mac80211分析.docx
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mac80211分析
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
1.1概述
∙mac80211：
是一个Linux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。
1.2体系结构
HOSTAPD:
WPAD:
图2-1系统框架
1.3代码结构（/net/mac80211/）
∙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）
1.4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
1.5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
∙ieee80211_tasklet_handler,响应中断，在下半部tasklet处理数据，
∙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ieee80211_deliver_skb（rx.c中）→netif_receive_skb上送网络。
∙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（）
管理报文接收
对于管理帧，通常是ieee80211_rx_handlers调用ieee80211_rx_h_mgmt，然后用wq的方式调用ieee80211_iface_work进一步调用ieee80211_sta_rx_queued_mgmt去处理。
Beacon响应流程
认证和关联
wpa_s->drv_flags&WPA_DRIVER_FLAGS_SME
1.true）:
sme_authenticate->wpa_driver_nl80211_authenticate...->cfg80211_mlme_auth
2.false）:
wpa_drv_associate->wpa_driver_nl80211_connect...->cfg80211_mlme_auth
上线过程流程：
1.nl80211_connect
2. cfg80211_connect（afterscanandhavebbs）
3. cfg80211_conn_do_work
4. __cfg80211_mlme_auth
5. rdev->ops->auth（&rdev->wiphy,dev,&req）;
6.CallBackbyrxirq：
7.ieee80211_rx_irqsafe
8.ieee80211_tasklet_handler
9. ieee80211_rx
10. __ieee80211_rx_handle_packet
11. ieee80211_prepare_and_rx_handle
12. ieee80211_invoke_rx_handlers
13. ieee80211_rx_handlers
14. ieee80211_rx_h_mgmt
15.Queuework：
16.ieee80211_iface_work（iface.c）
17. ieee80211_sta_rx_queued_mgmt
18. ieee80211_rx_mgmt_auth
19. cfg80211_send_rx_auth
20. nl80211_send_rx_auth（告诉用户空间）
21. cfg80211_sme_rx_auth
22. schedule_work（&rdev->conn_work）
23.Queuework：
24.cfg80211_conn_work
25. __cfg80211_mlme_assoc
26. rdev->ops->assoc
27.CallBackbyrxirq
28.....
29.ieee80211_sta_rx_queued_mgmt
30. ieee80211_rx_mgmt_assoc_resp
31. ieee80211_assoc_success
32. ieee80211_sta_rx_notify
33. 通过timer定时触发ieee80211_mgd_probe_ap_send
34. 发送nullfunction或者probe_req
35. cfg80211_send_rx_assoc
36. nl80211_send_rx_assoc（告诉用户空间）
37. __cfg80211_connect_result
38. nl80211_send_connect_result
39. cfg80211_upload_connect_keys
40. rdev->ops->add_key
1.6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
1.7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
1.8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。
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