WiFi Toolkit v1.0 📡 专业无线通信框架

📖 概述

WiFi Toolkit 为 Linux 平台提供了完整的无线网络开发解决方案。从底层的WiFi扫描、连接管理，到上层的自定义协议传输、音视频流媒体服务器，以及高性能缓冲区和实用工具，一应俱全。

核心组件

• WiFiScanner —— 扫描周围网络、信号历史、信道分析
• WiFiManager —— 连接管理、AP模式、Mesh、QoS、节能漫游
• ProtocolEngine —— 自定义可靠/不可靠协议、FEC、压缩、加密、多路径
• StreamingServer —— 基于FFmpeg的H.264/H.265/AAC直播服务器，支持自适应码率
• PacketBuffer —— 环形缓冲区、优先级队列、智能重传缓冲区
• Utils —— 性能计数器、流量整形器、FEC编码、安全工具、线程池、日志

✨ 特性一览

⚡ 快速开始

扫描附近网络并打印最强的5个热点：

#include <wifi_toolkit/wifi_scanner.hpp>
#include <iostream>

using namespace wifi_toolkit;

int main() {
    WiFiScanner scanner;
    if (!scanner.initialize("wlan0")) {
        std::cerr << "初始化失败\n";
        return 1;
    }
    WiFiScanner::ScanConfig config;
    scanner.scan(config);
    auto nets = scanner.get_networks();
    std::sort(nets.begin(), nets.end(),
        [](auto& a, auto& b){ return a.signal_strength > b.signal_strength; });
    for (int i=0; i<std::min(5,(int)nets.size()); ++i)
        std::cout << nets[i].ssid << " " << nets[i].signal_strength << "dBm\n";
    return 0;
}

编译：g++ -std=c++17 scan.cpp -lwifi_toolkit -lnl-3 -lnl-genl-3

📦 安装与依赖

Ubuntu 22.04 / Debian 12

sudo apt install build-essential cmake pkg-config \
    libnl-3-dev libnl-genl-3-dev libpcap-dev \
    libssl-dev zlib1g-dev liblz4-dev libzstd-dev \
    libavcodec-dev libavformat-dev libavutil-dev libswscale-dev \
    libopencv-dev portaudio19-dev

CMake 集成

find_package(wifi_toolkit REQUIRED)
target_link_libraries(my_app PRIVATE wifi_toolkit)

构建选项

cmake .. -DCMAKE_BUILD_TYPE=Release -DWITH_FFMPEG=ON -DWITH_OPENCV=ON

📡 WiFiScanner — 网络扫描与分析

WiFiScanner scanner;
scanner.initialize("wlan0");
scanner.set_scan_callback([](auto& nets){ /* 扫描完成回调 */ });
scanner.scan(config);                       // 单次扫描
scanner.start_continuous_scan(config);       // 连续扫描

核心结构：WiFiNetwork

struct WiFiNetwork {
    std::string ssid, bssid;
    int channel, frequency, signal_strength, noise_level, snr;
    std::string security, mode;
    bool is_encrypted, is_hidden;
    double quality_score() const;  // 综合信号质量
};

信道分析

auto channels = scanner.analyze_channels();
for (auto& ch : channels) {
    std::cout << "Channel " << ch.channel << ": " 
              << ch.network_count << " nets, interference " 
              << ch.interference_level << "%\n";
}

🛠️ WiFiManager — 连接与热点管理

WiFiManager mgr;
mgr.set_state_change_callback([](ConnectionState s){ /* 状态变化 */ });

WiFiManager::ConnectionConfig cfg;
cfg.ssid = "MyWiFi";
cfg.password = "secret";
cfg.security = WiFiManager::SecurityType::WPA2_PSK;
mgr.connect(cfg);

mgr.start_ap_mode("MyAP", "ap123456", WPA2_PSK, 6);  // 创建热点

支持的安全类型

• OPEN, WEP, WPA_PSK, WPA2_PSK, WPA3_SAE, WPA_ENTERPRISE(PEAP)等

高级功能

mgr.set_tx_power(20);            // 设置发射功率 dBm
mgr.enable_power_saving(true);   // 节能模式
mgr.join_mesh_network("mesh-id", "key");  // Mesh网络

🔧 ProtocolEngine — 自定义协议引擎

支持可靠流、不可靠数据报、优先级流、多路径、FEC、压缩、加密。

ProtocolEngine engine;
ProtocolEngine::ProtocolConfig config;
config.type = ProtocolEngine::ProtocolType::RELIABLE_STREAM;
config.enable_fec = true;
config.enable_compression = true;
config.compression_type = ProtocolEngine::ProtocolConfig::LZ4;
engine.initialize(config);

auto stream_id = engine.create_stream("192.168.1.100", 8080, config);
engine.send_data(stream_id, (uint8_t*)"hello", 5, ProtocolEngine::QoSLevel::VIDEO);

engine.set_data_received_callback([](uint32_t sid, const uint8_t* d, size_t sz){
    std::cout << "收到数据\n";
});

拥塞控制

内置类CUBIC算法，可根据RTT和丢包率动态调整窗口。

engine.update_congestion_window(stream_id, loss_rate);
engine.adjust_transmission_rate(stream_id, rtt_ms);

🎥 StreamingServer — 音视频流媒体服务器

基于FFmpeg编码，支持H.264/H.265/AAC，自适应码率，录制，WebRTC。

StreamingServer server;
server.start_server(8080);
StreamingServer::StreamConfig sc;
sc.type = StreamingServer::StreamType::VIDEO_H264;
sc.video.width = 1920; sc.video.height = 1080; sc.video.fps = 30;
sc.adaptive.enable_abr = true;
auto sid = server.create_stream("live", sc);
server.start_stream(sid);

// 喂数据
server.feed_video_frame(sid, frame_data, size, pts, dts);

// 从摄像头直接推流
server.stream_from_camera(sid, 0);

客户端管理

std::vector<StreamingServer::ClientInfo> clients = server.get_connected_clients();

🗃️ 缓冲区模块 (packet_buffer)

RingBuffer — 无锁环形缓冲区

RingBuffer rb(1024*1024); // 1MB
rb.write_safe(data, size);
rb.read_safe(buffer, size);

PriorityPacketBuffer — 优先级队列

PriorityPacketBuffer pb(10*1024*1024);
pb.push_packet(PriorityPacketBuffer::HIGH, data, size, stream_id);
pb.pop_packet(buffer, buf_size, packet_size, info);

RetransmissionBuffer — 智能重传存储

RetransmissionBuffer rtx;
rtx.store_packet(stream_id, seq, data, size);
rtx.request_retransmission(stream_id, lost_seq);

🧰 工具集 (utils)

PerformanceCounter

PerformanceCounter pc; pc.start(); /* work */ pc.stop();
double ms = pc.get_elapsed_ms();
auto stats = pc.get_statistics(); // 含p95/p99

TrafficShaper — 流量整形

TrafficShaper::ShapingProfile prof;
prof.rate_bps = 1000000; // 1Mbps
TrafficShaper shaper(prof);
if (shaper.shape_packet(packet, size, priority)) { /* 允许通过 */ }

SecurityTool — 加密/签名

auto key = SecurityTool::generate_random_key(32);
auto hash = SecurityTool::hash_sha256(data, size);
auto cipher = SecurityTool::aes_256_gcm_encrypt(key, iv, data, size);

Logger — 结构化日志

Logger::get_instance().set_level(Logger::Level::DEBUG);
LOG_INFO("Server started on port " + std::to_string(port));

NetworkQualityProbe — 实时网络探测

NetworkQualityProbe probe;
probe.start_probing("8.8.8.8");
auto metrics = probe.get_current_metrics(); // RTT, jitter, 丢包率, MOS

💡 完整示例：音频视频推流

#include "wifi_toolkit/streaming_server.hpp"
#include "wifi_toolkit/utils.hpp"
#include <thread>
using namespace wifi_toolkit;

int main() {
    StreamingServer server;
    server.start_server(8080);
    StreamingServer::StreamConfig sc;
    sc.type = StreamingServer::StreamType::VIDEO_H264;
    sc.video = {1920,1080,30,5000,60,23,true,8000,1000};
    sc.adaptive.enable_abr = true;
    auto sid = server.create_stream("camera", sc);
    server.start_stream(sid);
    // 模拟摄像头读取线程
    std::thread cam([&]{
        cv::VideoCapture cap(0);
        cv::Mat frame;
        uint64_t pts = 0;
        while (running) {
            cap >> frame;
            std::vector<uint8_t> enc; // 实际应调用server.feed_video_frame
            server.feed_video_frame(sid, frame.data, frame.total()*frame.elemSize(), pts, pts);
            pts += 33; // 30fps
            std::this_thread::sleep_for(std::chrono::milliseconds(33));
        }
    });
    // 等待退出
    cam.join();
    server.stop_server();
    return 0;
}

更多示例见 examples/：client_example, benchmark, audio_video_demo

⚙️ 核心配置选项 (CMake)

📨 协议数据包格式 (ProtocolEngine)

每个数据包包含以下头部（约32字节）：

struct Packet {
    uint32_t sequence;    // 序列号
    uint32_t ack;         // 确认号
    uint32_t ack_bitmap;  // 位图ACK
    uint16_t flags;       // 标志位
    QoSLevel qos;         // 优先级
    uint8_t stream_id;    // 流ID
    uint32_t timestamp;   // 时间戳
    uint8_t fec_group_id, fec_index, fec_total; // FEC信息
    uint8_t retransmit_count;  // 重传次数
    // 负载数据
};

支持XOR FEC和Reed-Solomon（可扩展）。

🔬 高级用法

多路径传输 (Multipath)

engine.add_transmission_path(stream_id, "eth0");
engine.add_transmission_path(stream_id, "wlan0");

自适应码率 (ABR) 策略

StreamingServer根据客户端平均网络质量自动切换码率阶梯，回调通知。

server.set_quality_adaptation_callback(
    [](uint32_t sid, uint32_t old_kbps, uint32_t new_kbps) {
        LOG_INFO("Stream " + std::to_string(sid) + " bitrate changed");
    });

智能重传策略

RetransmissionBuffer rtx;
rtx.enable_smart_retransmission(true);
rtx.set_retransmission_strategy(2); // 批量重传

🔍 故障排除

📊 性能优化建议

• 使用 RingBuffer 的零拷贝接口 (get_write_pointer / advance_write_pointer) 避免额外复制。
• 根据CPU核心数调整 ThreadPool 大小。
• 启用硬件加速（如Intel QSV）可显著提升视频编码性能。
• 对低延迟要求高的流使用 LOW_LATENCY_STREAM 并禁用FEC。

📝 更新日志

版本 1.0.0 (2026-03-17)

• ✨ 正式发布，包含所有核心模块
• 📡 完整WiFi扫描与信道分析
• 🔧 协议引擎支持可靠/不可靠流、FEC、LZ4/Zstd压缩
• 🎥 流媒体服务器H.264/H.265/AAC推流，自适应码率
• 🛡️ 安全工具集 (AES-GCM, RSA, SHA256)
• 📊 网络质量探测与流量整形

版本 0.9.0 (2026-02-10) - Beta

• 基础扫描与连接功能，协议引擎原型

⚖️ 许可证