Android中的Wifi框架知識點

一. Android wifi框架圖

Android WIFI系統引入了wpa_supplicant，它的整個WIFI系統以wpa_supplicant為核心來定義上層介面和下層驅動介面，Android WIFI主要分為六大層，分別是WiFi Settings層，Wifi Framework層，Wifi JNI 層， Wifi HardWare 層， Wpa_supplicant 層和 Wifi Kernel 層，

圖1.1 Android WIFI 系統架構

Wifi Settings層 ------> Java應用層

Wifi Framework層 ------> Java框架層

Wifi JNI層 ------> C框架層

Wifi HardWare層 ------> C框架層

Wpa_supplicant層 ------> C框架層

Wifi Kernel層 ------> 內核空間

下面對上圖的部分做出分析：

1.1 Wifi Service
由SystemServer啟動的時候生成的ConnecttivityService創建，負責啟動關閉wpa_supplicant,啟動和關閉WifiMonitor執行緒，把命令下發給wpa_supplicant以及更新WIFI的狀態，處理其它模塊通過WifiManager介面發送過來的遠端WiFi操作，

1.2 WifiMonitor
負責從wpa_supplicant接收事件通知，

1.3 wpa_supplicant
1）讀取組態檔
2）初始化配置引數
3）讓驅動scan當前所有的bssid
4）檢查掃描的引數是否和用戶設定的相符
5）如果相符，通知驅動進行權限和認證操作
6）連上AP

注意：
AP（Access Point），也就是無線接入點，是一個無線網路的創建者，是網路的中心節點，俗稱“熱點”，無線網路中的無線交換機，它是使用無線設備（手機等移動設備和筆記本電腦等無線設備）用戶進入有線網路的接入點，大多數無線AP還帶有接入點客戶端模式（AP client），可以和其它AP進行無線連接，延展網路的覆寫范圍，

1.4 Wifi 驅動模塊
廠商提供的source,主要進行load firware和kernel的wireless進行通信

1.5 Wifi 電源管理模塊
主要控制硬體的GPIO和上下電，讓CPU和Wifi模組之間通過sdio介面或者USB介面通信，

1.6 Wifi 作業步驟
1）Wifi 啟動
2）開始掃描
3）顯示掃描的AP
4）配置AP
5）連接AP
6）獲取IP地址
7）上網

二. Android Wifi 原始碼架構

1. Wifi Settings層

//代碼目錄
packages/apps/Settings/src/com/android/settings/wifi/

主要的類：
WifiSettings.java : 負責顯示 Wifi 的設定界面
WifiEnabler.java ： 負責 Wifi 的開關邏輯
WifiDialog.java : 負責Wifi的對話框
WifiDInfo.java : 表示Wifi 的相關配置資訊

2. Wifi Framework 層

//代碼目錄
frameworks/base/wifi/Java/android/net/wifi/
frameworks/base/core/java/android/net/
frameworks/opt/net/wifi/service/java/com/android/server/wifi

主要的類：
WifiManager : 它是 Wifi 模塊向外部應用透漏出來的介面，其它所有應用都可以通過WiFi Manager 來操作Wifi 的各項功能，當時WifiManager 本身不具備處理請求的能力，而是把所有的請求轉發給WifiServicelmpl 來處理，

WifiService : Java Framework中 Wifi 功能的總入口，負責 Wifi 功能的核心業務，它是服務器端的實作，作為 Wifi 部分的核心，處理實際的驅動加載、掃描、鏈接、斷開等命令，以及底層上報的事件，對于主動的命令控制，Wifi 是一個簡單的封裝，針對來自客戶端的控制命令，呼叫相應的WifiNative底層實作，

WifiServicelmpl : 本身也不具備處理請求的能力，而是將請求分類后交給不同的處理者處理，比如WifiStateMachine，

WifiStateMachine : 它是一個復雜的狀態機，維護了Wifi的啟動、掃描、連接、斷開等多個狀態，它運行自己獨有的執行緒中，擁有自己的訊息佇列，

WifiState Tracker : 除了負責Wifi 的電源管理模式等功能外，其核心是WifiMonitor所實作的事件輪詢機制，以及訊息處理函式handleMessage()，

WifiMonitor : 專門負責接收來自wpa_supplicant的事件，并將這些資訊進行分類再交予StateMachine處理，

WifiNative ：一個介面類，主要是提供一些native方法用于wifi framework層和 WPAS 通信，WifiNative 的主要實作都在 wifi.c 函式里，WifiNative 僅是將其封裝，給framework層呼叫，

注意：WifiService 和 WifiMonitor 是整個模塊的核心，WifiService 負責啟動關閉wpa_supplicant，啟動關閉WifiMonitor監視執行緒和把命令下發給wpa_supplicant，而WifiMonitor則負責從wpa_supplicant接收事件通知，
也就是說Wifiservice負責wifi整個流程的控制，而WifiMonitor負責監視底層的事件，

3. Wifi JNI 層

//代碼目錄
frameworks/base/core/jni/android_net_wifi_Wifi.cpp
android_net_wifi_Wifi.cpp就是典型jni介面，通過它可以直接呼叫Wifi的硬體抽象層，

4. Wifi Hardware 層（wifi管理庫）

//代碼目錄
hardware/libhardware_legacy/wifi/wifi.c

Wifi Hardware 層也被稱為wpa_supplicant適配層，是通用wpa_supplicant的封裝，wpa_supplicant適配層起著承上啟下的作用，主要用于和wpa_supplicant守護行程的通信，以供給Wifi框架層使用，

5. wpa_supplicant層(wifi tool)

//代碼目錄
external/wpa_supplicant/

wpa_supplicant是一個開源專案，已經移植到Linux、Windows以及其它嵌入式系統上，它是WPA（WiFi Protected Access，Wifi 網路安全存取）的應用層認證客戶端，負責完成認證相關的登錄、加密等作業，該層是Wifi Framework層的基石，也叫Wifi 服務層，

經過編譯后主要結果是生成動態庫libwpa_client.so和可執行程式wpa_supplicant，
1）wpa_client (生成庫libwpaclient.so)
external/wpa_supplicant_8/wpa_supplicant/src/common/wpa_ctrl.c
2) wpa_server (生成守護行程wpa_supplicant)
external/wpa_supplicant_8/wpa_supplicant/main.c

6. Wifi Kernel 層

//代碼目錄
kernel/drivers/net/wireless

三. WifiService 和 wpa_supplicant啟動流程

圖 3.1 WifiService 和 wpa_supplicant啟動流程

狀態變化

加載wifi驅動的狀態變化流程如下：

               mInitialState（初始狀態）
                     |
             mDriverUnloadedState

                     |
           mWaitForP2pDisableState

                     |
 mDriverLoadingState(其enter中呼叫WifiNative.loadDriver)

啟動wpa_supplicant的狀態變化如下：

在DriverLoadedState狀態的processMessage中呼叫WifiNative.startSupplicant

生產時自動打開Wifi

在生產時， 默認Wifi是關閉的，如果需要默認打開，可修改wifiservice.java中的如下代碼：

    /**
     * Check if Wi-Fi needs to be enabled and start
     * if needed
     *
     * This function is used only at boot time
     */
    public void checkAndStartWifi() {
        mAirplaneModeOn.set(isAirplaneModeOn());
        mPersistWifiState.set(getPersistedWifiState());
        /* Start if Wi-Fi should be enabled or the saved state indicates Wi-Fi was on */
        boolean wifiEnabled = shouldWifiBeEnabled() || testAndClearWifiSavedState();
        Slog.i(TAG, "WifiService starting up with Wi-Fi " +
                (wifiEnabled ? "enabled" : "disabled"));
        setWifiEnabled(wifiEnabled); //強制設定為true
 
        mWifiWatchdogStateMachine = WifiWatchdogStateMachine.
               makeWifiWatchdogStateMachine(mContext);
 
    }

四. wpa_supplicant

wpa_supplicant是一個開源軟體源專案，它實作了Station對無線網路進行管理和控制的功能，wpa_supplicant支持的功能非常多，下面列舉幾個重要的功能，

1. 支持WPA和IEEE 802.11i定義的大部分功能，

1）支持WPA—PSK（WPA-Personal）和WPA-Enterprise(利用RAIDUS認證服務器來完成身份認證的情況)

2）資料加密方面支持CCMP，TKIP，WEP104和WER40，其中，WEP104和WEP40中的數字代表密鑰的長度，

3）完全支持WPA和WPA2，包括PMKSA快取，預認證（pre-authentication）等功能

4）完全支持IEEE 802.11r和802.11w，其中802.11r規范定義了快速基礎服務轉移功能，而802.11w新增對了對管理幀的安全保護機制，

5）支持WFA制定的WIFI protected Setup功能，P2P，TDLS等，

2. 支持多種EAP Method，
   主要和802.1X中的Supplicant的功能有關，wpa_supplicant支持多達25種EAP Method，包括以下EAP-TLS，EAP-PEAP，EAP-TTLS和EAP-SIM、EAP-PSK、EAP-GPSK等其他認證方法，

3. 對各種無線網卡和驅動的支持，

1）支持nl80211/cfg80211驅動和Linux Wireless Extension驅動，

2）支持Windows平臺中的NDIS驅動，

wpa_supplicant包含三個主要子目錄，如下：
1）hostapd：當手機進入Soft AP模式時，手機扮演AP的角色，需要hostapd來提供AP功能，

2）wpa_supplicant：Station模式，也叫Managed模式（重點）

3）src：hostapd和wpa_supplicant中都包含了一些通用的資料結構和處理方法，這些內容都放在src目錄中，

wpa_supplicant是Android用戶空間中無線網路部分的核心模塊，所有Framework層中和WIFI相關的操作最終都由wpa_supplicant來完成，

五. wpa_supplicant架構

wpa_supplicant是比較龐大的開源軟體專案，內部模塊結構如圖：

圖 5.1 wpa_supplicant軟體架構

1）WPAS所有作業都圍繞事件（event loop模塊）展開，它是基于事件驅動的，事件驅動和訊息驅動類似，主執行緒等待事件的發生并處理它們，

2）位于event loop模塊下方的driver interface介面模塊用于隔離和底層驅動直接互動的那些driver控制模塊（wext、ndiswrapper等，WPAS中稱為driver wrapper）

3）dirver wrapper經常回傳一些資訊給上層，

六. wpa_supplicant命令和控制API

WPAS對外通過控制介面模塊與客戶端通信，在Android平臺中，WPAS的客戶端是位于Framework中的WifiService，用戶在Settings界面進行WiFi相關的操作最終都會經由WifiService通過發送命令的方式轉交給wpa_supplicant去執行，

1. 命令
WPAS定義了許多命令，

PING:心跳檢測命令，客戶端用它判斷WPAS是否作業正常，WPAS收到"PING"命令后需要回復"PONG"，

MIB:客戶端用該命令獲取設備的MIB資訊，

STATUS：客戶端用該命令獲取設備的MIB資訊，

ADD_NETWORK：為WPAS添加一個新的無線網路，它將回傳此新無線網路的ID

SET_NETWORK：network id是無線網路的ID，此命令用于設定指定無線網路的資訊，其中variable為引數名，value為引數的值，

ENABLE_NETWORK: 使能某個無線網路，此命令最終將促使WPAS發起一系列操作以加入該無線網路，

除了接收來自client的命令外，WPAS也會主動給client發送命令，

2. 控制API
Android平臺中wifiService是WPAS的客戶端，它和WPAS互動時必須使用wpa_supplicant提供的API，這些API宣告于wpa_ctrl.h中，用法如下：

//必須包含此頭檔案，鏈接時需要包含libwpa_client.so動態庫，
#include "wpa_ctrl.h"

客戶端使用wpa_ctrl時首先要分配控制物件，下面兩個API用于創建和銷毀控制物件wpa_ctrl，

//創建一個wpa控制端物件wpa_ctrl，Android平臺中，引數ctrl——path代表unix域socket的位置
struct wpa_ctrl *wpa_ctrl_open(const char *ctrl_path);
//注銷wpa_ctrl控制物件
void wpa_ctrl_close(struct wpa_ctrl *ctrl);

下面這個函式用于發送命令給WAPS，

//客戶端發送命令給wpa_supplicant，回復的訊息保存在reply中
int wpa_ctrl_request(struct wpa_ctrl *ctrl, const char *cmd, size_t cmd_len, char *reply, size_t *reply_len, void (*msg_cb)(char *msg, size_t len));

msg_cb是一個回呼函式，該引數的設定和WPAS中C/S通信機制的設計有關，

打開通知事件監聽功能相關的API如下所示，

//打開通知事件功能
int wpa_ctrl_attach(struct wpa_ctrl *ctrl);
//打開通知事件監聽功能的wpa_ctrl物件能直接呼叫下面的函式來接收unsolicited event
int wpa_ctrl_recv(struct wpa_ctrl *ctrl, char *reply, size_t *reply_len)

如果客戶端并不發送命令，而只是想接收Unsolicited event，可通過wpa_ctrl_recv函式來此達到目的，

綜上所述，單獨使用wpa_ctrl_recv和wpa_ctrl_request都不方便，因此，常用的方法是：客戶端創建兩個wpa_ctrl物件來簡化自己的邏輯處理，

1）一個打開了通知事件監聽功能的wpa_ctrl物件將只通過wpa_ctrl_recv來接收通知事件，

2）另外一個wpa_ctrl專職用于發送命令和接識訓復，由于沒有呼叫wpa_ctrl_attach，所以它不會收到通知事件，

七. wpa_supplicant連接無線網路分析

通過命令列發送命令的方式觸發wpa_supplicant進行相關作業，使手機加入一個利WPA_PSK進行認證的無線網路，

dhcpcd成功執行后，手機將從AP那邊分配到一個IP地址，至此，手機就可以使用"Tes" 無線網路，

綜上所述，所有來自客戶端的命令都由wpa_supplicant_ctrl_iface_receive函式處理；絕大部分命令都由wpa_supplicant_ctrl_iface_process函式處理，

ENABLE_NETWORK命令處理
ENABLE_NETWORK命令由wpa_supplicant_ctrl_iface_enable_network進行處理，其代碼如下：

1. 無線網路掃描流程分析
   ENABLE_NETWORK將發起無線網路掃描請求，這是由wpa_supplicant_req_scan完成的，其代碼如下：

wpa_supplicant_scan是無線網路掃描的核心函式，其代碼比較復雜，分段來分析，
1）wpa_supplicant_scan分析之一
這一段的代碼主要和scan請求的引數準備有關，

一個Probe Request要么指定wildcard ssid以掃描周圍所有的無線網路，要么指定某個ssid以掃描指定無限網路，為了方便WPAS的使用，wlan driver新增一個功能，使得上層可通過一次scan請求來掃描多個不同ssid的無線網路，一個scan請求在代碼中對應的資料結構就是wpa_driver_scan_params，而wpa_supplicant_scan最重要的作業就是準備好這個請求，

2）wpa_supplicant_scan分析之二
接著來看代碼段二

上訴wpa_supplicant_scan代碼主要展示了如何填寫掃描請求引數，復雜的點在于細節處理，

3）wpa_supplicant_scan分析三
當scan請求的引數準備好，wpa_supplicant_scan將直接向driver wrapper發起scan請求，

對driver_nl80211，對應的函式是wpa_driver_nl80211_scan，看下面代碼，

本例來說，ENABLE_WORK命令處理的第一步就是要掃描周圍的無線網路，至于目標無線網路是否存在，則屬于掃描結果處理流程的作業了，

4）無線網路掃描流程總結
下圖為觸發掃描掃描功能的流程圖，

圖 7.1 觸發掃描的流程圖

圖中的函式，wpa_supplicant_scan的內容較豐富，其中有很多細節內容，初次學習，可先不考慮圖中函式的細節，只需把握圖中函式呼叫流程即可，