[移动开发]Android SoftAP 实现框架

1. SoftAP 简介

??无线AP（AP，Access Point，无线访问节点、会话点或存取桥接器）是一个包含很广的名称，它不仅包含单纯性无线接入点（无线AP），也同样是无线路由器（含无线网关、无线网桥）等类设备的统称。

??单纯性无线接入点就是一个无线的交换机，提供无线信号发射接收的功能，不具备路由功能（包括DNS、DHCP、Firewall等）

??从Android 2.2 开始支持SoftAp 功能（也称为Wifi Tethering ），SoftAp 是指将手机作为无线AP， 其他便携式设备可以通过802.11 协议与其互联， 并通过Tethering 技术实现网络Internet 共享等功能。

??所以，Android 实现的SoftAp 是包含了路由功能的无线接入点，提供类似无线路由器的功能。

2. 功能模块与框架图

??Android 提供的无线AP功能，可以简单的划分为设备和路由功能两部分。

• 其中设备相关部分包括，启动，关闭，鉴权功能等；
• 路由相关的功能，包括DHCP，DNS 配置，网络数据路由转发等，是在路由表中通过地址转换技术(NAT)实现。

框架图

3. 功能简单分析

APP:

• app\Settings\src\com\android\settings\ TetherSettings.java 设置SoftAp 界面
• app\Settings\src\com\android\settings\wifi\ WifiApEnabler.java

Framework Layer :

• frameworks\base\services\java\com\android\server\connectivity\Tethering.java
• frameworks\base\services\java\com\android\server\ConnectivityService.java
• frameworks\base\services\java\com\android\server\NetworkManagementService.java 网络管理服务

Local User Space demon:

• Netd 守护进程: 管理网络设备接口，流量控制，softap，Tethering等；
  system\netd
• hostapd 进程：由netd 进程启动的子进程，用来管理softap；
  external\wpa_supplicant_8\hostapd
• dnsmasq 进程：用来配置dns forward, dhcp 等功能；
  external\dnsmasq
• iptables 进程：路由表管理，实现NAT 等功能；
  external\iptables

3.1 设备启动与管理

??SoftAP 在硬件上实现依赖于 WiFi 芯片，当前的 WiFi 芯片厂商大都不支持 WiFi(station) 和 SoftAP(ap) 共存；部分性能较好的模组能够很好的支持STA + AP。

??开启SoftAP 功能在Settings程序的WifiApEnabler. onPreferenceChange里， 设置soft ap在WifiApDialog.onClick里。它们依赖WifiManager的如下接口：

• void setWifiApEnabled(WifiConfiguration wifiConfig, boolean enable)
• int getWifiApEnabledState()
• WifiConfiguration getWifiApConfiguration()
• void setWifiApConfiguration(WifiConfiguration wifiConfig)

??WifiManager调用WifiService实现的功能， WifiService最终调用NetworkManagementService.startAccessPoint函数， 如下（仅为例子，为公司定制代码，源码流程有机会会专门写一篇文章）：

    @Override
    public void startAccessPoint(
            WifiConfiguration wifiConfig, String wlanIface) {
        mContext.enforceCallingOrSelfPermission(CONNECTIVITY_INTERNAL, TAG);
        try {
            wifiFirmwareReload(wlanIface, "AP");
            //mConnector.doCommand(String.format("softap start " + wlanIface));
            if (wifiConfig == null) {
                mConnector.execute("softap", "set", wlanIface);
            } else {
                String cmd = new String("broadcast");
                if(wifiConfig.hiddenSSID)
                    cmd = new String("hidden");
                mConnector.execute("softap", "set", wlanIface, wifiConfig.SSID,
                                   cmd, "6", getSecurityType(wifiConfig),
                                   new SensitiveArg(wifiConfig.preSharedKey));
            }
            mConnector.execute("softap", "startap");
        } catch (NativeDaemonConnectorException e) {
            throw e.rethrowAsParcelableException();
        }
    }

??NetworkManagementService 顾名思义是Android系统的网络管理服务， 负责比较特殊的网络的设置(比如网络共享(Tether)和网络地址转换(Nat)和ip 转发(ip forwording))和向上层通知网络相关的事件。

??mConnector是一个NativeDaemonConnector， 这里用来和系统的netd守护进程通信。NetworkManagementService的好多功能都是通过Netd实现的。 Netd的代码在“android sources”/system/netd里。

??Netd中softap控制的功能在“android sources”/system/netd/SoftapController.{h,cpp}里， 是通过wireless extention定义的SIOCGIWPRIV来调用网卡驱动的ap功能。

??如果具体网卡驱动提供的soft ap接口不同， SoftapController的代码就需要改。比如T810T的驱动厂家提供了hostapd来控制ap， 就需要改SoftapController来适配hostapd提供的接口（参见: SoftapController.cpp 中宏开关HAVE_HOSTAPD）。

??Netd 进程中监听netd socket 并接收从NetworkManagementService 发送的指令，解析之后，执行start hostapd 的动作，启动softap 驱动模式并且配置参数。

int SoftapController::startSoftap() {
    ...
#ifdef HAVE_HOSTAPD
    if ((pid = fork()) < 0) {
        ALOGE("fork failed (%s)", strerror(errno));
        return ResponseCode::ServiceStartFailed;
    }
#endif
    if (!pid) {
#ifdef HAVE_HOSTAPD
        ensure_entropy_file_exists();
        if (execl(HOSTAPD_BIN_FILE, HOSTAPD_BIN_FILE,
                  "-e", WIFI_ENTROPY_FILE,
                  HOSTAPD_CONF_FILE, (char *) NULL)) {
            ALOGE("execl failed (%s)", strerror(errno));
        }
#endif
     ...
}

??启动之后，Wlan0 的设备启动，并且被当作network device , 并向系统发送设备启动成功的消息，便于后续路由配置等工作继续。

3.2 网络共享功能的实现

??com.android.server.connectivity.Tethering类向NetworkManagementService(NetworkManagementService通过netd来监听， netd用netlink socket监听内核热插拔事件)类注册了一个Observer来监听Interface的add， remove， change的信息。 当使能softap时， 会以softap模式加载驱动， 此时驱动会发出热插拔事件。

??Tethering类里面跑了两种状态机， 一个TetherMasterSM， 和n个TetherInterfaceSM(每个tetherable interface对应一个)。 添加Interface时就会启动一个TetherInterfaceSM状态机， 并进入Initial状态， 发出ConnectivityManager.ACTION_TETHER_STATE_CHANGED广播。 WifiService收到广播后调用ConnectivityService.tethering(inf)函数， 给TetherInterfaceSM发送CMD_TETHER_REQUESTED命令， 进入tethered状态。

??当UpstreamIface（比如现在共享3g网络）发生变化时， TetherMasterSM会通知所有TetherInterfaceSM改变nat。

??TetherMasterSM初始阶段UpstreamIface的选择是根据从NetworkManagementServicem获得所有Ingerface，能匹配上com.android.internal.R.array.config_tether_upstream_regexs(在base.core.res.res.values.configs中定义， 原始为空需要根据实际情况来改)的第一个状态为up的interface即被选为UpstreamIface。

??运行时UpstreamIface也可能变化， Tethering类监听ConnectivityManager.CONNECTIVITY_ACTION事件(当网络连接变化时由ConnectivityService发出)， 当收到时给TetherMasterSM发TetherMasterSM.CMD_UPSTREAM_CHANGED消息。 TetherMasterSM收到后重新选择UpstreamIface，并向所有TetherInterfaceSM发送TetherInterfaceSM.CMD_TETHER_CONNECTION_CHANGED事件来用新的UpstreamIface重启Nat。

Tethering原理如下：

• NetworkManagementService.setIpForwardingEnabled(true)
• NetworkManagementService.startTethering(mDhcpRange)// 启动dnsmasq(负责dhcp和dns forwarding)
• NetworkManagementService. setDnsForwarders(mDnsServers)//通过给dnsmasq发命令来设置dns服务器
• NetworkManagementService.enableNat(String internalInterface, String externalInterface)//启动nat(网络地址转换)

4. SoftAP 运行时序图