Wifibox：一种嵌入式虚拟化无线路由器
作者：Gábor Páli
由于生活优先级的变化，我在 2017 年左右远离了 FreeBSD。后来我重新回归，开始为自己构建一台基于 FreeBSD 的工作站，是一台联想 ThinkPad X220。我注意到，尽管它能够工作，但无线支持仍然远未达到最佳状态，驱动程序 iwm 既不稳定，也不适合日常使用。
我意识到，在无线网络领域，FreeBSD 仍然在努力追赶 Linux 系统的性能，原因在于缺乏最新的硬件支持。这背后有一个原因：FreeBSD 常常不是首选目标，因此它不会成为这些开发的目标，而它的网络子系统部分需要提升，以满足最新的要求。这不是一个简单的问题，FreeBSD 基金会正在资助一个长期项目，旨在为该堆栈带来更新，并建立一个框架，便于重用来自 Linux 的无线网卡驱动程序。
这一点让我感到困扰，我不能再耐心等待问题得到解决。我想重新参与 FreeBSD 的开发，因为我不仅喜欢使用它，还喜欢学习它。然而，我没有足够的时间来精通网络和驱动程序代码的开发，因此我需要寻找其他机会。
原型
当我了解到另一种方法时，我感到非常兴奋（感谢 Gábor Zahemszky 的提醒！）。这个方法的核心是利用 bhyve 的 PCI 直通功能来运行 Linux 虚拟机，借此可以直接与硬件通信，设置无线连接，并将网络共享给 FreeBSD 主机。我发现了 David Schlachter 的一篇优秀博客文章，文中详细介绍了整个过程，我也通过这篇文章的帮助成功构建了自己的原型。
在试验整个过程的过程中，我从至少两个角度进行了研究。首先，考虑到系统升级，是否这个方法可以长期维持；其次，考虑到没有深刻理解此解决方案的用户，是否可以轻松安装和移除该方法。作为一名前 Ports 开发者，我知道我必须能够维护这些组件，并使它们与基本系统隔离，同时与其他第三方集成。那么为什么不利用现有的 Ports 框架呢？于是，在 2021 年 4 月诞生了 Port net/wifibox 的概念。
最初，我使用 Port sysutils/vm-bhyve 来构建和管理基于 Alpine Linux 的虚拟机。Alpine 是一款轻量级的 Linux 发行版，采用 OpenRC 作为 init 系统，使用 musl 标准 C 库使得能够创建小型应用程序，并集成了 BusyBox 用于最常用的命令行工具。最初，它是作为嵌入式优先的发行版创建的。我在使用 Docker 容器镜像时了解到了它，并记住了它的小巧和易用性。它得到了积极维护，提供了大量通过“aports”系统管理的软件包。回顾过去，整个系统在许多方面与 FreeBSD 类似，我也变得很喜欢它。
尽管 vm-bhyve 是一个出色的工具，但我觉得它对于这个特定的用例来说有些过于复杂。相反，我将其作为基本用户界面的模型，例如提供一个控制台让用户与虚拟机进行交互，以及一些基本的编排例程。由于这些例程需要与命令行的 bhyve 工具进行交互，我决定坚持使用基于 shell 的方法。如果我尝试用其他更高级的语言（如 Python）实现所有这些操作，可能不会有更好的体验，因为那样会不必要地增加构建时间，并引入对其他第三方软件包的依赖。
最终，Wifibox 的用户界面包括命令 start、stop、restart、status 和 resume 。恢复操作需要特别处理，因为已知在笔记本电脑睡眠时，虚拟机会失去与虚拟化 PCI 设备的连接，故必须以某种方式恢复这种连接。经过一些实验，我发现通过停止虚拟机、重新加载 vmm 内核模块并重新启动虚拟机，可以缓解这一问题。最近，Joshua Rogers 提出了一个解决方案，在内核层面解决了这个问题，但这个修复还没有被加入到基本系统中。
虚拟机与 PCI 设备的交互常常被证明是一个弱点，这通常限制了 Wifibox 本身的可用性。作为这种解决方法的改进，恢复方法的范围已经得到扩展。某些硬件配置对设备关闭和重启的方式有不同的反应。例如，得益于 Joshua 的工作，发现设备是否在虚拟机的关机过程中正确关闭非常重要。还发现，Linux 内核模块 ath11k_pci 在虚拟化环境中的运行并不理想，因为它假设消息信号中断（MSI）表的位置与主机一致。只有在 FreeBSD 主机以某种方式支持为虚拟机注入主机物理 MSI 信息或禁用 MSI 虚拟化时，才能处理这个问题。
VirtFS/9P 支持
Wifibox 的一个主要设计原则是用户无需了解底层虚拟机，就能够将其作为原生应用直接在主机上运行。为了实现这一点，探索了最近完成的 bhyve VirtFS/9P 文件系统直通支持的工作。通过在主机上挂载适当的目录到 bhyve 虚拟机，所需的配置文件可以导入，日志文件也可以导出。这样，用户就不必手动移动或保持虚拟机与 FreeBSD 主机之间的文件同步。
从 FreeBSD 13 开始有 VirtFS/9P 支持，但我希望将其扩展到当时的旧版本（12 和 11），以扩大其用户群。幸运的是，这个功能包含在一个单独的模块中，我能够创建另一个 Port，名为 sysutils/bhyve+，以自动修补基本系统中的 bhyve 源代码，使其包含该模块。有了这个，用户不必等待原作者回溯这个功能，但可以根据需要为 Port net/wifibox 拉入这个额外的依赖项。除了添加 virtfs-9p，bhyve+ Port 还包含了许多其他修复，使得 Wifibox 可以运行。基本目标是组合一个版本的 bhyve，使其在每个主要的 FreeBSD 版本中都相同，最大程度地减少差异。这个版本本来是基于 13.x 线的，但相关的架构变更使得这一点变得不简单，后来这个想法被放弃了。多年来，它的相关性逐渐减弱，最终变得过时。
为虚拟机创建磁盘镜像面临许多挑战。主要问题是，最初的镜像是一个预安装的 Alpine 系统。它在我的工作站上本地维护，难以追踪其包含内容，并且由于写入各种临时和工作文件，它不断变化。从用户的角度来看，这引发了一个有效的问题：是否信任“别人家的虚拟机”。最初的版本大约是 640 MB，与典型的嵌入式系统镜像相比显得很庞大。这个大小部分是由于镜像包含了所有可能有用的工具和文件，因此，下一步的逻辑就是使其更小巧和模块化。
版本 1.0
在 2022 年 5 月发布的版本 1.0 中，进行了大量工作来重构镜像的创建过程。主要目标是使整个过程可重复且精简。从技术上讲，安装系统组件的复杂性被转化为 Port 的 Makefile。镜像获得了自己的子 Port net/wifibox-alpine，而协调脚本被拆分为 net/wifibox-core，net/wifibox 成为了一个元 Port。通过不断实验 Alpine 安装文件、根文件系统包及其包管理器 apk 工具，它们被调整为在 FreeBSD 上运行，并借助 Linux 兼容层实现。此外，为了实现自动化安装，将创建一个 Makefile，将系统安装到主机上指定的目录，并可选择扩展额外文件，会在那里下载并安装 Alpine 包。包本身提供了一种模块化构建镜像的方法，并使用户可以通过各种 Port 选项进行选择。例如，可以单独安装各大无线网卡品牌的固件文件，并为它们创建 FreeBSD 包的不同版本。
基于包的方式使得创建额外的包以及修改现有包成为可能。不幸的是，许多上游的 Alpine 包含有一些额外的内容，如文档和附加的二进制文件，因此需要将其删除。但它也使得像 mDNSResponder 这样的应用可以被移植到这个平台，并作为解决方案的一部分运行。Linux 内核本身的包必须经过大量编辑，去除所有未使用的组件，减少其资源消耗并缩小攻击面。Wifibox 不需要标准的基于 initrd 的启动过程，因此初始的临时根文件系统被完全移除，直接从其根文件系统进行启动。与 AMD64 架构无关的配置文件和补丁被移除，因为 Wifibox 仅支持该特定架构。
虚拟机镜像通过 SquashFS 压缩，保持整体大小在 15 MB 左右。此方法还使用了一个只读的根文件系统，防止即使是 root 用户也无法篡改。它通过一个内存支持的临时文件系统扩展，挂载在 /tmp 下，管理运行时的文件写入，此外还使用 VirtFS/9P 挂载来读取来自主机的应用配置文件。启动过程通过 GRUB 进行，因此 Linux 内核（没有其模块）不包含在此镜像中，而是通过 sysutils/grub2-bhyve 预加载。
包框架
为了推出所需的 Wifibox 包，除了导入的上游包外，还采用了 Alpine Linux 的包框架。为了透明性和可重复性，每个自定义包都有自己的 APKBUILD 文件和版本控制的额外文件，这些文件存储在 git 中。包是在一个干净的、专用的 Alpine Linux bhyve 虚拟机上构建的，该虚拟机通常被称为 wifibox-dev，并在每次小版本的 Alpine 发布时重新创建。生成的包会上传到 GitHub，供用户方便下载。在过去，也曾尝试在 Linux 的 chroot 环境中构建包，但 FreeBSD 原生的 Linux 模拟支持不足以满足这个目的。跨编译的结果也类似，因此我最终也选择使用 bhyve 来实现这一点。根据 Bernhard Fröhlich 的建议，我目前正在考虑利用 GitHub Actions 在原生 Linux 环境中自动独立地构建 Wifibox 包。
基于 Linux 的无线网络栈
一个常规的基于 Linux 的无线网络栈在虚拟机中运行。首先，Linux 内核用于检测 PCI 无线设备，并通过其驱动程序以及相应的固件（如有必要）使设备运行。由标准的 OpenRC 服务启动无线网络接口 wlan0。接着，WPA Supplicant 或 hostapd 会连接到该接口以完成配置。除了无线接口外，bhyve 还暴露了一个虚拟的 eth0 以太网接口。在主机上，定义了一个桥接接口 wifibox0，并通过一个 tap 软件隧道将其与虚拟机中的 eth0 接口连接起来。使用 ip-tables，应用了网络地址转换（NAT）和数据包转发，使得流量在 wlan0 和 eth0 之间双向流动。IP 地址通过 Busybox 内置的 udhcpd 获取（在主机上通过 eth0），而在虚拟机内（通过 wlan0），则使用 dhcpcd 或 udhcpd 获取 IP 地址。主机的 IP 地址范围可以在 Wifibox 配置中控制，并根据用户需求进行调整。
由于引入了 NAT，请注意，Wifibox 为 eth0 和 wlan0 使用了不同的 IP 地址范围。因此，某些应用程序可能无法直接正常工作，需要部署额外的工具和配置，例如端口转发。从安全角度来看，这可以视为一个优点，因为我们自动安装了防火墙。但同样，这也是一个缺点，因为它打破了端到端的连接性——这是互联网的核心原则。为了解决这个问题，曾进行过实验，将数据包转发推到以太网层级。例如，存在 WLAN Kabel，它实现了在以太网和无线接口之间移动数据包。虽然流量能够正常流动，但 DHCP 通信无法穿过这个障碍，且观察到的性能较低。尽管如此，这仍然是一个有趣的方案，值得在未来进一步探索。
使用 Wifibox 的一个优势是所谓的“Unix 域套接字透传”，它帮助像 wpa_cli 和 wpa_gui 这样的工具直接与虚拟机内部运行的 WPA Supplicant 通信，从而用户不必在虚拟机内运行这些工具并与虚拟机交互。这是额外的功能，因为虚拟机文件系统中的 Unix 域套接字并未通过 VirtFS/9P 导出，因此主机无法看到它们。为了解决这个问题，虚拟机中运行了一个专门的 uds_passthru 进程，该进程在后台运行精简版的 socat，将套接字转换为 TCP 端口。主机一侧有一对进程，它通过这些端口与虚拟机通信，并将数据转回本地的套接字。通过这种方式，Wifibox 可以模拟该套接字的存在，实现平滑的通信。与虚拟机配合，协调脚本通过一个特定的配置文件自动管理套接字透传。
作为产品的 Wifibox
虽然 Wifibox 客户操作系统主要基于 Alpine Linux，但它通常包括额外的补丁。例如，它从 Arch Linux 导入了一些补丁和软件包，因为 Arch 对无线设备的支持更好。但也发现，旧款博通网卡的驱动程序根本不支持 MSI，这是虚拟化环境中必须具备的功能。某些驱动程序的初始化延迟过慢，导致 WPA Supplicant 在启动时无法找到 wlan0 接口，因此实现了指数退避机制以增强其鲁棒性。正如经验所示，专门解决这些问题的小型操作系统发行版是非常必要的。
协调器脚本使得可以将 bhyve 与其他工具结合，进一步塑造其行为。由于 Anton Saietskii 的观察，nice 被用于帮助控制负责运行虚拟机的进程的优先级，避免过度加载主机。同样，增加了一个与 daemon 配合的层，用于监控状态，如果虚拟机崩溃或被故意重启，则重新启动它。
截至目前，正在积极维护 Wifibox，并且每年三月和九月发布半年度更新。在 Ashish Shukla 的帮助下，这些发布被推送到 FreeBSD Ports，因此可以通过 pkg 工具安装。需要注意的是，Wifibox 并未出现在 FreeBSD 发行版的安装介质上，这可能使得在通过无线网络安装 FreeBSD 时，使用 Wifibox 更加困难。然而，可以将所有必需的二进制包添加到安装介质中，并在开始安装过程之前使用它们初始化网络连接。
在项目的 主页 上，可以找到源代码及相应的 GitHub 仓库的指向，可以打开问题单并开始讨论。还有一个单独的仓库用于存放 Port，发布的开发版本提供了预览下一步进展并测试修复问题的机会。
文档
Wifibox 附带了大量的文档，因此我推荐读者进一步研究。我还想强调一个隐含但重要的组织原则，即关于文档的编写。Wifibox 遵循分阶段的“边读边走”模式。这意味着它没有详尽的在线文档，主 GitHub 仓库中的 README 文件涵盖了介绍、基本安装说明和已知兼容的硬件配置列表。用户随后必须安装 Wifibox 才能访问手册页，手册页提供了有关如何使用该工具和配置文件位置的详细信息。然后，在配置文件中，提供了更多的说明，指导用户完成相关步骤，同时在遇到错误时提供有用的错误信息以帮助用户。虚拟机镜像有自己的专门手册页。感谢 John Grafton、Warner Losh 及许多其他用户提供反馈，帮助我改进这些文档。
总结
这一切是好奇心的产物，旨在为 FreeBSD 无线网络之旅中的挑战提供快速解决方案，并发掘 PCI 直通技术和 bhyve 虚拟化设计所带来的技术优势的另一种用法。Wifibox 仍然存在一些缺点，远不能替代原生解决方案。因此，它被称为一种嵌入式虚拟化无线路由器，避免了购买专用硬件的需求，并创造性地将 CPU 的现有虚拟化能力呈现为这种设备的模拟。然而，我相信这一方法仍然有一些值得追求的想法，例如，使用 bhyve 只在虚拟机中运行 Linux 内核及其驱动程序，并将其直接作为无线网络设备暴露出来。这将使该方法更加接近本地解决方案，但目前尚不清楚它是否可行，且需要多少工作量。在此期间，我希望 Wifibox 能够减轻将本地解决方案推向生产环境的压力，并向用户保证，FreeBSD 依然是一个出色的选择，他们不必放弃通过无线连接获得良好的速度和可靠连接的可能性。
Gábor Páli 是位多年来始终愉快且忠诚的 FreeBSD 用户，他也曾在文档编写和 Ports开发方面获得过乐趣。他与妻子一起住在美丽的匈牙利城市埃斯泰尔戈姆（Esztergom）的边缘。他支持在行业中推广函数式编程，现如今他为 Apache CouchDB 做贡献，编写 Erlang 和 Scala 代码。
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