Documentation/networking/ieee802154.rst

   1 ===============================
   2 IEEE 802.15.4 Developer's Guide
   3 ===============================
   4
   5 Introduction
   6 ============
   7 The IEEE 802.15.4 working group focuses on standardization of the bottom
   8 two layers: Medium Access Control (MAC) and Physical access (PHY). And there
   9 are mainly two options available for upper layers:
  10
  11 - ZigBee - proprietary protocol from the ZigBee Alliance
  12 - 6LoWPAN - IPv6 networking over low rate personal area networks
  13
  14 The goal of the Linux-wpan is to provide a complete implementation
  15 of the IEEE 802.15.4 and 6LoWPAN protocols. IEEE 802.15.4 is a stack
  16 of protocols for organizing Low-Rate Wireless Personal Area Networks.
  17
  18 The stack is composed of three main parts:
  19
  20 - IEEE 802.15.4 layer;  We have chosen to use plain Berkeley socket API,
  21   the generic Linux networking stack to transfer IEEE 802.15.4 data
  22   messages and a special protocol over netlink for configuration/management
  23 - MAC - provides access to shared channel and reliable data delivery
  24 - PHY - represents device drivers
  25
  26 Socket API
  27 ==========
  28
  29 ::
  30
  31     int sd = socket(PF_IEEE802154, SOCK_DGRAM, 0);
  32
  33 The address family, socket addresses etc. are defined in the
  34 include/net/af_ieee802154.h header or in the special header
  35 in the userspace package (see either https://linux-wpan.org/wpan-tools.html
  36 or the git tree at https://github.com/linux-wpan/wpan-tools).
  37
  38 6LoWPAN Linux implementation
  39 ============================
  40
  41 The IEEE 802.15.4 standard specifies an MTU of 127 bytes, yielding about 80
  42 octets of actual MAC payload once security is turned on, on a wireless link
  43 with a link throughput of 250 kbps or less.  The 6LoWPAN adaptation format
  44 [RFC4944] was specified to carry IPv6 datagrams over such constrained links,
  45 taking into account limited bandwidth, memory, or energy resources that are
  46 expected in applications such as wireless Sensor Networks.  [RFC4944] defines
  47 a Mesh Addressing header to support sub-IP forwarding, a Fragmentation header
  48 to support the IPv6 minimum MTU requirement [RFC2460], and stateless header
  49 compression for IPv6 datagrams (LOWPAN_HC1 and LOWPAN_HC2) to reduce the
  50 relatively large IPv6 and UDP headers down to (in the best case) several bytes.
  51
  52 In September 2011 the standard update was published - [RFC6282].
  53 It deprecates HC1 and HC2 compression and defines IPHC encoding format which is
  54 used in this Linux implementation.
  55
  56 All the code related to 6lowpan you may find in files: net/6lowpan/*
  57 and net/ieee802154/6lowpan/*
  58
  59 To setup a 6LoWPAN interface you need:
  60 1. Add IEEE802.15.4 interface and set channel and PAN ID;
  61 2. Add 6lowpan interface by command like:
  62 # ip link add link wpan0 name lowpan0 type lowpan
  63 3. Bring up 'lowpan0' interface
  64
  65 Drivers
  66 =======
  67
  68 Like with WiFi, there are several types of devices implementing IEEE 802.15.4.
  69 1) 'HardMAC'. The MAC layer is implemented in the device itself, the device
  70 exports a management (e.g. MLME) and data API.
  71 2) 'SoftMAC' or just radio. These types of devices are just radio transceivers
  72 possibly with some kinds of acceleration like automatic CRC computation and
  73 comparison, automagic ACK handling, address matching, etc.
  74
  75 Those types of devices require different approach to be hooked into Linux kernel.
  76
  77 HardMAC
  78 -------
  79
  80 See the header include/net/ieee802154_netdev.h. You have to implement Linux
  81 net_device, with .type = ARPHRD_IEEE802154. Data is exchanged with socket family
  82 code via plain sk_buffs. On skb reception skb->cb must contain additional
  83 info as described in the struct ieee802154_mac_cb. During packet transmission
  84 the skb->cb is used to provide additional data to device's header_ops->create
  85 function. Be aware that this data can be overridden later (when socket code
  86 submits skb to qdisc), so if you need something from that cb later, you should
  87 store info in the skb->data on your own.
  88
  89 To hook the MLME interface you have to populate the ml_priv field of your
  90 net_device with a pointer to struct ieee802154_mlme_ops instance. The fields
  91 assoc_req, assoc_resp, disassoc_req, start_req, and scan_req are optional.
  92 All other fields are required.
  93
  94 SoftMAC
  95 -------
  96
  97 The MAC is the middle layer in the IEEE 802.15.4 Linux stack. This moment it
  98 provides interface for drivers registration and management of slave interfaces.
  99
 100 NOTE: Currently the only monitor device type is supported - it's IEEE 802.15.4
 101 stack interface for network sniffers (e.g. WireShark).
 102
 103 This layer is going to be extended soon.
 104
 105 See header include/net/mac802154.h and several drivers in
 106 drivers/net/ieee802154/.
 107
 108 Fake drivers
 109 ------------
 110
 111 In addition there is a driver available which simulates a real device with
 112 SoftMAC (fakelb - IEEE 802.15.4 loopback driver) interface. This option
 113 provides a possibility to test and debug the stack without usage of real hardware.
 114
 115 Device drivers API
 116 ==================
 117
 118 The include/net/mac802154.h defines following functions:
 119
 120 .. c:function:: struct ieee802154_dev *ieee802154_alloc_device (size_t priv_size, struct ieee802154_ops *ops)
 121
 122 Allocation of IEEE 802.15.4 compatible device.
 123
 124 .. c:function:: void ieee802154_free_device(struct ieee802154_dev *dev)
 125
 126 Freeing allocated device.
 127
 128 .. c:function:: int ieee802154_register_device(struct ieee802154_dev *dev)
 129
 130 Register PHY in the system.
 131
 132 .. c:function:: void ieee802154_unregister_device(struct ieee802154_dev *dev)
 133
 134 Freeing registered PHY.
 135
 136 .. c:function:: void ieee802154_rx_irqsafe(struct ieee802154_hw *hw, struct sk_buff *skb, u8 lqi)
 137
 138 Telling 802.15.4 module there is a new received frame in the skb with
 139 the RF Link Quality Indicator (LQI) from the hardware device.
 140
 141 .. c:function:: void ieee802154_xmit_complete(struct ieee802154_hw *hw, struct sk_buff *skb, bool ifs_handling)
 142
 143 Telling 802.15.4 module the frame in the skb is or going to be
 144 transmitted through the hardware device
 145
 146 The device driver must implement the following callbacks in the IEEE 802.15.4
 147 operations structure at least::
 148
 149    struct ieee802154_ops {
 150         ...
 151         int     (*start)(struct ieee802154_hw *hw);
 152         void    (*stop)(struct ieee802154_hw *hw);
 153         ...
 154         int     (*xmit_async)(struct ieee802154_hw *hw, struct sk_buff *skb);
 155         int     (*ed)(struct ieee802154_hw *hw, u8 *level);
 156         int     (*set_channel)(struct ieee802154_hw *hw, u8 page, u8 channel);
 157         ...
 158    };
 159
 160 .. c:function:: int start(struct ieee802154_hw *hw)
 161
 162 Handler that 802.15.4 module calls for the hardware device initialization.
 163
 164 .. c:function:: void stop(struct ieee802154_hw *hw)
 165
 166 Handler that 802.15.4 module calls for the hardware device cleanup.
 167
 168 .. c:function:: int xmit_async(struct ieee802154_hw *hw, struct sk_buff *skb)
 169
 170 Handler that 802.15.4 module calls for each frame in the skb going to be
 171 transmitted through the hardware device.
 172
 173 .. c:function:: int ed(struct ieee802154_hw *hw, u8 *level)
 174
 175 Handler that 802.15.4 module calls for Energy Detection from the hardware
 176 device.
 177
 178 .. c:function:: int set_channel(struct ieee802154_hw *hw, u8 page, u8 channel)
 179
 180 Set radio for listening on specific channel of the hardware device.
 181
 182 Moreover IEEE 802.15.4 device operations structure should be filled.