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。

当系统检测到合适的网络时，它会连接到该网络并调用 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) {}
};

最后其实只是给 socketFd 设置了 mark，为什么这样就可以达到使用特定网络的目的呢。这里的实现原理大致为：
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？

Android多个网络连接

Android 5.0 LOLLIPOP (API Level 21)

高级连接

Apple Wi-Fi 助理的工作原理

setProcessDefaultNetwork

app都采用指定的网络

指定某个请求采用指定的网络

Android 中的实现

Hook socket api

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