Android Wifi实现分析
其实现在已经到了android-9了。但是这篇文档写的是android-8而且android-9的变化不是非常大，所以也懒得修改。
一、模块功能分解
老架构，网上找的。8.0以后不一样了。
1. wifi.c没了，所有驱动相关的操作都通过treble架构移交厂商了
2.IPC方式变了，之前是socket与supplicant通信，现在是HIDL抽象的binder方式
3.扫描功能从supplicant中转移到android原生实现。
4.wpa_supplicant.conf去除，保存ap使用wificonfig.xml由android原生管理。（热点也是）
（1）STA
主要功能：
- 开启->扫描->连接->断开->关闭
- 显示扫描结果->添加/删除保存AP->AP详细信息显示
- 间歇扫描->选取连接过的AP->自动重连
次要功能：
- 降低功耗：修改扫描间隔,自动断开->自动连接
- 多卡切换->在wifi自动重连（仅在EAP-SIM方式下）
- 复杂的UI显示
（2）P2P
主要功能:
- 开启->扫描->连接->断开->关闭
- 显示永久组
次要功能:
UI相关
（3）SoftAp
主要功能:
- 开启->扫描->连接->断开->关闭
- 显示连接设备数量
- 禁止某AP连接
次要功能:
- 自动关闭
- UI相关
二、wifistatemachine
谷歌在新发布的android-O平台上对framework进行了大量的更改，从wifi部分来看，主要体现在两个部分：
- 分离部分代码，加强对framework的管制.这有利于降低android系统的碎片化,保证系统性能.
- 将framework从Java向C++迁移，提升系统整体运行效率.
（1）WifiStatemachine在android-O实现架构变化：
在android-O之前,framework上一共维护了20个状态.其中softAp相关的状态未列出.Android-O上删除了加载驱动相关的状态,将这部分实现迁移到C++部分.驱动加载成功后,会启动wpa_supplicant.图画的不好，凑合看吧
注：
红色部分为在android-O中删除的状态,下面会说这部分的处理在O中的变化，并且讨论变化的原因.
（2）Wifi enable
这部分的状态切换个刚开始没有看懂,因为ConnectModeState没有被显示的切换,调查发现状态机在切换过程中已经执行过ConnectModeState中的Enter和EXT,并且相应的在子状态DisconnectedState中无法处理的，会交给ConnectModeState(父状态)处理.
代码调用流程：
InitialState:
setOperationalMode->InitialState::ProcessMessage(CMD_START_SUPPLICANT)->setupForClientMode()->enableSupplicant()->startMonitoring()->transitionTo(mSupplicantStartingState)加载驱动,启动wpa_supplicant,启动Monitor...
SupplicantStartingState:
setOperationalMode->InitialState::ProcessMessage(CMD_START_SUPPLICANT)->setupForClientMode()->enableSupplicant()->startMonitoring()->transitionTo(mSupplicantStartingState)设置mac地址,初始化wps(Wi-Fi Protected Setup),发送wpa_supplicant状态变化广播...
SupplicantStartedState：
Enter()->setWifiState(WIFI_STATE_ENABLING)->transitionTo(mDisconnectedState)->setPowerSave();设置相关参数，切换至DisconnectedState进行定期扫描...
DisconnectedState:
Enter()->processMessage(CMD_NO_NETWORKS_PERIODIC_SCAN)->startScan()->SupplicantStartedState::processMessage(CMD_START_SCAN)->checkOrDeferScanAllowed()->processMessage(CMD_START_SCAN)->handleScanRequest()->startScanNative()进行定期扫描操作...
O的变化：
个人认为android-O的主要变化在于加载驱动这部分.按照逻辑，wifi启动先后顺序为：WifiService->load driver->start wpa_supplicant。所以认定driver的启动必然在wpa_supplicant启动之前完成.
setupForClientMode()->setupDriverForClientMode()->Server::createClientInterface()->SetupInterface()（3）Wifi connect
根据上图,wifi在链接过程中先切换到ConnectModeState处理连接相关的消息，后直接切换至ObtainingIpState启动DHCP，后切换至同级状态ConnectedState.表示连接已经建立.
代码调用流程：
DisconnectedState：
connect->ConnectModeState::ProcessMessage(CONNECT_NETWORK)->addOrUpdateNetwork()->connectToUserSelectNetwork()->getConfiguredNetwork()->enableNetwork()->startConnectToNetwork()->ConnectModeState::ProcessMessage(CMD_START_CONNECT)->connectToNetwork()->ConnectModeState::ProcessMessage(NETWORK_CONNECTION_EVENT)->sendNetworkStateChangeBroadcast()->transitionTo(mObtainingIpState)触发add_network,set_network,enable_network等一系列命令...
ObtainingIpState：
L2ConnectedState::Enter()->ObtainingIpState::Enter()->StoppedState::ProcessMessage(CMD_START)->StartedState::Enter()->transitionTo(mRunningState)->startIPv4()->processMessage(CMD_START_DHCP)->L2ConnectedState::ProcessMessage(CMD_IP_CONFIGURATION_SUCCESSFUL)->handleIPv4Success()->transitionTo(mConnectedState)L2已经链接成功,接下来启动DHCP分配IP地址.成功后切换至ConnectedState
O的变化：
根据对android-O的代码研究,google改变了wifi的连接方式：
传统方式:
- add_network
- set_network
- enable_network
- select_network
现在的方式(目前的连接方式和之前的方式的差别)：
- add_network
- select_network
Framework与wpa_supplicant直接的通信方式也有所变化.如下所示：
在之前的android版本中,framework和wpa_supplicant之间是通过socket进行通信而不是现在的binder通信方式.
个人认为这样修改有如下好处：
- 从framework和wpa_supplicant的交互来看,双方信息交互频率用binder就可以满足,并且binder更加节省资源.
- 增加了代码的易读性，binder的函数直接调用比以往的命令发送、字符串解析这种方式更加直观.
（4）Wifi disconnect
在ConnectedState下收到断开链接请求，交由父状态L2ConnectedState处理并切换至同级别状态DisconnectingState,在进入enter函数时发送延时消息,收到后切换至DisconnectedState.
代码调用流程：
L2ConnectedState:
disconnect->L2ConnectedState::ProcessMessage(CMD_DISCONNECT)
->disconnect()
->mSupplicantStaIfaceHal.disconnect()
->transitionTo(mDisconnectingState)
断开L2链接,切换至DisconnectingState.
DisconnectingState:
DisconnectingState::Enter()->ProcessMessage(CMD_DISCONNECTING_WATCHDOG_TIMER)->handleNetworkDisconnect()->stopRssiMonitoringOffload()->stopIpManager()->clearLinkProperties()->transitionTo(mDisconnectedState);停止RSSI,停止IPMananger,回收底层资源并切换到DisconnectedState.
三、驱动架构
根据结构所示, firmware部分完成了硬件射频的工作.根据调查,驱动程序主要是负责传递消息,将上层发送的消息和数据封装为固件消息发送给固件并反馈结果.此部分参考了broadcom的实现。
（1）网络设备
Linux设备驱动分为：字符设备,块设备,网络设备. 在WLAN模块中,wifi自然属于网络设备之列.
下图为网络设备在Linux系统中的层次结构.
在让人耳熟能详的TCP/IP协议栈之下就是网络设备的地盘.这里首先说明一下net_device中几个重要的属性.
struct net_device{//用于存放网络设备的设备名称；char name[IFNAMSIZ]; --> wlan0//网络设备的接口索引值，独一无二的网络设备标识符；int ifindex; ---> ioctl的索引//网络设备接口的最大传输单元；unsigned mtu; --->1500//硬件接口头长度；unsigned short hard_header_len;//网络设备接口的MAC地址；unsigned char *dev_addr;}（2）命令处理
在android-O的最新架构中,scan命令不再由wpa_supplicant发送给driver,而是直由上层的netlinkMananger发送,这样省略了通过wpa这个中间件.个人理解google这次修改的原因是因为scan命令是一个十分频繁并且要求实时反馈的命令,总是通过wpa_supplicant发送该信息在内存和时间上都没有好处.并且scan命令不同于assoc, disassoc, reassoc等需要封装完整的数据包给driver,所以scan命令也具备从wpa_supplicant中独立出来的条件.
（3）数据收发
作为网络设备, 最重要的功能就是保证数据收发的稳定和高速。所有网络设备的数据收发如下
下图简要说明了数据收发过程中的代码调用.
DHCP
DHCP为ipv4的NAT地址控制提供了有效的帮助，使得局域网内的ip地址可以精确的分配。
上图为DHCP的架构，其中还有ip地址租赁延长的消息没有体现出来。这里先不赘述。
总结
这里不介绍wpa_supplicant的内容,出于一下原因:
1. Wpa_supplicant代码体积大, 但是很少出现问题
2. Wpa_supplicant是开源项目,可以从网上得到资料
3. 深入理解android wifi模块这本书对wpa_supplicant进行了系统的讲解.
Wifi的内容很多,不仅设计了802.11协议还夹杂了各类rfc安全协议.所以这里仅仅介绍STA功能中简单的代码架构,具体的每一处代码还需要继续研究.此外,在驱动程序中可以看到,数据收发数据无差别的适应方式应该涵盖了STA,P2P,SoftAp.而前期的交互中,SoftAp部分代码基本与STA和P2P独立, 而STA和P2P之间有着相近的函数调用.
Android-O的变化可以看出google在接下来的版本中会继续将framework中java部分的实现向C++迁移,同时java8的特性也在这一版本中体现.不仅体现了google对android不遗余力的优化.
参考资料
http://weiguozhihui.blog.51cto.com/3060615/1584894
深入理解android WiFi、NFC、GPS卷
802.11权威指南
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