使用 Go 和樹莓派排查 WiFi 問題

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時間 2022-05-08 09:24:52 51CTO 開發

去年夏天，我和妻子變賣了家產，帶着我們的兩隻狗移居了夏威夷。這裏有美麗的陽光、温暖的沙灘、涼爽的衝浪等你能想到的一切。我們同樣遇到了一些意料之外的事：WiFi 問題。

不過，這不是夏威夷的問題，而是我們租住公寓的問題。我們住在一個單身公寓裏，與房東的公寓僅一牆之隔。我們的租房協議中包含了免費的網絡連接！好耶！只不過，它是由房東的公寓裏的 WiFi 提供的，哇哦……

説實話，它的效果還不錯……吧？好吧，我承認它不盡如人意，並且不知道是哪裏的問題。路由器明明就在牆的另一邊，但我們的信號就是很不穩定，經常會自動斷開連接。在家的時候，我們的 WiFi 路由器的信號能夠穿過層層牆壁和地板。事實上，它所覆蓋的區域比我們居住的 600 平方英尺（大約 55 平方米）的公寓還要大。

在這種情況下，一個優秀的技術人員會怎麼做呢？既然想知道為什麼，當然是開始排查咯！

幸運的是，我們在搬家之前並沒有變賣掉樹莓派 Zero W。它是如此小巧便攜! 我當然就把它一起帶來了。我有一個機智的想法：通過樹莓派和它內置的 WiFi 適配器，使用 Go 語言編寫一個小程序來測量並顯示從路由器收到的 WiFi 信號。我打算先簡單快速地把它實現出來，以後再去考慮優化。真是麻煩！我現在只想知道這個 WiFi 是怎麼回事！

谷歌搜索了一番後，我發現了一個比較有用的 Go 軟件包 mdlayher/wifi ，它專門用於 WiFi 相關操作，聽起來很有希望！

獲取 WiFi 接口的信息

我的計劃是查詢 WiFi 接口的統計數據並返回信號強度，所以我需要先找到設備上的接口。幸運的是， mdlayher/wifi 包有一個查詢它們的方法，所以我可以創建一個 main.go 來實現它，具體代碼如下：

package main

import (
    "fmt"
    "github.com/mdlayher/wifi"
)

func main() {
    c, err := wifi.New()
    defer c.Close()

    if err != nil {
        panic(err)
    }

    interfaces, err := c.Interfaces()

    for _, x := range interfaces {
        fmt.Printf("%+v\n", x)
    }
}

讓我們來看看上面的代碼都做了什麼吧！首先是導入依賴包，導入後，我就可以使用 mdlayher/wifi 模塊就在 main 函數中創建一個新的客户端（類型為 *Client ）。接下來，只需要調用這個新的客户端（變量名為 c ）的 c.Interfaces() 方法就可以獲得系統中的接口列表。接着，我就可以遍歷包含接口指針的切片（變長數組），然後打印出它們的具體信息。

注意到 %+v 中有一個 + 了嗎？它意味着程序會詳細輸出 *Interface 結構體中的屬性名，這將有助於我標識出我看到的東西，而不用去查閲文檔。

運行上面的代碼後，我得到了機器上的 WiFi 接口列表：

&{Index:0 Name: HardwareAddr:5c:5f:67:f3:0a:a7 PHY:0 Device:3 Type:P2P device Frequency:0}
&{Index:3 Name:wlp2s0 HardwareAddr:5c:5f:67:f3:0a:a7 PHY:0 Device:1 Type:station Frequency:2412}

注意，兩行輸出中的 MAC 地址（ HardwareAddr ）是相同的，這意味着它們是同一個物理硬件。你也可以通過 PHY: 0 來確認。查閲 Go 的 wifi 模塊文檔， PHY 指的就是接口所屬的物理設備。

第一個接口沒有名字，類型是 TYPE: P2P 。第二個接口名為 wpl2s0 ，類型是 TYPE: Station 。 wifi 模塊的文檔列出了不同類型的接口，以及它們的用途。根據文檔， P2P （點對點傳輸）類型表示“該接口屬於點對點客户端網絡中的一個設備”。我認為這個接口的用途是 WiFi 直連，這是一個允許兩個 WiFi 設備在沒有中間接入點的情況下直接連接的標準。

Station （基站）類型表示“該接口是具有控制接入點controlling access point的客户端設備管理的基本服務集basic service set（BSS）的一部分”。這是大眾熟悉的無線設備標準功能：作為一個客户端來連接到網絡接入點。這是測試 WiFi 質量的重要接口。

利用接口獲取基站信息

利用該信息，我可以修改遍歷接口的代碼來獲取所需信息：

for _, x := range interfaces {
    if x.Type == wifi.InterfaceTypeStation {
        // c.StationInfo(x) returns a slice of all
        // the staton information about the interface
        info, err := c.StationInfo(x)
        if err != nil {
            fmt.Printf("Station err: %s\n", err)
        }
        for _, x := range info {
            fmt.Printf("%+v\n", x)
        }
    }
}

首先，這段程序檢查了 x.Type （接口類型）是否為 wifi.InterfaceTypeStation ，它是一個基站接口（也是本練習中唯一涉及到的類型）。不幸的是名字出現了衝突，這個接口“類型”並不是 Golang 中的“類型”。事實上，我在這裏使用了一個叫做 interfaceType 的 Go 類型來代表接口類型。呼，我花了一分鐘才弄明白！

然後，假設接口的類型正確，我們就可以調用 c.StationInfo(x) 來檢索基站信息， StationInfo() 方法可以獲取到關於這個接口 x 的信息。

這將返回一個包含 *StationInfo 指針的切片。我不大確定這裏為什麼要用切片，或許是因為接口可能返回多個 StationInfo ？不管怎麼樣，我都可以遍歷這個切片，然後使用之前提到的 +%v 技巧格式化打印出 StationInfo 結構的屬性名和屬性值。

運行上面的程序後，我得到了下面的輸出：

&{HardwareAddr:70:5a:9e:71:2e:d4 Connected:17m10s Inactive:1.579s ReceivedBytes:2458563 TransmittedBytes:1295562 ReceivedPackets:6355 TransmittedPackets:6135 ReceiveBitrate:2000000 TransmitBitrate:43300000 Signal:-79 TransmitRetries:2306 TransmitFailed:4 BeaconLoss:2}

我感興趣的是 Signal （信號）部分，可能還有 TransmitFailed （傳輸失敗）和 BeaconLoss （信標丟失）部分。信號強度是以 dBm（分貝-毫瓦decibel-milliwatts）為單位來報吿的。

簡短科普：如何讀懂 WiFi dBm

根據 MetaGeek 的説法：

-30 最佳，但它既不現實也沒有必要
-67 非常好，它適用於需要可靠數據包傳輸的應用，例如流媒體
-70 還不錯，它是實現可靠數據包傳輸的底線，適用於電子郵件和網頁瀏覽
-80 很差，只是基本連接，數據包傳輸不可靠
-90 不可用，接近“背景噪聲noise floor”

注意：dBm 是對數尺度，-60 比 -30 要低 1000 倍。

使它成為一個真的“掃描器”

所以，看着上面輸出顯示的我的信號：-79。哇哦，感覺不大好呢。不過單看這個結果並沒有太大幫助，它只能提供某個時間點的參考，只對 WiFi 網絡適配器在特定物理空間的某一瞬間有效。一個連續的讀數會更有用，藉助於它，我們觀察到信號隨着樹莓派的移動而變化。我可以再次修改 main 函數來實現這一點。

var i *wifi.Interface

for _, x := range interfaces {
    if x.Type == wifi.InterfaceTypeStation {
        // Loop through the interfaces, and assign the station
        // to var x
        // We could hardcode the station by name, or index,
        // or hardwareaddr, but this is more portable, if less efficient
        i = x
        break
    }
}

for {
    // c.StationInfo(x) returns a slice of all
    // the staton information about the interface
    info, err := c.StationInfo(i)
    if err != nil {
        fmt.Printf("Station err: %s\n", err)
    }

    for _, x := range info {
        fmt.Printf("Signal: %d\n", x.Signal)
    }

    time.Sleep(time.Second)
}

首先，我命名了一個 wifi.Interface 類型的變量 i 。因為它在循環的範圍外，所以我可以用它來存儲接口信息。循環內創建的任何變量在該循環的範圍外都是不可訪問的。

然後，我可以把這個循環一分為二。第一個遍歷了 c.Interfaces() 返回的接口切片，如果元素是一個 Station 類型，它就將其存儲在先前創建的變量 i 中，並跳出循環。

第二個循環是一個死循環，它將不斷地運行，直到我按下 Ctrl + C 來結束程序。和之前一樣，這個循環內部獲取接口信息、檢索基站信息，並打印出信號信息。然後它會休眠一秒鐘，再次運行，反覆打印信號信息，直到我退出為止。

運行上面的程序後，我得到了下面的輸出：

[[email protected] wifi-monitor]$ go run main.go
Signal: -81
Signal: -81
Signal: -79
Signal: -81

哇哦，感覺不妙。

繪製公寓信號分佈圖

不管怎麼説，知道這些信息總比不知道要好。讓樹莓派連接上顯示器或者電子墨水屏，並接上電源，我就可以讓它在公寓裏移動，並繪製出信號死角的位置。

劇透一下：由於房東的接入點在隔壁的公寓裏，對我來説最大的死角是以公寓廚房的冰箱為頂點的一個圓錐體形狀區域......這個冰箱與房東的公寓靠着一堵牆！

我想如果用《龍與地下城》裏的黑話來説，它就是一個“沉默之錐Cone of Silence”。或者至少是一個“糟糕的網絡連接之錐Cone of Poor Internet”。

總之，這段代碼可以直接在樹莓派上運行 go build -o wifi_scanner 來編譯，得到的二進制文件 wifi_scanner 可以運行在其他同樣的ARM 設備上。另外，它也可以在常規系統上用正確的 ARM 設備庫進行編譯。

祝你掃描愉快！希望你的 WiFi 路由器不在你的冰箱後面！你可以在我的 GitHub 存儲庫中找到這個項目所用的代碼。

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