Linux无线驱动简介及mac80211源码分析

mac80211源码分析(原始出处)

reference:Linux无线驱动简介http://blog.csdn.net/dickjtk/article/details/11862815

1、概述

  • mac80211:是一个Linux内核子系统,是驱动开发者可用于为SoftMAC无线设备写驱动的框架。mac80211在内核空间实现STA模式,在用户空间实现AP模式(hostapd)。

  • cfg80211:用于对无线设备进行配置管理,与FullMACmac80211nl80211一起工作。

  • nl80211:用于对无线设备进行配置管理,它是一个基本Netlink的用户态协议。

  • MLME:即MAC(Media Access Control) Layer Management Entity,它管理物理层MAC状态机。

  • SoftMAC:其MLME由软件实现,mac80211SoftMAC实现提供了一个API。即:SoftMAC设备允许对硬件执行更好地控制,允许用软件实现对802.11的帧管理,包括解析和产生802.11无线帧。目前大多数802.11设备为SoftMAC,而FullMAC设备较少。

  • FullMAC:其MLME由硬件管理,当写FullMAC无线驱动时,不需要使用mac80211

  • wpa_supplicant:是用户空间一个应用程序,主要发起MLME命令,然后处理相关结果。

  • hostpad:是用户空间一个应用程序,主要实现station接入认证管理。

  • cfg80211Linux802.11配置APIcfg80211用于代码wext(Wireless-Extensions)nl80211用于配置一个cfg80211设备,且用于kerneluserspace间的通信。wext现处理维护状态,没有新的功能被增加,只是修改bug。如果需要通过wext操作,则需要定义ONFIG_CFG80211_WEXT

  • cfg80211and nl80211:基于消息机制,使用netlink接口

  • wext:基于ioctl机制(madwifi wext 等已经在linxu内核中被移除linux 2.6.26)

  • structieee80211_hw:表示硬件信息和状态

  • ieee80211_alloc_hw:每个driver调用ieee80211_alloc_hw分配ieee80211_hw,且以ieee80211_ops为参数

  • ieee80211_register_hw:每个driver调用ieee80211_register_hw创建wlan0wmaster0,并进行各种初始化。

  • structieee80211_ops:每个driver实现它的成员函数,且它的成员函数都以structieee80211_hw做为第一个参数。在structieee80211_ops中定义了24个方法,以下7个方法必须实现:txstartstopadd_interfaceremove_interfaceconfigconfigure_filter

2、体系结构

Linux无线驱动简介及mac80211源码分析_第1张图片

Linux无线驱动简介及mac80211源码分析_第2张图片


2-1系统框架


3、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.cstation/managed模式MLME

  • ibss.cIBSSMLME

  • 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.hQoS代码)

  • util.c(公共函数)

4、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_hwieee80211_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meshIBSSAPWDS

  • 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

  • BSSes类型(IBSS/AP/managed

  • 包含比如基础速率位图

  • perBSS parameters in case hardware supports creating/associating withmultiple 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_vifis passed to driver for those virtual interfaces the driver knowsabout (no monitor,VLAN)

  • 包含的sub-structures取决于模式

5、主要流程

配置

  • 所有发起来自用户空间(wext或者nl80211

  • managedIBSS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)

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

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

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

  • 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

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

mangement/MLME

  • 状态机运行依赖于用户请求

  • 标准方法如下:

  • proberequest/response

  • authrequest/response

  • assocrequest/response

  • notificationrequest/response

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

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

  • sdata对象加入local->interfaces

删除接口路径

  • 删除接口由用户空间通过nl80211发起

  • sdata对象从local->interfaces移除

  • 移除网络设备

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

  • sta_info对象加入local->sta_pending_list

  • 调用local->ops->sta_add通知驱动创建station

  • sta_info对象加入local->sta_list

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

  • 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

  • sta_info对象从local->sta_list移除

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()

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()

6、切换点

配置

  • wirelessextensions (wext)

  • cfg80211(通过nl80211和用户空间通信)

wext

  • 设置SSIDBSSID和其他关联参数

  • 设置RTS/fragmentationthresholds

  • managed/IBSS模式的加密密钥

cfg80211

  • 扫描

  • 用户管理(AP

  • mesh管理

  • 虚拟接口管理

  • AP模式加密密钥

mac80211到速率控制

  • 速率控制不是驱动的一部分

  • 每个驱动有自己的速率控制选择算法

  • 速率控制填充ieee80211_tx_info速率信息

  • 速率控制获取发送状态

mac80211到驱动

  • 驱动方法(ieee80211_ops

  • mac80211有一些输出函数

  • 参考include/net/mac80211.h

7、主要函数

ieee80211_alloc_hw()

  • 分配wiphy对象空间(保证私有数据和硬件私有数据32字节对齐,wiphy包含ieee80211_local和驱动私有数据)

  • 初始化wiphy对象(包括重传次数,RTS门限等等)

  • 初始化ieee80211_local(包括重传次数,工作队列,接口链表等等)

  • 初始化sta_pending_list链表

  • 初始化sta_list链表

ieee80211_register_hw()

  • 分配int_scan_req数据结构

  • 初始化支持接口类型(包括MONITOR接口)

  • 注册wiphy

  • 初始化WEP

  • 初始化速率控制算法

  • 注册STA接口(默认wlan0

ieee80211_rx()

  • 拷贝skb,同时在skb头部增加radiotap信息,传递给所有监听接口

  • 如果是数据帧,根据MAC地址查找station

  • 如果station没有找到,把skb传递给所有接口处理

  • 数据帧:转换成802.3帧格式,传递给网络协议栈

  • 管理帧/控制帧:传递给MLME

ieee80211_xmit()

  • 如果skb来自监听接口,移除skb头部的radiotap信息

  • 进行skb预处理(包括设置QoS优先级,设置分段标志,ACK应答标志等等)

  • 选择加密密钥

  • 选择速率(ESP8089采用硬件速率控制,所以mac80211速率控制无效)

  • 加密(mac80211采用硬件加速,所以mac80211加密无效)

  • 通过local->ops->tx()skb传递给驱动

8、速率控制

Minstrelmac80211MadWifi移植过来的速率控制算法,支持多速率重传和提供最好速率。

工作原理

我们定义衡量吞吐量(发包数)的成功,用发送的比特数。


这个措施将获取无线接口的最大速率编号来调整传输速度。而且,这表示在优先使用11Mpbs速率的情况将不使用1Mbps速率。这个模块将记录所有已发送包的成功结果。通过这个数据,模块就有充分的信息去决定哪个包最成功。但是,需要一个可变参数。去强制模块检查最理想的速率。所以,一些百分比的包使用非正常速率进行发送。



重传序列

一些器件自己已经创建多速率重传序列。比如Atheros11abg芯片组有四个段。每一段指导硬件采用某些速率来发送当前包,和固定的重传次数。当包发送成功,剩余重传序列被忽略。重传次数的选择是根据期望在26ms内发包出去,或者失败。重传序列是通过两个合理的规则计算的,如果包是一个普通发送包(90%的包)那么重传数是bestthroughputnextbest throughputbestprobabilitylowestbaserate。如果是采样包(10%的包)那么重传数是randomlookaroundbestthroughputbestprobabilitylowestbaserate。表格如下

Linux无线驱动简介及mac80211源码分析_第3张图片

重传数是经过调整的,所以重传序列部分发送时间小于26ms。表格修改如下:

Linux无线驱动简介及mac80211源码分析_第4张图片



EWMA

EWMAExponentialWeighted MovingAverage)是Minstrel速率算法的核心。每秒钟实现10EWMA计算,每个速率都会进行计算。计算结果有平滑效果,所以新的结果对于所选择的速率有合理的影响。



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