OpenHarmony Wifi HAL与WPA_supplicant的通信浅析原创精华

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发布于 2023-4-25 17:08

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作者：张守忠

1 WPA_supplicant简介

WPA是WiFi Protected Access的缩写，中文含义为“WiFi网络安全存取”。WPA是一种基于标准的可互操作的WLAN安全性增强解决方案，可大大增强现有以及未来无线局域网络的数据保护和访问控制水平。
wpa_supplicant是开源项目源码，支持Linux，Windows以及很多嵌入式系统。它是WPA的应用层认证客户端，负责完成认证相关的登录、加密等工作。wpa_supplicant是一个独立运行的守护进程，其核心是一个消息循环，在消息循环中处理WPA状态机、控制命令、驱动事件、配置信息等。
经过编译后的 wpa_supplicant源程序可以看到两个主要的可执行工具：wpa_supplicant 和 wpa_cli。wpa_supplicant是核心程序，它和wpa_cli的关系就是服务和客户端的关系：后台运行wpa_supplicant，使用 wpa_cli来搜索、设置、和连接网络。wpa_supplicant与上层还是wpa_supplicant与驱动都采用socket通讯, 与驱动交互上报数据给用户，而用户可以通过socket发送命令给wpa_supplicant调动驱动来对WiFi芯片操作，如图1所示：
图 1 wpa_supplicant框架
OpenHarmony Wifi HAL与WPA_supplicant的通信浅析-鸿蒙开发者社区

2 AF_INET与AF_UNIX socket

Wpa_supplicant支持AF_INET和AF_UNIX socket两种通信方式：AF_INET socket、AF_UNIX socket。
AF_INET socket通信方式类似于网络socket通信，发送方、接收方依赖IP：Port来标识，即将本地的socket绑定到对应的IP端口上，发送数据时，指定对方的IP端口，经过Internet，可以根据此IP端口最终找到接收方；接收数据时，可以从数据包中获取到发送方的IP端口。发送方通过系统调用send()将原始数据发送到操作系统内核缓冲区中。内核缓冲区从上到下依次经过TCP层、IP层、链路层的编码，分别添加对应的头部信息，经过网卡将一个数据包发送到网络中。经过网络路由到接收方的网卡。网卡通过系统中断将数据包通知到接收方的操作系统，再沿着发送方编码的反方向进行解码，即依次经过链路层、IP层、TCP层去除头部、检查校验等，最终将原始数据上报到接收方进程，通信过程如下图所示：
图 2 AF_INET socket通信过程
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AF_UNIX socket通信是典型的本地IPC，类似于管道，依赖路径名标识发送方和接收方。即发送数据时，指定接收方绑定的路径名，操作系统根据该路径名可以直接找到对应的接收方，并将原始数据直接拷贝到接收方的内核缓冲区中，并上报给接收方进程进行处理。同样的接收方可以从收到的数据包中获取到发送方的路径名，并通过此路径名向其发送数据。
图 3 AF_UNIX socket通信过程
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他们的相同点：操作系统提供的接口socket(),bind(),connect(),accept(),send(),recv()，以及用来对其进行多路复用事件检测的select(),poll(),epoll()都是完全相同的。收发数据的过程中，上层应用感知不到底层的差别。
不同点：

建立socket传递的地址域，及bind()的地址结构稍有区别：socket() 分别传递不同的域AF_INET和AF_UNIX bind()的地址结构分别为sockaddr_in（制定IP端口）和sockaddr_un（指定路径名）
AF_INET需经过多个协议层的编解码，消耗系统cpu，并且数据传输需要经过网卡，受到网卡带宽的限制。AF_UNIX数据到达内核缓冲区后，由内核根据指定路径名找到接收方socket对应的内核缓冲区，直接将数据拷贝过去，不经过协议层编解码，节省系统cpu，并且不经过网卡，因此不受网卡带宽的限制。
AF_UNIX的传输速率远远大于AF_INET
AF_INET不仅可以用作本机的跨进程通信，同样的可以用于不同机器之间的通信，其就是为了在不同机器之间进行网络互联传递数据而生。而AF_UNIX则只能用于本机内进程之间的通信。

3 WPA_supplicant在OpenHarmony中的应用

3.1 WPA_supplicant的位置

OpenHarmony的WIFI子系统使用WPA_supplicant实现调动驱动操作WIFI芯片，驱动数据上报给框架层的功能，WPA_supplicant在WIFI子系统的位置如下图的WIFI架构图所示：
图 4 WIFI子系统架构图
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WPA Supplicant包含libwpa、libwpa_client库和wpa_cli、wpa_supplicant、hostapd可执行程序。

libwpa是一个包含了wpa_suppliant和hostapd具体实现的库。
wpa_supplicant是wpa的认证客户端，负责完成认证相关的登录、加密等工作。
hostapd包含了IEEE802.11接入点管理、IEEE802.1X/WPA/WPA2认证、EAP服务器以及Radius鉴权服务器功能。
libwpa_client是一个给客户端连接和调用的库，提供创建与wpa_supplicant或hostapd通信控制接口的能力。
wpa_cli和wpa_supplicant是客户端和服务器的关系，通过wpa_cli可以向wpa_supplicant发送命令，进行扫描、连接等做操作，可用来进行Wifi功能的验证。

Wifi HAL层作为硬件适配层，承上启下，对上层框架屏蔽底层硬件差别，为上层提供一致的接口。对下则负责拉起WPAS，即fork进程wifi_hal_service的子进程,在子进程中加载libwpa库，执行wpa_supplicant或hostapd的入口函数, 作为unix socket通信的服务端. Wifi HAL的wifi_hal_service进程是unix socket通信的客户端，通过命令消息下发给wpa_supplicant或hostapd。

3.2 Wifi HAL与wpa_supplicant的unix socket机制

Wifi HAL拉起wpa_supplicant或hostapd并建立unix socket连接过程如下图所示
图 5 Wifi HAL与wpa_supplicant unix socket建立过程
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其中HAL拉起wpas的主要实现函数为StartModuleInternal，代码主干如下

int StartModuleInternal(const char *moduleName, const char *startCmd, pid_t *pProcessId)
{
    ...
    pid_t pid = fork();  // fork子进程
    if (pid < 0) {
        LOGE("Create wpa process failed!");
        return HAL_FAILURE;
    }
    if (pid == 0) { /* sub process */
        prctl(PR_SET_PDEATHSIG, SIGKILL);
        pthread_t tid;
        int ret = pthread_create(&tid, NULL, WpaThreadMain, (void *)startCmd); // 子进程中创建主线程，线程入口函数WpaThreadMain 
        ...
    } else {
        ...
    }
    return HAL_SUCCESS;
}

子进程的主线程入口函数WpaThreadMain中，加载libwpa动态库，执行主函数wpa_main或ap_main，参数由创建线程时传入的startcmd解析而来。对于Sta和P2p业务，有两个参数分别是配置文件路径、全局控制路径；对于hostapd业务，传入一个参数，即hostapd配置文件路径。

static void *WpaThreadMain(void *p)
{
   ...
// 加载动态库libwpa
#ifdef OHOS_ARCH_LITE
    void *handleLibWpa = dlopen("libwpa.so", RTLD_NOW | RTLD_LOCAL);
#else
#ifdef __aarch64__
    void *handleLibWpa = dlopen("/system/lib64/libwpa.z.so", RTLD_NOW | RTLD_LOCAL | RTLD_NODELETE);
#else
    void *handleLibWpa = dlopen("/system/lib/libwpa.z.so", RTLD_NOW | RTLD_LOCAL | RTLD_NODELETE);
#endif
#endif
    ...
    if (strcmp(param.argv[0], "wpa_supplicant") == 0) {
        func = (int (*)(int, char **))dlsym(handleLibWpa, "wpa_main");
    } else {
        func = (int (*)(int, char **))dlsym(handleLibWpa, "ap_main");
    }
...
// 执行主函数
    int ret = func(param.argc, tmpArgv);
    LOGD("run wpa_main ret:%{public}d.\n", ret);
    if (dlclose(handleLibWpa) != 0) {
        LOGE("dlclose libwpa failed.");
        return NULL;
    }
    return NULL;
}

Wifi HAL作为客户端建立unix socket连接的主要实现函数WpaCliConnect，通过调用wpa client的函数wpa_ctrl_open建立socket连接，其参数ifname为“/data/service/el1/public/wifi/sockets/wpa/wlan0”。

static int WpaCliConnect(WifiWpaInterface *p)
{
    ...
    int count = WPA_TRY_CONNECT_TIMES;
    while (count-- > 0) {
        int ret = InitWpaCtrl(&p->wpaCtrl, WPA_CTRL_OPEN_IFNAME);
        if (ret == 0) {
            LOGI("Global wpa interface connect successfully!");
            break;
        } else {
            LOGE("Init wpaCtrl failed: %{public}d", ret);
        }
        usleep(WPA_TRY_CONNECT_SLEEP_TIME);
    }
    if (count <= 0) {
        return -1;
    }
    p->threadRunFlag = 1;
    if (pthread_create(&p->tid, NULL, WpaReceiveCallback, p) != 0) {
        p->threadRunFlag = 0;
        ReleaseWpaCtrl(&p->wpaCtrl);
        LOGE("Create monitor thread failed!");
        return -1;
    }
    LOGI("Wpa connect finish.");
    return 0;
}

int InitWpaCtrl(WpaCtrl *pCtrl, const char *ifname)
{
    ...
    do {
#ifdef WPA_CTRL_IFACE_UNIX
        pCtrl->pRecv = wpa_ctrl_open(ifname);
#else
        pCtrl->pRecv = wpa_ctrl_open("global");
#endif
        if (pCtrl->pRecv == NULL) {
            LOGE("open wpa control recv interface failed!");
            break;
        }
        if (wpa_ctrl_attach(pCtrl->pRecv) != 0) {
            LOGE("attach monitor interface failed!");
            break;
        }
#ifdef WPA_CTRL_IFACE_UNIX
        pCtrl->pSend = wpa_ctrl_open(ifname);
#else
        pCtrl->pSend = wpa_ctrl_open("global");
#endif
        if (pCtrl->pSend == NULL) {
            LOGE("open wpa control send interface failed!");
            break;
        }
        flag += 1;
    } while (0);
    ...
    return 0;
}