Android的WiFi子系统架构

 

本文部分内容修正自《Androd系统原理及开发要点详解》，部分内容为原创！

 

前言：

最近项目中要实现几个与WiFi相关的机能：WPS，WiFI proxy，Airplane Mode相关的小机能等。我借着这次机会，对Android的WiFi框架进行了一下学习，对其有一个初步的了解。所以特地整理了出来，以备与各位探讨，并欢迎指教。

 

一、WiFi基本框架

Android的WiFi系统自上而下包括如下一些内容：

            

 

WiFi部分在Android系统中作为网络部分使用的方法和通常的网络相同。唯一特殊的部分是在Settings程序中的WiFi相关设置内容，它们调用了WiFi提供了WiFi架构提供的Java层接口。

 

add tip:

JAVA应用层 Setting、WifiSwitcher等应用
上下的通讯为Binder机制

JAVA框架层
Wifi manager
Wifi service

上下通讯为JNI

C/C++ 框架层
Wifi的JNI
WPA适配层
Wpa_supplicant程序

内核空间 Wifi的内核驱动程序

 

 

二、WiFi本地实现

Android的WiFi本地部分实现主要包括wpa_spplicant以及wpa_supplicant适配层。

 

WPA是WiFi Protected Access的缩写，中文含义为“WiFi网络安全存取”。WPA是一种基于标准的可互操作的WLAN安全性增强解决方案，可大大增强现有以及未来无线局域网络的数据保护和访问控制水平。

 

1、  wpa_supplicant

wpa_supplicant是一个开源项目，已经被移植到Linux，Windows以及很多嵌入式系统上。它是WPA的应用层认证客户端，负责完成认证相关的登录、加密等工作。wpa_supplicant的源代码目录为：

./external/wpa_supplicant/

./external/wpa_supplicant_6/

 

这个工程中的内容编译后主要结果是生成动态库libwpa_client.so和可执行程序wpa_supplicant。

wpa_supplicant是一个独立运行的守护进程，其核心是一个消息循环，在消息循环中处理WPA状态机、控制命令、驱动事件、配置信息等。wpa_supplicant有很多控制接口，也提供命令行和通行界面的控制模式：而Android与wpa_supplicant的通信通过Socket完成。

关于wpa_supplicant更多的信息，请参考: http://w1.fi/wpa_supplicant/

libwpa_client.so是一个给客户单链接和调用的库，用于和wpa_supplicant守护进程进行通信。

 

2、  wpa_supplicant适配层

wpa_supplicant适配层是通用的wpa_supplicant的封装，在Android中作为WiFi部分的硬件抽象层来使用。wpa_supplicant适配层主要用于与wpa_supplicant守护进程的通信，以提供给Android框架使用，它实现了加载、控制和消息监控等功能。

wpa_supplicant适配层的源代码路径是：

./hardware/libhardware_legacy/include/hardware_legacy/wifi.h

./hardware/libhardware_legacy/wifi/

 

wpa_supplicant适配层是libhardware_legacy.so的一部分，它需要包含wpa_supplicant的头文件wpa_ctrl.h，动态链接库libwpa_client.so。通过wifi.h文件为上一层提供程序调用接口（实际上就是WiFi的JNI部分）。

wpa_supplicant适配层的构成非常的简单，除了一些加载和连接的接口，它最重要的部分是以下两个接口：

int wifi_command(const char *command, char *reply, size_t *reply_len);

int wifi_wait_for_event(char *buf, size_t len);

wifi_command()提供讲明亮发送到WiFi系统下层的功能，wifi_wait_for_event()负责事件进入的通道，这个函数将被阻塞，直到收到一个WiFi事件，并以字符串的形式返回。

 

在wifi.c的实现中：

1）、wifi_command()是wifi_send_command()的封装, wifi_send_command()通过wpa_ctrl_request()直接命令转发给wpa_supplicant进程，并返回结果。

2）、wifi_wait_for_event()仅仅调用wpa_ctrl_recv()来接受上一次wpa_supplicant上报的事件，如果没有事件则阻塞于此，上层会通过循环由此来读取每一个上报的事件。

 

本层还提供一些一些与DHCP（动态主机分配协议）相关的操作。

 

三、WiFi的JNI层

Android中的WiFi系统的JNI部分实现的源码文件为：

./frameworks/base/core/jni/android_net_wifi_Wifi.cpp

这里实现的本地函数，都是通过调用wpa_supplicant适配层的接口来实现的（包含适配层的头文件wifi.h）。

 

JNI层的接口注册到Java层的源代码文件为：

./frameworks/base/wifi/java/android/net/wifi/WifiNative.java

WifiNative将为WifiService、WifiStateTracker、WifiMonitor等几个WiFi框架内部组件提供底层操作支持。

 

四、WiFi的Java FrameWork层

WiFi系统的Java部分代码实现的目录为：

./frameworks/base/wifi/java/android/net/wifi/          // WiFi服务层的内容

./ frameworks/base/services/java/com/android/server/   // WiFi部分的接口

 

WiFi系统Java层的核心是根据IWifiManger接口所创建的Binder服务器端和客户端，服务器端是WifiService，客户端是WifiManger。

IWifiManger.aidl编译后生成了IWifiManger.java，并生成IWifiManger.Stub（服务器端抽象类）和IWifiManger.Stub.Proxy（客户端代理实现类）。WifiService通过继承IWifiManger.Stub实现，而客户端通过getService()函数获取IWifiManger.Stub.Proxy（即Service的代理类），将其作为参数传递给WifiManger，供其与WifiService通信时使用。

         

 

1．    WiFiManger是WiFi部分与外界的接口，用户通过它来访问WiFi的核心功能。WifiWatchdogService这一系统组件也是用WifiManger来执行一些具体操作。

2．    WifiService是服务器端的实现，作为WiFi部分的核心，处理实际的驱动加载、扫描、链接、断开等命令，已经底层上报的事件。对于主动的命令控制，WiFi是一个简单的封装，针对来自客户端的控制命令，调用相应的WifiNative底层实现。

一般接收到客户端的命令后，将其转换成对应的自身消息塞入消息队列中，以便客户端的调用可以及时返回，然后在WifiHandler的handleMessage()中处理对应的消息。而底层上报的事件，WifiService则通过启动WifiStateTracker来负责处理。

1）  WifiStateTracker除了负责WiFi的电源管理模式等功能外，其核心是WifiMonitor所实现的事件轮询机制，以及消息处理函数handleMessage()。

2）  WifiMonitor通过开启一个MonitorThread来实现事件的轮询，轮询的关键函数是前面提到的 阻塞式函数WifiNative.waitForEvent()。获取事件后，WifiMonitor通过一系列的Handler通知给WifiStateTracker。这里WifiMonitor的通知机制是将底层事件转换成WifiStateTracker所能识别的消息，塞入WifiStateTracker的消息循环中，最终在handleMessage()中由WifiStateTracker完成对应的处理。

注：WifiStateTracker同样是WiFi部分与外界的接口，它不像WifiManger那样直接被实例化来操作，而是通过Intent机制来发消息通知给客户端注册的BroadcastReceiver，以完成和客户端的接口。

3．    WifiWatchdogService是ConnectivityService所启动的服务，但它并不是通过Binder来实现的服务。它的作用是监控同一个网络内的接入点（Access Point），如果当前接入点的DNS无法ping通，就自动切换到下一个接入点。WifiWatchdogService通过WifiManger和WifiStateTracker辅助完成具体的控制动作。WifiWatchdogService初始化时，通过registerForWifiBroadcasts注册获取网络变化的BroadcastReceiver，也就是捕获WifiStateTracker所发出的通知消息，并开启一个WifiWatchdogThread线程来处理获取的消息。通过更改Setting.Secure.WIFI_WARCHDOG_ON的配置，可以开启和关闭WifiWatchdogService。

 

五、Setting中的WiFi设置

Android的Settings应用程序对WIFI的使用，是典型的WiFi应用方式，也是用户可见的Android WiFi管理程序。这部分源代码的目录为：

. /packages/apps/Settings/src/com/android/settings/wifi/

 

Setting里的WiFi部分是用户可见的设置界面，提供WiFi开关、扫描AP、链接/断开的基本功能。另外i，通过实现WifiLayer.Callback接口提供了一组回调函数，用以相应用户关心的WiFi状态的变化。

WifiEnabler和WifiLayer都是WifiSettings的组成部分，同样通过WifiManger来完成实际的功能，也同样注册一个BroadcastReceiver来响应WifiStateTracker所发出的通知消息。WifiEnabler其实是一个比较简单的类，提供开启和关闭WiFi的功能，设置里面的外层WiFi开关菜单，就是直接通过它来做到的；而WifiLayer则提供更复杂的一些WiFi功能，如AP选择等以供用户自定义。