基于AnyFi的WLAN组网技术及其在4G网络管理应用

1 AnyFi介绍

AnyFi是一家瑞典公司提出的Wi-Fi解决方案。该方案让用户可以通过任何存在的Wi-Fi作为接入点，访问自家的Wi-Fi网络。比如用户在家里连接上Wi-Fi后，一旦出门，进入公司或商场，它将会自动连接上任何一个新出现的Wi-Fi AP，而且用户无需安装任何的软件或者需要人工登陆，能够继续使用自己的家庭网络。 为此，AnyFi技术利用Wi-Fi接入点提供的物理无线电，动态安装虚拟的无线电热点，建立与家庭网络的通道，把用户身份验证信息和业务发送回用户家庭网络。有人把AnyFi视为可携带的Wi-Fi接入，理论上有Wi-Fi接入（无论使用已经存在固定Wi-Fi接入点还是可携带的Wi-Fi接入点）和有本地接入网络的地方，就可以搭建AnyFi网络接入。

下图是AnyFi网络架构示意图

 

 

从网络架构示意图上，AnyFi引入了独立的Controller来管理用户通过AnyFi接入。Wi-Fi接入网络本身没有引入新的节点，只是在安全业务层和下层之间植入AnyFi模块，以支持虚拟Wi-Fi接入点功能以及与归属地Wi-Fi网络的隧道连接。

首先，用户连接到归属地Wi-Fi网络，通过Wi-Fi网络访问Internet。与此同时，归属地Wi-Fi网络把用户(连同MAC地址，本地网络UUID等信息)注册到AnyFi controller。

当用户离开归属地Wi-Fi网络，试图通过拜访地Wi-Fi接入点进行连接时，该外部Wi-Fi接入点会通过AnyFi Controller查询用户的归属地Wi-Fi网络信息，为用户建立虚拟Wi-FI接入并连接到归属地Wi-Fi网络。

自此用户通过该虚拟Wi-Fi接入点连接到归属地Wi-Fi网络并继续访问Internet。整个过程通过AnyFi自动完成，对用户透明。

其中参与AnyFi过程的重要节点和功能包括：

AnyFi Controller：用于管理支持AnyFi的Wi-Fi网络接入点。支持用户AnyFi注册，用户漫游后通过AnyFi进行连接。

Wi-Fi Radio：提供AnyFi接入的物理无线电功能。

Wi-Fi Security： 提供Wi-Fi接入需要的用户鉴权和安全建立。

AnyFi模块：该模块植入Wi-Fi Radio和Wi-Fi Security之间，支持虚拟Wi-Fi接入点功能以及与归属地Wi-Fi网络的隧道连接。

RG (Residential Gateway)：在用户通过固定网络接入Internet时提供家庭网关功能。

2 AnyFi操作过程

AnyFi主要工作过程包括：

用户在归属地Wi-Fi网络中的Wi-Fi注册连接过程（包括AnyFi注册）

用户在拜访地Wi-Fi网络中进行的AnyFi连接过程。

注： 本节描述的Wi-Fi连接过程仅为示例，详细的流程参见Wi-Fi 802.11协议定义。

2.1 用户Wi-Fi连接和AnyFi注册

 

 

如上图所示，主要过程包括：

信标接收和查询过程：该过程确定Wi-Fi连接所用SSID和MAC地址等信息。

认证过程：主要基于802.1x的认证框架，实现基于EAP的认证。如果用户支持移动网络接入，还可以使用EAP-AKA，EAP-SIM等认证方法。AP侧上行过程并未标示，一般为通过RADIUS进行。

关联过程：该过程可提供加密算法及密钥管理方式协商。

WPA过程：基于认证过程中产生的原始密钥，产生用于加密的密钥，包括数据面上下行加密密钥。由此数据将在安全通道进行传输。数据加密手段比如AES, TKIP等。

DHCP过程：该过程为用户分配地址，以及DNS等主机配置参数。AP侧上行过程并未标示，一般为标准的DHCP过程或者还包含GTP过程。

在用户连接归属地Wi-Fi网络过程中，将同时完成用户AnyFi注册过程。归属地Wi-Fi网络向AnyFi Controller提供用户接入的MAC地址，以及本地Wi-Fi网络UUID等信息。

2.2 AnyFi连接过程

 

 

上图所示的主要过程包括：

1 用户终端向拜访地Wi-Fi网络接入点发起802.11查询，提供用户MAC地址等信息。

2 拜访地Wi-Fi网络查询AnyFi Controller，提供MAC地址，归属地Wi-Fi网络SSID等信息；同时提供用于Tunnel建立的本端Tunnel地址和端口。

3 AnyFi Controller根据拜访地Wi-Fi网络查询请求提供的MAC等信息，通知其归属地Wi-Fi网络接收该用户的AnyFi连接请求，成功后返回用于Tunnel建立的本端Tunnel地址和端口。

4 拜访地Wi-Fi网络收到AnyFi Controller成功的查询应答后，回应用户终端的Probe查询请求，包括归属地Wi-Fi网SSID。此时，与归属地网络的通道Tunnel也已经建立。

5 用户终端与归属地Wi-Fi网络完成802.11的后续过程，包括认证，管理，WPA, DHCP等。

6 最后，受保护的数据在用户终端与归属地Wi-Fi网络间传输，通过归属地Wi-Fi网络进行正常Internet等业务。

3 AnyFi的典型应用场景和组网

3.3 通过家庭网关接入

 

 

如上文AnyFi背景介绍所述，该组网方式中，用户通过自家的Wi-Fi网络和家庭网关使用Internet。家庭用户可以在离开自家Wi-Fi网络后，通过任何能够支持AnyFi的外部Wi-Fi网络接入并使用自家的Wi-Fi网络，进行用户鉴权和业务使用。用户终端和自家网络之间支持端到端的安全保障。用户终端只需借用外部Wi-Fi网络的物理无线电资源以及当地现成接入网络。用户甚至可以自携带支持AnyFi的Wi-Fi接入点为其终端提供接入。

家庭网关的应用比较广泛，家庭物联网M2M应用中，用户可以通过使用AnyFi接入无缝地进行家庭物联网连接。

3.2 通过TWAG接入EPC

 

 

该网络连接主要考虑以AnyFi作为接入手段，然后支持用户以3GPP标准定义的授信WLAN接入的方式接入4G核心网EPC。这种方式中，Wi-Fi接入网通过授信WLAN接入网关（TWAG）和授信WLAN AAA代理（TWAP）连接到EPC。这种组网方式的一个明显好处就是解决授信WLAN接入方式中接入网络的安全保障问题。另外，为提供面向EPC的集中式连接，归属地Wi-Fi网络节点提供Wi-Fi AC功能以服务更多的AP连接。

3..3 直接接入EPC

该网络连接以AnyFi作为接入手段，并直接连接到4G核心网EPC。

3GPP标准定义了非授信WLAN接入EPC。本节中的AnyFi组网方式可视为非授信WLAN接入EPC相类似的参考方式，其核心为AnyFi作为接入手段提供非授信WLAN接入和安全保障。

该接入组网的一个好处是，直接运用无线接入层的安全保障支持与EPC的连接，解决了多层面运用安全手段的低效叠加问题。