mac80211详解

一、mac80211简介

mac80211是Linux内核提供的一个完整的IEEE 802.11协议栈实现，它是Linux内核嵌入式系统中Wi-Fi无线网络实现的必要组件。它提供了一个统一的接口让上层应用和驱动程序使用，使得Wi-Fi无线网络的实现更容易。它的核心部分包含了从数据链路层到物理层的基本功能，例如IEEE 802.11的接口、帧形成、发送、接收、解析、真实模拟和虚拟化等功能。它对DRIVER进行了重大改进，从而更有效地支持各种Wi-Fi芯片和无线设备，因此被广泛应用于Linux内核的Wi-Fi驱动程序中。

二、mac80211特点

mac80211的主要特点如下：

1、统一的上层或用户空间API接口

这意味着无论是使用工具还是从上层网络功能实现或用户空间，都是对相同的接口进行编程，这样在不同的设备和应用程序之间切换时，避免了诸如改编码和编译不兼容等问题。

2、内核态和用户态支持

mac80211允许以一种与其他Linux内核网络协议一样的方式使用它们，它还允许某些独特的外部用户空间资源，如wireshark，与设备驱动交互。此外，mac80211也允许用户空间程序直接与无线网络设备进行通信，从而提供了一种更灵活的操作方式。

3、软件定义的无线红色

mac80211提供一条分层架构，使得对一个给定的Wi-Fi设备编写用户空间程序，需要嵌入的代码更少，更灵活。因此，通过一个Wi-Fi卡和mac80211，可以快速实现软件定义的无线红色。

4、高度可重用性的代码库

mac80211是一个高度可重用的重要代码库。许多与无线网络协作相关的必要开发工作都可以在mac80211的框架、API接口和内部结构上直接实现，特别是针对最新的Wi-Fi硬件。

三、mac80211架构模型

mac80211的整体架构分为用户空间、内核空间、硬件空间三个部分。


如上图，在用户空间，主要运行网络管理程序如wpa_supplicant和network-manager（以及其他工具），用户程序将与内核接口进行API，则渲染mac80211到内核空间的无线网络请求，并处理从内核返回的请求。

内核空间包含了ioctl、IEEE80211堆栈、DRIVER和设备，它提供了一种以模块化方式实现、可配置的协议栈。其中，DRIVER用于处理Wi-Fi设备与投递来自用户/网络空间的数据包之间的交互；IEEE80211堆栈定义了整个无线协议和将在此处执行的各种操作（如数据包收发、网络接口操作、事件处理等）；字驱动程序增加了硬件层，负责实际的通信并与MAC层进行交互。所有这些组件都能实现开放式结构，用于满足应用程序、网络协议和驱动程序等各种需求。

硬件空间包括Wi-Fi芯片和无线适配器驱动程序（如acx）。无线适配器只是处理数据包的硬件，并负责与mac80211进行交互，以在内核空间中完成过程。

四、mac80211实例代码

/* 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;
    ...
}

/* 驱动发布数据报文 */
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;

    /* 设置数据帧数据 */
    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、总结

本文简单介绍了mac80211的特点和架构，并提供了相应的代码实例，以帮助读者快速了解和使用mac80211。mac80211的重要性在于它为Linux内核提供了一套完整的Wi-Fi无线网络实现，为嵌入式系统的Wi-Fi应用提供了充足的自由，为新一代软件无线电网络提供了良好的基础。