Android 3G/4G流量上網原理簡析

手機通常會提供兩種上網方式：Wifi或者3G/4G上網，Wifi上網其實就是利用網卡經過以太網上網；3G/4G則是經過基帶，利用蜂窩網絡進行上網，以前已經簡單的闡述了**Wifi上網跟3G上網的區別**，本文主要簡述Android 3G/4G上網的流程及原理。

• 無線上網硬件模型
• 3G/4G上網協議ppp
• 3G/4G上網流程-ppp如何創建
• socket如何經過基帶模塊發送數據、接收數據

Android流量數據上網概述（硬件平臺及環境）

手機通常有兩塊網卡，只是不一樣時使用，Wifi的那種以太網卡，還有就是3G/4G的無線Modem型網卡（基帶模塊），3G/4G上網用的是蜂窩網絡，信號以電磁波的形式在空氣中進行傳播，發送到距離最近的基站，基站經過交換機轉發到覆蓋目標設備的基站，並通知目標設備，回傳結果，這種上網模式在鏈路層，用的通常是PPP（Point-to-Point Protocol）協議，而其上網媒介用的則是無線通訊專用的無線基帶通訊模塊：

Android流量數據上網採用的協議-PPP（Point-to-Point Protocol）

同以太網不一樣，移動端上網的方式是經過蜂窩網絡進行上網，二者最大的區別是在鏈路層，Android 3G/4G無線上網的網絡協議模型以下：

在數據鏈路層，PPP（Point-to-Point Protocol）協議提供了一種標準點對點的傳輸方式，爲各類主機、網橋和路由器通訊提供通用鏈接方案。PPP協議主要包括如下三個部分：

• 令數據幀封裝格式：基於HDLC(High Level Data Control，高層數據控制鏈路)標準，爲串行數據鏈路上傳輸的數據包定義封裝格式。
• 鏈路控制協議LCP(Link Control Protocol)：用於封裝格式選項的自動協商、鏈路的創建和終止、探測鏈路錯誤和配置錯誤。
• 認證協議，最經常使用的包括口令驗證協議PAP（Password Authentication Protocol）和挑戰握手驗證協議CHAP（Challenge-Handshake Authentication Protocol）。
• 網絡控制協議NCP(Network Control Protocol)：PPP協議針對每一種網絡層協議都有相應的網絡控制協議，並經過它們完成點對點通訊時網絡層參數的配置，如IP地址、DNS的動態協商。

其中上面的大部分都是在創建數據鏈路的時候用的，數據鏈路創建後，其實主要用關心的是令數據幀封裝，PPP協議下的令數據幀封裝格式以下圖：

因爲PPP協議是點對點的，不須要太多信息，所以這裏是沒有48位MAC地址概念的，所以，PPP也就無所謂 ARP（地址解析協議）和RARP（逆地址解析協議），這兩個是某些網絡接口（如以太網和令牌環網）使用的特殊協議。

Android流量數據上網的實現

在Android系統中，應用訪問網絡時，會首先查看數據上網鏈路是否已經創建創建，若是已經創建，則直接使用已創建的網絡接口進行通訊，若是還未創建，則須要首先創建數據通路。PPP撥號上網配置十分複雜，須要一系列的協商、驗證，爲了開發方便，Linux對PPP數據鏈路的創建過程進行抽象，實現了pppd撥號應用程序，專門用於管理PPP數據鏈路的創建與關閉。不過，pppd其實只是負責創建數據鏈路，創建以後，數據上網不會依賴pppd服務，打個比方就是：pppd只負責修路，不負責運貨，在整個手機無線通訊中，pppd地位以下圖：

pppd是一個後臺服務進程(daemon)，實現了全部鑑權、壓縮/解壓和加密/解密等擴展功能的控制協議，負責把要發送的數據包傳遞給PPP協議處理模塊，設置PPP協議的參數，用來創建/關閉鏈接。

PPP數據鏈路創建流程

Android系統若是想要利用PPP協議進行數據通訊，必須首先按照PPP協議創建數據通訊鏈路。基帶模塊正確加載以後會映射多個ttyUSB設備文件，有的ttyUSB用於AT命令發送，有的用做數據通訊，底層經過串口多路複用機制，實現了USB串口的多路複用。在使用ttyUSB創建數據鏈路的時候，首先經過發送AT命令，打開無線上網模塊，隨後利用pppd撥號程序創建數據鏈路。撥號連接過程遵循PPP通訊協議，手機同蜂窩網絡基站雙方動態協商，配置鏈路參數、IP地址等，撥號成功後，Android系統會爲基帶模塊映射一個虛擬網絡接口名字多是ppp0，或者rmnetxxx等，以後，Android系統即可利用該接口進行網絡通訊了，該接口的使用方式同wlan0相似，IP層對鏈路層徹底無感知。

PPP數據鏈路的創建須要完成三個步驟，包括鏈路層配置、鏈路認證以及網絡層配置，這個過程當中，通訊雙方必須經過協商，肯定數據包格式、IP地址等鏈路參數，才能正確創建PPP數據鏈路。在實際操做中，PPP數據鏈路的創建可分如下幾個階段：

• (1) 鏈路不可用階段（Link Dead Phase）：PPP鏈路從這個階段開始和結束，在該階段，整條鏈路處於不可用狀態，當通訊雙方檢測到物理線路激活時，會從該階段轉入鏈路創建階段。
• (2) 鏈路創建階段 (Link Establishment Phase)：在此階段，PPP鏈路將經過LCP進行協商，肯定工做方式、認證方式、鏈路壓縮等。若是LCP協商成功，則轉入Opened狀態，表示底層鏈路已經正確創建，若是鏈路協商失敗，則會返回到第一階段。鏈路創建成功後，若是配置了PPP認證，則會進入認證階段，若是沒有配置，則直接轉入網絡層協議階段。
• (3) 認證階段 (Authentication Phase)：在此階段，PPP將進行用戶認證工做，經過PAP或者CHAP驗證用戶名、密碼等身份信息，若是認證失敗，PPP鏈路進入鏈路終止階段，拆除鏈路，若是認證成功則轉入網絡層協議階段。
• (4) 網絡層協議階段 (Network-Layer Protocol Phase)；在此階段，每種網絡層協議會經過相應網絡控制協議進行配置，本課題經過IPCP協商雙方IP地址、DNS等，協商成功後，PPP鏈路即可基於TCP/IP發送或接收報文。
• (5) 鏈路終止階段 (Link Termination Phase)：PPP能在任什麼時候候終止鏈路，如認證失敗、載波丟失等狀況均會致使鏈路終止，PPP協議經過交換LCP報文來關閉鏈路，並通知網絡層與物理層強制關閉鏈路，返回鏈路不可用階段。鏈路創建流程如圖3.19所示：

通訊鏈路創建後，pppd會建立一個網絡接口（如ppp0），內核中的PPP協議模塊也會登記該網絡接口，對上層應用而言，該虛擬網絡接口ppp0或者或者rmnetxxx，就是無線上網須要調用的接口，而且該接口建立之初就已經從3G網絡得到了動態分配的IP地址，對上層應用而言能夠看作一塊真實的，而且已經激活的網卡設備，能夠像使用以太網卡同樣，進行TCP/IP網絡通訊，pppd服務創建鏈路的流程圖：

數據的發送流程

應用程序經過socket發送TCP/IP數據包時候，內核經過IP地址和路由表找到對應的網絡接口（ppp0或者rmnetxxx），而後調用ppp協議相應的實現函數，經PPP協議封裝，發送數據，最終經過串口將數據發送到基帶模塊，並經射頻模塊將信息傳輸到附近的基站。

數據的接收流程

數據接收流程能夠看作是發送的逆向，不過這裏稍微有些區別，那就是接收方，在數據鏈路創建的時候，接收方是pppd撥號進程，創建以後，普通的上網數據，接收方就是通常的用戶進程：

總結

• 手機上網走的是PPP協議
• PPP協議沒有MAC地址的概念
• pppd主要用來鋪路（創建鏈路），不負責運貨
• 鏈路創建後，對IP層而言，數據通訊流程同以太網沒有區別

做者：看書的小蝸牛 Android 3G/4G流量上網原理簡析

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