OpenHarmony 資源調度之智能感知調度源碼分析

作者：張守忠 2023-04-26 15:36:51

本文主要介紹了WPA_supplicant基礎及其在分布式軟總線子系統WIFI模塊的應用，著重分析了HAL層與WPA_supplicant之間的Unix socket通信機制并貼出主要入口代碼，為開發人員維護和擴展功能提供參考。

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1、WPA_supplicant簡介

WPA是WiFi Protected Access的縮寫，中文含義為“WiFi網絡安全存取”。WPA是一種基于標準的可互操作的WLAN安全性增強解決方案，可大大增強現有以及未來無線局域網絡的數據保護和訪問控制水平。

wpa_supplicant是開源項目源碼，支持Linux，Windows以及很多嵌入式系統。它是WPA的應用層認證客戶端，負責完成認證相關的登錄、加密等工作。wpa_supplicant是一個獨立運行的守護進程，其核心是一個消息循環，在消息循環中處理WPA狀態機、控制命令、驅動事件、配置信息等。

經過編譯后的 wpa_supplicant源程序可以看到兩個主要的可執行工具：wpa_supplicant 和 wpa_cli。wpa_supplicant是核心程序，它和wpa_cli的關系就是服務和客戶端的關系：后臺運行wpa_supplicant，使用 wpa_cli來搜索、設置、和連接網絡。wpa_supplicant與上層還是wpa_supplicant與驅動都采用socket通訊, 與驅動交互上報數據給用戶，而用戶可以通過socket發送命令給wpa_supplicant調動驅動來對WiFi芯片操作，如圖1所示：

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圖 1 wpa_supplicant框架

2、AF_INET與AF_UNIX socket

Wpa_supplicant支持AF_INET和AF_UNIX socket兩種通信方式：AF_INET socket、AF_UNIX socket。

AF_INET socket通信方式類似于網絡socket通信，發送方、接收方依賴IP：Port來標識，即將本地的socket綁定到對應的IP端口上，發送數據時，指定對方的IP端口，經過Internet，可以根據此IP端口最終找到接收方；接收數據時，可以從數據包中獲取到發送方的IP端口。發送方通過系統調用send()將原始數據發送到操作系統內核緩沖區中。內核緩沖區從上到下依次經過TCP層、IP層、鏈路層的編碼，分別添加對應的頭部信息，經過網卡將一個數據包發送到網絡中。經過網絡路由到接收方的網卡。網卡通過系統中斷將數據包通知到接收方的操作系統，再沿著發送方編碼的反方向進行解碼，即依次經過鏈路層、IP層、TCP層去除頭部、檢查校驗等，最終將原始數據上報到接收方進程，通信過程如下圖所示：

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圖 2 AF_INET socket通信過程

AF_UNIX socket通信是典型的本地IPC，類似于管道，依賴路徑名標識發送方和接收方。即發送數據時，指定接收方綁定的路徑名，操作系統根據該路徑名可以直接找到對應的接收方，并將原始數據直接拷貝到接收方的內核緩沖區中，并上報給接收方進程進行處理。同樣的接收方可以從收到的數據包中獲取到發送方的路徑名，并通過此路徑名向其發送數據。

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圖 3 AF_UNIX socket通信過程

他們的相同點：操作系統提供的接口socket(),bind(),connect(),accept(),send(),recv()，以及用來對其進行多路復用事件檢測的select(),poll(),epoll()都是完全相同的。收發數據的過程中，上層應用感知不到底層的差別。

不同點：

建立socket傳遞的地址域，及bind()的地址結構稍有區別：socket() 分別傳遞不同的域AF_INET和AF_UNIX bind()的地址結構分別為sockaddr_in（制定IP端口）和sockaddr_un（指定路徑名）
AF_INET需經過多個協議層的編解碼，消耗系統cpu，并且數據傳輸需要經過網卡，受到網卡帶寬的限制。AF_UNIX數據到達內核緩沖區后，由內核根據指定路徑名找到接收方socket對應的內核緩沖區，直接將數據拷貝過去，不經過協議層編解碼，節省系統cpu，并且不經過網卡，因此不受網卡帶寬的限制。
AF_UNIX的傳輸速率遠遠大于AF_INET
AF_INET不僅可以用作本機的跨進程通信，同樣的可以用于不同機器之間的通信，其就是為了在不同機器之間進行網絡互聯傳遞數據而生。而AF_UNIX則只能用于本機內進程之間的通信。

3、WPA_supplicant在OpenHarmony中的應用

（1）WPA_supplicant的位置

OpenHarmony的WIFI子系統使用WPA_supplicant實現調動驅動操作WIFI芯片，驅動數據上報給框架層的功能，WPA_supplicant在WIFI子系統的位置如下圖的WIFI架構圖所示：

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圖 4 WIFI子系統架構圖

WPA Supplicant包含libwpa、libwpa_client庫和wpa_cli、wpa_supplicant、hostapd可執行程序。

libwpa是一個包含了wpa_suppliant和hostapd具體實現的庫。
wpa_supplicant是wpa的認證客戶端，負責完成認證相關的登錄、加密等工作。
hostapd包含了IEEE802.11接入點管理、IEEE802.1X/WPA/WPA2認證、EAP服務器以及Radius鑒權服務器功能。
libwpa_client是一個給客戶端連接和調用的庫，提供創建與wpa_supplicant或hostapd通信控制接口的能力。
wpa_cli和wpa_supplicant是客戶端和服務器的關系，通過wpa_cli可以向wpa_supplicant發送命令，進行掃描、連接等做操作，可用來進行Wifi功能的驗證。

Wifi HAL層作為硬件適配層，承上啟下，對上層框架屏蔽底層硬件差別，為上層提供一致的接口。對下則負責拉起WPAS，即fork進程wifi_hal_service的子進程,在子進程中加載libwpa庫，執行wpa_supplicant或hostapd的入口函數, 作為unix socket通信的服務端. Wifi HAL的wifi_hal_service進程是unix socket通信的客戶端，通過命令消息下發給wpa_supplicant或hostapd。

（2）Wifi HAL與wpa_supplicant的unix socket機制

Wifi HAL拉起wpa_supplicant或hostapd并建立unix socket連接過程如下圖所示：

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圖 5 Wifi HAL與wpa_supplicant unix socket建立過程

其中HAL拉起wpas的主要實現函數為StartModuleInternal，代碼主干如下

int StartModuleInternal(const char *moduleName, const char *startCmd, pid_t *pProcessId)
{
    ...
    pid_t pid = fork();  // fork子進程
    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); // 子進程中創建主線程，線程入口函數WpaThreadMain 
        ...
    } else {
        ...
    }
    return HAL_SUCCESS;
}

子進程的主線程入口函數WpaThreadMain中，加載libwpa動態庫，執行主函數wpa_main或ap_main，參數由創建線程時傳入的startcmd解析而來。對于Sta和P2p業務，有兩個參數分別是配置文件路徑、全局控制路徑；對于hostapd業務，傳入一個參數，即hostapd配置文件路徑。

static void *WpaThreadMain(void *p)
{
   ...
// 加載動態庫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");
    }
...
// 執行主函數
    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作為客戶端建立unix socket連接的主要實現函數WpaCliConnect，通過調用wpa client的函數wpa_ctrl_open建立socket連接，其參數ifname為“/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;
}