Android 3G/4G流量上网原理简析

手机通常会提供两种上网方式：Wifi或者3G/4G上网，Wifi上网其实就是利用网卡经过以太网上网；3G/4G则是经过基带，利用蜂窝网络进行上网，以前已经简单的阐述了**Wifi上网跟3G上网的区别**，本文主要简述Android 3G/4G上网的流程及原理。

• 无线上网硬件模型
• 3G/4G上网协议ppp
• 3G/4G上网流程-ppp如何创建
• socket如何经过基带模块发送数据、接收数据

Android流量数据上网概述（硬件平台及环境）

手机通常有两块网卡，只是不一样时使用，Wifi的那种以太网卡，还有就是3G/4G的无线Modem型网卡（基带模块），3G/4G上网用的是蜂窝网络，信号以电磁波的形式在空气中进行传播，发送到距离最近的基站，基站经过交换机转发到覆盖目标设备的基站，并通知目标设备，回传结果，这种上网模式在链路层，用的通常是PPP（Point-to-Point Protocol）协议，而其上网媒介用的则是无线通讯专用的无线基带通讯模块：

Android流量数据上网采用的协议-PPP（Point-to-Point Protocol）

同以太网不一样，移动端上网的方式是经过蜂窝网络进行上网，二者最大的区别是在链路层，Android 3G/4G无线上网的网络协议模型以下：

在数据链路层，PPP（Point-to-Point Protocol）协议提供了一种标准点对点的传输方式，为各类主机、网桥和路由器通讯提供通用链接方案。PPP协议主要包括如下三个部分：

• 令数据帧封装格式：基于HDLC(High Level Data Control，高层数据控制链路)标准，为串行数据链路上传输的数据包定义封装格式。
• 链路控制协议LCP(Link Control Protocol)：用于封装格式选项的自动协商、链路的创建和终止、探测链路错误和配置错误。
• 认证协议，最经常使用的包括口令验证协议PAP（Password Authentication Protocol）和挑战握手验证协议CHAP（Challenge-Handshake Authentication Protocol）。
• 网络控制协议NCP(Network Control Protocol)：PPP协议针对每一种网络层协议都有相应的网络控制协议，并经过它们完成点对点通讯时网络层参数的配置，如IP地址、DNS的动态协商。

其中上面的大部分都是在创建数据链路的时候用的，数据链路创建后，其实主要用关心的是令数据帧封装，PPP协议下的令数据帧封装格式以下图：

因为PPP协议是点对点的，不须要太多信息，所以这里是没有48位MAC地址概念的，所以，PPP也就无所谓 ARP（地址解析协议）和RARP（逆地址解析协议），这两个是某些网络接口（如以太网和令牌环网）使用的特殊协议。

Android流量数据上网的实现

在Android系统中，应用访问网络时，会首先查看数据上网链路是否已经创建创建，若是已经创建，则直接使用已创建的网络接口进行通讯，若是还未创建，则须要首先创建数据通路。PPP拨号上网配置十分复杂，须要一系列的协商、验证，为了开发方便，Linux对PPP数据链路的创建过程进行抽象，实现了pppd拨号应用程序，专门用于管理PPP数据链路的创建与关闭。不过，pppd其实只是负责创建数据链路，创建以后，数据上网不会依赖pppd服务，打个比方就是：pppd只负责修路，不负责运货，在整个手机无线通讯中，pppd地位以下图：

pppd是一个后台服务进程(daemon)，实现了全部鉴权、压缩/解压和加密/解密等扩展功能的控制协议，负责把要发送的数据包传递给PPP协议处理模块，设置PPP协议的参数，用来创建/关闭链接。

PPP数据链路创建流程

Android系统若是想要利用PPP协议进行数据通讯，必须首先按照PPP协议创建数据通讯链路。基带模块正确加载以后会映射多个ttyUSB设备文件，有的ttyUSB用于AT命令发送，有的用做数据通讯，底层经过串口多路复用机制，实现了USB串口的多路复用。在使用ttyUSB创建数据链路的时候，首先经过发送AT命令，打开无线上网模块，随后利用pppd拨号程序创建数据链路。拨号连接过程遵循PPP通讯协议，手机同蜂窝网络基站双方动态协商，配置链路参数、IP地址等，拨号成功后，Android系统会为基带模块映射一个虚拟网络接口名字多是ppp0，或者rmnetxxx等，以后，Android系统即可利用该接口进行网络通讯了，该接口的使用方式同wlan0相似，IP层对链路层彻底无感知。

PPP数据链路的创建须要完成三个步骤，包括链路层配置、链路认证以及网络层配置，这个过程当中，通讯双方必须经过协商，肯定数据包格式、IP地址等链路参数，才能正确创建PPP数据链路。在实际操做中，PPP数据链路的创建可分如下几个阶段：

• (1) 链路不可用阶段（Link Dead Phase）：PPP链路从这个阶段开始和结束，在该阶段，整条链路处于不可用状态，当通讯双方检测到物理线路激活时，会从该阶段转入链路创建阶段。
• (2) 链路创建阶段 (Link Establishment Phase)：在此阶段，PPP链路将经过LCP进行协商，肯定工做方式、认证方式、链路压缩等。若是LCP协商成功，则转入Opened状态，表示底层链路已经正确创建，若是链路协商失败，则会返回到第一阶段。链路创建成功后，若是配置了PPP认证，则会进入认证阶段，若是没有配置，则直接转入网络层协议阶段。
• (3) 认证阶段 (Authentication Phase)：在此阶段，PPP将进行用户认证工做，经过PAP或者CHAP验证用户名、密码等身份信息，若是认证失败，PPP链路进入链路终止阶段，拆除链路，若是认证成功则转入网络层协议阶段。
• (4) 网络层协议阶段 (Network-Layer Protocol Phase)；在此阶段，每种网络层协议会经过相应网络控制协议进行配置，本课题经过IPCP协商双方IP地址、DNS等，协商成功后，PPP链路即可基于TCP/IP发送或接收报文。
• (5) 链路终止阶段 (Link Termination Phase)：PPP能在任什么时候候终止链路，如认证失败、载波丢失等状况均会致使链路终止，PPP协议经过交换LCP报文来关闭链路，并通知网络层与物理层强制关闭链路，返回链路不可用阶段。链路创建流程如图3.19所示：

通讯链路创建后，pppd会建立一个网络接口（如ppp0），内核中的PPP协议模块也会登记该网络接口，对上层应用而言，该虚拟网络接口ppp0或者或者rmnetxxx，就是无线上网须要调用的接口，而且该接口建立之初就已经从3G网络得到了动态分配的IP地址，对上层应用而言能够看作一块真实的，而且已经激活的网卡设备，能够像使用以太网卡同样，进行TCP/IP网络通讯，pppd服务创建链路的流程图：

数据的发送流程

应用程序经过socket发送TCP/IP数据包时候，内核经过IP地址和路由表找到对应的网络接口（ppp0或者rmnetxxx），而后调用ppp协议相应的实现函数，经PPP协议封装，发送数据，最终经过串口将数据发送到基带模块，并经射频模块将信息传输到附近的基站。

数据的接收流程

数据接收流程能够看作是发送的逆向，不过这里稍微有些区别，那就是接收方，在数据链路创建的时候，接收方是pppd拨号进程，创建以后，普通的上网数据，接收方就是通常的用户进程：

总结

• 手机上网走的是PPP协议
• PPP协议没有MAC地址的概念
• pppd主要用来铺路（创建链路），不负责运货
• 链路创建后，对IP层而言，数据通讯流程同以太网没有区别

做者：看书的小蜗牛 Android 3G/4G流量上网原理简析

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