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。
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:
手机4G上网模型.png
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:
Android 无线流量上网模型.jpg
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:
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:
PPP协议数据帧格式
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。
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:
image.png
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。
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:
链路建立流程
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:
pppd拨号建立链路示意图.jpg
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。
ppp数据发送流程.jpg
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:
数据接收流程.jpg
作者:看书的小蜗牛
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