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编程问答

IEEE802.11协议栈

發(fā)布時間：2025/4/5 编程问答 43 豆豆

生活随笔收集整理的這篇文章主要介紹了 IEEE802.11协议栈小編覺得挺不錯的,現(xiàn)在分享給大家,幫大家做個參考.

1、概述

mac80211：是一個Linux內(nèi)核子系統(tǒng)，是驅(qū)動開發(fā)者可用于為SoftMAC無線設(shè)備寫驅(qū)動的框架。mac80211在內(nèi)核空間實現(xiàn)STA模式，在用戶空間實現(xiàn)AP模式（hostapd）。
cfg80211：用于對無線設(shè)備進行配置管理，與FullMAC，mac80211和nl80211一起工作。
nl80211：用于對無線設(shè)備進行配置管理，它是一個基本Netlink的用戶態(tài)協(xié)議。
MLME：即MAC(Media Access Control) Layer Management Entity，它管理物理層MAC狀態(tài)機。
SoftMAC：其MLME由軟件實現(xiàn)，mac80211為SoftMAC實現(xiàn)提供了一個API。即：SoftMAC設(shè)備允許對硬件執(zhí)行更好地控制，允許用軟件實現(xiàn)對802.11的幀管理，包括解析和產(chǎn)生802.11無線幀。目前大多數(shù)802.11設(shè)備為SoftMAC，而FullMAC設(shè)備較少。
FullMAC：其MLME由硬件管理，當(dāng)寫FullMAC無線驅(qū)動時，不需要使用mac80211。
wpa_supplicant：是用戶空間一個應(yīng)用程序，主要發(fā)起MLME命令，然后處理相關(guān)結(jié)果。
hostpad：是用戶空間一個應(yīng)用程序，主要實現(xiàn)station接入認(rèn)證管理。
cfg80211是Linux802.11配置API。cfg80211用于代碼wext(Wireless-Extensions)，nl80211用于配置一個cfg80211設(shè)備，且用于kernel與userspace間的通信。wext現(xiàn)處理維護狀態(tài)，沒有新的功能被增加，只是修改bug。如果需要通過wext操作，則需要定義ONFIG_CFG80211_WEXT。
cfg80211and nl80211:基于消息機制，使用netlink接口
wext:基于ioctl機制（madwifi wext 等已經(jīng)在linxu內(nèi)核中被移除linux 2.6.26）
struct ieee80211_hw:表示硬件信息和狀態(tài)
ieee80211_alloc_hw：每個driver調(diào)用ieee80211_alloc_hw分配ieee80211_hw，且以ieee80211_ops為參數(shù)
ieee80211_register_hw：每個driver調(diào)用ieee80211_register_hw創(chuàng)建wlan0和wmaster0，并進行各種初始化。
struct ieee80211_ops：每個driver實現(xiàn)它的成員函數(shù)，且它的成員函數(shù)都以struct ieee80211_hw做為第一個參數(shù)。在struct ieee80211_ops中定義了24個方法，以下7個方法必須實現(xiàn)：tx，start，stop，add_interface，remove_interface，config和configure_filter。

2、體系結(jié)構(gòu)

圖2-1系統(tǒng)框架

3、代碼結(jié)構(gòu)

ieee80211_i.h（主要數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)）
main.c（主函數(shù)入口）
iface.c（虛擬接口處理）
key.c,key.h（密鑰管理）
sta_info.c,sta_info.h（用戶管理）
pm.c（功率管理）
rate.c,rate.h（速率控制函數(shù)）
rc80211*（速率控制算法）
rx.c（幀接收路徑代碼）
tx.c（幀發(fā)送路徑代碼）
scan.c（軟件掃描代碼）
mlme.c（station/managed模式MLME）
ibss.c（IBSSMLME）
cfg.c,cfg.h,wext.c（配置入口代碼）
aes*,tkip*,wep*,michael*,wpa*（WPA/RSN/WEP代碼）
wme.c,wme.h（QoS代碼）
util.c（公共函數(shù)）

4、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

ieee80211_local/ieee80211_hw

每個數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)代表一個無線設(shè)備（ieee80211_hw嵌入到ieee80211_local）
ieee80211_hw是ieee80211_local在驅(qū)動中的可見部分
包含無線設(shè)備的所有操作信息

sta_info/ieee80211_sta

代表每一個station
可能是mesh，IBSS，AP，WDS
ieee80211_sta是驅(qū)動可見部分

ieee80211_conf

硬件配置
當(dāng)前信道是最重要的字段
硬件特殊參數(shù)

ieee80211_bss_conf

BSS配置
多BSSes類型（IBSS/AP/managed）
包含比如基礎(chǔ)速率位圖
perBSS parameters in case hardware supports creating/associating withmultiple BSSes

ieee80211_key/ieee80211_key_conf

代表加密/解密密鑰
ieee80211_key_conf提供給驅(qū)動用于硬件加速
ieee80211_key包含book-keeping和軟件解密狀態(tài)

ieee80211_tx_info

大部分復(fù)雜數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)
skb內(nèi)部控制緩沖區(qū)(cb)
經(jīng)歷三個階段：1、由mac80211初始化；2、由驅(qū)動使用；3、由發(fā)送狀態(tài)通告使用

ieee80211_rx_status

包含接收幀狀態(tài)
驅(qū)動通過接收幀傳給mac80211

ieee80211_sub_if_data/ieee80211_vif

包含每個虛擬接口信息
ieee80211_vif is passed to driver for those virtual interfaces the driver knowsabout (no monitor,VLAN)
包含的sub-structures取決于模式

5、主要流程

配置

所有發(fā)起來自用戶空間（wext或者nl80211）
managed和IBSS模式：觸發(fā)狀態(tài)機（基于workqueue）
有些操作或多或少直接通過驅(qū)動傳遞（比如信道設(shè)置）

接收路徑

通過函數(shù)ieee80211_rx()接收幀
調(diào)用ieee80211_rx_monitor()拷貝幀傳遞給所有監(jiān)聽接口
調(diào)用invoke_rx_handlers()處理幀
如果是數(shù)據(jù)幀，轉(zhuǎn)換成802.3幀格式，傳遞給上層協(xié)議棧
如果是管理幀/控制幀，傳遞給MLME

接收處理鉤子（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

發(fā)送路徑

幀傳遞給ieee80211_subif_start_xmit()
把幀轉(zhuǎn)換成802.11格式，丟棄發(fā)給未認(rèn)證工作站的單播包，除了來自本地的EAPOL幀
如果是MONITOR接口，在幀頭部增加radiotap信息
調(diào)用invoke_tx_handlers()處理幀
調(diào)用drv_tx()，把幀傳遞給驅(qū)動

發(fā)送處理鉤子（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

mangement/MLME

狀態(tài)機運行依賴于用戶請求
標(biāo)準(zhǔn)方法如下：
proberequest/response
authrequest/response
assocrequest/response
notificationrequest/response

IBSS

嘗試尋找IBSS
加入IBSS或者創(chuàng)建IBSS
如果沒有配對，則周期性地嘗試尋找IBSS并加入

創(chuàng)建接口路徑

創(chuàng)建接口由用戶空間通過nl80211發(fā)起
分配網(wǎng)絡(luò)設(shè)備空間（包含sdata對象空間）
初始化網(wǎng)絡(luò)設(shè)備
初始化sdata對象（包括設(shè)備類型，接口類型，設(shè)備操作函數(shù)等等）
注冊網(wǎng)絡(luò)設(shè)備
把sdata對象加入local->interfaces

刪除接口路徑

刪除接口由用戶空間通過nl80211發(fā)起
把sdata對象從local->interfaces移除
移除網(wǎng)絡(luò)設(shè)備

創(chuàng)建station路徑

創(chuàng)建station由用戶空間通過nl80211發(fā)起
分配sta_info對象空間
初始化sta_info對象（包括偵聽間隔，支持速率集等等）
初始化sta_info對象的速率控制對象
把sta_info對象加入local->sta_pending_list
調(diào)用local->ops->sta_add通知驅(qū)動創(chuàng)建station
把sta_info對象加入local->sta_list

刪除station路徑

刪除station由用戶空間通過nl80211發(fā)起
刪除sta_info對象的key對象
把sta_info對象從local->sta_pending_list移除
調(diào)用local->ops->sta_remove通知驅(qū)動移除station
刪除sta_info對象的速率控制對象
把sta_info對象從local->sta_list移除

掃描請求路徑

掃描請求由用戶空間通過nl80211發(fā)起
如果支持硬件掃描，調(diào)用local->ops->hw_scan()執(zhí)行硬件掃描
否則，調(diào)用ieee80211_start_sw_scan()執(zhí)行軟件掃描
延時喚醒ieee80211_scan_work()

掃描狀態(tài)機路徑

如果存在硬件掃描請求，調(diào)用drv_hw_scan()進行掃描，如果失敗，調(diào)用ieee80211_scan_completed()完成掃描
如果存在掃描請求，同時未進行掃描，調(diào)用__ieee80211_start_scan()進行軟件掃描，如果失敗，調(diào)用ieee80211_scan_completed()完成掃描
根據(jù)next_scan_state調(diào)用相應(yīng)的處理函數(shù)
如果next_delay==0，則繼續(xù)根據(jù)next_scan_state調(diào)用相應(yīng)的處理函數(shù)
延時喚醒ieee80211_scan_work()

6、切換點

配置

wirelessextensions (wext)
cfg80211(通過nl80211和用戶空間通信)

wext

設(shè)置SSID，BSSID和其他關(guān)聯(lián)參數(shù)
設(shè)置RTS/fragmentationthresholds
managed/IBSS模式的加密密鑰

cfg80211

掃描
用戶管理（AP）
mesh管理
虛擬接口管理
AP模式加密密鑰

從mac80211到速率控制

速率控制不是驅(qū)動的一部分
每個驅(qū)動有自己的速率控制選擇算法
速率控制填充ieee80211_tx_info速率信息
速率控制獲取發(fā)送狀態(tài)

從mac80211到驅(qū)動

驅(qū)動方法（ieee80211_ops）
mac80211有一些輸出函數(shù)
參考include/net/mac80211.h

7、主要函數(shù)

ieee80211_alloc_hw()

分配wiphy對象空間（保證私有數(shù)據(jù)和硬件私有數(shù)據(jù)32字節(jié)對齊，wiphy包含ieee80211_local和驅(qū)動私有數(shù)據(jù)）
初始化wiphy對象（包括重傳次數(shù)，RTS門限等等）
初始化ieee80211_local（包括重傳次數(shù)，工作隊列，接口鏈表等等）
初始化sta_pending_list鏈表
初始化sta_list鏈表

ieee80211_register_hw()

分配int_scan_req數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)
初始化支持接口類型（包括MONITOR接口）
注冊wiphy
初始化WEP
初始化速率控制算法
注冊STA接口（默認(rèn)wlan0）

ieee80211_rx()

拷貝skb，同時在skb頭部增加radiotap信息，傳遞給所有監(jiān)聽接口
如果是數(shù)據(jù)幀，根據(jù)MAC地址查找station
如果station沒有找到，把skb傳遞給所有接口處理
數(shù)據(jù)幀：轉(zhuǎn)換成802.3幀格式，傳遞給網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧
管理幀/控制幀：傳遞給MLME

ieee80211_xmit()

如果skb來自監(jiān)聽接口，移除skb頭部的radiotap信息
進行skb預(yù)處理（包括設(shè)置QoS優(yōu)先級，設(shè)置分段標(biāo)志，ACK應(yīng)答標(biāo)志等等）
選擇加密密鑰
選擇速率（ESP8089采用硬件速率控制，所以mac80211速率控制無效）
加密（mac80211采用硬件加速，所以mac80211加密無效）
通過local->ops->tx()把skb傳遞給驅(qū)動

8、速率控制

Minstrel是mac80211從MadWifi移植過來的速率控制算法，支持多速率重傳和提供最好速率。

工作原理

我們定義衡量吞吐量（發(fā)包數(shù)）的成功，用發(fā)送的比特數(shù)。

這個措施將獲取無線接口的最大速率編號來調(diào)整傳輸速度。而且，這表示在優(yōu)先使用11Mpbs速率的情況將不使用1Mbps速率。這個模塊將記錄所有已發(fā)送包的成功結(jié)果。通過這個數(shù)據(jù)，模塊就有充分的信息去決定哪個包最成功。但是，需要一個可變參數(shù)。去強制模塊檢查最理想的速率。所以，一些百分比的包使用非正常速率進行發(fā)送。

重傳序列

一些器件自己已經(jīng)創(chuàng)建多速率重傳序列。比如Atheros11abg芯片組有四個段。每一段指導(dǎo)硬件采用某些速率來發(fā)送當(dāng)前包，和固定的重傳次數(shù)。當(dāng)包發(fā)送成功，剩余重傳序列被忽略。重傳次數(shù)的選擇是根據(jù)期望在26ms內(nèi)發(fā)包出去，或者失敗。重傳序列是通過兩個合理的規(guī)則計算的，如果包是一個普通發(fā)送包（90%的包）那么重傳數(shù)是bestthroughput，nextbest throughput，bestprobability，lowestbaserate。如果是采樣包（10%的包）那么重傳數(shù)是randomlookaround，bestthroughput，bestprobability，lowestbaserate。表格如下：

重傳數(shù)是經(jīng)過調(diào)整的，所以重傳序列部分發(fā)送時間小于26ms。表格修改如下：

EWMA

EWMA（ExponentialWeighted MovingAverage）是Minstrel速率算法的核心。每秒鐘實現(xiàn)10次EWMA計算，每個速率都會進行計算。計算結(jié)果有平滑效果，所以新的結(jié)果對于所選擇的速率有合理的影響。

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的IEEE802.11协议栈的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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协议

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