摘   要： 介紹了802.11系列協(xié)議的發(fā)展及異同,分析了Windows系統(tǒng)中的網絡驅動模型,根據NDIS驅動模型設計并實現了802.11網卡Windows驅動程序，重點介紹了驅動中的數據收發(fā)隊列的設計管理和協(xié)議狀態(tài)的轉化，并通過測試表明可以實現802.11協(xié)議的功能。
關鍵詞： 802.11； Windows； 驅動程序

    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(fā)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(huán)節(jié)。無線網卡驅動程序設計的優(yōu)劣直接影響到整個無線局域網的傳輸速率和穩(wěn)定性。文章介紹了802.11系列協(xié)議的發(fā)展和異同以及Windows操作系統(tǒng)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(fā)隊列的設計和管理,以及802.11協(xié)議中驅動層狀態(tài)轉化的設計。
1 802.11協(xié)議分析
    1997年11月26日,IEEE發(fā)布了第一個在國際上被認可的無線局域網協(xié)議——802.11協(xié)議。隨后又推出了802.11b、802.11a、802.11g等一系列物理層協(xié)議，目前最新的802.11ac協(xié)議正在逐漸完善中。表1為各個版本的802.11協(xié)議的簡單比較。
    表1中提到的速率為最高傳輸速率，每個協(xié)議又可提供多個速率值，以便適應不同的傳輸環(huán)境。例如802.11b協(xié)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(xié)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]。

    802.11協(xié)議功能的實現需要物理層和MAC層協(xié)助完成。物理層以芯片的形式存在，主要完成無線信號的發(fā)送/接收功能。而MAC層主要以網絡驅動程序和硬件協(xié)議加速器的形式存在,主要完成數據收發(fā)的管理、協(xié)議狀態(tài)切換和維護，以及與操作系統(tǒng)的交互等功能，在實現時需要遵循操作系統(tǒng)所規(guī)定的網絡驅動模型。
2 Windows網絡驅動模型
    在Windows系統(tǒng)中實現802.11協(xié)議時需要遵循Windows NDIS(Network Driver Interface Specification)網絡驅動程序接口規(guī)范。NDIS規(guī)范分離了上層協(xié)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(guī)范將網絡驅動程序劃分為三個層次：協(xié)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(jié)，只需要遵循相應的接口即可[3]。

    按照NDIS規(guī)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(tǒng)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]。

    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(tǒng)中,該數據結構為NDIS_MINIPORT_CHARACTERISTICS,從Vista系統(tǒng)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：
    //申明變量
    NDIS_MINIPORT_CHARACTERISTICS NicChar;
    //變量內容置零
    NdisZeroMemory(&NicChar, sizeof(NicChar));
//注冊初始化函數
    NicChar.InitializeHandler = MpInitialize;
    ……;
//注冊發(fā)包函數
    NicChar.SendPacketsHandler = MpMultipleSend;
    當完成上述函數注冊之后，上層執(zhí)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(fā)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(fā)隊列的設計與管理是整個驅動程序設計開發(fā)的核心，其設計的優(yōu)劣直接影響網絡驅動程序的效率，下節(jié)針對該部分的設計展開論述。
3 數據收發(fā)隊列的設計與管理
    在無線網卡驅動的設計中，數據收發(fā)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(fā)隊列時需要考慮下面幾個內容[5]：內存分配和管理、收發(fā)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(fā)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NdisMAllocateSharedMemory()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(fā)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(fā)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(jié)。    驅動層：
    (1) 構建一個發(fā)送隊列、一個空閑發(fā)送鏈表?？臻e發(fā)送鏈表中包含所有未使用的發(fā)送資源，發(fā)送隊列中包含所有準備發(fā)送的包。
    (2) 在上層有數據包傳入時，從發(fā)送鏈表中取出首節(jié)點。填充發(fā)送包的相關信息，插入發(fā)送隊列尾部。
    (3) 從發(fā)送隊列頭開始發(fā)送數據,直到發(fā)送隊列為空。
    (4) 等待發(fā)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(tài)值更新驅動狀態(tài)。最后將節(jié)點插入空閑發(fā)送鏈表尾部，實現資源的重用。發(fā)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(fā)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(tài)變量。向系統(tǒng)發(fā)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(fā)送類似，這里不再贅述。實際收發(fā)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(fā)中的基礎工作。無線網卡驅動程序的設計中除了收發(fā)包管理設計外,狀態(tài)切換的設計也是一個需要重點注意的內容。
4 802.11協(xié)議狀態(tài)分析
    802.11協(xié)議中涉及到許多狀態(tài)切換，狀態(tài)切換的方式直接影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性。因此，設計一個合理的狀態(tài)切換很有必要。在802.11協(xié)議的MAC層中有以下幾種狀態(tài)：初始態(tài)、加入(Connection)、認證、關聯(lián)(Association)、運行和解關聯(lián)[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(lián)某個BSS。由于無線鏈路的不穩(wěn)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(xié)議狀態(tài)設計時需首先分析出所有涉及到的狀態(tài)，然后列出各個狀態(tài)之間切換的方式,最后畫出狀態(tài)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(xié)議狀態(tài)的切換。

    本文提出的收發(fā)隊列的設計和802.11協(xié)議中不同狀態(tài)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(fā)包管理方式和狀態(tài)切換設計已經在研發(fā)的芯片上進行了測試，證實了設計的有效性。
參考文獻
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[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 driver  kits[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(yè)出版社，2009.
[6] 孫吉泉， 鞠艷. 802.11MAC層協(xié)議分析[J].中國科技信息，2009(14):134-135.