嵌入式Linux下Wi-Fi接入技术研究

引言

Wi-Fi 也称为 WLAN （wireless local-area network,无线 局域网），是有线LAN的补充。Wi-Fi实际上是一个无线网络 通信技术的品牌，由Wi-Fi联盟持有，目的是改进基于IEEE 802.11标准的无线网路产品之间的互通性。随着Wi-Fi技术 的发展，产生了许多协议标准:IEEE 802.11.a WLAN标准使 用5 GHz ISM频段，支持最高54 Mb/s的速率；802.11b和 802.11g标准使用2.4 GHz频段，分别支持11 Mb/s和54 Mb/ s的速率。作为一种比较成熟的无线通信技术，Wi-Fi在嵌入 式设备中得到了广泛的应用，尤其是在嵌入式Linux环境中。 本文探讨了在嵌入式Linux环境下Wi-Fi技术的应用，首先 介绍了 Wi-Fi设备驱动程序的相关内容，然后介绍了一些嵌 入式Linux下无线网络配置工具及其特点，最后分析了嵌入式 Linux环境下通过Wi-Fi接入网络的方法。

1 Linux下Wi-Fi设备驱动程序

目前，Linux无线网络驱动程序的架构如图1所示：

由图1可知,Linux无线驱动程序主要包括以下4个部分: 用户空间、cfg80211无线网络配置API、mac80211驱动程序 和非mac80211驱动程序，这几个部分组成了一种层次结构， 共同完成无线网络的接入和配置。

最底层是设备驱动程序层，包括mac80211和非mac80211两种驱动程序。mac80211是一种标准的驱动程 序框架，推荐未来的无线设备驱动程序采用此框架来编写。 mac80211驱动程序为上层提供了两种不同的接口 ：Wext接口 （Wireless Extensions接口，Linux内核中为无线网络提供支 持的接口，是一种比较老的接口）和cfg80211 ops接口。其中 Wext接口为基于Wext接口的应用程序提供支持，而cfg80211 ops接口为上层cfg80211提供支持。而非mac80211驱动程序 是比较老的驱动程序，仅对Wext接口提供支持。

cfg80211下层使用mac80211驱动程序的接口，为上层 的应用程序提供标准的无线设备配置接口。nl80211是采用 cfg80211接口的应用程序库，有多种基于该应用程序库的无线 网络配置程序，例如 iw、crda、hostapd 和 wpa_supplicant （当 使用-Dnl80211选项时）。

个 WNIC （Wireless Network Interface Controller，无 线网络接口控制器）可以工作在以下几种模式下：

基站模式（STA）。任何无线设备驱动程序都可以在该模 式下工作，这种模式可以认为是默认模式。在该模式下工作 的网卡需要连接到一个在AP模式下工作的网卡。这种模式在 Wireless Extensions 配置工具下被成为 managed。

接入点模式（AP）。在接入点模式下工作的网卡又被称为 主设备。它通过管理和维护接入它的STA的列表来管理整个 无线网络。一个无线网络以AP的BSSID （Basic Service Set ID）命名。

监听模式（MON）。这是一个被动模式，工作在该模式下 的无线网卡只接收数据包，不会发送数据包。使用mac80211， 一个无线网卡在正常工作时也可以以监听模式工作，并且可以 发送数据包。

点对点模式（Ad-Hoc）。也被成为IBSS （Independent Basic Service Set）模式，用来在没有AP的情况下创建无线网

络。在该模式下，网络中的每个节点独立维护网络。

无线分布式系统模式(WDS)。该模式用来实现多个AP 之间的连接。

Mesh模式。该模式允许多个设备之间通过建立动态路由 来通信。

以上模式中，最为常用的是前两种模式。我们通常使用 的无线路由器其实就工作在AP模式下，我们可以通过使用手 机或者笔记本电脑连接到路由器，手机和笔记本电脑的无线 路由器就工作在STA模式下。

Wi-Fi网络的加密方式主要有 WEP (Wired Equivalent Privacy)、WPA (Wi-Fi Protected Access)和 WPA2 (即 WPA 的加强版)。WEP加密方式在同一个网络中的所有设备使用 相同的64 b或者128 b的密钥，安全性很低。因此现在一 般采用WPA加密方式。WPA又分为家用的WPA-PSK (PreShared Key)和企业用的WPA-Enterprise版本。WPA实现 了 IEEE 02.811i标准的大部分。WPA超越WEP的主要改进 就是在使用中可以动态改变密钥的“临时密钥完整性协定” (Temporal Key Integrity Protocol，TKIP)，加上更长的初向量， 这可以击败知名的针对WEP的密钥撷取攻击。WPA2与 WPA的差别在于，它使用更安全的加密技术AES (Advanced Encryption Standard)，因此比WPA更难被破解、更安全。

2 Wi-Fi配置工具

Linux下比较常用的无线网络配置工具主要有Linux Wireless Tools 和 wpa_supplicant。Linux Wireless Tools 是一 种比较老的无线网络配置工具。wpa_supplicant主要用来支持 WPA和 WPA2，而Linux Wireless Tools不提供支持。与运 行于内核空间的驱动程序不同，这两个工具都是运行在用户空 间的软件。

Linux 无线工具(Linux Wireless Tools)

无线扩展(Wireless Extension)定义了一组驱动程序提 供给应用程序的通用的API，使用基于该API的工具集可以 实现对任意无线网卡的配置，并且可以在不重启驱动程序的 情况下修改配置参数。无线工具集主要包括iwconfig、iwlist、 iwspy、iwpriv和ifrename。iwconfig可以修改最基本的网络 参数。iwlist可以扫描并列举频率、位速率和加密方式。iwspy 可以获取一个节点的连接质量。iwpriv可以针对特定的无线网 卡驱动程序进行操作。ifrename可以基于各种动态标准对接 口命名。

wpa_supplicant

wpa_supplicant在使用时作为一个后台进程运行，用来 控制无线连接，可以认为是一个服务进程。wpa_supplicant 的设计目标是对所有的WPA功能使用与硬件、驱动程序 和操作系统无关的C代码。其他的程序作为客户端进程与 wpa_supplicant 通 信，向 wpa_supplicant 发送 命令。wpa_ supplicant源代码中提供了 wpa_cli( 一个文本界面的命令程序) 和wpa_gui (一个图形界面的程序)作为客户端程序与wpa_ supplicant通信。当wpa_supplicant作为后台进程运行时，就 可以使用这两个工具来控制无线连接。

3嵌入式Linux下Wi-Fi连接的实现

嵌入式Linux下实现Wi-Fi连接，主要包括以下几个步骤：

移植相应无线网卡的驱动程序；

移植 Linux Wireless Tools 和 wpa_supplicant工具；

使用 Linux Wireless Tools 和 wpa_supplicant工具配 置Wi-Fi连接。

本文使用的开发平台是有善之臂的Tiny210，使用的无线 网络芯片是具有SDIO接口的Marvell8686,采用busybox构 建了基本的根文件系统。

加载无线网卡设备驱动程序

友善之臂提供了已经编译好的Marvell8686驱动程 序模块，在其提供的跟文件系统的/lib/modules/3.0.8- FriendlyARM/目录下有已经编译好的Linux驱动程序模块, 将该目录拷贝到自己构建的跟文件系统目录下。在此之前，确 保开发板烧写的Linux内核版本为3.0.8，以保证驱动程序模 块版本与内核版本一致。在/etc/init.d/rcS启动脚本中添加如 下命令:

modprobe libertas_sdio 2>/dev/null

以上命令的作用是在系统启动时，加载l ibertas_sdio模块。 使用该命令在加载内核模块时不需要指明模块的路径，它会自 动从/lib/modules目录下寻找合适的驱动加载。

对于其他的无线网卡驱动程序，加载的方法是类似的， 也可以先编译出内核模块，用insmod命令加载。

移植 Linux Wireless Tools工具

下载Linux Wireless Tools并解压，修改Makefile文件，将 gcc、ar、ranlib 分 别U 修改为 arm-linux-gcc、arm-linux-ar、arm- linux-ranlib。使用make命令编译，编译完成后，将libiw.so.29拷 贝到根文件系统lib目录下，将编译生成的iwevent、ifrename、 iwconfig、iwlist、iwpriv、iwspy拷贝到根文件系统的/bin目录下。

移植 wpa_supplicant

wpa_supplicant 需使用 OpenSSL 库。OpenSSL 是—个 强大的安全套接字层密码库，囊括主要的密码算法、常用的 密钥和证书封装管理功能及SSL协议，并提供丰富的应用程 序供测试或其它目的使用。

首先下载 wpa_supplicant-0.7.3 和 openssl-0.9.8e，解压源 码包，将wpa_supplicant中的openssl补丁拷贝到openssl源码目录下。

cp wpa_supplicant-0.7.3/patches/openssl-0.9.8e-tls- extensions.patch openssl-0.9.8e/

建立目录/usr/local/ssl,以保存编译好的openssl库。

cd openssl-0.9.8e,进入源码目录，修改Makefile文件， 修改如 下 变量:CC= arm-linux-gnu-gcc ； AR= arm-linux- gnu-ar $ (ARFLAGS) r ； RANLIB= arm-linux-gnu-ranlib ； INSTALLTOP=/usr/local/ssl ； OPENSSLDIR=/usr/local/sslo 执行make, make install命令，可以在/usr/local/ssl目录下生 成openssl库文件，这些库文件是静态库文件。

编译wpa_supplicant方法如下：将源码目录下的 defconfig文件重命名为.config文件。修改.config文件： CC= arm-linux-gnu-gcc -L/usr/local/ssl/lib/ (连接静态库)； CFLAGS += -I/usr/local/ssl/include/ ； LIBS += -L/usr/local/ ssl/lib/。执行make命令编译，即可在源码目录下生成可以在 开发板上运行的wpa_supplicant程序，包括 wpa_cli、wpa_ passphrase> bin/wpa_supplicant等，将这些程序拷贝到开发 板的/bin目录下。

(4)搜索和连接无线网络

要搜索无线网络，最简单的是使用Linux Wireless Tools 工具。使用Linux无线工具配置Wi-Fi网络的主要步骤如下：

查看可用的无线网卡：iwconfig ；

启用无线网卡：ifconfig wlan0 up ；

列举无线网络：iwlist wlan0 scan，可以扫描到周围的 AP。

使用Linux Wireless Tools工具只能连接WEP加密的网 络，无法连接WPA/WPA2加密的网络。通常使用该工具对无 线网络进行简单的配置，如扫描和启动无线网卡等。

wpa_supplicant是作为一个服务程序运行的。在启动 wpa_supplicant 时，需要一个 wpa_supplicant.conf 配置文件， 该文件指明了要连接的AP的ESSID和连接密钥等信息。釆 用如下命令可以根据明文密码创建暗文密码：

wpa_passphrase FAST_555B30 417417417

以上命令的含义是要连接的ESSID为FAST_555B30,这 个是通过扫描得到的。417417417是要连接的明文密码。生成 的psk显示如下：

Psk=b461ee0209a9b5a6f114317e9ae72f52829b5f743e47a60 0b7a08911cc3bd30f

对于不同的加密方式，wpa_supplicant.conf的内容也 不一样。FAST_555B30使用的是WPA2加密方式，wpa_ supplicant.conf 文件如下：

# WPA-PSK/TKIP

ctrl_interface=/var/run/wpa_supplicant

network={

ssid=" FAST_555B30”

key_mgmt=W PA- PSK

proto=WPA2 pairwise=CCMP

Psk=1512bf80a15b8b595522e18cf3a51db47d5084da9565ad3

8ffec9ab1da37a108

}

其中，ctrl_interface指明了控制接口路径，wpa_cli等 程序可能使用该路径来与wpa_supplicant通信。ssid和 psk指明了要连接的AP及其暗文密码。key_mgmt指明了 密钥管理方式。如果是WPA2方式加密的，proto=WPA2, pairwise=CCMPo

釆用如下命令可以启动wpa_supplicant服务进程：

wpa_supplicant -Dwext -iwlan0 -c/etc/wpa_supplicant. conf &

-D选项指明了釆用的驱动程序接口,这里是Wext接口。-i 选项指明了无线网络接口名称。-c选项指示使用的配置文件。 启动了 wpa_supplicant命令，就可以连接到WPA2加密的无 线网络，如果要使用DHCP动态获取IP地址，可以釆用如下 命令:

udhcpc -i wlan0

udhcpc是busybox中包含的DHCP客户端 工具。也可 以直接使用ifconfig命令配置静态IP地址，例如：ifconfig wlan0 192.168.0.10。

4结语

本文在分析现有的Linux下的无线网络驱动程序框架 和常用无线网络配置应用程序的基础之上，通过实例介绍了 Linux下Wi-Fi连接的方法。实际测试表明，该方法可以有效 实现嵌入式Linux下的Wi-Fi网络接入，对于嵌入式Linux下 的Wi-Fi应用开发有一定的参考意义。

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