何 柳， 程 鵬， 陳 勇，馬洪亮， 吳 斌

(1.重慶郵電大學(xué),重慶 400065；2.中國(guó)科學(xué)院微電子研究所,北京100029)

近年來(lái)，無(wú)線上網(wǎng)逐漸成為了生活中不可或缺的部分。人們對(duì)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的需求越來(lái)越強(qiáng)烈，而無(wú)線局域網(wǎng)(WLAN)技術(shù)的快速發(fā)展也適時(shí)地滿足了人們的需求。無(wú)線局域網(wǎng)克服了有線網(wǎng)絡(luò)存在的布線問(wèn)題，但同時(shí)也導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)越加復(fù)雜,需要研究和關(guān)注的內(nèi)容越來(lái)越多。在無(wú)線局域網(wǎng)中,驅(qū)動(dòng)程序的設(shè)計(jì)是一個(gè)很重要的環(huán)節(jié)。無(wú)線網(wǎng)卡驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)的優(yōu)劣直接影響到整個(gè)無(wú)線局域網(wǎng)的傳輸速率和穩(wěn)定性。文章介紹了802.11系列協(xié)議的發(fā)展和異同以及Windows操作系統(tǒng)下無(wú)線網(wǎng)卡驅(qū)動(dòng)程序的設(shè)計(jì)模型，著重分析了驅(qū)動(dòng)程序中收發(fā)隊(duì)列的設(shè)計(jì)和管理,以及802.11協(xié)議中驅(qū)動(dòng)層狀態(tài)轉(zhuǎn)化的設(shè)計(jì)。

1 802.11協(xié)議分析

1997年11月26日,IEEE發(fā)布了第一個(gè)在國(guó)際上被認(rèn)可的無(wú)線局域網(wǎng)協(xié)議——802.11協(xié)議。隨后又推出了802.11b、802.11a、802.11g等一系列物理層協(xié)議，目前最新的802.11ac協(xié)議正在逐漸完善中。表1為各個(gè)版本的802.11協(xié)議的簡(jiǎn)單比較。

表1中提到的速率為最高傳輸速率，每個(gè)協(xié)議又可提供多個(gè)速率值，以便適應(yīng)不同的傳輸環(huán)境。例如802.11b協(xié)議提供了 4種傳輸速率，分別為 11 Mb/s、5.5 Mb/s、2 Mb/s和 1 Mb/s。在 802.11系列協(xié)議中802.11a與802.11b因使用頻段不同,相互之間無(wú)法進(jìn)行通信[1-2]。

表1 802.11系列協(xié)議比較

802.11協(xié)議功能的實(shí)現(xiàn)需要物理層和MAC層協(xié)助完成。物理層以芯片的形式存在，主要完成無(wú)線信號(hào)的發(fā)送/接收功能。而MAC層主要以網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)程序和硬件協(xié)議加速器的形式存在,主要完成數(shù)據(jù)收發(fā)的管理、協(xié)議狀態(tài)切換和維護(hù)，以及與操作系統(tǒng)的交互等功能，在實(shí)現(xiàn)時(shí)需要遵循操作系統(tǒng)所規(guī)定的網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)模型。

2 Windows網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)模型

在Windows系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)802.11協(xié)議時(shí)需要遵循Windows NDIS(Network Driver Interface Specification)網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)程序接口規(guī)范。NDIS規(guī)范分離了上層協(xié)議與底層接口，使得在設(shè)計(jì)無(wú)線網(wǎng)卡驅(qū)動(dòng)時(shí)更加方便快捷。NDIS規(guī)范將網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)程序劃分為三個(gè)層次：協(xié)議驅(qū)動(dòng)層、中間驅(qū)動(dòng)層和小端口驅(qū)動(dòng)層，其中中間驅(qū)動(dòng)層根據(jù)實(shí)際情況可以不用實(shí)現(xiàn)。圖1為其驅(qū)動(dòng)框架。不同的驅(qū)動(dòng)層間通過(guò)NDIS庫(kù)進(jìn)行通信，這樣在設(shè)計(jì)各層驅(qū)動(dòng)時(shí)不用考慮與其他層之間的交互細(xì)節(jié)，只需要遵循相應(yīng)的接口即可[3]。

按照NDIS規(guī)范，設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)802.11網(wǎng)卡驅(qū)動(dòng)的主要工作在于編寫小端口驅(qū)動(dòng)。其中，只需要向NDIS注冊(cè)指定的派遣函數(shù)，即可在Windows系統(tǒng)中增加802.11無(wú)線網(wǎng)絡(luò)功能。一般而言，在小端口驅(qū)動(dòng)中需要注冊(cè)的派遣函數(shù)如表2所示[4]。

表2 小端口驅(qū)動(dòng)中需實(shí)現(xiàn)的派遣函數(shù)

在小端口驅(qū)動(dòng)中，通過(guò)設(shè)置某個(gè)特定數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)體中派遣函數(shù)指針的方式實(shí)現(xiàn)派遣函數(shù)的注冊(cè)。在WinXP系統(tǒng)中,該數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)為NDIS_MINIPORT_CHARACTERISTICS,從Vista系統(tǒng)開始使用新的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)PNDIS_MINIPORT_DRIVER_CHARACTERISTICS。下面以 WinXP中的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)為例，介紹派遣函數(shù)的注冊(cè)方式：

當(dāng)完成上述函數(shù)注冊(cè)之后，上層執(zhí)行網(wǎng)絡(luò)相關(guān)操作時(shí)最終會(huì)調(diào)用到小端口層驅(qū)動(dòng)的相應(yīng)函數(shù)。如當(dāng)上層查詢網(wǎng)絡(luò)信息時(shí)調(diào)用MPQueryInformation()函數(shù)，而要發(fā)送數(shù)據(jù)包時(shí)則調(diào)用MpMultipleSend()函數(shù)。在802.11網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)程序的設(shè)計(jì)中，數(shù)據(jù)收發(fā)隊(duì)列的設(shè)計(jì)與管理是整個(gè)驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)開發(fā)的核心，其設(shè)計(jì)的優(yōu)劣直接影響網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)程序的效率，下節(jié)針對(duì)該部分的設(shè)計(jì)展開論述。

3 數(shù)據(jù)收發(fā)隊(duì)列的設(shè)計(jì)與管理

在無(wú)線網(wǎng)卡驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)中，數(shù)據(jù)收發(fā)隊(duì)列的管理方式和性能直接影響驅(qū)動(dòng)程序的數(shù)據(jù)處理能力和工作性能。在設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)收發(fā)隊(duì)列時(shí)需要考慮下面幾個(gè)內(nèi)容[5]：內(nèi)存分配和管理、收發(fā)隊(duì)列的構(gòu)造、隊(duì)列資源的重用和同步。

內(nèi)存分配和管理是無(wú)線網(wǎng)卡驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)中必需考慮的問(wèn)題。數(shù)據(jù)收發(fā)隊(duì)列中內(nèi)存的分配有兩種方式：(1)僅被驅(qū)動(dòng)訪問(wèn)的內(nèi)存，調(diào)用庫(kù)函數(shù)NdisAllocateMemory()進(jìn)行非分頁(yè)內(nèi)存分配并返回內(nèi)存的虛擬地址;(2)驅(qū)動(dòng)和硬件都需進(jìn)行訪問(wèn)的內(nèi)存，調(diào)用庫(kù)函數(shù)NdisMAllocate-SharedMemory()進(jìn)行分配。此函數(shù)首先分配內(nèi)存，然后將分配的內(nèi)存進(jìn)行物理映射，最后同時(shí)返回內(nèi)存的虛擬地址和物理地址。

數(shù)據(jù)收發(fā)隊(duì)列的設(shè)計(jì)和管理是無(wú)線網(wǎng)卡驅(qū)動(dòng)中的難點(diǎn)。設(shè)計(jì)一個(gè)高效的數(shù)據(jù)收發(fā)隊(duì)列需要在驅(qū)動(dòng)和硬件MAC中進(jìn)行交互設(shè)計(jì)。下面講解此次設(shè)計(jì)的具體細(xì)節(jié)。

驅(qū)動(dòng)層：

(1)構(gòu)建一個(gè)發(fā)送隊(duì)列、一個(gè)空閑發(fā)送鏈表?？臻e發(fā)送鏈表中包含所有未使用的發(fā)送資源，發(fā)送隊(duì)列中包含所有準(zhǔn)備發(fā)送的包。

(2)在上層有數(shù)據(jù)包傳入時(shí)，從發(fā)送鏈表中取出首節(jié)點(diǎn)。填充發(fā)送包的相關(guān)信息，插入發(fā)送隊(duì)列尾部。

(3)從發(fā)送隊(duì)列頭開始發(fā)送數(shù)據(jù),直到發(fā)送隊(duì)列為空。

(4)等待發(fā)送完成中斷，若產(chǎn)生則讀取HW_TX_MSDU結(jié)構(gòu)中硬件設(shè)置參數(shù)的值，根據(jù)狀態(tài)值更新驅(qū)動(dòng)狀態(tài)。最后將節(jié)點(diǎn)插入空閑發(fā)送鏈表尾部，實(shí)現(xiàn)資源的重用。發(fā)送隊(duì)列示意圖如圖2所示。

硬件層：

(1)硬件訪問(wèn)HW_TX_MSDU結(jié)構(gòu)，獲取實(shí)際數(shù)據(jù)所在的物理地址；然后根據(jù)硬件結(jié)構(gòu)中的next指針判斷是否有下一個(gè)需發(fā)送的包，若有則從next中獲得下個(gè)包的物理地址；最后根據(jù)結(jié)構(gòu)中相關(guān)參數(shù)設(shè)置對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。

(2)硬件處理完包，填充HW_TX_MSDU結(jié)構(gòu)的相關(guān)狀態(tài)變量。向系統(tǒng)發(fā)出一個(gè)中斷，通知驅(qū)動(dòng)包已處理完畢。

數(shù)據(jù)接收管理的設(shè)計(jì)與發(fā)送類似，這里不再贅述。實(shí)際收發(fā)鏈表以及隊(duì)列的建立和管理與硬件的工作行為有十分密切的關(guān)系，在構(gòu)造相關(guān)隊(duì)列之前需了解硬件與主機(jī)交互數(shù)據(jù)的方式。因此與硬件工程師交流或熟讀芯片數(shù)據(jù)手冊(cè)是網(wǎng)卡驅(qū)動(dòng)開發(fā)中的基礎(chǔ)工作。無(wú)線網(wǎng)卡驅(qū)動(dòng)程序的設(shè)計(jì)中除了收發(fā)包管理設(shè)計(jì)外,狀態(tài)切換的設(shè)計(jì)也是一個(gè)需要重點(diǎn)注意的內(nèi)容。

4 802.11協(xié)議狀態(tài)分析

802.11協(xié)議中涉及到許多狀態(tài)切換，狀態(tài)切換的方式直接影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性。因此，設(shè)計(jì)一個(gè)合理的狀態(tài)切換很有必要。在802.11協(xié)議的MAC層中有以下幾種狀態(tài)：初始態(tài)、加入(Connection)、認(rèn)證、關(guān)聯(lián)(Association)、運(yùn)行和解關(guān)聯(lián)[6]。

在無(wú)線網(wǎng)卡啟動(dòng)時(shí)首先啟動(dòng)掃描操作，通過(guò)掃描操作可以探測(cè)出覆蓋范圍內(nèi)的所有基本服務(wù)集 (BSS)，然后根據(jù)用戶的選擇或者默認(rèn)的設(shè)置連接/關(guān)聯(lián)某個(gè)BSS。由于無(wú)線鏈路的不穩(wěn)定性，當(dāng)前掃描到的BSS有可能在一段時(shí)間后消失，因此程序內(nèi)部需要一個(gè)定時(shí)掃描信道的功能模塊，用來(lái)實(shí)時(shí)更新當(dāng)前可用的BSS列表。

在802.11協(xié)議狀態(tài)設(shè)計(jì)時(shí)需首先分析出所有涉及到的狀態(tài)，然后列出各個(gè)狀態(tài)之間切換的方式,最后畫出狀態(tài)切換圖表，用以指導(dǎo)具體代碼的編寫。圖3為無(wú)線網(wǎng)卡驅(qū)動(dòng)中STA模式下協(xié)議狀態(tài)的切換。

本文提出的收發(fā)隊(duì)列的設(shè)計(jì)和802.11協(xié)議中不同狀態(tài)切換的設(shè)計(jì)對(duì)Windows下無(wú)線網(wǎng)卡驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)有著一定的指導(dǎo)性作用。其中，收發(fā)包管理方式和狀態(tài)切換設(shè)計(jì)已經(jīng)在研發(fā)的芯片上進(jìn)行了測(cè)試，證實(shí)了設(shè)計(jì)的有效性。

[1]MATTHEW S G.802.11 wirelessnetworks the definitive guide[M].O’Reilly，2005.

[2]IEEE 802.11 protocol wireless LAN medium access control(MAC)and physical layer(PHY)Specifications[S].IEEE，2007.

[3]賀鵬，李建東,陳彥輝.帶有WDM底層接口的NDIS微端口驅(qū)動(dòng)程序?qū)崿F(xiàn)方法的研究[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2004，27(2):93-95.

[4]Microsoft.Microsoft Windows driverkits[EB/OL].[2009-12-xx].http//www.micorsoft.com//wdk.

[5]譚文，楊瀟,邵堅(jiān)磊.Windows內(nèi)核安全編程[M].北京：電子工業(yè)出版社，2009.

[6]孫吉泉，鞠艷.802.11MAC層協(xié)議分析[J].中國(guó)科技信息，2009(14):134-135.