Linux下使用libiw进行无线信号扫描的实例

打开电脑连接wifi是一件很平常的事情，但这些事情通常都是操作系统下的wifi管理程序替我们完成的，如何在程序中扫描wifi信号其实资料并不多，前面已经有两篇文章介绍了如何使用ioctl()扫描wifi信号，但其实在Linux下有一个简单的库对这些ioctl()的操作进行了封装，这个库就是libiw，使用libiw可以简化编程，本文介绍了如果使用libiw对wifi信号进行扫描的基本方法，本文将给出完整的源代码，本文程序在 ubuntu 20.04 下编译测试完成，gcc 版本号 9.4.0；尽管本文内容主要涉及无线网络，但读者并不需要对 802.11 标准有所了解。

1 前言

前面已经有两篇文章介绍了如何扫描 wifi 信号，《使用ioctl扫描wifi信号获取信号属性的实例(一)》和《使用ioctl扫描wifi信号获取信号属性的实例(二)》，这两篇文章均是使用 ioctl() 完成的 wifi 信号扫描；
本文介绍使用 libiw 库进行 wifi 信号扫描的方法，比较前两篇文章中介绍的方法，编程上更加简单；
实际上使用 libiw 扫描 wifi 信号，本质上还是使用 ioctl()；
在大多数以 Linux 内核为基础的操作系统中，都是包含 WE(Wireless Extensions) 的，WE 实际就是一组在用户空间操作无线网卡驱动程序的一组 API，库 libiw 是对 WE 的一个封装；
尽管库 libiw 可以给 wifi 编程带来一定的便利，但其实这是一个已经过时的库，这个库的最后更新日期是 2009 年，尽管如此，现在的绝大多数无线网卡驱动程序仍然支持 WE，所以我们仍然可以使用 libiw 进行 wifi 编程；
一些常用的 wifi 工具软件是使用 WE 实现的，比如：iwlist、iwconfig 等，由此也可以看出 WE 在 wifi 编程中仍然占有很重要的位置；

2 安装 libiw

libiw 包含在开源项目 Wireless Tools 中，可以自行编译 libiw 库或者使用 apt 安装

在 ubuntu 上使用 apt 安装 libiw

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sudo apt update
sudo apt install libiw-dev

自行编译 libiw

克隆项目：

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git clone https://github.com/HewlettPackard/wireless-tools

编译动态库 libiw.so.29

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gcc -Os -W -Wall -Wstrict-prototypes -Wmissing-prototypes -Wshadow -Wpointer-arith -Wcast-qual -Winline -I. -MMD -fPIC -c -o iwlib.so iwlib.c
gcc -shared -o libiw.so.29 -Wl,-soname,libiw.so.29  -lm -lc iwlib.so

编译静态库 libiw.a

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rm -f libiw.a
ar cru libiw.a iwlib.so
ranlib libiw.a

要说明的是，使用 apt 安装的 libiw，其动态链接库为 libiw.so.30，但是使用这个项目的开源版本编译出来的动态链接库为 libiw.so.29，版本略有不同，libiw.so.30 更新于 2009 年，而开源项目的源代码更新于 2007 年，二者还是略有差别的；

3 wifi扫描涉及的 libiw 函数和数据结构

使用 libiw 编写 wifi 扫描程序，比起使用 ioctl() 要容易一些，但可以获得的信息远不如使用 ioct() 直接扫描 wifi 获得的信息多；
以下一些 libiw 中的函数和数据结构在本文的实例程序中会使用到，这些函数的更详细的说明，也可以查看另一篇文章《libiw中的函数说明》；
int iw_sockets_open(void)

这个函数逐个尝试使用不同的协议族建立 socket，直至成功或者全部失败，尝试的顺序为：AF_INET、AF_IPX、AF_AX25、AF_APPLETALK，绝大多数情况下可以使用 AF_INET 建立 socket，成功返回 socket，失败则返回 -1；
void iw_enum_devices(int skfd, iw_enum_handler fn, char *args[], int count)

这个函数会列举出系统中的所有网络接口，每找到一个网络接口就会调用一次函数 fn()，args[] 是传给 fn() 的参数数组，count 是参数的数量，本文利用这个函数在所有网络接口中找到无线网络接口，然后对无线网络接口进行扫描；

其查找无线网络接口的原理是：当 iw_enum_devices() 函数找到一个网络接口时会调用 fn()，在函数 fn() 辨别该网络接口是否为无线网络接口；
int iw_get_range_info(int skfd, const char *ifname, iwrange *range)

使用这个函数主要是为了得到当前系统 WE(Wireless Extensions) 的版本号，在调用 iw_scan() 对无线网络接口进行扫描时，需要 WE 的版本号作为参数，这是因为不同版本的 WE 在进行扫描时方法略有差异；

int iw_scan(int skfd, char *ifname, int we_version, wireless_scan_head *context)

对无线网络接口进行扫描，ifname 为网络接口名称，扫描结果放在 context 中，context 是 struct wireless_scan_head 的指针，里面存放了扫描结果链表的首指针 result，struct wireless_scan_head 定义在 iwlib.h 中，其具体结构如下：

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typedef struct wireless_scan_head
{
    wireless_scan   *result;    /* Result of the scan */
    int             retry;      /* Retry level */
} wireless_scan_head;

其中的 wireless_scan 就是 struct wireless_scan，同样定义在 iwlib.h 中，其具体定义如下：

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typedef struct wireless_scan
{
    /* Linked list */
    struct wireless_scan *next;

    /* Cell identifiaction */
    int         has_ap_addr;
    sockaddr    ap_addr;        /* Access point address */

    /* Other information */
    struct wireless_config  b;  /* Basic information */
    iwstats stats;              /* Signal strength */
    int     has_stats;
    iwparam maxbitrate;         /* Max bit rate in bps */
    int     has_maxbitrate;
} wireless_scan;

这是一个结构链表，next 指向链表的下一项，链表中的每一项表示一个扫描到的信号，在 struct wireless_scan 中，当 has_ap_addr 不为 0 时，ap_addr 中存放着该信号对应的 AP 的 MAC 地址；当 has_maxbitrate 不为 0 时，maxbitrate 中存放着该信号所支持的最大传输速率；当 has_stats 不为 0 时，stats 中存放着信号强度；信号的 SSID、工作频率等，存放在 b 中，b 是一个 struct wireless_scan 结构，定义在 iwlib.h 中，其具体定义如下：

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struct wireless_config
{
    char    name[IFNAMSIZ + 1]; /* Wireless/protocol name */
    int     has_nwid;
    iwparam nwid;               /* Network ID */
    int     has_freq;
    double  freq;               /* Frequency/channel */
    int     freq_flags;
    int     has_key;
    unsigned char   key[IW_ENCODING_TOKEN_MAX]; /* Encoding key used */
    int     key_size;           /* Number of bytes */
    int     key_flags;          /* Various flags */
    int     has_essid;
    int     essid_on;
    char    essid[IW_ESSID_MAX_SIZE + 2];   /* ESSID (extended network) */
    int     essid_len;
    int     has_mode;
    int     mode;               /* Operation mode */
}

实际上这里面的一些项很多 WE 都已经不再支持，本例中我们会用到以下字段：name、freq、essid，其它字段很多 WE 并不返回数据；

void iw_sockets_close(int skfd)

这个函数将关闭一个使用 iw_sockets_open() 打开的 socket，其实这个函数和 close() 无异，所以你可以直接用 close(skfd) 关闭 socket。

4 使用 libiw 扫描 wifi 信号的基本思路

扫描 wifi 信号的基本流程
1. 使用 iw_sockets_open() 建立一个socket
2. 使用 iw_enum_devices() 枚举所有的网络设备，并从中找到无线网卡设备名称
3. 使用 iw_get_range_ino() 获取 WE 的版本号
4. 使用 iw_scan() 启动 wifi 信号扫描并获取扫描结果
5. 使用 iw_sockets_close() 关闭使用 iw_sockets_open() 打开的 socket
使用 iw_scan() 获取扫描结果的问题
- 与使用 ioctl() 进行 wifi 信号扫描(请参考《使用ioctl扫描wifi信号获取信号属性的实例(一)》和《使用ioctl扫描wifi信号获取信号属性的实例(二)》)相比，使用 libiw 扫描 wifi 信号得到的信息其实要少一些，这也是这种方法的最主要的不足；
- 这主要是因为 struct wireless_scan 这个结构可以容纳的信息十分有限
- iw_scan() 需要 4 个参数(见上节关于该函数的说明)，其中第 4 个参数是 wireless_scan_head *context；
- wireless_scan_head 和其中的 wireless_scan 的数据结构在上节已经做了详细的介绍，扫描到的 wifi 信号的数据实际存放在一个 wireless_scan 结构链表中；
- 受结构所限，很多信息都不得不减少，比如一般一个信号可以支持很多连接速率，但是该结构中只给出一个 maxbitrate 字段，所以无法所有信号支持的传输速率
- 在比如一个信号通常可以支持多个不同的信道，每个信道为不同的工作频率，使用 libiw 扫描信号只能得到其列表中的最后一个频率值；
- 这些缺失的数据在使用 ioctl() 进行信号扫描时都是可以得到的。

5 使用 libiw 扫描 wifi 信号的实例

完整的源代码，文件名：iw-scanner.c(点击文件名下载源程序)；
这个程序比起在文章《使用ioctl扫描wifi信号获取信号属性的实例(一)》和《使用ioctl扫描wifi信号获取信号属性的实例(二)》的程序要简单得多；
简述一下程序的基本流程：
- 使用 iw_sockets_open() 为内核打开一个 socket；
- 使用 iw_enum_devices() 枚举所有的网络接口，在调用 iw_enum_devices() 设置了一个回调函数 iw_ifname()，并将一个字符缓冲区的指针 ifname 传给该回调函数；
- 当 iw_enum_devices() 发现一个网络接口时，便会调用 iw_ifname()，iw_ifname() 通过一个 ioctl() 的调用来判断该接口是否为无线网络接口，如果是，则将其接口名称复制到参数 ifname 中，并返回 1，否则返回 0；
- 执行完 iw_enum_devices() 如果 ifname 中没有接口名称，则表示当前系统中么有无线网络接口，直接退出程序，如果 ifname 中已有网络接口名称，则使用该接口准备开始进行 wifi 信号扫描；
- 使用 iw_get_range_info() 获取该无线网络接口的 range 信息，实际上只是需要获得 WE 的版本号，以便在下面使用；
- 使用 libiw 的 iw_scan() 启动 wifi 信号扫描非常容易，iw_scan() 需要四个参数，第一个是用 iw_sockets_open() 打开的 socket，第二个是我们在上面获取的无线网络接口的名称，第三个是 WE 的版本号，第四个是用于存储扫描结果链表的头指针；
- iw_scan() 的执行是需要 root 权限的，所以这个程序要以 sudo 的方式运行，另外 iw_scan() 的执行也需要一定时间；
- 获取扫描结果，可以通过检查扫描结果链表的头指针来判断是否有扫描结果，如果这个指针不为空则表示有扫描结果；
- 接下来就是遍历整个扫描结果链表，并将其中的信息显示出来，比较文章《使用ioctl扫描wifi信号获取信号属性的实例(一)》和《使用ioctl扫描wifi信号获取信号属性的实例(二)》中的扫描结果，这里获得的信息比较有限；
- 最后使用 iw_sockets_close() 关闭打开的 socket。
程序中有些不明确的概念或做法，请参考文章《使用ioctl扫描wifi信号获取信号属性的实例(一)》和《使用ioctl扫描wifi信号获取信号属性的实例(二)》
编译：gcc -Wall iw-scanner.c -o iw_scanner -liw
运行：sudo ./iw-scanner
运行截图：

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