802.11網卡Windows驅動的設計與實現*

何 柳， 程 鵬， 陳 勇，馬洪亮， 吳 斌

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

近年來，無線上網逐漸成為了生活中不可或缺的部分。人們對無線網絡的需求越來越強烈，而無線局域網(WLAN)技術的快速發展也適時地滿足了人們的需求。無線局域網克服了有線網絡存在的布線問題，但同時也導致網絡越加復雜,需要研究和關注的內容越來越多。在無線局域網中,驅動程序的設計是一個很重要的環節。無線網卡驅動程序設計的優劣直接影響到整個無線局域網的傳輸速率和穩定性。文章介紹了802.11系列協議的發展和異同以及Windows操作系統下無線網卡驅動程序的設計模型，著重分析了驅動程序中收發隊列的設計和管理,以及802.11協議中驅動層狀態轉化的設計。

1 802.11協議分析

1997年11月26日,IEEE發布了第一個在國際上被認可的無線局域網協議——802.11協議。隨后又推出了802.11b、802.11a、802.11g等一系列物理層協議，目前最新的802.11ac協議正在逐漸完善中。表1為各個版本的802.11協議的簡單比較。

表1中提到的速率為最高傳輸速率，每個協議又可提供多個速率值，以便適應不同的傳輸環境。例如802.11b協議提供了 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系列協議中802.11a與802.11b因使用頻段不同,相互之間無法進行通信[1-2]。

表1 802.11系列協議比較

802.11協議功能的實現需要物理層和MAC層協助完成。物理層以芯片的形式存在，主要完成無線信號的發送/接收功能。而MAC層主要以網絡驅動程序和硬件協議加速器的形式存在,主要完成數據收發的管理、協議狀態切換和維護，以及與操作系統的交互等功能，在實現時需要遵循操作系統所規定的網絡驅動模型。

2 Windows網絡驅動模型

在Windows系統中實現802.11協議時需要遵循Windows NDIS(Network Driver Interface Specification)網絡驅動程序接口規范。NDIS規范分離了上層協議與底層接口，使得在設計無線網卡驅動時更加方便快捷。NDIS規范將網絡驅動程序劃分為三個層次：協議驅動層、中間驅動層和小端口驅動層，其中中間驅動層根據實際情況可以不用實現。圖1為其驅動框架。不同的驅動層間通過NDIS庫進行通信，這樣在設計各層驅動時不用考慮與其他層之間的交互細節，只需要遵循相應的接口即可[3]。

按照NDIS規范，設計與實現802.11網卡驅動的主要工作在于編寫小端口驅動。其中，只需要向NDIS注冊指定的派遣函數，即可在Windows系統中增加802.11無線網絡功能。一般而言，在小端口驅動中需要注冊的派遣函數如表2所示[4]。

表2 小端口驅動中需實現的派遣函數

在小端口驅動中，通過設置某個特定數據結構體中派遣函數指針的方式實現派遣函數的注冊。在WinXP系統中,該數據結構為NDIS_MINIPORT_CHARACTERISTICS,從Vista系統開始使用新的數據結構PNDIS_MINIPORT_DRIVER_CHARACTERISTICS。下面以 WinXP中的數據結構為例，介紹派遣函數的注冊方式：

當完成上述函數注冊之后，上層執行網絡相關操作時最終會調用到小端口層驅動的相應函數。如當上層查詢網絡信息時調用MPQueryInformation()函數，而要發送數據包時則調用MpMultipleSend()函數。在802.11網絡驅動程序的設計中，數據收發隊列的設計與管理是整個驅動程序設計開發的核心，其設計的優劣直接影響網絡驅動程序的效率，下節針對該部分的設計展開論述。

3 數據收發隊列的設計與管理

在無線網卡驅動的設計中，數據收發隊列的管理方式和性能直接影響驅動程序的數據處理能力和工作性能。在設計數據收發隊列時需要考慮下面幾個內容[5]：內存分配和管理、收發隊列的構造、隊列資源的重用和同步。

內存分配和管理是無線網卡驅動程序設計中必需考慮的問題。數據收發隊列中內存的分配有兩種方式：(1)僅被驅動訪問的內存，調用庫函數NdisAllocateMemory()進行非分頁內存分配并返回內存的虛擬地址;(2)驅動和硬件都需進行訪問的內存，調用庫函數NdisMAllocate-SharedMemory()進行分配。此函數首先分配內存，然后將分配的內存進行物理映射，最后同時返回內存的虛擬地址和物理地址。

數據收發隊列的設計和管理是無線網卡驅動中的難點。設計一個高效的數據收發隊列需要在驅動和硬件MAC中進行交互設計。下面講解此次設計的具體細節。

驅動層：

(1)構建一個發送隊列、一個空閑發送鏈表。空閑發送鏈表中包含所有未使用的發送資源，發送隊列中包含所有準備發送的包。

(2)在上層有數據包傳入時，從發送鏈表中取出首節點。填充發送包的相關信息，插入發送隊列尾部。

(3)從發送隊列頭開始發送數據,直到發送隊列為空。

(4)等待發送完成中斷，若產生則讀取HW_TX_MSDU結構中硬件設置參數的值，根據狀態值更新驅動狀態。最后將節點插入空閑發送鏈表尾部，實現資源的重用。發送隊列示意圖如圖2所示。

硬件層：

(1)硬件訪問HW_TX_MSDU結構，獲取實際數據所在的物理地址；然后根據硬件結構中的next指針判斷是否有下一個需發送的包，若有則從next中獲得下個包的物理地址；最后根據結構中相關參數設置對數據進行處理。

(2)硬件處理完包，填充HW_TX_MSDU結構的相關狀態變量。向系統發出一個中斷，通知驅動包已處理完畢。

數據接收管理的設計與發送類似，這里不再贅述。實際收發鏈表以及隊列的建立和管理與硬件的工作行為有十分密切的關系，在構造相關隊列之前需了解硬件與主機交互數據的方式。因此與硬件工程師交流或熟讀芯片數據手冊是網卡驅動開發中的基礎工作。無線網卡驅動程序的設計中除了收發包管理設計外,狀態切換的設計也是一個需要重點注意的內容。

4 802.11協議狀態分析

802.11協議中涉及到許多狀態切換，狀態切換的方式直接影響系統的穩定性。因此，設計一個合理的狀態切換很有必要。在802.11協議的MAC層中有以下幾種狀態：初始態、加入(Connection)、認證、關聯(Association)、運行和解關聯[6]。

在無線網卡啟動時首先啟動掃描操作，通過掃描操作可以探測出覆蓋范圍內的所有基本服務集 (BSS)，然后根據用戶的選擇或者默認的設置連接/關聯某個BSS。由于無線鏈路的不穩定性，當前掃描到的BSS有可能在一段時間后消失，因此程序內部需要一個定時掃描信道的功能模塊，用來實時更新當前可用的BSS列表。

在802.11協議狀態設計時需首先分析出所有涉及到的狀態，然后列出各個狀態之間切換的方式,最后畫出狀態切換圖表，用以指導具體代碼的編寫。圖3為無線網卡驅動中STA模式下協議狀態的切換。

本文提出的收發隊列的設計和802.11協議中不同狀態切換的設計對Windows下無線網卡驅動的設計有著一定的指導性作用。其中，收發包管理方式和狀態切換設計已經在研發的芯片上進行了測試，證實了設計的有效性。

[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微端口驅動程序實現方法的研究[J].現代電子技術，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,邵堅磊.Windows內核安全編程[M].北京：電子工業出版社，2009.

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