跳到主要内容

Mac80211 实现细节

现在，让我们把目光从空中的协议交互收回内核。 上一节我们看着数据包怎么变换身份，怎么在省电模式下玩捉迷藏。 但你可能一直有个疑问：这些是谁在管？代码到底长什么样？

Linux 的无线世界并不是杂乱无章的。它有一套标准的「施工规范」叫 mac80211。 无论是 Intel 的 iwlwifi，还是 Marvell 的 lbtf，只要想进 Linux 的无线门，就得按 mac80211 的规矩办。 这一节，我们要掀开引擎盖，看看里面的活塞和连杆。 如果不去摸透 ieee80211_hw 和 sta_info 这几块核心骨头，你对无线栈的理解就永远是隔着一层玻璃看花。

12.6 核心骨架：从 ieee80211_hw 到驱动回调​

mac80211 的 API 复杂到令人发指，里面全是让人眼晕的细节。 我不打算把这几十兆的代码全搬出来（那也没意义），但我会给你一张最精确的寻宝图，让你知道哪里是入口，哪里是陷阱。

一切始于一个叫 struct ieee80211_hw 的结构体。 你可以把它理解成 「硬件设备的身份证」。

内核用这个结构体来告诉无线栈：「嘿，这块网卡长什么样，它有哪些绝活。」 但这里有一个关键的设计细节：ieee80211_hw 里面有一个 priv 指针。 这可不是个普通的指针，它是驱动开发者的私房钱。 这个 priv 指针被定义为 void *，意味着内核根本不关心也不看里面存的是什么。 只有驱动自己知道，这通常指向一个更大的、驱动自己定义的私有结构体——比如 Intel 的驱动里叫 iwl_priv，Marvell 的叫 lbtf_private。 这种设计把「通用框架」和「私有实现」切得干干净净。

要开始干活，驱动得先做几件事：

  1. 申领空间：调用 ieee80211_alloc_hw(size_t priv_data_len, const struct ieee80211_ops *ops)。 这一步不仅分配了 ieee80211_hw，还顺带分配了你要求的 priv_data_len 大小的私有空间，并把两者绑在一起。
  2. 注册设备：拿着分配好的 hw，调用 ieee80211_register_hw(struct ieee80211_hw *hw)。 这一步就像是给设备上户口，从此它就在内核里存在了。
  3. 接收数据：当硬件收到包时，驱动通常会调用 ieee80211_rx_irqsafe()（在 net/mac80211/rx.c 里实现）。 为什么叫 irqsafe？因为这是在中断上下文里调用的，不能睡觉。

那张你在文档里见过的架构图（Figure 12-5），其实画的就是这层关系： 驱动层和 mac80211 层之间，就是靠 ieee80211_ops 这组回调函数握手连接的。

12.6.1 驱动的操作集​

刚才提到的 ieee80211_ops，就是驱动写给内核的一份「承诺书」。 这也是一个结构体，里面全是函数指针。不是每个都要填，但有几个是命根子。

让我们看几个最核心的回调：

  • tx()：这是发工资的部门。每次内核要发包，都会调这个函数。 通常情况下它得返回 NETDEV_TX_OK，除非出了岔子。
  • start() 和 stop()：这对兄弟负责电源开关。 start() 用来激活硬件，打开接收帧的开关；stop() 则是关机，通常会把硬件彻底断电。
  • add_interface() 和 remove_interface()： 这听起来很抽象，实际上很简单：当你 ifconfig wlan0 up 的时候，这个回调就会被触发。 内核在问驱动：「嘿，我要把虚拟网络设备绑上来了，你硬件那边准备好接客了吗？」 remove_interface 则是反向操作。
  • config()：这是调参旋钮。 比如你要切换信道（从 CH6 切到 CH11），内核就会调这个函数通知硬件去改频率。
  • configure_filter()：这是看门狗的设置。 它告诉硬件：「我只想要这几种类型的包，其他的别吵我。」

12.6.2 站点管理：sta_info 结构​

除了硬件本身，无线世界里最重要的是什么？是 「人」（ Stations，站点）。 无论是连上来的手机，还是隔壁的路由器，在内核里都是一个 struct sta_info（定义在 net/mac80211/sta_info.h）。

这个结构体内容非常丰富，简直就是一个站点的黑匣子：

  • 统计计数器：收了多少包，发了多少包，丢了多少包。
  • 标志位：它是不是在省电模式？它有没有授权？
  • ps_tx_buf：还记得上一节说的省电缓冲吗？就是这个数组，用来存给睡着了站点的单播包。
  • debugfs 条目：方便我们在用户空间窥探它的状态。

内核怎么管理成百上千个这样的站点？ 用哈希表（sta_hash）和链表（sta_list）。 当你要找一个站点时，通常会用到这三个工具：

  • sta_info_insert(struct sta_info *sta)：把一个新站点加入表格。
  • sta_info_destroy_addr(...)：踢人。通过 MAC 地址把站点干掉（内部会调用 __sta_info_destroy）。
  • sta_info_get(...)：查户口。给定一个 MAC 地址（通常是 BSSID），把这个站点的 sta_info 结构体捞出来。

12.6.3 RX Path：当数据包飞进来​

接收路径是整个栈里最繁忙的地方。 主角是 ieee80211_rx() 函数（在 net/mac80211/rx.c）。

当驱动把一个 SKB 递上来时，它不是空手来的。它在 SKB 的控制缓冲区里塞了一张小纸条，叫 ieee80211_rx_status。 你可以用 IEEE80211_SKB_RXCB() 这个宏把这张纸条抽出来看。 上面写着什么？写着这包收过来的质量怎么样：FCS 校验有没有挂？信号强度多少？ 如果 flag 字段里带上了 RX_FLAG_FAILED_FCS_CRC，那恭喜，这包是废的。

接下来是一系列流水线作业：

  1. 监听模式处理：ieee80211_rx_monitor() 会出场。 如果你开了 Monitor Mode（抓包用的），它会先帮你剥掉 FCS（校验位），顺便处理一下可能存在的 radiotap 头部。 注意：不是所有网卡都支持 Monitor Mode。

  2. 802.11n 的重排序：如果你用的是 HT（802.11n），乱序的包需要排队。 这时 ieee80211_rx_reorder_ampdu() 会被叫来把乱了次序的积木排好。

  3. 真正的处理：__ieee80211_rx_handle_packet() 最终会调用 ieee80211_invoke_rx_handlers()。

这里有一个非常精妙的设计，叫 「责任链模式」。 内核有一串处理器，每个处理器都看一眼这个包：

  • 如果它说「我不处理，下一个」，就返回 RX_CONTINUE。
  • 如果它说「这包我吞了」，就返回 RX_QUEUED。
  • 如果它说「这包是垃圾」，就返回 RX_DROP_MONITOR 或 RX_DROP_UNUSABLE。

看一段真实的代码（net/mac80211/rx.c）：

static ieee80211_rx_result
ieee80211_rx_h_mgmt_check(struct ieee80211_rx_data *rx)
{
        struct ieee80211_mgmt *mgmt = (struct ieee80211_mgmt *) rx->skb->data;
        struct ieee80211_rx_status *status = IEEE80211_SKB_RXCB(rx->skb);

        . . .
        if (rx->skb->len < 24)
                return RX_DROP_MONITOR;

        if (!ieee80211_is_mgmt(mgmt->frame_control))
                return RX_DROP_MONITOR;
               .  .  .
}

这代码在干嘛？ 它在检查：这包既然说是管理帧，长度连 24 字节都不够（802.11 头部的最小长度），或者是假的不是管理帧，直接 RX_DROP_MONITOR——扔进垃圾桶。 如果是 PS-Poll 包，但收包的不是 AP 角色，那也是 RX_DROP_UNUSABLE。 这种层层过滤的设计，保证了内核不会被非法包把 CPU 跑满。

12.6.4 TX Path：当数据包飞出去​

发送路径的主角是 ieee80211_tx()（在 net/mac80211/tx.c）。 它的逻辑和 RX 很像，也是先准备，再过流水线。

  1. 准备工作：__ieee80211_tx_prepare()。 这里会做各种预检查，比如，如果你发的是一个长度小于 10 字节的包，内核会觉得你在开玩笑，直接 dev_kfree_skb(skb) 丢掉。

  2. 发送处理器链：invoke_tx_handlers()。 和 RX 一样，这也是用宏 CALL_TXH 串起来的一排处理函数。

    • TX_CONTINUE：没我的事，走下一个。
    • TX_QUEUED：这包被我接管了（比如进了缓冲区）。
    • TX_DROP：这包有坑，发不得。

如果这一路绿灯，最后会调用 __ieee80211_tx() 把数据包真正推向硬件驱动的 tx() 回调。

12.6.5 分片：当大象装进冰箱​

现在的无线很快，但在以前，为了保证可靠性，大象也是要切碎了的。 这就是 分片。

802.11 规定，每个站点都有一个分片阈值。 如果单播包的大小超过了这个阈值，就必须切成小片。 每切一片，都要单独确认一次（ACK）。 你可以在命令行里用 iwconfig 看到这个阈值，或者改掉它：

iwconfig wlan0 frag 512

这就把阈值设成了 512 字节。 阈值越小，碰撞的概率越低，但开销越大。 在发送端，切肉的刀是 ieee80211_tx_h_fragment() 方法。 在接收端，拼肉的神器是 ieee80211_rx_h_defragment() 方法。

但这里有个巨大的坑： 分片和聚合（802.11n 用来提速的技术）是水火不容的。 既然现在的 802.11n/ac 速度这么快，空中时间很短，分片这玩意儿现在已经很少见到了。 如果你在现代的高速率网络里开启分片，可能会发现网络反而变慢了，甚至因为不支持聚合而导致吞吐量暴跌。

12.6.6 debugfs：内核的黑匣子​

内核怕你搞不懂它在想什么，所以留了个后门叫 debugfs。 这是一个虚拟文件系统，专门用来往外吐调试信息。

首先你得把它挂载上来：

mount -t debugfs none_debugs /sys/kernel/debug

⚠️ 注意 你的内核编译时必须选上 CONFIG_DEBUG_FS，否则这一步会报错，你也看不到下面的任何内容。

假设你的物理设备是 phy0，你就可以去 /sys/kernel/debug/ieee80211/phy0 下面挖宝。

这里有几个特别好用的条目：

  1. total_ps_buffered： 这就是 AP 的「暂存仓」。 它显示了 AP 为那些睡着的站点（PS 模式）缓存了多少个包（包括单播和组播）。 这是 ieee80211_tx_h_unicast_ps_buf 和 ieee80211_tx_h_multicast_ps_buf 两个人一起加出来的数。

  2. statistics 目录： 这里面全是战绩。

    • frame_duplicate_count：收到了多少个重复的包（有人在重传）。
    • transmitted_frame_count：成功发出了多少个包。
    • retry_count：重试了多少次。如果这个数字飙升，说明你的信号质量很差，或者干扰很大。
    • fragmentation_threshold：当前的分片阈值。

  3. netdev:wlan0 目录（假设你的接口叫 wlan0）： 这里能看到具体的接口信息。

    • aid：关联 ID。
    • assoc_tries：试了多少次才连上。
    • bssid：你连的路由器地址。

  4. rc/name： 这里写着当前用的速率控制算法名字。 选对算法比选对路由器还重要。

12.6.7 无线模式：网卡的身份卡​

最后，网卡不是只有一种形态。 根据你想干什么，你可以把它切成不同的模式。 这取决于硬件支不支持（你可以查 wiphy 的 interface_modes 字段，或者去 linuxwireless.org 查你的驱动列表）。

  • AP 模式 (NL80211_IFTYPE_AP)： 网卡变成路由器。它维护一个站点列表，网络名字（SSID）由它定义。
  • Managed 模式 (NL80211_IFTYPE_STATION)： 网卡变成客户端。这就是你手机连 WiFi 的模式。
  • Monitor 模式 (NL80211_IFTYPE_MONITOR)： 嗅探者模式。所有经过空中的包，不管是不是发给它的，统统收下。 这是抓包神器（比如 airodump-ng）的依赖。 在这个模式下发包叫 注入，数据包会被打上 IEEE80211_TX_CTL_INJECTED 的特殊标记。
  • Ad Hoc 模式 (NL80211_IFTYPE_ADHOC)： 点对点，没有 AP，大家平等。
  • WDS 模式 (NL80211_IFTYPE_WDS)： 无线分发系统，用来做桥接的。
  • Mesh 模式 (NL80211_IFTYPE_MESH_POINT)： 网状网，我们下一节会专门讲这个。

至此，我们已经看完了 mac80211 的骨架和肌肉。 但现在的无线世界不仅要通，还要快。 下一节，我们要进入 802.11n 的高速公路，看看多天线（MIMO）和聚合技术是怎么把无线网变成光纤的。 那个世界里的逻辑，又完全是另一套了。

编辑此页
最后由 Charliechen114514 于 更新