Android 5.0 LOLLIPOP (API Level 21)
高级连接
新增的多网络功能允许应用查询可用网络提供的功能，例如它们是 WLAN 网络、蜂窝网络还是按流量计费网络，或者它们是否提供特定网络功能。然后应用可以请求连接并对连接丢失或其他网络变化作出响应。
Android 5.0 提供了新的多网络 API，允许您的应用动态扫描具有特定能力的可用网络，并与它们建立连接。当您的应用需要 SUPL、彩信或运营商计费网络等专业化网络时，或者您想使用特定类型的传输协议发送数据时，就可以使用此功能。
通过以上的Android版本更新文档可以看出，Android 在 5.0 以上的系统中支持了多个网络连接的特性，这个特性让我一下就联想到iOS中的Wi-Fi助理。
Apple Wi-Fi 助理的工作原理
通过 Wi-Fi 助理，即使您的 Wi-Fi 连接信号差，您仍可保持与互联网的连接。例如，如果您在使用 Safari 时因 Wi-Fi 连接信号差而出现网页无法载入的情况，Wi-Fi 助理将激活并自动切换到蜂窝移动网络，以便网页继续载入。您可以将 Wi-Fi 助理与大多数应用（例如，Safari、Apple Music、“邮件”、“地图”等）配合使用。
当 Wi-Fi 助理激活时，您将在设备的状态栏中看到蜂窝移动数据图标。
由于当您的 Wi-Fi 连接信号差时，您将通过蜂窝移动网络保持与互联网的连接，您可能会用掉更多蜂窝移动数据。对于大多数用户，这应只比以往的用量高出很小的比率。如果您对您的数据用量有疑问，请了解有关管理蜂窝移动数据的更多信息，或者联系 Apple 支持。
Android 提供的这个特性意味着应用可以选择特定的网络发送网络数据。在用手机上网的时候很可能会遇到这种情况，已经连上了WiFi但是WiFi信号弱或者是该WiFi设备并没有连接到互联网，因此导致网络访问非常的缓慢甚至无法访问网络。但是这个时候手机的移动网络信号可能是非常好的，那么如果是在 Android 5.0 以下的系统上，我们只能关闭手机的WiFi功能，然后使用移动网络重新访问。在 Android 5.0 及以上的系统中有了这个特性之后，意味着应用可以自己处理好这种情况，直接切换到移动网络上面访问，为用户提供更好的体验。话不多说让我们来看一下怎么使用吧
setProcessDefaultNetwork
要从您的应用以动态方式选择并连接网络，请执行以下步骤：
- 创建一个
ConnectivityManager。 - 使用
NetworkRequest.Builder类创建一个NetworkRequest对象，并指定您的应用感兴趣的网络功能和传输类型。 - 要扫描合适的网络，请调用
requestNetwork()或registerNetworkCallback()，并传入NetworkRequest对象和ConnectivityManager.NetworkCallback的实现。如果您想在检测到合适的网络时主动切换到该网络，请使用requestNetwork()方法；如果只是接收已扫描网络的通知而不需要主动切换，请改用registerNetworkCallback()方法。
onAvailable() 回调。您可以使用回调中的 Network 对象来获取有关网络的更多信息，或者引导通信使用所选网络。app都采用指定的网络
ConnectivityManager cm = (ConnectivityManager) context.getSystemService(
Context.CONNECTIVITY_SERVICE);
NetworkRequest.Builder req = new NetworkRequest.Builder();
req.addTransportType(NetworkCapabilities.TRANSPORT_CELLULAR);
cm.requestNetwork(req.build(), new ConnectivityManager.NetworkCallback() {
@Override
public void onAvailable(Network network) {
try {
if (Build.VERSION.SDK_INT < Build.VERSION_CODES.M) {
ConnectivityManager.setProcessDefaultNetwork(network);
} else {
connectivityManager.bindProcessToNetwork(network);
}
} catch (IllegalStateException e) {
Log.e(TAG, "ConnectivityManager.NetworkCallback.onAvailable: ", e);
}
}
// Be sure to override other options in NetworkCallback() too...
}指定某个请求采用指定的网络
ConnectivityManager cm = (ConnectivityManager) context.getSystemService(
Context.CONNECTIVITY_SERVICE);
NetworkRequest.Builder req = new NetworkRequest.Builder();
req.addTransportType(NetworkCapabilities.TRANSPORT_CELLULAR);
cm.requestNetwork(req.build(), new ConnectivityManager.NetworkCallback() {
@Override
public void onAvailable(Network network) {
// If you want to use a raw socket...
network.bindSocket(...);
// Or if you want a managed URL connection...
URLConnection conn = network.openConnection(new URL("http://www.baidu.com/"));
}
// Be sure to override other options in NetworkCallback() too...
}Android 中的实现
1. 先看一下 frameworks/base/core/java/android/net/ConnectivityManager.java 中 setProcessDefaultNetwork 的实现
public static boolean setProcessDefaultNetwork(Network network) {
int netId = (network == null) ? NETID_UNSET : network.netId;
if (netId == NetworkUtils.getBoundNetworkForProcess()) {
return true;
}
if (NetworkUtils.bindProcessToNetwork(netId)) {
// Set HTTP proxy system properties to match network.
// TODO: Deprecate this static method and replace it with a non-static version.
try {
Proxy.setHttpProxySystemProperty(getInstance().getDefaultProxy());
} catch (SecurityException e) {
// The process doesn't have ACCESS_NETWORK_STATE, so we can't fetch the proxy.
Log.e(TAG, "Can't set proxy properties", e);
}
// Must flush DNS cache as new network may have different DNS resolutions.
InetAddress.clearDnsCache();
// Must flush socket pool as idle sockets will be bound to previous network and may
// cause subsequent fetches to be performed on old network.
NetworkEventDispatcher.getInstance().onNetworkConfigurationChanged();
return true;
} else {
return false;
}
}
2. 在 setProcessDefaultNetwork 的时候，HttpProxy，DNS 都会使用当前网络的配置，再来看一下 NetworkUtils.bindProcessToNetwork
/frameworks/base/core/java/android/net/NetworkUtils.bindProcessToNetwork 其实是直接转到了 /system/netd/client/NetdClient.cpp 中
int setNetworkForTarget(unsigned netId, std::atomic_uint* target) {
if (netId == NETID_UNSET) {
*target = netId;
return 0;
}
// Verify that we are allowed to use |netId|, by creating a socket and trying to have it marked
// with the netId. Call libcSocket() directly; else the socket creation (via netdClientSocket())
// might itself cause another check with the fwmark server, which would be wasteful.
int socketFd;
if (libcSocket) {
socketFd = libcSocket(AF_INET6, SOCK_DGRAM | SOCK_CLOEXEC, 0);
} else {
socketFd = socket(AF_INET6, SOCK_DGRAM | SOCK_CLOEXEC, 0);
}
if (socketFd < 0) {
return -errno;
}
int error = setNetworkForSocket(netId, socketFd);
if (!error) {
*target = netId;
}
close(socketFd);
return error;
}
extern "C" int setNetworkForSocket(unsigned netId, int socketFd) {
if (socketFd < 0) {
return -EBADF;
}
FwmarkCommand command = {FwmarkCommand::SELECT_NETWORK, netId, 0};
return FwmarkClient().send(&command, socketFd);
}
extern "C" int setNetworkForProcess(unsigned netId) {
return setNetworkForTarget(netId, &netIdForProcess);
}
3. 客户端发送 FwmarkCommand::SELECT_NETWORK 通知服务端处理，代码在 /system/netd/server/FwmarkServer.cpp
int FwmarkServer::processClient(SocketClient* client, int* socketFd) {
// .................
Fwmark fwmark;
socklen_t fwmarkLen = sizeof(fwmark.intValue);
if (getsockopt(*socketFd, SOL_SOCKET, SO_MARK, &fwmark.intValue, &fwmarkLen) == -1) {
return -errno;
}
switch (command.cmdId) {
// .................
case FwmarkCommand::SELECT_NETWORK: {
fwmark.netId = command.netId;
if (command.netId == NETID_UNSET) {
fwmark.explicitlySelected = false;
fwmark.protectedFromVpn = false;
permission = PERMISSION_NONE;
} else {
if (int ret = mNetworkController->checkUserNetworkAccess(client->getUid(),
command.netId)) {
return ret;
}
fwmark.explicitlySelected = true;
fwmark.protectedFromVpn = mNetworkController->canProtect(client->getUid());
}
break;
}
// .................
}
fwmark.permission = permission;
if (setsockopt(*socketFd, SOL_SOCKET, SO_MARK, &fwmark.intValue,
sizeof(fwmark.intValue)) == -1) {
return -errno;
}
return 0;
}
union Fwmark {
uint32_t intValue;
struct {
unsigned netId : 16;
bool explicitlySelected : 1;
bool protectedFromVpn : 1;
Permission permission : 2;
};
Fwmark() : intValue(0) {}
};1. 该进程在创建socket时(app首先调用setProcessDefaultNetwork())，android底层会利用setsockopt函数设置该socket的SO_MARK为netId（android有自己的管理逻辑，每个Network有对应的ID），以后利用该socket发送的数据都会被打上netId的标记(fwmark 值)。
2. 利用策略路由，将打着netId标记的数据包都路由到指定的网络接口，例如WIFI的接口wlan0。
Linux 中的策略路由暂不在本章展开讨论，这里只需要了解通过这种方式就能达到我们的目的。
Hook socket api
也就是说只要在当前进程中利用setsockopt函数设置所有socket的SO_MARK为netId，就可以完成所有的请求都走特定的网络接口。1. 先来看一下 /bionic/libc/bionic/socket.cpp
int socket(int domain, int type, int protocol) {
return __netdClientDispatch.socket(domain, type, protocol);
}2. /bionic/libc/private/NetdClientDispatch.h
struct NetdClientDispatch {
int (*accept4)(int, struct sockaddr*, socklen_t*, int);
int (*connect)(int, const struct sockaddr*, socklen_t);
int (*socket)(int, int, int);
unsigned (*netIdForResolv)(unsigned);
};
extern __LIBC_HIDDEN__ struct NetdClientDispatch __netdClientDispatch;3. /bionic/libc/bionic/NetdClientDispatch.cpp
extern "C" __socketcall int __accept4(int, sockaddr*, socklen_t*, int);
extern "C" __socketcall int __connect(int, const sockaddr*, socklen_t);
extern "C" __socketcall int __socket(int, int, int);
static unsigned fallBackNetIdForResolv(unsigned netId) {
return netId;
}
// This structure is modified only at startup (when libc.so is loaded) and never
// afterwards, so it's okay that it's read later at runtime without a lock.
__LIBC_HIDDEN__ NetdClientDispatch __netdClientDispatch __attribute__((aligned(32))) = {
__accept4,
__connect,
__socket,
fallBackNetIdForResolv,
};4. /bionic/libc/bionic/NetdClient.cpp
template <typename FunctionType>
static void netdClientInitFunction(void* handle, const char* symbol, FunctionType* function) {
typedef void (*InitFunctionType)(FunctionType*);
InitFunctionType initFunction = reinterpret_cast<InitFunctionType>(dlsym(handle, symbol));
if (initFunction != NULL) {
initFunction(function);
}
}
static void netdClientInitImpl() {
void* netdClientHandle = dlopen("libnetd_client.so", RTLD_NOW);
if (netdClientHandle == NULL) {
// If the library is not available, it's not an error. We'll just use
// default implementations of functions that it would've overridden.
return;
}
netdClientInitFunction(netdClientHandle, "netdClientInitAccept4",
&__netdClientDispatch.accept4);
netdClientInitFunction(netdClientHandle, "netdClientInitConnect",
&__netdClientDispatch.connect);
netdClientInitFunction(netdClientHandle, "netdClientInitNetIdForResolv",
&__netdClientDispatch.netIdForResolv);
netdClientInitFunction(netdClientHandle, "netdClientInitSocket", &__netdClientDispatch.socket);
}
static pthread_once_t netdClientInitOnce = PTHREAD_ONCE_INIT;
extern "C" __LIBC_HIDDEN__ void netdClientInit() {
if (pthread_once(&netdClientInitOnce, netdClientInitImpl)) {
__libc_format_log(ANDROID_LOG_ERROR, "netdClient", "Failed to initialize netd_client");
}
}
5. /system/netd/client/NetdClient.cpp
extern "C" void netdClientInitSocket(SocketFunctionType* function) {
if (function && *function) {
libcSocket = *function;
*function = netdClientSocket;
}
}
int netdClientSocket(int domain, int type, int protocol) {
int socketFd = libcSocket(domain, type, protocol);
if (socketFd == -1) {
return -1;
}
unsigned netId = netIdForProcess;
if (netId != NETID_UNSET && FwmarkClient::shouldSetFwmark(domain)) {
if (int error = setNetworkForSocket(netId, socketFd)) {
return closeFdAndSetErrno(socketFd, error);
}
}
return socketFd;
}
int netdClientAccept4(int sockfd, sockaddr* addr, socklen_t* addrlen, int flags);
int netdClientConnect(int sockfd, const sockaddr* addr, socklen_t addrlen);
int netdClientSocket(int domain, int type, int protocol);
看到这里应该明白了，以上的函数和 libc 中的 accpet / connect / socket 功能相同，只是额外的将 socket 的SO_MARK设为netId。注意：netIdForProcess 为之前调用 setProcessDefaultNetwork 时保存下来的值。
所以当调用 libc 中的 connect() 的时候, connect() -> netdClientConnect() -> __connect()，也就完成了将所有 socket 的SO_MARK设置为netId了。
自然在应用中无论是通过 Java 新建的网络连接，还是通过 native 代码新建的网络连接，只要最后是通过 libc 中的接口就能使用该功能。至于连着WiFi最后流量耗了一大堆的问题，可能会让用户再次陷入是否应该关闭iOS 11中WiFi助理功能类似的纠结。无论如何从技术上来讲这是一个优化点，说来 Linux 本身是支持的，也许在 Android 5.0 以下也是可以实现的？