安卓WiFi技术原理究竟是如何实现的？-晟辉智能制造

硬件基础：Wi-Fi通信的“身体”

要理解Wi-Fi，首先要明白它的物理组成部分，在安卓手机上,这主要包括：

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Wi-Fi芯片 (SoC - System on Chip):
- 这是Wi-Fi的核心，通常和蓝牙、GPS等其他无线模块集成在一个芯片上（称为“Combo Chip”）。
- 它负责所有物理层和数据链路层的工作，包括射频信号的收发、调制解调、信道选择、数据加密/解密等。
- 它就像一个精通无线通信语言的“翻译官”和“信号兵”。
天线:
- Wi-Fi芯片产生的电信号非常微弱，需要天线将其转换成电磁波在空中传播,反之亦然。
- 现代手机通常内置多根天线，用于MIMO (Multiple-Input Multiple-Output) 技术，即同时使用多个天线收发数据，从而成倍地提升速度和稳定性，你手机顶部或底部看到的几个小孔,可能就是天线的一部分。
CPU 和内存:
- CPU 运行安卓操作系统和应用程序,负责处理高层协议逻辑和应用数据。
- 内存作为数据缓冲区，用于在Wi-Fi芯片和CPU之间临时存储数据包。

简单比喻：如果把Wi-Fi通信比作寄一封信。

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Wi-Fi芯片 = 邮局（负责打包、写地址、盖上邮戳、分拣信件）。
天线 = 邮递员（负责把信件从邮局送到你家，也把你家的信件带回邮局）。
CPU = 你（决定要寄什么信，并阅读收到的信）。

软件协议栈：Wi-Fi通信的“语言和规则”

硬件只是基础，真正让Wi-Fi能够有序工作的是一套复杂的软件协议栈，它遵循OSI（开放系统互联）模型，但Wi-Fi主要涉及底下的几层。

物理层:
- 工作：处理最底层的无线信号，负责将数字0和1转换成无线电波，并在特定的频率（信道）上发射出去，同时也负责接收无线电波,并将其还原成数字0和1。
- 技术：定义了不同的Wi-Fi标准（如802.11n, 802.11ac, 802.11ax），它们决定了速度、频段（2.4GHz或5GHz）和调制方式。
数据链路层 - MAC子层:
- 工作：这是Wi-Fi最核心的软件部分，它管理着“谁可以在什么时候说话”。
- 核心功能：
  - CSMA/CA (载波侦听多路访问/冲突避免)：这是Wi-Fi解决“多人同时说话”问题的关键机制，设备在发送数据前，会先“听”一下信道是否空闲，如果空闲，就等一个随机时间再发送，以避免冲突，这比以太网的CSMA/CD（冲突检测）更复杂,因为无线环境难以同时收发。
  - 关联：你的手机必须先“握手”并“注册”到路由器上，才能正式加入网络,这个过程就是关联。
  - 加密/解密：负责处理WPA2/WPA3等加密协议,确保你的数据不会被轻易窃听。
  - 分段与重组：如果上层发来的数据包太大，超过了Wi-Fi单次能发送的尺寸，MAC层会把它切成小块（分段）发送,接收端再重新拼起来。
网络层:
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- 工作：负责逻辑寻址和数据包的路由。
- 核心协议：IP协议，你的手机和路由器都会被分配一个IP地址（如 168.1.100），IP协议确保数据包能从你的手机正确地发送到互联网上的另一台设备（如 8.8.8）。
传输层:
- 工作：提供端到端的数据传输服务,确保数据的完整性和顺序。
- 核心协议：
  - TCP (传输控制协议)：提供可靠的、面向连接的服务，它会进行三次握手建立连接，并通过确认、重传、流量控制等机制，确保数据不丢失、不重复、按顺序到达，适用于网页浏览、文件下载等对准确性要求高的场景。
  - UDP (用户数据报协议)：提供不可靠的、无连接的服务，它只管发，不管对方是否收到，速度快，开销小，适用于视频通话、在线游戏等对实时性要求高,能容忍少量丢包的场景。
应用层:
- 工作：直接面向用户的应用程序。
- 例子：你的浏览器、微信、抖音等，它们使用应用层的协议（如HTTP/HTTPS用于网页，WebSocket用于实时通信）来发送和接收最终的数据。

安卓系统中的实现：Wi-Fi的“大脑和神经”

安卓操作系统将这些协议和硬件管理起来，为用户提供统一的接口,主要涉及以下几个关键组件：

硬件抽象层:
- 作用：安卓的开放性意味着它可以运行在不同厂商的硬件上，HAL提供了一个标准接口，让上层的安卓框架可以调用不同厂商的Wi-Fi芯片驱动,而无需关心底层芯片的具体型号。
- 工作：框架层发出“开启Wi-Fi”的指令,HAL将其翻译成特定芯片能听懂的语言。
Wi-Fi Framework (Wi-Fi框架):
- 作用：这是安卓Wi-Fi管理的核心，位于frameworks/opt/net/wifi目录下。
- 主要组件：
  - Supplicant (wpa_supplicant)：这是一个开源的客户端程序，运行在安卓系统后台，它的唯一职责就是处理Wi-Fi的连接、认证和加密，它会与路由器进行“四次握手”（WPA2/WPA3）,完成密钥交换和安全认证。
  - Wi-Fi Service (Wi-Fi服务)：安卓系统的一个系统服务，作为所有Wi-Fi操作的“总管家”，它接收来自Settings（设置）或其他App的请求（如“扫描网络”、“连接到XX网络”）,然后调用Supplicant去执行具体操作。
  - WifiMonitor (Wi-Fi监控器)：实时监控Wi-Fi状态，如信号强度、连接状态、IP地址分配情况等,并将这些信息通知给系统。
Settings (设置应用):
- 作用：这是用户与Wi-Fi交互的图形界面，当你在设置里打开Wi-Fi、点击连接某个网络时，它实际上是通过系统Binder机制，向Wi-Fi Service发送了一个请求。
Netd (网络守护进程):
- 作用：一个运行在Linux内核空间的守护进程，负责管理网络接口、路由表和防火墙规则。
- 工作：当Wi-Fi连接成功并获取到IP地址后，Netd会负责配置网络接口、设置默认网关（通常是路由器的IP）、设置DNS服务器等，让你的手机能够通过Wi-Fi访问互联网。

一个完整的连接流程实例

让我们用一个完整的例子来串联所有部分：用户在咖啡馆连接到免费Wi-Fi网络。

用户操作：你在“设置” -> “WLAN”中，点击开启Wi-Fi，然后从列表中选择“Cafe_Free_Wi-Fi”并点击连接。
安卓框架响应：
- Settings App 接收到你的点击，通过Binder向 Wi-Fi Service 发送“连接到Cafe_Free_Wi-Fi”的请求。
- Wi-Fi Service 收到请求，会先让 Supplicant 去执行一次扫描，以确认该网络是否存在并获取其安全类型（如WPA2-Personal）。
- 扫描到后，Wi-Fi Service 指令 Supplicant 开始连接流程。
底层连接与认证：
- Supplicant 向Wi-Fi芯片发送指令，让其尝试连接到指定SSID的AP（路由器）。
- Wi-Fi芯片通过天线发送关联请求到路由器。
- 路由器响应,建立关联。
- Supplicant 与路由器进行四次握手，验证密码（预共享密钥）,并生成会话密钥。
- 认证成功,连接建立。
网络配置：
- 连接建立后，Supplicant 通知 Wi-Fi Service：“连接成功！”。
- Wi-Fi Service 请求 DHCP Client（通常由Netd管理）向路由器请求一个IP地址。
- 路由器作为DHCP服务器，分配一个IP地址（如 168.1.120）、子网掩码、网关和DNS服务器地址给你的手机。
- Netd 接收到这些信息后，配置系统的网络栈，使所有网络流量都通过Wi-Fi接口发出。
用户可用：
- Settings App 收到 Wi-Fi Service 的成功回调，更新UI，显示“已连接”。
- 你可以打开浏览器访问互联网了，你的请求会经过：App -> TCP/IP栈 -> Netd -> Wi-Fi Framework -> Wi-Fi芯片 -> 天线 -> 路由器 -> 互联网。