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(wǎng)絡驅(qū)動模型,根據(jù)NDIS驅(qū)動模型設計并實現(xiàn)了802.11網(wǎng)卡Windows驅(qū)動程序，重點介紹了驅(qū)動中的數(shù)據(jù)收發(fā)隊列的設計管理和協(xié)議狀態(tài)的轉(zhuǎn)化,，并通過測試表明可以實現(xiàn)802.11協(xié)議的功能,。
關鍵詞： 802.11,； Windows； 驅(qū)動程序

    近年來,，無線上網(wǎng)逐漸成為了生活中不可或缺的部分,。人們對無線網(wǎng)絡的需求越來越強烈，而無線局域網(wǎng)(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(wǎng)克服了有線網(wǎng)絡存在的布線問題,，但同時也導致網(wǎng)絡越加復雜,需要研究和關注的內(nèi)容越來越多。在無線局域網(wǎng)中,驅(qū)動程序的設計是一個很重要的環(huán)節(jié),。無線網(wǎng)卡驅(qū)動程序設計的優(yōu)劣直接影響到整個無線局域網(wǎng)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(wǎng)卡驅(qū)動程序的設計模型，著重分析了驅(qū)動程序中收發(fā)隊列的設計和管理,以及802.11協(xié)議中驅(qū)動層狀態(tài)轉(zhuǎn)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(wǎng)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(xiàn)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(wǎng)絡驅(qū)動程序和硬件協(xié)議加速器的形式存在,主要完成數(shù)據(jù)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(xiàn)時需要遵循操作系統(tǒng)所規(guī)定的網(wǎng)絡驅(qū)動模型,。
2 Windows網(wǎng)絡驅(qū)動模型
    在Windows系統(tǒng)中實現(xiàn)802.11協(xié)議時需要遵循Windows NDIS(Network Driver Interface Specification)網(wǎng)絡驅(qū)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(wǎng)卡驅(qū)動時更加方便快捷,。NDIS規(guī)范將網(wǎng)絡驅(qū)動程序劃分為三個層次：協(xié)議驅(qū)動層,、中間驅(qū)動層和小端口驅(qū)動層，其中中間驅(qū)動層根據(jù)實際情況可以不用實現(xiàn)。圖1為其驅(qū)動框架,。不同的驅(qū)動層間通過NDIS庫進行通信,，這樣在設計各層驅(qū)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(xiàn)802.11網(wǎng)卡驅(qū)動的主要工作在于編寫小端口驅(qū)動。其中,，只需要向NDIS注冊指定的派遣函數(shù),，即可在Windows系統(tǒng)中增加802.11無線網(wǎng)絡功能。一般而言,，在小端口驅(qū)動中需要注冊的派遣函數(shù)如表2所示[4],。

    在小端口驅(qū)動中，通過設置某個特定數(shù)據(jù)結構體中派遣函數(shù)指針的方式實現(xiàn)派遣函數(shù)的注冊,。在WinXP系統(tǒng)中,該數(shù)據(jù)結構為NDIS_MINIPORT_CHARACTERISTICS,從Vista系統(tǒng)開始使用新的數(shù)據(jù)結構PNDIS_
MINIPORT_DRIVER_CHARACTERISTICS,。下面以WinXP中的數(shù)據(jù)結構為例，介紹派遣函數(shù)的注冊方式：
    //申明變量
    NDIS_MINIPORT_CHARACTERISTICS NicChar;
    //變量內(nèi)容置零
    NdisZeroMemory(&NicChar, sizeof(NicChar));
//注冊初始化函數(shù)
    NicChar.InitializeHandler = MpInitialize;
    ……;
//注冊發(fā)包函數(shù)
    NicChar.SendPacketsHandler = MpMultipleSend;
    當完成上述函數(shù)注冊之后,，上層執(zhí)行網(wǎng)絡相關操作時最終會調(diào)用到小端口層驅(qū)動的相應函數(shù),。如當上層查詢網(wǎng)絡信息時調(diào)用MPQueryInformation()函數(shù)，而要發(fā)送數(shù)據(jù)包時則調(diào)用MpMultipleSend()函數(shù),。在802.11網(wǎng)絡驅(qū)動程序的設計中,，數(shù)據(jù)收發(fā)隊列的設計與管理是整個驅(qū)動程序設計開發(fā)的核心，其設計的優(yōu)劣直接影響網(wǎng)絡驅(qū)動程序的效率,，下節(jié)針對該部分的設計展開論述,。
3 數(shù)據(jù)收發(fā)隊列的設計與管理
    在無線網(wǎng)卡驅(qū)動的設計中，數(shù)據(jù)收發(fā)隊列的管理方式和性能直接影響驅(qū)動程序的數(shù)據(jù)處理能力和工作性能,。在設計數(shù)據(jù)收發(fā)隊列時需要考慮下面幾個內(nèi)容[5]：內(nèi)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(nèi)存分配和管理是無線網(wǎng)卡驅(qū)動程序設計中必需考慮的問題,。數(shù)據(jù)收發(fā)隊列中內(nèi)存的分配有兩種方式：(1)僅被驅(qū)動訪問的內(nèi)存，調(diào)用庫函數(shù)NdisAllocateMemory()進行非分頁內(nèi)存分配并返回內(nèi)存的虛擬地址;(2)驅(qū)動和硬件都需進行訪問的內(nèi)存,，調(diào)用庫函數(shù)NdisMAllocateSharedMemory()進行分配,。此函數(shù)首先分配內(nèi)存，然后將分配的內(nèi)存進行物理映射,，最后同時返回內(nèi)存的虛擬地址和物理地址,。
    數(shù)據(jù)收發(fā)隊列的設計和管理是無線網(wǎng)卡驅(qū)動中的難點。設計一個高效的數(shù)據(jù)收發(fā)隊列需要在驅(qū)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(qū)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù),直到發(fā)送隊列為空。
    (4) 等待發(fā)送完成中斷,，若產(chǎn)生則讀取HW_TX_MSDU結構中硬件設置參數(shù)的值,，根據(jù)狀態(tài)值更新驅(qū)動狀態(tài)。最后將節(jié)點插入空閑發(fā)送鏈表尾部,，實現(xiàn)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(shù)據(jù)所在的物理地址,；然后根據(jù)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(jù)結構中相關參數(shù)設置對數(shù)據(jù)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(qū)動包已處理完畢。
    數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)的方式,。因此與硬件工程師交流或熟讀芯片數(shù)據(jù)手冊是網(wǎng)卡驅(qū)動開發(fā)中的基礎工作,。無線網(wǎng)卡驅(qū)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(nèi)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(wǎng)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(nèi)的所有基本服務集(BSS),，然后根據(jù)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(nèi)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(wǎng)卡驅(qū)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(wǎng)卡驅(qū)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(jīng)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
[1] MATTHEW S G. 802.11 wireless  networks 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(qū)動程序?qū)崿F(xiàn)方法的研究[J]. 現(xiàn)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(nèi)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.