嵌入式Linux下Wi—Fi接入技术研究

范延滨　李小康

摘 要：讨论了在嵌入式Linux下实现Wi-Fi接入的方法。在分析嵌入式Linux下无线网络驱动程序架构和无线网络的配置工具——Linux Wireless Tools和wpa_supplicant的基础上，结合Tiny210开发板平台，通过实例介绍了在嵌入式Linux平台上连接基于WPA/WPA2加密技术的Wi-Fi连接点的原理和方法。

关键词：嵌入式Linux；Wi-Fi；wap_supplicant；无线网络

中图分类号：TP316.2 文献标志码：A 文章编号：2095-1302（2014）10-00-03

0 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：

图 1 Linux无线网络驱动程序架构

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） 。

一个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（Pre-Shared 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。

2.1 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。

2.2 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：

（1）移植相应无线网卡的驱动程序；

（2）移植Linux Wireless Tools和wpa_supplicant工具；

（3）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。

（1）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libertas_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。

（2）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。

（3）移植wpa_supplicant

wpa_supplicant需使用OpenSSL库。OpenSSL 是一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/ssl。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。采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=b461ee0209a9b5a6f114317e9ae72f52829b5f743e47a600b7a08911cc3bd30f

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=WPA-PSK

proto=WPA2

pairwise=CCMP

psk=1512bf80a15b8b595522e18cf3a51db47d5084da9565ad38ffec9ab1da37a108

}

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=CCMP。

采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选项指明了采用的驱动程序接口，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，可以采用如下命令：

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。

参考文献

[1]刘芳华，周凤星. Linux下Wi-Fi驱动程序的设计与实现[J]. 自动化仪表， 2011，32（3）：1-3

[2] Jouni Malinen . Linux WPA/WPA2/IEEE 802.1X Supplicant [EB/OL].[2013-1-12].http：//hostap.epitest.fi/wpa_supplicant/.

[3]裴超. 基于Android平台Wi-Fi模块的设计与实现[D]. 武汉：华中科技大学，2011

（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。采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=b461ee0209a9b5a6f114317e9ae72f52829b5f743e47a600b7a08911cc3bd30f

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=WPA-PSK

proto=WPA2

pairwise=CCMP

psk=1512bf80a15b8b595522e18cf3a51db47d5084da9565ad38ffec9ab1da37a108

}

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=CCMP。

采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选项指明了采用的驱动程序接口，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，可以采用如下命令：

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。

参考文献

[1]刘芳华，周凤星. Linux下Wi-Fi驱动程序的设计与实现[J]. 自动化仪表， 2011，32（3）：1-3

[2] Jouni Malinen . Linux WPA/WPA2/IEEE 802.1X Supplicant [EB/OL].[2013-1-12].http：//hostap.epitest.fi/wpa_supplicant/.

[3]裴超. 基于Android平台Wi-Fi模块的设计与实现[D]. 武汉：华中科技大学，2011

（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。采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=b461ee0209a9b5a6f114317e9ae72f52829b5f743e47a600b7a08911cc3bd30f

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=WPA-PSK

proto=WPA2

pairwise=CCMP

psk=1512bf80a15b8b595522e18cf3a51db47d5084da9565ad38ffec9ab1da37a108

}

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=CCMP。

采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选项指明了采用的驱动程序接口，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，可以采用如下命令：

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。

参考文献

[1]刘芳华，周凤星. Linux下Wi-Fi驱动程序的设计与实现[J]. 自动化仪表， 2011，32（3）：1-3

[2] Jouni Malinen . Linux WPA/WPA2/IEEE 802.1X Supplicant [EB/OL].[2013-1-12].http：//hostap.epitest.fi/wpa_supplicant/.

[3]裴超. 基于Android平台Wi-Fi模块的设计与实现[D]. 武汉：华中科技大学，2011