《转》mac80211源码分析

Posted 2022-03-19 Wi-Fi研习者

转自《http://blog.csdn.net/u012845519/article/details/19400077》

mac80211源码分析

1. 概述
2. 体系结构
3. 代码结构
4. 数据结构
5. 主要流程
6. 切换点
7. 主要函数
8. 速率控制

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FullMAC，mac80211和nl80211一起工作。
• 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，mac80211为SoftMAC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。

2、体系结构

图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.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）

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_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

5、主要流程

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）

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

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：
• probe request/response
• auth request/response
• assoc request/response
• notification request/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
• 把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
• 把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
• 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

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

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

• wireless extensions (wext)
• cfg80211 (通过nl80211和用户空间通信)

wext

• 设置SSID，BSSID和其他关联参数
• 设置RTS/fragmentation thresholds
• 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

从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

从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()把skb传递给驱动

8、速率控制

Minstrel是mac80211从MadWifi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Atheros 11abg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best throughput，next best throughput，best probability，lowest baserate。如果是采样包（10%的包）那么重传数是random lookaround，best throughput，best probability，lowest baserate。表格如下：

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：

EWMA

EWMA（Exponential Weighted Moving Average）是Minstrel速率算法的核心。每秒钟实现10次EWMA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。