mac80211詳解

一、mac80211簡介

mac80211是Linux內核提供的一個完整的IEEE 802.11協議棧實現，它是Linux內核嵌入式系統中Wi-Fi無線網路實現的必要組件。它提供了一個統一的介面讓上層應用和驅動程序使用，使得Wi-Fi無線網路的實現更容易。它的核心部分包含了從數據鏈路層到物理層的基本功能，例如IEEE 802.11的介面、幀形成、發送、接收、解析、真實模擬和虛擬化等功能。它對DRIVER進行了重大改進，從而更有效地支持各種Wi-Fi晶元和無線設備，因此被廣泛應用於Linux內核的Wi-Fi驅動程序中。

二、mac80211特點

mac80211的主要特點如下：

1、統一的上層或用戶空間API介面

這意味著無論是使用工具還是從上層網路功能實現或用戶空間，都是對相同的介面進行編程，這樣在不同的設備和應用程序之間切換時，避免了諸如改編碼和編譯不兼容等問題。

2、內核態和用戶態支持

mac80211允許以一種與其他Linux內核網路協議一樣的方式使用它們，它還允許某些獨特的外部用戶空間資源，如wireshark，與設備驅動交互。此外，mac80211也允許用戶空間程序直接與無線網路設備進行通信，從而提供了一種更靈活的操作方式。

3、軟體定義的無線紅色

mac80211提供一條分層架構，使得對一個給定的Wi-Fi設備編寫用戶空間程序，需要嵌入的代碼更少，更靈活。因此，通過一個Wi-Fi卡和mac80211，可以快速實現軟體定義的無線紅色。

4、高度可重用性的代碼庫

mac80211是一個高度可重用的重要代碼庫。許多與無線網路協作相關的必要開發工作都可以在mac80211的框架、API介面和內部結構上直接實現，特別是針對最新的Wi-Fi硬體。

三、mac80211架構模型

mac80211的整體架構分為用戶空間、內核空間、硬體空間三個部分。


如上圖，在用戶空間，主要運行網路管理程序如wpa_supplicant和network-manager（以及其他工具），用戶程序將與內核介面進行API，則渲染mac80211到內核空間的無線網路請求，並處理從內核返回的請求。

內核空間包含了ioctl、IEEE80211堆棧、DRIVER和設備，它提供了一種以模塊化方式實現、可配置的協議棧。其中，DRIVER用於處理Wi-Fi設備與投遞來自用戶/網路空間的數據包之間的交互；IEEE80211堆棧定義了整個無線協議和將在此處執行的各種操作（如數據包收發、網路介面操作、事件處理等）；字驅動程序增加了硬體層，負責實際的通信並與MAC層進行交互。所有這些組件都能實現開放式結構，用於滿足應用程序、網路協議和驅動程序等各種需求。

硬體空間包括Wi-Fi晶元和無線適配器驅動程序（如acx）。無線適配器只是處理數據包的硬體，並負責與mac80211進行交互，以在內核空間中完成過程。

四、mac80211實例代碼

/* 初始化mac80211 */
static int __init ieee80211_init(void)
{
    int err;

    ieee80211_bss_init();
    ieee80211_sta_init();
    ieee80211_crypto_init();
    ieee80211_mesh_init();
    ieee80211_scan_init();
    ieee80211_p2p_init();
    ieee80211_hw_core_init();
    ieee80211_rate_control_register_algs();
    ieee80211_led_init();
    ieee80211_vif_init();
    ieee80211_key_mgmt_register_algs();

    err = ieee80211_register_hw(&led80211_hw);
    if (err)
        goto out_key_mgmt;
    err = ieee80211_register_hw(&rtl8xxxu_hw);
    if (err)
        goto out_key_mgmt;
    ...
}

/* 驅動發布數據報文 */
static netdev_tx_t rtl8xxxu_start_xmit(struct sk_buff *skb,
                    struct net_device *dev)
{
    struct ieee80211_hw *hw = priv->hw;
    struct rtl8xxxu_priv *priv = wdev_priv(wdev);
    struct ieee80211_tx_info *info = IEEE80211_SKB_CB(skb);
    struct ieee80211_tx_control ctrl = {
        .sta = info->control.sta,
        .vif = info->control.vif,
        .duration = info->control.duration
    };
    struct packet_type pt;

    /* 設置數據幀數據 */
    set_tx_desc(priv, skb, &ctrl, tx_desc);

    pt.func = rtl8xxxu_rx_packet;
    pt.type = cpu_to_le16(ETH_P_ALL);
    err = rtl8xxxu_write(skb);
    if (err < 0) {
        dev_kfree_skb(skb);
        return NETDEV_TX_OK;
    }
    ieee80211_tx_status_irqsafe(hw, skb);
    return NETDEV_TX_OK;
}

五、總結

本文簡單介紹了mac80211的特點和架構，並提供了相應的代碼實例，以幫助讀者快速了解和使用mac80211。mac80211的重要性在於它為Linux內核提供了一套完整的Wi-Fi無線網路實現，為嵌入式系統的Wi-Fi應用提供了充足的自由，為新一代軟體無線電網路提供了良好的基礎。