Linux 无线网络驱动开发 之 子系统源码框架（nl80211、cfg80211、mac80211）

基础框架

基础概念

• nl80211
  作用：用户空间与内核空间无线配置的接口（Netlink API）
  功能：提供基于 netlink 的通信机制，允许用户空间工具配置和管理无线设备
  代码位置：net/wireless/nl80211.c
• cfg80211
  作用：无线配置框架，管理所有无线设备和驱动
  功能：
  1）提供统一的无线配置接口（如设置频段、信道、功率等）
  2）管理 mac80211 和直接支持 FullMAC 的硬件
  3）处理 MLME（MAC Layer Management Entity）逻辑（如认证、关联）
  代码位置：net/wireless/
• mac80211
  作用：driver开发者可用于为SoftMAC无线设备写驱动的框架，处理大部分 802.11 MAC 层功能
  功能：
  1）实现 Beacon 处理、ACK 管理、速率控制、加密（WPA/WPA2） 等
  2）依赖硬件驱动实现 PHY 层操作（如发送/接收数据包）
  3）支持 AP、STA、Monitor、Mesh 等多种模式
  代码位置：net/mac80211/

理解

• 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
• cfg80211 是设备和用户空间之间的桥梁，工作则是跟踪 WLAN 设备所处的实际状态
• mac80211 的工作是给出硬件的所有功能和与硬件进行交互
• 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，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。实际项目中通常是这两种方案混合使用的

那我们怎么去代码理解这几个组件呢，下面我将用一个管理路径的方式，去分析理解

iw dev wlan1 scan命令是如何调用到wifi驱动的

基本调用框架图

1. 首先是iw工具
   iw 源码获取：git clone
   编译完成后进行源码跟踪,将iw工具编译后命名为iw-debug.
2. 添加打印
   
3. 使用strace命令跟踪iw调用
   sudo strace -e socket,sendmsg,recvmsg iw dev wlan1 scan
   
   消息的构造发生在iw工具，从下面的棘突也能看出，并且对应的是scan指令
   
   libnl我们就不跟踪了，我们知道是一个非常好用的库就行了
4. nl80211接收来自应用层的netlink消息
   内核源码中，genl_init 是 Linux 内核中 Generic Netlink（通用 Netlink）框架的初始化函数，负责在系统启动时注册 Generic Netlink 的核心组件
   
   nl80211通过genl_family_rcv_msg接收netlink信息，通过回调函数nl80211_pre_doit, 查找cfg80211注册时的设备信息dev
   
5. nl80211初始化
   
   
   
   
6. nl80211消息传递给cfg80211
   
   rdev_scan 函数已经属于 cfg80211 组件的范畴
   
7. ops直接调用到mac80211
   
   
   
8. 调用到驱动函数
   
   驱动扫描函数实现
   
   有管理路径针对管理帧，数据路径针对数据帧，所以还有数据路径，数据和管理路径在 mac80211 里面是分开实现的。

数据路径发送

1. 内核协议栈 → mac80211
   调用逻辑

→ neigh_resolve_output()
    → dev_queue_xmit()          
      → __dev_xmit_skb()
        → sch_direct_xmit()
          → dev_hard_start_xmit()
            → netdev_start_xmit() 

2. mac80211 → 驱动（ath9k/ath9k_htc）
调用路径：

ieee80211_subif_start_xmit()//mac802111入口函数
 -->__ieee80211_subif_start_xmit()
 		-->ieee80211_xmit()
 			-->ieee80211_tx()
 				-->__ieee80211_tx()
					 -->ieee80211_tx_frags()
						 -->drv_tx()
 							-->[local->ops->tx()]

调用drv_tx()，把帧传递给驱动

3. 驱动（ath9k/ath9k_htc）
   
4. 驱动 → 硬件
   USB 设备（ath9k_htc）：
   通过 USB Bulk 传输发送 HTC 协议封装的数据包。

数据路径接收

1. 硬件中断 → 驱动
   中断处理：网卡收到数据后触发中断。
   USB 设备：USB 回调函数
2. 驱动 → mac80211
   
   
   如下是ieee80211_rx的源码解释：
   
3. mac80211 → 内核协议栈
   解密和校验：处理 WPA/WPA2 解密、校验帧完整性。
   协议栈上传：通过 netif_receive_skb() 将数据包传递给 TCP/IP 协议栈
   
   
   
   
   
   
   
   
   如果收到的帧是数据，它将被转换成 802.3 数据帧(通过 __ieee80211_data_to_8023 实现)，然后该数据帧将通过 netif_receive_skb 交付到网络协议栈。在协议栈中，各层网络协议将会对数据进行解析，识别协议首部。
   
   
   
   
4. 协议栈 → 用户空间
   Socket 接收：用户程序通过 recv() 或 read() 读取数据。

什么是MLME

即MAC(Media Access Control ) Layer Management Entity，它管理物理层MAC状态机，负责 认证、关联、扫描、省电模式 等

如何理解MLME

• MLME 功能（扫描、认证、关联、省电模式等）由 mac80211 在软件中实现
• mac80211 不参与管理，仅通过 cfg80211 去操作MLME功能
• 简单点理解可以为 cfg80211负责管理，mac80211负责实现MLME功能

疑问？

1. 既然iw工具可以创建socket并连接netlink，为什么要需要调用libnl去发送消息给nl80211?
   若直接使用原生 Socket，代码量可能增加 3-5 倍，且难以维护，安全性、稳定性也难以保证
2. MLME跟wifi状态机有什么关系？
   mlme是管理wifi 状态机的，wifi状态机是 MLME 的具体实现方式

这里是简单的框架梳理，希望能够抛砖引玉，谢谢