Android 15网络子系统深度解析（一）：ConnectivityService与网络管理框架全解析

引言

网络连接是现代移动设备最核心的功能之一。从打开网页、收发消息，到视频通话、在线游戏，每一个网络操作背后，都有Android网络子系统在默默工作。而ConnectivityService，正是这个庞大系统的"中枢大脑"。

在本系列的第一篇文章中，我们将深入探索：

为什么ConnectivityService如此重要？

想象这样一个场景：你正在用WiFi观看高清视频，突然WiFi信号变弱。Android系统需要在1秒内完成以下复杂操作：

1. 监测WiFi质量下降- NetworkMonitor持续验证网络
2. 评估切换时机- NetworkRanker对比WiFi和移动网络得分
3. 准备移动网络- TelephonyNetworkFactory激活移动数据
4. 无缝切换- 在不中断视频的情况下迁移连接
5. 通知应用- 通过NetworkCallback告知网络变更

这一切，都由ConnectivityService协调完成。它就像交通指挥中心，管理着设备上所有网络的"交通"。

本文内容概览

1. ConnectivityService架构总览

   • 核心职责与设计理念
   • 与其他系统服务的关系
   • Android 15的架构演进

2. NetworkAgent机制深度解析

   • NetworkAgent生命周期
   • 网络状态上报流程
   • WiFi/Cellular的Agent实现

3. NetworkFactory工作原理

   • 网络请求匹配机制
   • Factory评分与竞争
   • 按需网络激活

4. 网络状态管理

   • 9种网络状态详解
   • 状态机转换流程
   • Linger机制

5. WiFi与移动网络切换

   • 切换决策算法
   • NetworkRanker评分机制
   • 无缝切换实现

6. 实战：网络问题诊断

   • WiFi连接失败排查
   • 网络切换异常定位
   • 性能优化技巧

让我们开始这段深入Android网络核心的旅程！

一、ConnectivityService架构总览

1.1 ConnectivityService的核心职责

ConnectivityService是Android网络栈的"总管家"，负责：

┌────────────────────────────────────────┐ │ ConnectivityService核心职责 │ ├────────────────────────────────────────┤ │ 1. 网络生命周期管理 │ │ - 创建/销毁网络 │ │ - 监控网络状态 │ │ - 处理网络切换 │ │ │ │ 2. 网络请求调度 │ │ - 接收NetworkRequest │ │ - 分发到对应NetworkFactory │ │ - 管理请求优先级 │ │ │ │ 3. 网络能力管理 │ │ - NetworkCapabilities匹配 │ │ - 网络评分(NetworkScore) │ │ - 默认网络选择 │ │ │ │ 4. 网络验证 │ │ - 触发NetworkMonitor验证 │ │ - 处理Captive Portal │ │ - 管理部分连接状态 │ │ │ │ 5. 应用网络权限 │ │ - UID网络访问控制 │ │ - 后台数据限制 │ │ - VPN隧道管理 │ └────────────────────────────────────────┘

1.2 整体架构

架构分层说明：

应用层（Application Layer）

// 应用使用ConnectivityManager APIConnectivityManagercm=(ConnectivityManager)context.getSystemService(Context.CONNECTIVITY_SERVICE);// 请求网络NetworkRequestrequest=newNetworkRequest.Builder().addCapability(NetworkCapabilities.NET_CAPABILITY_INTERNET).addTransportType(NetworkCapabilities.TRANSPORT_WIFI).build();cm.requestNetwork(request,newNetworkCallback(){@OverridepublicvoidonAvailable(Networknetwork){// 网络可用}});

Framework层（ConnectivityService核心）

ConnectivityService源码位置：

packages/modules/Connectivity/service/src/com/android/server/ConnectivityService.java

核心数据结构：

// frameworks/.../ConnectivityService.java (精简版)publicclassConnectivityServiceextendsIConnectivityManager.Stub{// 所有NetworkAgent的集合privatefinalHashMap<Messenger,NetworkAgentInfo>mNetworkAgentInfos=newHashMap<>();// 所有NetworkRequest的集合privatefinalSparseArray<NetworkRequestInfo>mNetworkRequests=newSparseArray<>();// 所有NetworkFactory的集合privatefinalArrayList<NetworkFactoryInfo>mNetworkFactoryInfos=newArrayList<>();// 当前默认网络privateNetworkAgentInfomDefaultNetwork;// 网络评分器privatefinalNetworkRankermNetworkRanker;// 权限监控privatefinalPermissionMonitormPermissionMonitor;// 核心方法：注册NetworkAgentpublicvoidregisterNetworkAgent(Messengermessenger,NetworkInfonetworkInfo,LinkPropertieslinkProperties,NetworkCapabilitiesnetworkCapabilities,intcurrentScore,NetworkAgentConfignetworkAgentConfig,intfactorySerialNumber){// 1. 创建NetworkAgentInfofinalNetworkAgentInfonai=newNetworkAgentInfo(messenger,newAsyncChannel(),newNetwork(mNextNetworkId++),networkInfo,linkProperties,networkCapabilities,currentScore,mContext,mHandler,networkAgentConfig,this,mNetd,mDnsResolver,mNMS,factorySerialNumber);// 2. 分配NetIdtry{mNetd.networkCreate(nai.network.netId,NativeNetworkType.PHYSICAL);}catch(Exceptione){loge("Error creating network "+nai.network.netId);return;}// 3. 添加到管理列表mNetworkAgentInfos.put(messenger,nai);// 4. 通知NetworkMonitor开始验证nai.networkMonitor.start();// 5. 匹配NetworkRequestrematchNetworkAndRequests(nai,ReapUnvalidatedNetworks.DONT_REAP);}// 核心方法：处理NetworkRequest@OverridepublicvoidrequestNetwork(NetworkCapabilitiesnc,Messengermessenger,inttimeoutMs,IBinderbinder,intlegacyType,@CallbackFlagsintcallbackFlags){// 1. 权限检查enforceAccessPermission();// 2. 创建NetworkRequestInfofinalNetworkRequestInfonri=newNetworkRequestInfo(messenger,newNetworkRequest(nc,legacyType,nextNetworkRequestId(),NetworkRequest.Type.REQUEST),binder);// 3. 保存请求mNetworkRequests.put(nri.request.requestId,nri);// 4. 发送给所有NetworkFactoryfor(NetworkFactoryInfonfi:mNetworkFactoryInfos){nfi.asyncChannel.sendMessage(android.net.NetworkFactory.CMD_REQUEST_NETWORK,nri.request);}// 5. 尝试匹配现有网络finalNetworkAgentInfobestNetwork=getBestNetwork(nri.request,null);if(bestNetwork!=null){callCallbackForRequest(nri,bestNetwork,ConnectivityManager.CALLBACK_AVAILABLE);}}}

1.3 与其他系统服务的关系

┌──────────────────────────────────────────────┐ │ ConnectivityService │ │ (核心协调者) │ └─────────────┬────────────────────────────────┘ │ ┌─────────┼─────────┬──────────┬──────────┐ │ │ │ │ │ ▼ ▼ ▼ ▼ ▼ ┌────────┐ ┌──────┐ ┌────────┐ ┌──────┐ ┌────────┐ │NetworkStack│Netd │ │Telephony│ WiFi │ │VpnManager │ │ │ │ │Service │ |Service│ │ │ │验证网络 │ │路由 │ │蜂窝网络 │ |无线 │ │VPN隧道 │ │ │ │配置 │ │ │| │ │ │ └────────┘ └──────┘ └────────┘ └──────┘ └────────┘

关键交互：

1. 与NetworkStack交互- 网络验证

// ConnectivityService触发验证nai.networkMonitor.notifyNetworkConnected(nai.linkProperties,nai.networkCapabilities);// NetworkStack执行HTTP探测// 返回验证结果(VALID/PORTAL/INVALID)

2. 与Netd交互- 路由配置

// 设置默认网络mNetd.networkSetDefault(nai.network.netId);// 添加路由规则mNetd.networkAddRoute(netId,ifname,destination,nexthop);

3. 与TelephonyService交互- 移动网络

// 请求移动数据连接telephonyNetworkFactory.needNetworkFor(request);// 接收数据连接状态变化onDataConnectionStateChanged(state,networkType);

1.4 Android 15的架构改进

改进1：模块化NetworkStack

Android 10开始，NetworkStack从system_server独立为单独进程：

Android 9及之前: ┌────────────────────────┐ │ system_server │ │ ┌──────────────────┐ │ │ │ConnectivityService│ │ │ │ + NetworkMonitor │ │ ← 验证逻辑耦合 │ └──────────────────┘ │ └────────────────────────┘ Android 10+: ┌────────────────────────┐ ┌──────────────┐ │ system_server │ │NetworkStack │ │ ┌──────────────────┐ │ │ 进程 │ │ │ConnectivityService│◄─────►│┌────────────┐│ │ └──────────────────┘ │ AIDL││NetworkMonitor│ └────────────────────────┘ │└────────────┘│ └──────────────┘ ↑ 可独立更新

好处：

• NetworkStack可通过APK更新，无需OTA
• 隔离故障，NetworkStack崩溃不影响system_server
• 更好的安全边界

改进2：eBPF网络策略

Android 15使用eBPF替代iptables：

// kernel BPF程序 - 快速数据包过滤SEC("cgroup/sock")intbpf_cgroup_sock_filter(structbpf_sock*sk){__u32 uid=bpf_get_current_uid_gid();// 查询UID是否允许访问网络structuid_permission_value*value=bpf_map_lookup_elem(&uid_permission_map,&uid);if(value&&value->permission==PERMISSION_DENIED)return0;// 拒绝连接return1;// 允许连接}

性能提升：

• iptables规则匹配：O(n)
• eBPF哈希查找：O(1)
• 延迟降低：~100μs → ~10μs

改进3：Multi-Network API增强

// Android 15新增：网络切片(Network Slicing)支持NetworkRequestrequest=newNetworkRequest.Builder().addCapability(NET_CAPABILITY_ENTERPRISE)// 企业专网.setEnterpriseId(NET_ENTERPRISE_ID_1)// 切片ID.build();// 5G网络切片可以为不同业务提供差异化QoS

二、NetworkAgent机制深度解析

2.1 NetworkAgent是什么？

NetworkAgent是网络提供者（如WiFi、Cellular、Ethernet、VPN）与ConnectivityService之间的"信使"。

WiFi底层驱动 ↓ WiFiNetworkAgent (继承NetworkAgent) ↓ Messenger通信 ConnectivityService

2.2 NetworkAgent生命周期

9种核心状态详解：

1. DISCONNECTED（断开）

• 初始状态，NetworkAgent尚未创建
• 或网络已完全销毁

2. CONNECTING（连接中）

// WiFiNetworkAgent创建时publicclassWiFiNetworkAgentextendsNetworkAgent{publicWiFiNetworkAgent(Contextcontext,...){super(context,looper,