AndroidWiFi工作原理

1、 AndroidWi-Fi 工作原理 劉洋 第一局部 Android 概述 在介紹 Wi-Fi 之前，先簡要介紹一下 Android 系統(tǒng)，主要分析一下 Android 的 按層實(shí)現(xiàn)的原理。 Android 層次結(jié)構(gòu)是整個(gè) Android 體系中所有應(yīng)用實(shí)現(xiàn)的根底 框架，而 Android 源代碼結(jié)構(gòu)那么與 Wi-Fi 的實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)有關(guān)。 1.1 根底知識(shí) Android 是一款當(dāng)前最為流行的 操作系統(tǒng)，它本身的開放性加上 Google 公司的大力推廣， 使其獲得了大量 生產(chǎn)廠商、 科研院校、 軟件公司以及個(gè)人 開發(fā)者的青睞， 它屬于一個(gè)全開放的平臺(tái)， 因此開發(fā)者可以得到整個(gè)系統(tǒng)的源代 碼，并能

2、對(duì)其進(jìn)行修改，修改的結(jié)果可以通過互聯(lián)網(wǎng)上傳到 Android 官方網(wǎng)站， 倘假設(shè)被審核通過，就能參加到 Android 的源代碼中，這絕對(duì)是一件令人興奮的事 情。 1.2 Android 層次結(jié)構(gòu) Android系統(tǒng)是在Linux系統(tǒng)的根底上，經(jīng)過了層層封裝，最終提供應(yīng)開發(fā)者 的是大量的Java APJ在這里被叫做Android API,于是，開發(fā)者就可以像開發(fā)一 般的Java程序那樣開發(fā)Android應(yīng)用程序，這樣的設(shè)計(jì)不僅降低了開發(fā) Android 應(yīng)用程序的難度，還增加了 Android 系統(tǒng)的界面友好度。 和一般的操作系統(tǒng)一樣， Android 也是對(duì)硬件進(jìn)行了多層的封裝，使得應(yīng)用 程

3、序的開發(fā)者和用戶能輕松地操作硬件，完成他們所希望完成的事情。 Android 所針對(duì)的硬件就是 ， 這里主要指智能 ， 這種智能 與傳統(tǒng)的 相比 功能被弱化，而更偏向于一臺(tái)筆記本電腦，因此它的 CPU內(nèi)存等硬件配置 要比傳統(tǒng)的 高。它需要提供應(yīng)用戶一些電腦所擁有的功能，比方說 Wi-Fi 上 網(wǎng)、鼠標(biāo)或觸屏控制的界面、收發(fā)電子郵件、玩大型游戲等，但同時(shí)又必須擁有 傳統(tǒng) 所支持的 、攝像頭、藍(lán)牙等功，這些挑戰(zhàn)都增加了 Android的設(shè)計(jì) 難度。 Android從下至上可以分為這樣幾個(gè)層次： (1) Linux內(nèi)核及驅(qū)動(dòng)層(C實(shí)現(xiàn))； (2)本地庫(C庫和C+航)和Java運(yùn)行時(shí)環(huán)境層(主要由

4、C C+位現(xiàn))； (3) Java框架層(主要由Java實(shí)現(xiàn))； (4) Java應(yīng)用程序?qū)?Java實(shí)現(xiàn))。 第3層和第4層之間就是上文所說的 Android API,這也是Android提供應(yīng)應(yīng) 用程序開發(fā)人員的接口，我們只要熟悉了這些 API,就可以進(jìn)行Android應(yīng)用程 序的開發(fā)工作了。 Android 中所有的額應(yīng)用程序，包括核心應(yīng)用程序和用戶開發(fā)的應(yīng)用程 序，它們都屬于第4層次，用戶可以得到系統(tǒng)自帶的所有程序的源代碼， 比方初 始界面管理程序、短信程序、日歷、聯(lián)系人管理程序等，并能隨意修改這些程序， 甚至還可以刪除其中的一兩個(gè)， 然后重新編譯源代碼， 這樣便生成了自己定制的 An

5、droid 系統(tǒng)。 1.3 Android 源代碼結(jié)構(gòu) 雖然只看API就可以編寫Android的應(yīng)用程序了，但是無論對(duì)Android系統(tǒng)的 研究人員還是應(yīng)用程序的開發(fā)者來說，Android的源代碼都是一筆值得好好研究 的財(cái)富。 Android的源代碼可以從其官方網(wǎng)站上下載到，在此之前，本機(jī)上需要裝Linux 系統(tǒng)，然后根據(jù)官網(wǎng)上的步驟逐步執(zhí)行，包括初始化系統(tǒng)環(huán)境、下載源碼、編譯 源碼，就可以在本機(jī)上下載并編譯整個(gè) Android系統(tǒng)的源代碼。講述如何下載并 編譯 Android 源代碼的 官 網(wǎng)地址如下 ： :source.android /source/initializing.html 。

6、 縱觀整個(gè)Android源碼的結(jié)構(gòu)，在其根目錄下有大約10多個(gè)文件夾，其中可 以大致分為以下三局部： (1)關(guān)鍵局部 這局部的實(shí)現(xiàn)代碼位于根目錄下除了 external和package之外的所有文件夾 中，這些代碼實(shí)現(xiàn)了 Linux內(nèi)核kernel文件夾、核心驅(qū)動(dòng)、Android驅(qū)動(dòng)、Android 系統(tǒng)的建立build文件夾、Dalvik虛擬機(jī)dalvik文件夾、C和C+陣地庫bionic 文件夾、硬件抽象、無線硬件接口 hardware/ril文件夾、Java運(yùn)行環(huán)境的支持 等功能，是整個(gè) Android 系統(tǒng)的啟動(dòng)和運(yùn)行所必須的。 （ 2） 擴(kuò)展局部 這局部的實(shí)現(xiàn)代碼位于 externa

7、l 文件夾中， 這里邊存放著許多其他開源工程， 這些工程都已經(jīng)過修改而融入到 Android 系統(tǒng)中。 （ 3） 應(yīng)用程序包 這局部代碼位于package文件夾中，由應(yīng)用程序apps、提供器providers、 輸入法input methods三局部組成。 Android 自帶的應(yīng)用程序就位于./package/apps中， 這里有 Browser 瀏 覽器， AlarmClock 鬧鐘，Camera 照相機(jī)，Contacts 聯(lián)系人，Settings 設(shè)置，Launcher 初始界面等，還有一些，在此不再一一羅列。 第二局部 Wi-Fi 層次結(jié)構(gòu) Android 中 Wi-Fi 驅(qū)動(dòng)程序被編

8、譯成內(nèi)核的模塊， 通過應(yīng)用程序設(shè)置開關(guān)進(jìn)行 加載和卸載， 具體來說就是 Settings - Wireless & networks - Wi-F。 i 同時(shí)， 要使 Wi-Fi 正常工作，驅(qū)動(dòng)中還需要實(shí)現(xiàn)燒寫固件程序和配置信息到 Wi-Fi 的芯片中。 2.1 Wi-Fi 程序模塊 在Android的源代碼中，有多處地方涉及到 Wi-Fi,跨越了前文中所說的1、 2.1.1 3、 4 層。下面介紹幾個(gè)與實(shí)現(xiàn) Wi-Fi 功能密切相關(guān)的程序模塊。 2.1.2 開源庫 wpa_supplicant 它是一個(gè)開源的庫，參加到 Android 源碼中，經(jīng)過修改后成為 Android 實(shí)現(xiàn) W

9、i-Fi 功能的根底。它的代碼位于 ./external/wpa_supplicant 文件夾中，主要用 C 和C+1成，實(shí)現(xiàn)了從上層接到命令后，發(fā)送給硬件驅(qū)動(dòng)程序，接著操作硬件完 成需要的操作，這里是通過 socket 來與硬件驅(qū)動(dòng)進(jìn)行通信的。下列圖 2-1 是 wpa_supplicant 的框架圖。 frvnil卻d cdfltiol m呵thm 圖2-1 wpa_supplicant開源工程框架圖 2.1.3 硬件驅(qū)動(dòng)程序 前 文 所 說 的 wpa_supplicant與 之 通 信 的 硬 件 驅(qū) 動(dòng) 的 代 碼 位 于./hardware/libhardware_legacy/w

10、ifi/wifi.c 中。 2.1.4 JNI 局部 首先簡要介紹一下 JNI, JNI是Java Native Interface的縮寫，它實(shí)現(xiàn)了 Java代 碼與其他代碼進(jìn)行交互，使得在 Java虛擬機(jī)中運(yùn)行的Java代碼能夠與用其他語 言編寫的應(yīng)用程序和庫進(jìn)行交互。在 Android中，JNI可以讓Java程序調(diào)用C程 序。 與 Wi-Fi 相 關(guān) 的 JNI 代 碼 位 于./frameworks/base/core/jni/android_net_wifi_Wifi.cpp 中。 2.1.5 Wi-FiAPI 局部 這局部源代碼使用Java完成了對(duì)Wi-Fi API的封裝，使應(yīng)用程序

11、可以使用 Wi-Fi 功 能 ， 它 們 位 于 frameworks/base/services/java/com/android/server/ 和 frameworks/base/wifi/java/android/net/wifi/ 中。 2.1.6 Wi-Fi Setting 的用程序局部 這是 Android 中自帶的一個(gè)應(yīng)用程序，在 的 Settings 中，它可以讓用戶 手動(dòng)翻開或關(guān)閉 Wi-Fi 功能。當(dāng)用戶翻開 Wi-Fi 功能后，它會(huì)自動(dòng)搜索周圍的無 線網(wǎng)絡(luò)， 并以列表的形式顯示， 供用戶選擇， 默認(rèn)會(huì)連接用戶上一次成功連接的 無線網(wǎng)絡(luò)。 這局部代碼位于 ./packag

12、es/apps/Settings/src/com/android/settings/wifi 中。 2.2 Wi-Fi 層次結(jié)構(gòu)關(guān)系 下列圖 2-2 就是 Android 中 Wi-Fi 的各模塊在整個(gè) Android 層次結(jié)構(gòu)中的位置， 以及它們之間的關(guān)系。 第三局部 Wi-Fi 執(zhí)行過程 Android中Wi-Fi是使用層次結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的，因此執(zhí)行過程根本上是在接到用戶 命令后，先從上到下，再從下到上，完成用戶與 是Wi-Fi功能的詳細(xì)執(zhí)行過程示意圖。Wi-Fi設(shè)備的交互。下列圖3-1就 圖2-2 Android中 Wi-Fi的層次結(jié)構(gòu)圖 wpa_s 叩 phcam 圖3-1 Wi-Fi執(zhí)行過

13、程示意圖 如上圖3-1所示，Wi-Fi的執(zhí)行過程主要有4個(gè)，下文將對(duì)這幾個(gè)過程進(jìn)行詳 細(xì)介紹。 3.1 從 Settings 中啟動(dòng) Wi-Fi 當(dāng)用戶按下 Wi-Fi按鈕后，Android 會(huì)調(diào)用 WifiEnabler的 onPreferenceChange 再由 WifiEnabler 調(diào)用 WifiManager 的 setWifiEnabled接口函數(shù)， 通過 AIDL 實(shí)際 調(diào)用的是 WifiService的setWifiEnabled函數(shù)，WifiService接著向自身發(fā)送一條 MESSAGE_ENABLE_WI雁息，在處理該消息的代碼中做真正的使能工作：首先 裝載 WIFI內(nèi)

14、核模塊該模塊的位置硬編 W AccessPunilCialij Socket 碼為 /system/lib/modules/wlan.ko, 然后啟動(dòng) wpa_supplicant 配置文件硬編碼為 /data/misc/wifi/wpa_supplicant.conf ， 再 通 過 WifiStateTracker 來 啟 動(dòng) WifiMonitor 中的監(jiān)視線程。 當(dāng)使能成功后，會(huì)播送發(fā)送 WIFI_STATE_CHANGED_ACTION Intent通知 外界Wi-Fi已 經(jīng) 成 功 使 能 了 。WifiEnabler創(chuàng) 立 的 時(shí) 候 就 會(huì) 向Android注 冊 接 收 WI

15、FI_STATE_CHANGED_ACT|ON止匕它會(huì)收至ij該Intent,從而開始掃描。 3.2 查找 Access Point AP 掃描的入口函數(shù)是 WfiService的startScan,它其實(shí)也就是往 wpa_supplicant 發(fā)送SCAN命令。當(dāng)wpa_supplicant處理完SCAN命令后，它會(huì)向控制通道發(fā)送 事件通知掃描完成，從而 wifi_wait_for_event 函數(shù)會(huì)接收到該事件，由此 WifiMonitor中的MonitorThread會(huì)被執(zhí)行來出來這個(gè)事件，WfiStateTracker那么接 著播送發(fā) SCAN_RESULTS_AVAILABLE_AC

16、TION Intent, WifiLayer 注冊了接收 SCAN_RESULTS_AVAILABLE_ACTJON Intent ,所以它的相關(guān)處理函數(shù) handleScanResultsAvailabl會(huì)被調(diào)用，在該函數(shù)中，先會(huì)去拿到SCAN的結(jié)果最 終是往wpa_supplicant發(fā)送SCAN_RESUL命令并讀取返回值來實(shí)現(xiàn)的。 對(duì) 每 一 個(gè) 掃 描 返 回 的 AP ， WifiLayer 會(huì) 調(diào) 用 WifiSettings 的 onAccessPointSetChangedS數(shù)，從而最終把該 AP加到GUI顯示列表中。 3.3 連接 AP 當(dāng)用戶在 AcessPointDia

17、log 中選擇好加密方式和輸入密鑰之后，再點(diǎn)擊連接 按鈕， Android 就會(huì)去連接這個(gè) AP。 WifiLayer 會(huì) 先 檢 測 這 個(gè) AP 是 不 是 之 前 被 配 置 過 ， 這 個(gè) 是 通 過 向 wpa_supplicant 發(fā)送 LIST_NETWORK 命令并且比擬返回值來實(shí)現(xiàn)的，如果 wpa_supplicant 沒 有 這 個(gè) AP 的 配 置 信 息 ， 那么 會(huì) 向 wpa_supplicant 發(fā) 送 ADD_NETWORK 命令來添加該 AP， ADD_NETWORK 命令會(huì)返回一個(gè) ID ， WifiLayer 再 用 這 個(gè) 返 回 的 ID 作 為 參

18、數(shù) 向 wpa_supplicant 發(fā) 送 ENABLE_NETWORK 命令，從而讓 wpa_supplicant去連接該 AP。 3.4 配置 IP 地址 當(dāng) wpa_supplicant 成功連接上 AP 之后，它會(huì)向控制通道發(fā)送事件通知連接 上 AP 了， 從而 wifi_wait_for_event 函數(shù)會(huì)接收到該事件， 由此 WifiMonitor 中的 MonitorThread會(huì)被執(zhí)行來處理這個(gè)事件，WifiMonitor再調(diào)用WfiStateTracker的 notifyStateChange, WifiStateTracker貝U接著會(huì)往自身發(fā)送 EVENT_DHCP_START 息 來 啟 動(dòng) DHCP 去 獲 取 IP 地 址 ， 然 后 再 廣 播 發(fā) 送 NETWO