Linux WIFI无线网络之MLME浅析

MLME简介

MLME Stands for Media Access Control (MAC) Sublayer Management Entity. MLME is the management entity where the Physical layer (PHY) MAC state machines reside. Examples of states a MLME may assist in reaching:

Authenticate

Deauthenticate

Associate

Disassociate

Reassociate

Beacon

Probe

mac80211’s MLME management implementation is currently handled by net/mac80211/mlme.c. This handles only the client-side MLME.

Linux WiFi MLME（MAC Layer Management Entity） 是 IEEE 802.11 协议栈中负责 无线连接管理的核心子系统，位于内核的 mac80211 框架层。

MLME 核心功能

功能模块	作用
扫描（Scanning）	主动/被动探测周围 AP（`NL80211_CMD_TRIGGER_SCAN`）
认证（Authentication）	建立设备与 AP 的初始信任（Open/Shared Key/WPA3-SAE）
关联（Association）	绑定设备与 AP，分配 AID（关联标识符）
重关联（Reassociation）	漫游时快速切换至新 AP（避免重新认证）
省电管理（Power Save）	协商 PSPoll/U-APSD 机制，控制 STA 休眠
TDLS（隧道直连）	在 AP 协调下建立 STA 间直接通信链路

MLME 在内核中的实现架构

graph TB
    subgraph User Space
        A[wpa_supplicant] -->|NL80211| B[cfg80211]
    end
    subgraph Kernel Space
        B --> C[mac80211]
        C --> D[SoftMAC Drivers<br>ath9k/iwlwifi/rtw88]
        C --> E[FullMAC Drivers<br>brcmfmac/mt76_sdio]
    end
    D --> F[Hardware NIC]
    E --> F

cfg80211
- 提供用户态接口（通过 netlink 族 NL80211）
- 转换用户命令为 MLME 操作（如触发扫描）
mac80211
- 实现 MLME 状态机核心逻辑
- 管理帧的构造/解析（Beacon/Probe/Auth/Assoc）
驱动分类
- SoftMAC：MLME 由 mac80211 处理（驱动仅负责硬件控制）
- FullMAC：MLME 由固件/驱动实现（mac80211 仅透传）

SoftMAC 与 FullMAC 的对比：

特性	SoftMAC	FullMAC
MAC 层实现	软件（驱动）	硬件（芯片固件）
CPU 负载	高	低
协议更新	快速支持（软件更新）	依赖芯片厂商
固件依赖	无或轻量	通常需要闭源固件
开发难度	高（需实现协议栈）	低（仅需接口交互）
典型场景	开源驱动、实验性开发	商用高性能设备

MLME 状态机

graph TD
    A[Start] --> B[Scan]
    B --> C[Wait Probe Response]
    C -->|收到 Probe Response| D[Unauthenticated]
    D -->|发送 Authentication Request| D
    D -->|收到认证成功响应| E[Authenticated]
    E -->|发送 Association Request| F[Unassociated]
    F -->|收到关联成功响应| G[Associated]
    G -->|收到 Disassociation/超时| F
    F -->|收到 Deauthentication/超时| D
    G -->|主动断开| H[Deauthenticated]
    H --> D
    G -->|数据通信| G

状态定义于 net/mac80211/sta_info.h 的 enum ieee80211_sta_state

简单调试及操作

MLME 内核日志

# 查看日志（过滤 MLME 事件）
dmesg -w | grep "mlme"

典型日志：

[37771.529889] wlp4s0: authenticate with xx:xx:xx:xx:xx:xx
[37772.015845] wlp4s0: send auth to xx:xx:xx:xx:xx:xx (try 1/3)
[37772.019174] wlp4s0: authenticated
[37772.022232] wlp4s0: associate with xx:xx:xx:xx:xx:xx (try 1/3)
[37772.025677] wlp4s0: RX AssocResp from xx:xx:xx:xx:xx:xx (capab=0x1511 status=0 aid=3)
[37772.026065] wlp4s0: associated
[37772.114305] IPv6: ADDRCONF(NETDEV_CHANGE): wlp4s0: link becomes ready

`iw` 监控MLME事件

# 实时捕获 MLME 事件（需要 libnl）
iw event

输出示例：

wlp4s0 (phy #0): scan started
wlp4s0 (phy #0): scan finished: 2412 2417 2422 2427 2432 2437 24, ""
wlp4s0: new station xx:xx:xx:xx:xx:xx
wlp4s0 (phy #0): auth xx:xx:xx:xx:xx:xx -> yy:yy:yy:yy:yy:yy status: 0: Successful
wlp4s0 (phy #0): assoc xx:xx:xx:xx:xx:xx -> yy:yy:yy:yy:yy:yy status: 0: Successful
wlp4s0 (phy #0): connected to xx:xx:xx:xx:xx:xx
wlp4s0 (phy #0): CQM event: RSSI went above threshold

使用`iw`工具

使用iw工具还可以手动进行一些mlme操作(比如手动关联，断开连接等)，或调整扫描参数。

帧级分析

可以使用 tcpdump 和 wireshark 捕获相关帧, 查看 MLME 交互细节。

性能优化

场景	优化策略
高密度部署	减少主动扫描频率，启用背景扫描
低延迟要求	禁用省电模式（`iw dev wlan0 set power_save off`）
快速漫游	启用 802.11r（FT-over-Air），MLME 直接处理密钥切换