Linux 內(nèi)核是如何實現(xiàn)無線網(wǎng)絡(luò)接口呢?數(shù)據(jù)包是通過怎樣的方式被發(fā)送和接收呢?今天跟著 LinuxStory 小編一起來探索一番吧！

剛開始工作接觸 Linux 無線網(wǎng)絡(luò)時，我曾迷失在浩瀚的基礎(chǔ)代碼中，尋找具有介紹性的材料來回答如上面提到的那些高層次的問題。跟蹤探索了一段時間的源代碼后，我寫下了這篇總結(jié)，希望在 Linux 無線網(wǎng)絡(luò)的工作原理上，讀者能從這篇文章獲得一個具有幫助性的概覽。

1 全局概覽

在開始探索 Linux 無線具體細節(jié)之前，讓我們先來把握一下 Linux 無線子系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)。如圖1,展示了 Linux 無線子系統(tǒng)各個模塊之間的抽象關(guān)系。 

圖一 Linux 無線網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意圖

圖示中的虛線內(nèi)展示的是內(nèi)核空間的情況。用戶空間的程序運行在最上層，而硬件相關(guān)的設(shè)備則在最下面。圖示中左邊為以太網(wǎng)設(shè)備，右邊為 WiFi 設(shè)備。

正如圖中看到的一樣，存在著兩種 WiFi 設(shè)備，具體是哪一類要看 IEEE802.11 標準的 MLME 如何實現(xiàn)。

如果直接通過硬件實現(xiàn)，那么設(shè)備就是硬 MAC (full MAC)設(shè)備;如果通過軟件的方式實現(xiàn)，那么設(shè)備就是軟 MAC (soft MAC)設(shè)備。現(xiàn)階段大部分無線設(shè)備都是軟件實現(xiàn)的軟 MAC 設(shè)備。

通常我們把 Linux 內(nèi)核無線子系統(tǒng)看成兩大塊： cfg80211 和 mac80211 ，它們連通內(nèi)核其他模塊和用戶空間的應用程序。

特別指出， cfg80211 在內(nèi)核空間提供配置管理服務，內(nèi)核與應用層通過 nl80211 實現(xiàn)配置管理接口。需要記住的是，

硬 MAC 設(shè)備和軟 MAC 設(shè)備都需要 cfg80211 才能工作。而 mac80211 只是一個驅(qū)動 API ，它只支持軟件實現(xiàn)的軟 MAC 設(shè)備。

接下來，我們主要關(guān)注軟 MAC 設(shè)備。

Linux 內(nèi)核無線子系統(tǒng)統(tǒng)一各種 WiFi 設(shè)備，并處理 OSI 模型中***層的 MAC 、 PHY 兩層。

若進一步劃分， MAC 層可以分為 MAC 高層和 MAC 底層。前者負責管理 MAC 層無線網(wǎng)絡(luò)的探測發(fā)現(xiàn)、身份認證、關(guān)聯(lián)等;

后者實現(xiàn) MAC 層如 ACK 等緊急操作。大部分情況下，硬件(如無線適配器)處理大部分的 PHY 層以及 MAC 底層操作。Linux 子系統(tǒng)實現(xiàn)大部分的 MAC 高層回調(diào)函數(shù)。

2 模塊間接口

從圖一中我們可以看出，各個模塊之間分界線很清晰，并且模塊間相互透明不可見。模塊之間一般不會相互影響。

舉個例子，我們在 WiFi 設(shè)備驅(qū)動做修改(如，打補丁、添加新的 WiFi 驅(qū)動等)，這些變更并不會影響到 mac80211 模塊，

所以我們根本不用改動 mac80211 的代碼。再如，添加一個新的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議理論上是不用修改套接字層以及設(shè)備無關(guān)層代碼。一般情況下，內(nèi)核通過一系列的函數(shù)指針實現(xiàn)各層之間相互透明。

如下代碼展示 rtl73usb 無線網(wǎng)卡驅(qū)動與 mac80211 的聯(lián)系。 

左側(cè)是 mac80211 為 WiFi 驅(qū)動模塊實現(xiàn)的 ieee80211_ops 結(jié)構(gòu)體形式的回調(diào)接口，回調(diào)函數(shù)的具體內(nèi)容由驅(qū)動層實現(xiàn)。

顯然，不同設(shè)備相應驅(qū)動的實現(xiàn)不同。結(jié)構(gòu)體 ieee80211_ops 負責將不同設(shè)備驅(qū)動實現(xiàn)的回調(diào)函數(shù)與 mac80211 提供的 API 映射綁定起來。

當驅(qū)動模塊插入注冊時，這些回調(diào)函數(shù)就被注冊到 mac80211 里面(通過 ieee80211_alloc_hw 實現(xiàn))，接著 mac80211 就綁定了相應的回調(diào)函數(shù)，根本不用知道具體的名字，以及實現(xiàn)細節(jié)等。

完整定義的 ieee80211_ops 結(jié)構(gòu)包含很多成員，但不是所有都必須要驅(qū)動層實現(xiàn)。一般而言，實現(xiàn)的前七個成員函數(shù)就足夠了。但是，要想正確實現(xiàn)其他功能，某些相關(guān)的成員函數(shù)就需要被實現(xiàn)，就像上面的例子一樣。

3 數(shù)據(jù)路徑與管理路徑

圖一所示中，存在兩條主要路徑：數(shù)據(jù)路徑和管理路徑。數(shù)據(jù)路徑對應 IEEE802.11 數(shù)據(jù)幀，而管理路徑對應著控制幀。

在 IEEE802.11 的控制幀中，大部分用于如 ACK 這類時間緊急的操作，并且一般直接由硬件實現(xiàn)。一個例外可能就是 PS-Poll 幀(用于 Power Save 控制)，它也可以由 mac80211 實現(xiàn)。

數(shù)據(jù)和管理路徑在 mac80211 里面是分開實現(xiàn)的。

4 數(shù)據(jù)包是如何被發(fā)送?

接下來，我們集中探討下數(shù)據(jù)的發(fā)送過程。

首先，數(shù)據(jù)包起源于用戶空間的應用程序，應用程序首先創(chuàng)建一個套接字，然后綁定一個接口(如，以太網(wǎng)接口、 WiFi 接口)。

接下來將數(shù)據(jù)寫入到套接字緩沖區(qū)，***再將緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)發(fā)送出去。在套接字創(chuàng)建時，我們需要指明將要使用的協(xié)議族，這將在內(nèi)核中起作用。

剛才這些發(fā)生在圖一中的 Data Application 模塊中，最終應用程序陷入系統(tǒng)調(diào)用，隨后在內(nèi)核空間進行接下來的工作。

數(shù)據(jù)的傳輸首先經(jīng)過套接字層，這個過程中一個最重要的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)就是 sk_buff ，一般稱為 skb 。一個 skb 結(jié)構(gòu)中的成員包含著緩沖區(qū)的地址以及數(shù)據(jù)長度。

它還為內(nèi)核中不同層對數(shù)據(jù)的操縱提供了良好的支持;實現(xiàn)了眾多的接口，如，不同網(wǎng)絡(luò)層首部的插入與去除等。整個數(shù)據(jù)的發(fā)送/接收過程均會用到這個結(jié)構(gòu)。

我們跳過網(wǎng)絡(luò)協(xié)議模塊，對于網(wǎng)絡(luò)協(xié)議我沒有太多想說的，因為一旦涉及網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，簡直說不盡道不完。在這里協(xié)議并不是我們主要關(guān)心的。

不過我們需要知道的是，數(shù)據(jù)傳輸使用的協(xié)議在套接字創(chuàng)建的時候就與指定的協(xié)議綁定了，然后相關(guān)的協(xié)議便會負責相關(guān)層的數(shù)據(jù)傳輸。

接下來，數(shù)據(jù)由網(wǎng)絡(luò)層落到了設(shè)備無關(guān)層。這一層透明的連接著各種各樣的硬件設(shè)備(如以太網(wǎng)設(shè)備、 WiFi 設(shè)備等)。

設(shè)備無關(guān)層一個重要的結(jié)構(gòu)是： net_device 。我們回去看圖一，再看接下來的代碼就能解釋內(nèi)核是如何與以太網(wǎng)設(shè)備驅(qū)動通信的。

具體接口通過 net_device_ops 結(jié)構(gòu)實現(xiàn)，該結(jié)構(gòu)對應了 net_device 的很多操作。

如下是 net_device_ops 結(jié)構(gòu)的部分成員：

發(fā)包的時候， skb 在調(diào)用 dev_queue_xmit 時被傳入。在跟蹤具體調(diào)用關(guān)系后，最終是這樣調(diào)用的： ops->ndo_start_xmit(skb, dev) 。

注意，剛才的這個函數(shù)需要注冊才能生效。

對于 WiFi 設(shè)備而言，通常我們使用 mac80211 (代替了相應的設(shè)備驅(qū)動)，那是因為 mac80211 已經(jīng)幫我們注冊了。

從 net/mac80211/iface.c 可以看到：

因此 mac80211 也就可以看作是一個 net_device ，當一個數(shù)據(jù)包通過 WiFi 傳輸時，相關(guān)的傳輸函數(shù) ieee80211_subif_start_xmit 將被調(diào)用。

我們進入 mac80211 內(nèi)部 ieee80211_subif_start_xmit 實現(xiàn)可以看到這樣一個調(diào)用子序列：ieee80211_xmit => ieee80211_tx => ieee80211_tx_frags => drv_tx

目前我們處在 mac80211 和 WiFi 驅(qū)動的邊界， drv_tx 僅僅調(diào)用了一個在 WiFi 驅(qū)動層實現(xiàn)的并已注冊的回調(diào)函數(shù)。

到這里， mac80211 就結(jié)束了，并且設(shè)備驅(qū)動相關(guān)也暫時告一段落了。

正如之前提到的一樣，通過 mac80211 中的 local->ops->tx ，注冊到設(shè)備驅(qū)動中的回調(diào)函數(shù)將會被調(diào)用。盡管每個驅(qū)動對相應回調(diào)函數(shù)的實現(xiàn)不盡相同。

下面利用之前模塊間接口的例子。結(jié)構(gòu)體成員 tx 對應的函數(shù) rt2x00max_tx 首先需要填充準備發(fā)送描述符(一般包含幀長度、ACK 策略、 RTS/CTS、重傳時限、分片標志以及 MCS 等)

部分信息由 mac80211 傳下來(結(jié)構(gòu)體 ieee80211_tx_info 中就有一些信息將會被使用到)，然后驅(qū)動程序還要將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成底層硬件可識別的形式。

一旦發(fā)送描述符就位，驅(qū)動程序還會調(diào)整幀數(shù)據(jù)(如，調(diào)整字節(jié)對齊等)，然后將數(shù)據(jù)幀放入發(fā)送隊列，***將要發(fā)送的幀的描述符發(fā)給硬件。

由于我們以一個基于 rt73usb 的 USB WiFi 適配器為例，所以數(shù)據(jù)幀***是通過 USB 接口發(fā)送給無線設(shè)備。

然后數(shù)據(jù)將被插入 PHY 首部以及其他信息，***數(shù)據(jù)包被發(fā)送到了空中。驅(qū)動同時也需要反饋發(fā)送狀態(tài)給 mac80211 ， 通常狀態(tài)信息存放在 struct ieee80211_tx_info 中。

經(jīng)過 ieee80211_tx_status 一系列的調(diào)用，或者某些變種函數(shù)反饋給上層。

說到這里，關(guān)于數(shù)據(jù)包的發(fā)送也暫時告一段落了。

5 談談管理路徑

理論上，我們可以像數(shù)據(jù)路徑一樣在用戶空間下通過套接字發(fā)送控制幀。但是目前有很多開發(fā)得十分完善的用戶層管理工具能完成這樣的工作。

特別是 wpa_supplicant 和 host_apd 。wpa_supplicant 控制客戶端 STA 模式下無線網(wǎng)絡(luò)的連接，如掃描發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)、身份認證、關(guān)聯(lián)等。

而 host_apd 可以做 AP 。說白了前者就是用來連接熱點，后者用來發(fā)射熱點。這些用戶層工具通過 netlink 套接字與內(nèi)核通信。

內(nèi)核中相關(guān)的回調(diào)接口是 cfg80211 中的 nl80211 。用戶層的工具通過 netlink 提供的庫(如， NL80211_CMD_TRIGGER_SCAN )將命令發(fā)送到內(nèi)核。

在內(nèi)核中，由 nl80211 接收應用層發(fā)出的命令。如下代碼展示了對應綁定情況。

以 triggering scan 為例，掃描請求從 cfg80211 到 mac80211 是通過 mac80211 在 cfg80211 中注冊的回調(diào)函數(shù)來實現(xiàn)的。

在 mac80211 中， ieee80211_scan 將會具體去實現(xiàn)掃描發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的具體細節(jié)。

6 數(shù)據(jù)包又是如何被接收?

我們接下來反過來看看數(shù)據(jù)接收的過程，現(xiàn)在我們不再比較數(shù)據(jù)路徑與管理路徑的不同了。相信讀者同樣能明白。

當一個數(shù)據(jù)包在空中被無線設(shè)備捕捉到后，硬件將會向內(nèi)核發(fā)出一個中斷(大部分 PCI 接口的設(shè)備這樣做)，或則通過輪詢機制判斷是否有數(shù)據(jù)到來(如，使用了 USB 接口)。

前者，中斷將會引發(fā)中斷處理程序的執(zhí)行，后者促使特定的接收函數(shù)將被調(diào)用。

一般設(shè)備驅(qū)動層的回調(diào)函數(shù)不會做太多關(guān)于接收數(shù)據(jù)包的操作，僅僅做數(shù)據(jù)校驗，為 mac80211 填充接收描述符，然后把數(shù)據(jù)包推給 mac80211 ， 由 mac80211 來做之后的工作(直接或間接將數(shù)據(jù)包放入接收隊列)。

數(shù)據(jù)進入 mac80211 后，將會調(diào)用 ieee80211_rx 或者其他變種接收函數(shù)。在這里數(shù)據(jù)路徑和管理路徑也將分開進行。

如果收到的幀是數(shù)據(jù)，它將被轉(zhuǎn)換成 802.3 數(shù)據(jù)幀(通過 __ieee80211_data_to8023 實現(xiàn))，然后該數(shù)據(jù)幀將通過 netif_receive_skb 交付到網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧。在協(xié)議棧中，各層網(wǎng)絡(luò)協(xié)議將會對數(shù)據(jù)進行解析，識別協(xié)議首部。

如果接收到的是控制幀，數(shù)據(jù)將會由 ieee80211_sta_rx_queued_mgmt 處理。部分控制幀在 mac80211 層就終止，另外一些將會通過 cfg80211 發(fā)送到用戶空間下的管理程序。

例如，身份認證控制幀被 cfg80211_rx_mlme_mgmt 處理，然后通過 nl80211_send_rx_auth 發(fā)送到用戶空間下的 wpa_supplicant ; 相應的關(guān)聯(lián)響應控制幀被 cfg80211_rx_assoc_resp 處理，并由 nl80211_send_rx_assoc 發(fā)送到用戶空間。

7 總結(jié)一下

一般 WiFi 驅(qū)動包含如下三個部分：配置、發(fā)送回調(diào)、接收回調(diào)。再以 USB WiFi 適配器為例，當內(nèi)核探測到設(shè)備被插入時，會調(diào)用 probe 函數(shù)。這可能發(fā)生在注冊配置好的 ieee80211_ops 時。

首先， ieee80211_alloc_hw 分配一個 ieee80211_hw 結(jié)構(gòu)體，代表著相應 WiFi 設(shè)備。另外，如下的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)也會被分配：

wiphy 結(jié)構(gòu)：主要用來描述 WiFi 硬件參數(shù)(如， MAC 地址、接口模式與組合、支持的波特率以及其他一些硬件功能)。

ieee80211_local 結(jié)構(gòu)：這是一個設(shè)備驅(qū)動層可見的結(jié)構(gòu)，并且被 mac80211 大量使用。ieee80211_ops 的映射綁定將鏈接到 ieee80211_local 中。 前者作為后者的一個成員。在 ieee80211_hw 中可以通過 container_of 或者 hw_to_local 這個專用 API 得到 ieee80211_local 。

設(shè)備驅(qū)動使用到的在 ieee80211_hw 中的私有結(jié)構(gòu) void *priv 。

注意：硬件設(shè)備的注冊由 ieee80211_register_hw 完成，前提是事先已經(jīng)插入注冊了 mac80211 模塊，好比在 STA 模式中，要先用 wpa_supplicant 控制設(shè)備連接上了某個熱點才能進行通信一樣。

***希望這篇總結(jié)能讓相關(guān)人員在探索源代碼時具有整體把握。