Linux内核工程导论——硬件：无线子系统

WiMax

    内核中有一个rfkill子系统，使用这个可以关闭任何一个射频收发器。Linux中倾向于通用架构子系统，各个设备其实都是实现这个子系统规定的函数。这些子系统向上就提供操作同类函数的完整接口。这就是类似于面向对象编程的Interface概念。

Wifi

PHY层

版本概要：

         802.11-2007是目前的基础版本，之前的过时版本不考虑。

         2009是较新的版本，就是目前最普及的802.11n。（100Mb/s）

         2012就是传说中的802.11ac，工作在5G，速度牛逼哄哄的，但穿透力不咋的。

各种PHY总览：

        2007里给出了5种PHY，也就是5种编码与调制方法，每种PHY对应的PHY帧格式都是不同的。也就是说，虽然这个wifi标准对外的接口（MAC）是一样的，但是根据底层采用的不同PHY，底层的从帧格式到编码、调制都是不一样的。5种PHY分别是：直序扩频（DSSS）、跳频扩频（FHSS）、正交频分复用（OFDM）、高速率直序扩频（HR/DSSS）、红外（TR）。另外，还给出一个叫ERP的增强版本的PHY，改变了调制方法，增强了DSSS和OFDM的速率。

       2009里又多了一种：高吞吐（HT OFDM），就是在原来的OFDM基础上改进得来。

       最新的802.11ac里又多了一种：超高吞吐（VHT OFDM），还是改进OFDM得来。

       两个改进的OFDM都支持MIMO，就是多天线。这玩意能提高不少速率，原理略过。

各PHY分别介绍：

        FHSS和DSSS属于扩频通信，就是把原来在较小带宽传送的信号用较大的带宽来传送。为什么要这样浪费带宽呢？窄带容易被干扰，把窄带信号分布到大带宽上就不易被干扰了。真的浪费带宽吗？同样的带宽能传输的数据速度还不一定谁快呢。

       FHSS就是在一系列窄频上同步跳跃；DSSS就是将相对大功率的窄频信号扩展到相对低功率的宽带信号。 两种扩频方式各有优劣，FHSS在移动性上更好，DSSS在静止速度上更快。所以，速度为主要考虑因素，会选择DSSS，移动性为主要考虑因素，会选用FHSS。目前，wifi上用户需求最大的是速度，所以DSSS发展较好。

       HR/DSSS是增强版的DSSS，原理很简单，只是改变了编码方式，和缩减了帧头部长度。从而增加了速度。

       ERP也是那么回事，通过对DSSS、OFDM编码的改进提高速度。

       OFDM是一种很神奇的技术。能提高频谱利用率，简单的说就是调制和复用的结合，提高信道吞吐。        

       而2009里说的HT OFDM就是增加一些MIMO（多天线）相关技术。用多根天线来增加速率。

       而802.11ac里说的VHT OFDM就是更高的带宽，更多OFDM子载波。技术上没有本质的变化，都是OFDM+MIMO的不断增强。

PHY整体对外接口：

       PHY的上层是MAC，各个版本的PHY需要向MAC提供统一的调用接口，就是原语。原语包括以下几类：

    1、基本特性。包括：MIB管理（PLME-GET、PLME-SET）、复位（PLME-RESET）、特性参数查询（PLME-CHARACTERISTICS）、DSSS进入测试模式（PLME-DSSSTESTMODE）、发送时间估计（PLME-TXTIME）

     2、数据首发。包括：数据传输（PHY-DATA）、发送控制（PHY-TXSTART、PHY-TXEND）、信道空闲检测（PHY-CCARESET、PHY-CCA）、接收控制（PHY-RXSTART、PHY-RXEND）

PHY内部结构：

        最下层叫PMD（物理介质依赖），与实际的物理介质打交道

        中间层叫PLCP（物理层聚合），把MAC层传下来要发送的数据变成对应的实际物理层PHY要发送的数据（经过调制和编码，肯定和MAC层原来的不同了），送给PMD

        最上层叫PHY SAP，就是上段定义的对MAC的服务接口。是MAC可以直接调用的稳定接口，不论具体的PHY是什么，这些接口都是可用的，而且只可以调用这些接口。

        说白了，SAP就是通过PLCP将各个不同的物理介质PMD以统一的接口对外展现。

        当然，结构中还包括一个信息库MIB，存储属性参数。

MAC层

MAC层是802.11的主要功能部分。上层应用通过调用MAC层提供的接口原语调用MAC层的功能。

     MAC一共向上提供了2大类接口原语，共30种。数据（1）和管理（29）。数据部分就是提供普通数据包的收发接口，管理部分是主要功能部分，例如发起认证、连接、信道扫描等其它所有管理功能，如下表所示：（并非所有的原语都是可调用的，一部分是indication形式的向上通知。有request的是可以调用的（））

     

数据部分 数据MA-UNITDATA管理部分 电源管理MLME-POWERMGT信道扫描MLME-SCAN 时间同步MLME-JOIN认证MLME-AUTHENTICATE断开认证MLME-DEAUTHENTICATE建立连接MLME-ASSOCIATE重新连接MLME-REASSOCIATE断开连接MLME-DISASSOCIATE复位MLME-RESET网络开始MLME-START测量MLME-MREQUEST信道测量MLME-MEASURE测量报告MLME-MREPORT信道切换MLME-CHANNELSWITCH发送功率通知MLME-TPCADAPT设置密钥MLME-SETKEYS删除密钥MLME-DELETEKEYS迈克尔失败事件MLME-MICHAELMICFAILURE可扩展局域网认证协议帧MLME-EAPOL点对点连接请求MLME-PeerKeySTART设置发送或接收的安全保护MLME-SETPROTECTION帧密钥错误丢弃通知MLME-PROTECTEDFRAMEDROPPED交通流（TS）管理接口MLME-ADDTS
MLME-DELTS直接连接管理MLME-DLS
MLME-DLSTearDown高层同步支持MLME-HL-SYNC合并ACK帧管理MLME-ADDBA
MLME-DELBAQos调度变更通知MLME-SCHEDULE发行商特有MLME-VSPECIFICMIB管理MLME-SET
MLME-GET
以上的所有的原语构成了MAC对外提供的可操作接口。

           在内部，MAC由除了函数还有数据，叫MIB，存储MAC的各种参数。还有个专业术语叫SME的，其实是一个单独的模块，用来跟接口函数功能互动，完成各函数之间的关联操作和配合响应。属于配合接口正常运作的角色，对外不提供接口。

           以上的接口原语，按照功能模块，可以归纳出MAC主要包括如下功能：

1、信道管理。包括：信道扫描（MLME-SCAN）、信道测量（MLME-MREQUEST、MLME-MEASURE、MLME-MREPORT）、信道切换（MLME-CHANNELSWITCH）

2、连接管理。包括：认证（MLME-AUTHENTICATE）、断开认证（MLME-DEAUTHENTICATE）、建立连接（MLME-ASSOCIATE）、重新连接（MLME-REASSOCIATE）、断开连接（MLME-DEASSOCIATE）、开始网络（MLME-START）、点对点连接请求（MLME-PeerKeySTART）、直接连接管理（MLME-DLS、MLME-DLSTearDown）、

3、服务质量（Qos）：交通流（TS）管理接口（MLME-ADDTS、MLME-DELTS）、Qos调度变更通知（MLME-SCHEDULE）、

4、功率控制。包括：电源管理（MLME-POWERMGT）、发送功率通知（MLME-TPCADAPT）

5、安全。包括：密钥管理（MLME-SETKEYS、MLME-DELETEKEYS）、迈克尔失败事件（MLME-MICHAELMICFAILURE）、EAPOL（MLME-EAPOL）、帧密钥错误丢弃通知（MLME-PROTECTEDFRAMEDROPPED）

6、时间同步。包括：时间同步（MLME-JOIN）、高层同步支持（MLME-HL-SYNC）、

7、特性。包括：合并ACK帧管理（MLME-ADDBA、MLME-DELBA）、发行商特有（MLME-VSPECIFIC）、MIB管理（MLME-SET、MLME-GET）

信道接入方式

      信道接入看起来是PHY的活，但是这是一个算法，不是一个操作，所以是MAC的活，信道接入的几种方式就属于MAC层的功能了。

       wi-fi的信道接入模式包括两种：CSMA/CA、节点协调模式。在无Qos的情况下，两种原生态的就可以了。在有Qos下，在两种的基础上分别定义了优先级来实现Qos传输。

       CSMA/CA就是传说中的载波监听冲突检测，最基本的无线接入方式。IEEE 的无线标准大都以这种接入为基本方法，就是监听信道，没有正在传输的就传，有就随机退避一段时间再监听信道。标准给了它一个很蛋疼的名字：DCF（Distributed Coordination Function），意思是协调是分布的，大家平等来商量谁接入网络。

      节点协调模式：无线路由器安排特定的节点在特定的时间通信，从而造成无阻塞的信道。这种方式采用的帧发送间隔比DCF小，从而保证在DCF和本模式同时存在的网络，本模式具有较高的接入优先级。标准给了它另外一个蛋疼的名字：PCF（Poing Coordination Function），意思是由某一个节点来“协调”谁接入网络，这个节点就是AP啦。

       在有Qos的情况下，DCF变成了EDCA，PCF变成了HCCA。别管这些破名字，起这名字的目的我估么着就是让大家迷糊的，就是代号就是了。意思就是为了实现Qos的的帧差别对待，给定义了优先级。

Linux下Wifi编程

写用户空间程序时，现在官方推荐的唯一编程方式就是基于netlink的nl80211.h编程。

       netlink是一种linux下的用户空间和内核空间通信的方式，传输的都是一个个的帧。用户空间程序通过生成预定义好的结构帧，与内核达到传递消息的目的。

       nl80211.h是一个头文件，也是用户空间调用内核wifi相关功能的接口。其中定义了所有暴露给用户空间的API函数索引（不是函数本身），以及这些函数采用的参数的格式和定义。用户程序通过netlink机制，将这些API函数索引和对应的参数封装到netlink的帧中，发送给内核，内核解析netlink帧后，读取帧中的内容，就知道用户需要调用哪个函数，以及该函数的参数，完成内核功能调用。

       说实话，这么折腾还不如直接调用API。。。。鬼让人家定义了这个唯一框架，就这么样吧。。。。。

先主要说一下netlink：

       有人已经写的很详细了：http://www.carisma.slowglass.com/~tgr/libnl/doc/core.html#core_cb 

       这里面没有提到调用nl80211.h用到的libnl-genl。这是libnl的一个高层扩展，就是说libnl也可以直接完成这个库的功能。由于libnl的帧种类越来越多，所以就有必要给这些帧种类分类，所以出现了好多个protocol family。。。为了能统一不同的协议族，定义了libnl-genl这么个通用接口。其实代码量很小，只是小小封装了一下。由于iw（linux下的wifi配置程序）用的这个库，所以有必要提一下。

        libgl的使用流程方法见源文件：http://harmattan-dev.nokia.com/docs/platform-api-reference/xml/daily-docs/libnl-doc/genl_8c_source.html

        netlink各个模块的函数和结构体参考见：http://harmattan-dev.nokia.com/docs/platform-api-reference/xml/daily-docs/libnl-doc/modules.html

再说一下nl80211.h的使用：

        不得不说，此部分的文档烂的出奇，或者说是根本没有文档。作为给出的唯一接口，你的文档仅限于代码注释，你好意思嚒。。。。

        http://lwn.net/Articles/211209/ 这里有个2006年的文档，已经过时，但是可以略知一二。看看没坏处。

        想要两节nl80211.h的调用方法，推荐看一下iw的源代码。

大体流程如下：（只是逻辑关系，从iw源代码中抽取）

        nl_socket_alloc();                                                                                    //生成netlink的socket（netlink相关内容参考上文给出的介绍）

       nl_socket_set_buffer_size(state->nl_sock, 8192, 8192);                //调整缓存大小

       genl_connect(state->nl_sock)                                                               //socket和内核连接（注意，这里用的genl的函数封装，具体可查参考（上文给出的地址））

       genl_ctrl_resolve(state->nl_sock, "nl80211");                                    //genl的概念，向内核查询一下协议族的标志

        msg = nlmsg_alloc();                                                                              //生成要发送往内核的帧（还没有填充内容）

       cb = nl_cb_alloc(iw_debug ? NL_CB_DEBUG : NL_CB_DEFAULT);      //生成回调函数，回调函数相关，见第一篇netlink的文档

       genlmsg_put(msg, 0, 0, state->nl80211_id, 0,                                   //往刚生成的帧中填充头部信息
   cmd->nl_msg_flags, cmd->cmd, 0);

       NLA_PUT_U32(msg, NL80211_ATTR_IFINDEX, devidx);                //向刚生成的帧内部添加一个属性值

       nl_socket_set_cb(state->nl_sock, s_cb);                                            //设置回调函数

       nl_send_auto_complete(state->nl_sock, msg);                                 //发送刚生成的帧给内核。自此，内核当收到该请求时就会执行在帧中填充的命令索引和参数。比如搜索无线网，帧中就会填充scan命令对应的索引和要扫描的信道作为参数。

while (err > 0)
nl_recvmsgs(state->nl_sock, cb);                                                 //等待接收内核的反馈