hostapd状态机解析

文章目录

- - **STA 连接 AP 的全流程状态机**
  - **状态机详细解析**
  - - **1. 初始状态：DISCONNECTED**
    - **2. 认证阶段：AUTHENTICATING → AUTHENTICATED**
    - **3. 关联阶段：ASSOCIATING → ASSOCIATED**
    - **4. 密钥协商阶段 (4次握手)**
    - **5. 授权阶段：AUTHORIZED**
  - **安全机制状态转换**
  - **超时与错误处理机制**
  - - **1. 认证超时**
    - **2. 握手失败处理**
  - **关键数据结构**
  - **实际调试分析**
  - **状态机设计特点**
  - **企业级部署特殊流程**
  - **性能优化设计**
  - **总结**

STA 连接 AP 的全流程状态机

STA发送Probe Request AP验证成功
(设置WLAN_STA_AUTH) STA发送Association Request AP接受关联
(设置WLAN_STA_ASSOC) 启动4次握手
(EAPOL状态机) 握手成功
(安装PTK/GTK) 设置WLAN_STA_AUTHORIZED 开启数据传输认证失败关联失败握手失败收到Deauth帧 DISCONNECTED AUTHENTICATING AUTHENTICATED ASSOCIATING ASSOCIATED KEY_HANDSHAKE KEY_VALID AUTHORIZED DATA_TRANSMISSION

状态机详细解析

1. 初始状态：DISCONNECTED

触发条件：STA未连接
AP行为 ：
- 周期性发送 Beacon 帧（包含 SSID/安全策略）
- 监听 Probe Request

关键数据结构 ：

c 复制代码

struct hostapd_data {
    struct sta_info *sta_list;  // 空列表
};

2. 认证阶段：AUTHENTICATING → AUTHENTICATED

触发事件 ：STA发送 Probe Request + Authentication Request

AP处理流程 ：

c 复制代码

// ieee802_11.c
static void handle_auth(struct hostapd_data *hapd, const u8 *buf, size_t len)
{
    // 1. 检查MAC黑名单
    if (hostapd_maclist_found(hapd->conf->deny_mac, src, 0))
        goto fail;
    
    // 2. 创建STA状态结构
    sta = ap_get_sta(hapd, src);
    if (!sta) {
        sta = ap_sta_add(hapd, src);  // 分配sta_info
    }
    
    // 3. 验证认证算法
    if (alg != WLAN_AUTH_OPEN && alg != WLAN_AUTH_SHARED_KEY)
        goto fail;
    
    // 4. 设置认证状态
    sta->flags |= WLAN_STA_AUTH;
    
    // 5. 发送Authentication Response(成功)
    hostapd_send_auth_reply(hapd, sta, WLAN_STATUS_SUCCESS);
}

状态标志 ：sta->flags |= WLAN_STA_AUTH

3. 关联阶段：ASSOCIATING → ASSOCIATED

触发事件 ：STA发送 Association Request

AP关键处理 ：

c 复制代码

// ieee802_11.c
static void handle_assoc(struct hostapd_data *hapd, const u8 *buf, size_t len)
{
    // 1. 验证认证状态
    if (!(sta->flags & WLAN_STA_AUTH))
        goto fail;
    
    // 2. 检查能力匹配
    if (check_ht_capab(hapd, sta, capab_info, ht_capab))
        goto fail;
    
    // 3. 分配AID
    sta->aid = ap_get_aid(hapd);
    
    // 4. 设置关联状态
    sta->flags |= WLAN_STA_ASSOC;
    
    // 5. 发送Association Response
    hostapd_send_assoc_resp(hapd, sta, WLAN_STATUS_SUCCESS);
}

状态标志 ：sta->flags |= WLAN_STA_ASSOC

4. 密钥协商阶段 (4次握手)

AP STA Msg1(ANonce) Msg2(SNonce, MIC) Msg3(GTK, MIC) Msg4(确认) AP STA

AP端状态机 （在 wpa_auth.c 中实现）：

c 复制代码

enum {
    WPA_PTK_INITIALIZE,   // 0
    WPA_PTK_START,        // 1
    WPA_PTK_PTKINITNEGOTIATING, // 2
    WPA_PTK_PTKCALCNEGOTIATING, // 3
    WPA_PTK_UPDATEKEYS,   // 4
    WPA_PTK_DONE          // 5
};

关键验证点 ：
- MIC 校验：wpa_verify_mic()
- PTK 生成：wpa_pmk_to_ptk()
- GTK 分发：wpa_send_group_msg1()

5. 授权阶段：AUTHORIZED

触发条件：4次握手成功

AP行为 ：

c 复制代码

// wpa_auth.c
void wpa_auth_sm_event(struct wpa_state_machine *sm, enum wpa_event event)
{
    case WPA_PTK_DONE:
        sm->flags |= WPA_STA_AUTHORIZED;
        hostapd_set_sta_authorized(hapd, sta, 1);
        ieee80211_set_authorized(hapd, sta); // 激活端口
        break;
}

网络层激活 ：

c 复制代码

// driver_nl80211.c
void ieee80211_set_authorized(struct hostapd_data *hapd, struct sta_info *sta)
{
    nl80211_set_sta_authorized(hapd, sta->addr, 1);
    // 内核解除端口阻塞
}

安全机制状态转换

无加密配置PSK 配置RADIUS 启用SAE OPEN WPA_PSK PTK_INIT PTK_START：收到Msg1 PTK_START PTK_DONE：完成握手 WPA_EAP EAP_IDLE EAP_AUTH：开始认证 EAP_AUTH EAP_SUCCESS：认证通过 WPA3_SAE

超时与错误处理机制

1. 认证超时

c 复制代码

// ap_drv_ops.c
void ap_handle_timer(void *eloop_ctx, void *timeout_ctx)
{
    if (sta->timeout_next == STA_AUTH && 
        (os_get_time() - sta->last_auth > AUTH_TIMEOUT)) {
        ap_free_sta(hapd, sta); // 清除状态
    }
}

2. 握手失败处理

c 复制代码

// wpa_auth.c
static void wpa_sm_step(struct wpa_state_machine *sm)
{
    if (sm->PTKRequest && sm->PTKRequest_retry++ > MAX_RETRY) {
        wpa_sta_disconnect(hapd, sta); // 发送Deauth
        ap_free_sta(hapd, sta);
    }
}

关键数据结构

c 复制代码

// hostapd核心状态结构
struct sta_info {
    u8 addr[6];               // STA MAC地址
    u16 flags;                // 状态标志位
    enum wpa_states wpa_sm_state; // WPA状态机
    struct wpa_state_machine *wpa_sm;
    
    // 时间戳
    os_time_t last_auth;      // 最后认证时间
    os_time_t last_assoc;     // 最后关联时间
    
    // 安全密钥
    u8 ptk[64];              // Pairwise Transient Key
    u8 gtk[32];              // Group Temporal Key
};

// 状态标志位定义
#define WLAN_STA_AUTH        0x0001
#define WLAN_STA_ASSOC       0x0002
#define WLAN_STA_AUTHORIZED  0x0004
#define WLAN_STA_PENDING_POLL 0x0008

实际调试分析

查看状态机日志（启用 debug 模式）：

bash 复制代码

hostapd -dd /etc/hostapd.conf

典型日志序列：

复制代码

STA aa:bb:cc:dd:ee:ff status: AUTH -> ASSOC
WPA: PTK START for aa:bb:cc:dd:ee:ff
WPA: PTK DONE for aa:bb:cc:dd:ee:ff
AP-STA-CONNECTED aa:bb:cc:dd:ee:ff  # 最终状态

抓包分析关键帧：

Authentication (Seq: 0x0001)
Association Request (Seq: 0x0002)
EAPOL Msg1/2/3/4
Data Frame (加密数据)

状态机设计特点

分层状态管理：
- MAC层：AUTH/ASSOC
- 安全层：WPA状态机
- 驱动层：端口授权
超时重试机制：
- 认证超时：10秒
- 握手超时：3次重试
- 空闲超时：5分钟（发送Null帧检测）
安全状态分离：
- PSK模式：4次握手
- EAP模式：RADIUS状态机
- SAE模式：Dragonfly握手

驱动交互点：

c 复制代码

struct hostapd_driver_ops {
    int (*set_sta_authorized)(void *priv, const u8 *addr, int authorized);
    int (*send_eapol)(void *priv, const u8 *addr, const u8 *data, size_t data_len);
};

企业级部署特殊流程

EAP-TLS 状态扩展：
ASSOCIATED EAP_IDLE EAP_IDENTITY：发送Identity Request EAP_IDENTITY EAP_TLS_START：收到Identity Response EAP_TLS_START EAP_TLS_HANDSHAKE：交换证书 EAP_TLS_HANDSHAKE EAP_SUCCESS：验证成功 EAP_SUCCESS KEY_HANDSHAKE：生成MSK

RADIUS 集成 ：hostapd 作为 Authenticator 与 RADIUS 服务器交互
密钥派生：MSK → PMK → PTK/GTK

性能优化设计

状态缓存：
- Fast Transition：缓存 PMK-R1 避免重新认证
c 复制代码
```
struct rsn_pmksa_cache_entry {
    u8 pmk[PMK_LEN];
    u32 expiration;
};
```

批量状态处理：

c 复制代码

void ap_handle_assoc_batch(struct hostapd_data *hapd, struct ieee80211_mgmt *mgmt, size_t len)
{
    // 单次处理多个关联请求
}

异步事件驱动：

c 复制代码

eloop_register_timeout(0, 100000, ap_handle_timer, hapd, NULL);

总结

hostapd 的 STA 连接状态机是 WiFi 接入控制的核心，其设计特点包括：

严格分层：MAC连接 → 安全认证 → 网络授权
状态驱动：基于 IEEE 802.11 标准的帧序列触发
安全优先：所有数据通信前必须完成密钥协商
超时容错：自动清理异常状态防止资源泄漏
驱动抽象：统一接口适配不同网卡芯片

该状态机的高效实现保证了：

单AP支持200+ STA并发连接
漫游切换时间 < 50ms（FT优化）
企业级安全策略实施
多场景兼容性（家庭/企业/运营商）