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【WiFi软件开发】Linux 802.11 栈（nl80211, cfg80211, mac80211）

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前言

本文主要介绍linux内核中和WiFi密切相关的80211栈。80211栈包含nl80211，cfg80211和mac80211，主要用于WiFi配置和管理，本文将从功能和代码实现角度对各个模块进行解读。

一、linux WiFi架构和80211栈

首先给出Linux无线设备的软件架构图：
在这里插入图片描述
可以看出80211栈主要位于内核中的最上层，同时和用户空间中的应用、底层驱动、linux内核协议栈相关联，扮演了重要的承接角色。作为这样一个角色，80211栈需要解决一系列问题以实现WiFi管理和通信：

  • 需要能以 “数据帧” 的形式发送、接收数据；
  • 需要数据帧加密功能。802.11 标准为此设计了认证机制框架（authentication mechanism framework），使用了 “管理帧” (management frames) 负责此工作 —— 保障从客户端STA 搜索 AP ，到建立实际连接的安全；
  • 需要提供碰撞管理（collision handling）机制，以便不同设备能在同一个信道上顺畅通信（在这一点上，所有的无线通信都一样）。该功能由 “控制帧” (control frames) 负责。802.11 借助使用通信时间窗口的碰撞规避（collision avoidance）来实现这一功能；
  • 需要能在运行时重新配置设备（比如修改频道）；
  • 需要能向用户推送网络相关事件（比如因为距离过远而断连）。

下文将分别介绍80211栈中的nl80211，cfg80211和mac80211模块，并基于上述问题对各个模块的功能和代码实现进行解读。

二、nl80211

1.介绍

nl80211是介于用户空间与内核空间之间的 API ，可以算是 cfg80211 的前端，也会生成 “事件” (events) 信息。该模块依赖 netlink 协议来在两个空间进行信息交互，通过socket接收上层命令，执行对应函数进行配置管理网络接口。Netlink 是一个 Linux 中的 socket 类型，用于在内核与用户空间之间传递事件。
代码参见

linux-5.4.196/net/wireless/nl80211.c

。nl80211的

main

函数主要做了以下几件事：

  • 用genl_register_family函数，注册nl80211_fam结构。
  • 初始化了struct genl_family nl80211_fam结构。主要字段有op字段，值为nl80211_ops。
  • 初始化了struct genl_ops nl80211_ops[]，数组定义了命令和对应的钩子函数。上层通过Generic netlink套接字通信发送命令，nl80211中执行对应的函数。

2.消息接收

linux-5.4.196/net/netlink/genetlink.c

中的函数

genl_family_rcv_msg

会接收上层消息，进行

pre_doit，doit，post_doit

等处理。
代码如下：

staticintgenl_family_rcv_msg(conststructgenl_family*family,structsk_buff*skb,structnlmsghdr*nlh,structnetlink_ext_ack*extack){...if(family->pre_doit){
        err = family->pre_doit(ops, skb,&info);if(err)goto out;}

    err = ops->doit(skb,&info);if(family->post_doit)
        family->post_doit(ops, skb,&info);...}

3.支持的消息和函数集nl80211_ops[]

nl80211通过

genl_family_rcv_msg

接收来自用户态的netlink信息，通过回调函数

nl80211_pre_doit

, 查找cfg80211注册时的设备信息dev。 通过调用函数cfg80211函数接口或者dev钩子函数实现信息的获取或参数的设置。
其中支持的消息在

nl80211_commands

中给出：

enumnl80211_commands{/* don't change the order or add anything between, this is ABI! */
    NL80211_CMD_UNSPEC,

    NL80211_CMD_GET_WIPHY,/* can dump */
    NL80211_CMD_SET_WIPHY,
    NL80211_CMD_NEW_WIPHY,
    NL80211_CMD_DEL_WIPHY,...}

消息和对应的处理函数在nl80211_ops[]中注册：

staticconststructgenl_ops nl80211_ops[]={{.cmd = NL80211_CMD_GET_WIPHY,.validate = GENL_DONT_VALIDATE_STRICT | GENL_DONT_VALIDATE_DUMP,.doit = nl80211_get_wiphy,.dumpit = nl80211_dump_wiphy,.done = nl80211_dump_wiphy_done,/* can be retrieved by unprivileged users */.internal_flags = NL80211_FLAG_NEED_WIPHY,},#ifLINUX_VERSION_IS_GEQ(5,10,0)};staticconststructgenl_small_ops nl80211_small_ops[]={#endif{.cmd = NL80211_CMD_SET_WIPHY,.validate = GENL_DONT_VALIDATE_STRICT | GENL_DONT_VALIDATE_DUMP,.doit = nl80211_set_wiphy,.flags = GENL_UNS_ADMIN_PERM,},{.cmd = NL80211_CMD_GET_INTERFACE,.validate = GENL_DONT_VALIDATE_STRICT | GENL_DONT_VALIDATE_DUMP,.doit = nl80211_get_interface,.dumpit = nl80211_dump_interface,/* can be retrieved by unprivileged users */.internal_flags = NL80211_FLAG_NEED_WDEV,},...}

需要注意的是

doit

和

dumpit

的区别：

doit

：标准命令回调函数，在当前族中收到数据时触发调用，函数的第一个入参skb中保存了用户下发的消息内容；

dumpit

：转储回调函数，当

genl_ops

的flag标志被添加了

NLM_F_DUMP

以后，每次收到genl消息即会回触发这个函数。

dumpit

与

doit

的区别是：

dumpit

的第一个参数skb不会携带从客户端发来的数据。相反地，开发者应该在skb中填入需要传给客户端的数据， 然后，将skb的数据长度（可以用skb->len）return。skb中携带的数据会被自动送到客户端。只要

dumpit

的返回值大于 0，

dumpit

函数就会再次被调用，并被要求在skb中填入数据。当服务端没有数据要传给客户端时，

dumpit

要返回0。如果函数中出错，要求返回一 个负值。

三、cfg80211

1.介绍

cfg80211实现了wlan设备的注册，上可接收用户态配置管理命令，下可通过mac80211进行和硬件交互。因为实现了设备注册，虚拟接口的区分也是在此定义实现的（

struct wiphy

，一个 wiphy 设备可以有一个对应 MAC）。
代码位置在

linux-5.4.196/net/wireless/core.c

， 文件主要提供一些相关接口函数，实现设备在cfg80211中设备的注册，并在链表

cfg80211_rdev_list

中添加设备信息。

2.代码分析

cfg80211在函数

cfg80211_init(void)

中初始化，主要做了一下几件事：

  1. register_pernet_device(&cfg80211_pernet_ops); 注册网络设备操作，该函数是register_pernet_operations的包裹函数，其中first_device的定义如下： static struct list_head *first_device = &pernet_list; 所有要添加到网络命名空间的网络协议模块都会添加到链表first_device中。当kernel支持网络命令空间时，register_pernet_operations的定义如下： 当支持多网络命令空间时，会调用该函数，该函数会遍历目前已存在的所有网络命名空间，将网络协议模块添加到每一个网络命令空间中；并执行init操作，在每一个网络命名空间中，执行协议初始化相关的东东（生成proc相关的文件或者为协议申请缓存等）。
  2. wiphy_sysfs_init(); 在/net/wireless/sysfs.c中，该文件的作用是：当cfg80211.ko驱动模块被安装后，在终端设备的sys/class/下会出现ieee80211文件夹。
  3. register_netdevice_notifier(&cfg80211_netdev_notifier); 实现设备cfg80211中的初始化、注册cfg80211以及相关参数的设置
  4. nl80211_init(); nl80211初始化函数
  5. regulatory_init(); 地区码初始化

四、mac80211

1.介绍

这是最底层的模块，与 hardware offloading 关联最多。如果某些功能无法由设备硬件实现，那么就可以以纯软的方式实现在这里。另外，以软件形式实现也可以赋予开发者对逻辑有更大的控制权。其也被称为 “Soft MAC” 模块，与 “Hard MAC” （由设备固件完成所有工作）相对。实际场景中，通常是这两种方案混合使用。802.11 协议状态机就在这里，需要处理所有类型的帧。

2.代码结构

  • ieee80211_i.h（主要数据结构）
  • main.c（主函数入口）
  • iface.c（虚拟接口处理）
  • key.c,key.h（密钥管理）
  • sta_info.c,sta_info.h（用户管理）
  • pm.c（功率管理）
  • rate.c,rate.h（速率控制函数）
  • rc80211*（速率控制算法）
  • rx.c（帧接收路径代码）
  • tx.c（帧发送路径代码）
  • scan.c（软件扫描代码）
  • mlme.c（station/managed模式MLME）
  • ibss.c（IBSS MLME）
  • cfg.c,cfg.h,wext.c（配置入口代码）
  • aes*,tkip*,wep*,michael*,wpa*（WPA/RSN/WEP代码）
  • wme.c,wme.h（QoS代码）
  • util.c（公共函数）

3.数据结构

  • ieee80211_local/ieee80211_hw` 每个数据结构代表一个无线设备（ieee80211_hw嵌入到ieee80211_local） ieee80211_hw是ieee80211_local在驱动中的可见部分 包含无线设备的所有操作信息
  • sta_info/ieee80211_sta 代表每一个station 可能是mesh，IBSS，AP，WDS ieee80211_sta是驱动可见部分
  • ieee80211_conf 硬件配置 当前信道是最重要的字段 硬件特殊参数
  • ieee80211_bss_conf BSS配置 多BSSes类型（IBSS/AP/managed） 包含比如基础速率位图 per BSS parameters in case hardware supports creating/associating with multiple BSSes
  • ieee80211_key/ieee80211_key_conf 代表加密/解密密钥 ieee80211_key_conf提供给驱动用于硬件加速 ieee80211_key包含book-keeping和软件解密状态
  • ieee80211_tx_info 大部分复杂数据结构 skb内部控制缓冲区(cb) 经历三个阶段：1、由mac80211初始化；2、由驱动使用；3、由发送状态通告使用
  • ieee80211_rx_status 包含接收帧状态 驱动通过接收帧传给mac80211
  • ieee80211_sub_if_data/ieee80211_vif 包含每个虚拟接口信息 ieee80211_vif is passed to driver for those virtual interfaces the driver knows about (no monitor,VLAN) 包含的sub-structures取决于模式

4.主要流程

1.配置

  • 所有发起来自用户空间（wext或者nl80211）
  • managed和IBSS模式：触发状态机（基于workqueue）
  • 有些操作或多或少直接通过驱动传递（比如信道设置）

2.接收路径

  • 通过函数ieee80211_rx()接收帧
  • 调用ieee80211_rx_monitor()拷贝帧传递给所有监听接口
  • 调用invoke_rx_handlers()处理帧
  • 如果是数据帧，转换成802.3帧格式，传递给上层协议栈
  • 如果是管理帧/控制帧，传递给MLME

3.接收处理钩子（invoke_rx_handlers）

  • ieee80211_rx_h_passive_scan
  • ieee80211_rx_h_check
  • ieee80211_rx_h_decrypt
  • ieee80211_rx_h_check_more_data
  • ieee80211_rx_h_sta_process
  • ieee80211_rx_h_defragment
  • ieee80211_rx_h_ps_poll
  • ieee80211_rx_h_michael_mic_verify
  • ieee80211_rx_h_remove_qos_control
  • ieee80211_rx_h_amsdu
  • ieee80211_rx_h_mesh_fwding
  • ieee80211_rx_h_data
  • ieee80211_rx_h_ctrl
  • ieee80211_rx_h_action
  • ieee80211_rx_h_mgmt

4.发送路径

  • 帧传递给ieee80211_subif_start_xmit()
  • 把帧转换成802.11格式，丢弃发给未认证工作站的单播包，除了来自本地的EAPOL帧
  • 如果是MONITOR接口，在帧头部增加radiotap信息
  • 调用invoke_tx_handlers()处理帧
  • 调用drv_tx()，把帧传递给驱动

5.发送处理钩子（invoke_tx_handlers）

  • ieee80211_tx_h_dynamic_ps
  • ieee80211_tx_h_check_assoc
  • ieee80211_tx_h_ps_buf
  • ieee80211_tx_h_select_key
  • ieee80211_tx_h_sta
  • ieee80211_tx_h_rate_ctrl
  • ieee80211_tx_h_michael_mic_add
  • ieee80211_tx_h_sequence
  • ieee80211_tx_h_fragment
  • ieee80211_tx_h_stats
  • ieee80211_tx_h_encrypt
  • ieee80211_tx_h_calculate_duration

6.mangement/MLME

  • 状态机运行依赖于用户请求
  • 标准方法如下： probe request/response auth request/response assoc request/response notification request/response

7.IBSS

  • 尝试寻找IBSS
  • 加入IBSS或者创建IBSS
  • 如果没有配对，则周期性地尝试寻找IBSS并加入

8.创建接口路径

  • 创建接口由用户空间通过nl80211发起
  • 分配网络设备空间（包含sdata对象空间）
  • 初始化网络设备
  • 初始化sdata对象（包括设备类型，接口类型，设备操作函数等等）
  • 注册网络设备
  • 把sdata对象加入local->interfaces

9.删除接口路径

  • 删除接口由用户空间通过nl80211发起
  • 把sdata对象从local->interfaces移除
  • 移除网络设备

10.创建station路径

  • 创建station由用户空间通过nl80211发起
  • 分配sta_info对象空间
  • 初始化sta_info对象（包括侦听间隔，支持速率集等等）
  • 初始化sta_info对象的速率控制对象
  • 把sta_info对象加入local->sta_pending_list
  • 调用local->ops->sta_add通知驱动创建station
  • 把sta_info对象加入local->sta_list

11.删除station路径

  • 删除station由用户空间通过nl80211发起
  • 删除sta_info对象的key对象
  • 把sta_info对象从local->sta_pending_list移除
  • 调用local->ops->sta_remove通知驱动移除station
  • 删除sta_info对象的速率控制对象
  • 把sta_info对象从local->sta_list移除

12.扫描请求路径

  • 扫描请求由用户空间通过nl80211发起
  • 如果支持硬件扫描，调用local->ops->hw_scan()执行硬件扫描
  • 否则，调用ieee80211_start_sw_scan()执行软件扫描
  • 延时唤醒ieee80211_scan_work()

13.扫描状态机路径

  • 如果存在硬件扫描请求，调用drv_hw_scan()进行扫描，如果失败，调用ieee80211_scan_completed()完成扫描
  • 如果存在扫描请求，同时未进行扫描，调用__ieee80211_start_scan()进行软件扫描，如果失败，调用ieee80211_scan_completed()完成扫描
  • 根据next_scan_state调用相应的处理函数
  • 如果next_delay==0，则继续根据next_scan_state调用相应的处理函数
  • 延时唤醒ieee80211_scan_work()

参考阅读

http://blog.chinaunix.net/uid-22510743-id-5780801.html
https://www.cnblogs.com/ink-white/p/16822559.html
https://zhuanlan.zhihu.com/p/650693108
https://blog.csdn.net/zwl1584671413/article/details/114902310
https://blog.csdn.net/zxygww/article/details/24874155

标签： linux 物联网 iot
本文转载自: https://blog.csdn.net/liuwe1ye/article/details/139399278
版权归原作者 Liuwe1Ye 所有， 如有侵权，请联系我们删除。
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