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

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：

static int genl_family_rcv_msg(const struct genl_family *family,
			       struct sk_buff *skb,
			       struct nlmsghdr *nlh,
			       struct netlink_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：

enum nl80211_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：

static const struct genl_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,
	},
#if LINUX_VERSION_IS_GEQ(5,10,0)
};

static const struct genl_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：

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）。
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。
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
nl80211_init();
nl80211初始化函数
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_init
    rc80211_minstrel_init                 //注册速率控制ops
    ieee80211_iface_init                    //注册设备接口回调函数，用于更改相应结构体设备名称

ieee80211_i.h（主要数据结构）
main.c（主函数入口） backports-5.15.81-1/net/mac80211/main.c
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

转载自CSDN-专业IT技术社区

原文链接：https://blog.csdn.net/liuwe1ye/article/details/139399278

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

文章目录

前言

一、linux WiFi架构和80211栈

二、nl80211

1.介绍

2.消息接收

3.支持的消息和函数集nl80211_ops[]

三、cfg80211

1.介绍

2.代码分析

四、mac80211

1.介绍

2.代码结构

3.数据结构

4.主要流程

1.配置

2.接收路径

3.接收处理钩子（invoke_rx_handlers）

4.发送路径

5.发送处理钩子（invoke_tx_handlers）

6.mangement/MLME

7.IBSS

8.创建接口路径

9.删除接口路径

10.创建station路径

11.删除station路径

12.扫描请求路径

13.扫描状态机路径

参考阅读

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