Android 3G/4G流量上网原理简析

手机一般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通过以太网上网；3G/4G则是通过基带，利用蜂窝网络进行上网，之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如何建立
• socket如何通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）

手机一般有两块网卡，只是不同时使用，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，基站通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，用的一般是PPP（Point-to-Point Protocol）协议，而其上网媒介用的则是无线通信专用的无线基带通信模块：

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

同以太网不同，移动端上网的方式是通过蜂窝网络进行上网，两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如下：

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，为各种主机、网桥和路由器通信提供通用连接方案。PPP协议主要包括以下三个部分：

• 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、链路的建立和终止、探测链路错误和配置错误。
• 认证协议，最常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，并通过它们完成点对点通信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建立数据链路的时候用的，数据链路建立后，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如下图：

由于PPP协议是点对点的，不需要太多信息，因此这里是没有48位MAC地址概念的，因此，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建立建立，如果已经建立，则直接使用已建立的网络接口进行通信，如果还未建立，则需要首先建立数据通路。PPP拨号上网配置十分复杂，需要一系列的协商、验证，为了开发方便，Linux对PPP数据链路的建立过程进行抽象，实现了pppd拨号应用程序，专门用于管理PPP数据链路的建立与关闭。不过，pppd其实只是负责建立数据链路，建立之后，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，在整个手机无线通信中，pppd地位如下图：

pppd是一个后台服务进程(daemon)，实现了所有鉴权、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，用来建立/关闭连接。

PPP数据链路建立流程

Android系统如果想要利用PPP协议进行数据通信，必须首先按照PPP协议建立数据通信链路。基带模块正确加载之后会映射多个ttyUSB设备文件，有的ttyUSB用于AT命令发送，有的用作数据通信，底层通过串口多路复用机制，实现了USB串口的多路复用。在使用ttyUSB建立数据链路的时候，首先通过发送AT命令，打开无线上网模块，随后利用pppd拨号程序建立数据链路。拨号链接过程遵循PPP通信协议，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可能是ppp0，或者rmnetxxx等，之后，Android系统便可利用该接口进行网络通信了，该接口的使用方式同wlan0类似，IP层对链路层完全无感知。

PPP数据链路的建立需要完成三个步骤，包括链路层配置、链路认证以及网络层配置，这个过程中，通信双方必须通过协商，确定数据包格式、IP地址等链路参数，才能正确建立PPP数据链路。在实际操作中，PPP数据链路的建立可分以下几个阶段：

• (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，当通信双方检测到物理线路激活时，会从该阶段转入链路建立阶段。
• (2) 链路建立阶段 (Link Establishment Phase)：在此阶段，PPP链路将通过LCP进行协商，确定工作方式、认证方式、链路压缩等。如果LCP协商成功，则转入Opened状态，表示底层链路已经正确建立，如果链路协商失败，则会返回到第一阶段。链路建立成功后，如果配置了PPP认证，则会进入认证阶段，如果没有配置，则直接转入网络层协议阶段。
• (3) 认证阶段 (Authentication Phase)：在此阶段，PPP将进行用户认证工作，通过PAP或者CHAP验证用户名、密码等身份信息，如果认证失败，PPP链路进入链路终止阶段，拆除链路，如果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，每种网络层协议会通过相应网络控制协议进行配置，本课题通过IPCP协商双方IP地址、DNS等，协商成功后，PPP链路便可基于TCP/IP发送或接收报文。
• (5) 链路终止阶段 (Link Termination Phase)：PPP能在任何时候终止链路，如认证失败、载波丢失等情况均会导致链路终止，PPP协议通过交换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。链路建立流程如图3.19所示：

通信链路建立后，pppd会创建一个网络接口（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，就是无线上网需要调用的接口，并且该接口创建之初就已经从3G网络获得了动态分配的IP地址，对上层应用而言可以看做一块真实的，并且已经激活的网卡设备，可以像使用以太网卡一样，进行TCP/IP网络通信，pppd服务建立链路的流程图：

数据的发送流程

应用程序通过socket发送TCP/IP数据包时候，内核通过IP地址和路由表找到对应的网络接口（ppp0或者rmnetxxx），然后调用ppp协议相应的实现函数，经PPP协议封装，发送数据，最终通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

数据接收流程可以看做是发送的逆向，不过这里稍微有些区别，那就是接收方，在数据链路建立的时候，接收方是pppd拨号进程，建立之后，普通的上网数据，接收方就是一般的用户进程：

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（建立链路），不负责运货
• 链路建立后，对IP层而言，数据通信流程同以太网没有区别