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AndroidWi-Fi 工作原理 刘洋 第一部分 Android 概述 在介绍 Wi-Fi 之前，先简要介绍一下 Android 系统，主要分析一下 Android 的按层实现的原理。

    Android 层次结构是整个 Android 体系中所有应用实现的基础框架，而 Android 源代码结构则与 Wi-Fi 的实现细节有关。

    1.1 基础知识 Android 是一款当前最为流行的手机操作系统，它本身的开放性加上 Google公司的大力推广，使其获得了大量手机生产厂商、科研院校、软件公司以及个人开发者的青睐，它属于一个全开放的平台，因此开发者可以得到整个系统的源代码，并能对其进行修改，修改的结果可以通过互联网上传到 Android 官方网站，倘若被审核通过，就能加入到 Android 的源代码中，这绝对是一件令人兴奋的事情。

    1.2 Android 层次结构 Android 系统是在 Linux 系统的基础上，经过了层层封装，最终提供给开发者的是大量的 Java API，在这里被叫做 Android API，于是，开发者就可以像开发一般的 Java 程序那样开发 Android 应用程序，这样的设计不仅降低了开发 Android应用程序的难度，还增加了 Android 系统的界面友好度。

     和一般的操作系统一样，Android 也是对硬件进行了多层的封装，使得应用程序的开发者和用户能轻松地操作硬件，完成他们所希望完成的事情。

    Android所针对的硬件就是手机，这里主要指智能手机，这种智能手机与传统的手机相比电话功能被弱化，而更偏向于一台笔记本电脑，因此它的 CPU、内存等硬件配置要比传统的手机高。

    它需要提供给用户一些电脑所拥有的功能，比如说 Wi-Fi 上网、鼠标或触屏控制的界面、收发电子邮件、玩大型游戏等，但同时又必须拥有传统手机所支持的电话、摄像头、蓝牙等功，这些挑战都增加了 Android 的设计难度。

     Android 从下至上可以分为这样几个层次： ； （1）Linux 内核及驱动层（C 实现） （2）本地库（C 库和 C库）和 Java 运行时环境层（主要由 C、C实现）； （3）Java 框架层（主要由 Java 实现）； 。

     （4）Java 应用程序层（Java 实现） 第 3 层和第 4 层之间就是上文所说的 Android API，这也是 Android 提供给应用程序开发人员的接口，我们只要熟悉了这些 API，就可以进行 Android 应用程序的开发工作了。

     Android 手机中所有的额应用程序，包括核心应用程序和用户开发的应用程序，它们都属于第 4 层次，用户可以得到系统自带的所有程序的源代码，比如初始界面管理程序、短信程序、日历、联系人管理程序等，并能随意修改这些程序，甚至还可以删除其中的一两个，然后重新编译源代码，这样便生成了自己定制的Android 系统。

    1.3 Android 源代码结构 虽然只看 API 就可以编写 Android 的应用程序了，但是无论对 Android 系统的研究人员还是应用程序的开发者来说，Android 的源代码都是一笔值得好好研究的财富。

     Android 的源代码可以从其官方网站上下载到，在此之前，本机上需要装 Linux系统，然后根据官网上的步骤逐步执行，包括初始化系统环境、下载源码、编译源码，就可以在本机上下载并编译整个 Android 系统的源代码。

    讲述如何下载并编 译 Android 源 代 码 的 官 网 地 址 如 下 ：http://source.android.com/source/initializing.html。

     纵观整个 Android 源码的结构，在其根目录下有大约 10 多个文件夹，其中可以大致分为以下三部分： （1） 关键部分 这部分的实现代码位于根目录下除了 external 和 package 之外的所有文件夹中，这些代码实现了 Linux 内核 kernel 文件夹、核心驱动、Android 驱动、Android Dalvik 虚拟机 dalvik 文件夹、 和 C本地库 bionic系统的建立 build 文件夹、 C文件夹、硬件抽象、无线硬件接口 hardware/ril 文件夹、Java 运行环境的支持等功能，是整个 Android 系统的启动和运行所必须的。

     （2） 扩展部分 这部分的实现代码位于 external 文件夹中，这里边存放着许多其他开源项目，这些项目都已经过修改而融入到 Android 系统中。

     （3） 应用程序包 这部分代码位于 package 文件夹中，由应用程序 、 （apps） 提供器（providers）、输入法（input methods）三部分组成。

     Android 手机自带的应用程序就位于./package/apps 中，这里有 Browser（浏览器） AlarmClock（闹钟） Camera（照相机） Contacts（联系人） Settings（设置） Launcher（初始界面）等，还有一些，在此不再一一罗列。

    第二部分 Wi-Fi 层次结构 Android 中 Wi-Fi 驱动程序被编译成内核的模块，通过应用程序设置开关进行加载和卸载，具体来说就是 Settings -- Wireless networks -- Wi-Fi。

    同时，要使Wi-Fi 正常工作，驱动中还需要实现烧写固件程序和配置信息到 Wi-Fi 的芯片中。

    2.1 Wi-Fi 程序模块 在 Android 的源代码中，有多处地方涉及到 Wi-Fi，跨越了前文中所说的 1、2、3、4 层。

    下面介绍几个与实现 Wi-Fi 功能密切相关的程序模块。

    2.1.1 开源库 wpa_supplicant 它是一个开源的库，加入到 Android 源码中，经过修改后成为 Android 实现Wi-Fi 功能的基础。

    它的代码位于./external/wpa_supplicant 文件夹中，主要用 C和 C写成，实现了从上层接到命令后，发送给硬件驱动程序，接着操作硬件完成需要的操作，这里是通过 socket 来与硬件驱动进行通信的。

    下图 2-1 是wpa_supplicant 的框架图。

     图 2-1 wpa_supplicant 开源项目框架图2.1.2 硬件驱动程序 前 文 所 说 的 wpa_supplicant 与 之 通 信 的 硬 件 驱 动 的 代 码 位于./hardware/libhardware_legacy/wifi/wifi.c 中。

    2.1.3 JNI 部分 首先简要介绍一下 JNI，JNI 是 Java Native Interface 的缩写，它实现了 Java 代码与其他代码进行交互，使得在 Java 虚拟机中运行的 Java 代码能够与用其他语言编写的应用程序和库进行交互。

    在 Android 中，JNI 可以让 Java 程序调用 C 程序。

     与 Wi-Fi 相 关 的 JNI 代 码 位于./frameworks/base/core/jni/android_net_wifi_Wifi.cpp 中。

    2.1.4 Wi-FiAPI 部分 使应用程序可以使用 Wi-Fi 这部分源代码使用 Java 完成了对 Wi-Fi API 的封装，功 能 ， 它 们 位 于 frameworks/base/services/java/com/android/server/ 和frameworks/base/wifi/java/android/net/wifi/中。

    2.1.5 Wi-Fi Settings 应用程序部分 这是 Android 中自带的一个应用程序，在手机的 Settings 中，它可以让用户手动打开或关闭 Wi-Fi 功能。

    当用户打开 Wi-Fi 功能后，它会自动搜索周围的无线网络，并以列表的形式显示，供用户选择，默认会连接用户上一次成功连接的无线网络。

    这部分代码位于./packages/apps/Settings/src/com/android/settings/wifi中。

    2.2 Wi-Fi 层次结构关系 下图 2-2 就是 Android 中 Wi-Fi 的各模块在整个 Android 层次结构中的位置，以及它们之间的关系。

     Android中Wi-Fi层次结构 Java应用 Wi-Fi Settings应 程序层 用程序 Wi-Fi API Java框架层 android.net.wifi Wi-Fi JNI 自上而下 本地库和 Wpa adaptorwpa Java运行 适配器 时环境层 开源库 wpa_supplicant linux内核 及驱动层 Wi-Fi硬件驱动 wifi.c 图 2-2 Android 中 Wi-Fi 的层次结构图第三部分 Wi-Fi 执行过程 Android 中 Wi-Fi 是使用层次结构设计的，因此执行过程基本上是在接到用户命令后，先从上到下，再从下到上，完成用户与 Wi-Fi 设备的交互。

    下图 3-1 就是 Wi-Fi 功能的详细执行过程示意图。

     图 3-1 Wi-Fi 执行过程示意图 如上图 3-1 所示，Wi-Fi 的执行过程主要有 4 个，下文将对这几个过程进行详细介绍。

    3.1 从 Settings 中启动 Wi-Fi Android 会调用 WifiEnabler 的 onPreferenceChange， 当用户按下 Wi-Fi 按钮后，再由 WifiEnabler 调用 WifiManager 的 setWifiEnabled 接口函数，通过 AIDL，实际调用的是 WifiService 的 setWifiEnabled 函数，WifiService 接着向自身发送一条MESSAGE_ENABLE_WIFI 消息，在处理该消息的代码中做真正的使能工作：首先装载 WIFI 内核模块（该模块的位置硬编码为/system/lib/modules/wlan.ko ），然 后 启 动 wpa_supplicant （ 配 置 文 件 硬 编 码 为/data/misc/wifi/wpa_supplicant.conf ）， 再 通 过 WifiStateTracker 来 启 动WifiMonitor 中的监视线程。

     当使能成功后，会广播发送 WIFI_STATE_CHANGED_ACTION 这个 Intent 通知外界 Wi-Fi 已经成功使能了。

    WifiEnabler 创建的时候就会向 Android 注册接收WIFI_STATE_CHANGED_ACTION，因此它会收到该 Intent，从而开始扫描。

    3.2 查找 Access Point AP 扫描的入口函数是 WifiService 的 startScan，它其实也就是往 wpa_supplicant发送 SCAN 命令。

    当 wpa_supplicant 处理完 SCAN 命令后，它会向控制通道发送事 件 通 知 扫 描 完 成 ， 从 而 wifi_wait_for_event 函 数 会 接 收 到 该 事件 ， 由 此WifiMonitor 中的 MonitorThread 会被执行来出来这个事件，WifiStateTracker 则接着广播发 SCAN_RESULTS_AVAILABLE_ACTION 这个 Intent，WifiLayer 注册了接收SCAN_RESULTS_AVAILABLE_ACTION 这 个 Intent ， 所 以 它 的 相 关 处 理 函 数handleScanResultsAvailable 会被调用，在该函数中，先会去拿到 SCAN 的结果（最 。

    终是往 wpa_supplicant 发送 SCAN_RESULT 命令并读取返回值来实现的） 对 每 一 个 扫 描 返 回 的 AP ， WifiLayer 会 调 用 WifiSettings 的onAccessPointSetChanged 函数，从而最终把该 AP 加到 GUI 显示列表中。

    3.3 连接 AP 当用户在 AcessPointDialog 中选择好加密方式和输入密钥之后，再点击连接按钮，Android 就会去连接这个 AP。

     WifiLayer 会 先 检 测 这 个 AP 是 不 是 之 前 被 配 置 过 ， 这 个 是 通 过 向wpa_supplicant 发送 LIST_NETWORK 命令并且比较返回值来实现的，如果wpa_supplicant 没 有 这 个 AP 的 配 置 信 息 ， 则 会 向 wpa_supplicant 发 送ADD_NETWORK 命令来添加该 AP，ADD_NETWORK 命令会返回一个 ID ，WifiLayer 再 用 这 个 返 回 的 ID 作 为 参 数 向 wpa_supplicant 发 送ENABLE_NETWORK 命令，从而让 wpa_supplicant 去连接该 AP。

    3.4 配置 IP 地址 当 wpa_supplicant 成功连接上 AP 之后，它会向控制通道发送事件通知连接上 AP 了，从而 wifi_wait_for_event 函数会接收到该事件，由此 WifiMonitor 中的MonitorThread 会被执行来处理这个事件，WifiMonitor 再调用 WifiStateTracker 的notifyStateChange，WifiStateTracker 则接着会往自身发送 EVENT_DHCP_START 消息 来 启 动 DHCP 去 获 取 IP 地 址 ， 然 后 再 广 播 发 送NETWORK_STATE_CHANGED_ACTION 这个 Intent。

     WifiLayer 注册了接收 NETWORK_STATE_CHANGED_ACTION 这个 Intent，所以 当它的相关处理函数 handleNetworkStateChanged 会被调用， DHCP 拿到 IP 地址之 后 ， 会 再 发 送 EVENT_DHCP_SUCCEEDED 消 息 ， WifiLayer 处 理EVENT_DHCP_SUCCEEDED 消 息 ， 会 再 次 广 播 发 送NETWORK_STATE_CHANGED_ACTION 这个 Intent，这次带上完整的 IP 地址信息。

    至此为止，整个连接过程完成。

    

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