Handover with Service

Subscriber serving as NFC Handover Requester

• Example of NFC triggered NAN using NFC Static Connection Handover with NAN Service Subscriber serving as NFC Handover Requester

十三. 一些缩写词和术语

更多的术语缩写可以直接查看规范，在规范前面也是做了列举，此处不再细述。

十四. 测试代码

之前想着在esp32上简单实现DE功能，结果测试了一下发现无法控制esp32的硬件tsf，所以自己组的帧是没法填写timestamp域的，那么这个构想就失败了！

但是我还是贴一份自己组的NAN管理帧发送测试代码，可以供感兴趣的朋友参考怎么组帧和发送。

基于esp32的esp_idf实现的代码，点此下载：---> nan_test.c