Android+WiFiDirect+VpnService

1. WiFi Direct + VpnServiceでsim無し
Androidをweb世界に社会復帰させる話
空中清高
@soranakk

2. 空中 清高 @soranakk
所属：株式会社ディー・エヌ・エー
オートモーティブ事業本部
MOV
Androidアプリエンジニア

3. 背景

4. Android端末2台
1台はSIM刺さってる
1台はSIM刺さってない
SIM刺さってない端末でHTTP通信する
環境

5. WiFi Direct
Android device間でP2P通信ができる
前提1

6. VpnService
AndroidでVPNを繋ぐときに利用する
外部通信用のPacketが全て流れてくる
前提2
VpnService

7. Android端末2台
1台はSIM刺さってる
1台はSIM刺さってない
SIM刺さってない端末でHTTP通信する
環境

8. え？？それテザリングでよくない？？
● SSIDとpassの事前共有
● 接続端末のセキュリティ
● コスト
● WiFi Directとの共存

9. WiFi Directの使い方

10. WiFi Directの使い方
ここに詳しい解説記事があるので、
ぜひ読むとよいと思います！
WIFI DIRECTでP2P通信を行う(1)
https://techbooster.org/android/device/9960/
WIFI DIRECTでP2P通信を行う(2)
https://techbooster.org/android/device/9981/

11. WiFi Directの使い方(Client)
contextからWifiP2pManagerを取得する
wifiP2pManagerを初期化してwifiChannelを取得する
wifiChannelを使って周囲のデバイスを探索する

12. WiFi Directの使い方(Client)
結果をBroadcastReceiverで受け取る
4種類のActionがある

13. WiFi Directの使い方(Client)
・WIFI_P2P_STATE_CHANGED_ACTION
WiFi Directの利用可否が変わったことが通知されます
・WIFI_P2P_PEERS_CHANGED_ACTION
接続できるデバイスを検出したら通知されます
・WIFI_P2P_CONNECTION_CHANGED_ACTION
接続状態が変更されたときに通知されます
・WIFI_P2P_THIS_DEVICE_CHANGED_ACTION
自身の状態が変更されたときに通知されます

14. WiFi Directの使い方(Client)

15. WiFi Directの使い方(Client)
周囲のデバイス一覧を要求する
結果がPeerListListenerに返ってくる

16. WiFi Directの使い方(Client)
なんらかの方法で接続端末を選んで接続処理を行う

17. WiFi Directの使い方(Client)
接続設定を行ってconnectを呼び出す
connectの結果はさっきのBroadcastReceiverで受け取る

18. WiFi Directの使い方(Client)
接続に成功したら接続先(Host)の情報を要求する
結果がConnectionInfoListenerに返ってくる

19. WiFi Directの使い方(Client)
hostのaddressが取得できるので、
あとはSocketを開いてデータをやり取りする

20. WiFi Directの使い方(Server)
Clientとほとんど同じ
１．wifiManager.discoverPeersを呼び出して
Clientからの接続を待つ

21. WiFi Directの使い方(Server)
２．Clientから接続処理が行われると
WIFI_P2P_CONNECTION_CHANGED_ACTION
が飛んでくる

22. WiFi Directの使い方(Server)
３．ConnectionInfoListenerでaddressが取得できるので
あとはお好きなように

23. Socketの使い方なんて知らないよ？😅

24. Socketの使い方(Client)
Client側はIP Addressを指定してSocketを開く
inputStreamとoutputStreamが手に入るので入出力する

25. Socketの使い方(Server)
Server側はServerSocketを開いて接続されるまで待機
接続後は同じくin outが手に入るので入出力する

26. VpnServiceの使い方

27. VpnServiceの使い方

28. VpnServiceの使い方
VpnServiceを継承したクラスを作る
vpnInterfaceを作成するとfileDescriptorが手に入るので
これを使って入出力する
inputは端末から入力、outputは端末への出力

29. VpnServiceの使い方
Builderを使ってVpnの設定を行う
どの宛先の通信を捕まえるかやDNSサーバーの指定等

30. VpnServiceの罠１
VpnServiceでaddRoute(“0.0.0.0”, 0)を指定しても
DNSパケットはキャッチできない

31. VpnServiceの罠１
addDnsServer("8.8.8.8")のようになんらかのDNSServer
設定をしておくとキャッチできる

32. VpnServiceの罠２
パケットが無限ループしてしまう

33. VpnServiceの罠２
VpnServiceでaddRoute(“0.0.0.0”, 0)を指定すると
全ての通信をキャッチすることになる
→VpnServiceの中でのSocket通信でも
Socketに流したパケットをまたVpnServiceが捕まえる
パケットが無限にVpnServiceの中をさまよう

34. VpnServiceの罠２
SocketをVpnの対象から外す必要がある

35. まとめ

36. WiFi Direct
全体図
VpnService
SIM有
SIM無
Socket

37. よっしゃ、もう完成したね？😙

38. HTTPってどうやって動いてるの？🙄
問題1

39. そもそもHTTPの仕組みを知らない
→ 流れてくるbyteデータを解釈できない
→ Packetに分割できない
(例)WiFi Directで受け取った829byteに
何個のPacketデータが入ってる？
問題1

40. HTTP
TCP
IP
HTTPはTCPというプロトコル上で動いている
TCPはIPの上位プロトコルの一つ
HTTPの仕組み

41. ・URLのHOSTを抽出
(例)http://host.com/fizz/buzz → host.com
・HOSTからIP addressを解決
・IP address宛てにTCP通信開始
・TCP上でHTTP通信を実行
Response 200 OKをもらったら成功
HTTP通信の仕組み

42. IP addressを元に通信する規格
お互いにuniqueなIP addressを持つ
IPの上で様々な通信プロコトルが動く
TCP, UDPなど
IP

43. IP Packet
IP Header
IP Payload
IP Packet

44. IP Packet
IP Header
IP Payload
IP Packet
TCP Header
TCP Payload
TCP Packet

45. IP Packet
IP Header
IP Payload
IP Packet
TCP Header
TCP Payload
TCP Packet
HTTP Data

46. IP Packet
IP Packet
IP Header
TCP Header
TCP Payload

47. WiFi Direct
全体図
VpnService
SIM有
SIM無
Socket

48. よっしゃ、もう完成したね？😙

49. Socketからのデータ足りなくない？🙄
問題2

50. WiFi Direct
全体図
VpnService
SIM有
SIM無
Socket

51. VpnService
Packetが丸ごと届く
JavaのSocket通信
PacketのHeaderが除かれて届く
問題2

52. JavaのSocketはHeaderの処理を
内部で行ってくれる
VpnServiceはHeaderも含め、すべての
Packetを入出力する
→ 無いものは作るしかない
Headerが無い

53. VpnService vs Socket
VpnService
IP Packet
IP Header
TCP Header
TCP Payload

54. VpnService vs Socket
Socket
TCP Payload

55. VpnService
SIM無
WiFi Direct
IP Header
TCP Header
TCP Payload
IP Header
TCP Header
TCP Payload

56. WiFi Direct SIM有
IP Header
TCP Header
TCP Payload
TCP Payload
Socket

57. WiFi Direct
IP Header
TCP Header
TCP Payload
IP Header
TCP Header
TCP Payload
Socket
TCP Payload

58. VpnService
SIM無
WiFi Direct
IP Header
TCP Header
TCP Payload
IP Header
TCP Header
TCP Payload

59. IP Packet
Source Address
Destination Address
Options
Payload
Header ChecksumTTL Protocol
Identification
Total Length
Flags Fragment Offset
Version IHL TOS

60. TCP Packet
Flags0 0 0
Acknowledgment number
Sequence number
Source port Destination port
Options
Urgent pointerChecksum
Window Size
Payload
Data offset

61. よっしゃ、もう完成したね？😙

62. HeaderだけのPacketが届くんだけど？😐
問題3

63. WiFi Direct
全体図
VpnService
SIM有
SIM無
Socket

64. 3 way handshake
TCP接続を確立するときの処理で
Headerを使って処理する
問題3

65. 3 way handshake
IP Header
TCP Header
A B

66. WiFi Direct
全体図
VpnService
SIM有
SIM無
Socket

67. TCP Packet
Flags0 0 0
Acknowledgment number
Sequence number
Source port Destination port
Options
Urgent pointerChecksum
Window Size
Payload
Data offset

68. TCP Packet
Flags0 0 0
Acknowledgment number
Sequence number
Source port Destination port
Options
Urgent pointerChecksum
Window Size
Payload
Data offset

69. TCP Packet
Flags
N
S
C
W
R
E
C
E
U
R
G
A
C
K
P
S
H
R
S
T
S
Y
N
F
I
N

70. TCP Packet
Flags
N
S
C
W
R
E
C
E
U
R
G
A
C
K
P
S
H
R
S
T
S
Y
N
F
I
N

71. 3 way handshake
S
Y
N
VpnService SIM有

72. 3 way handshake
S
Y
N
A
C
K
VpnService SIM有

73. 3 way handshake
A
C
K
VpnService SIM有

74. よっしゃ、もう完成したね？😙

75. Packet渡しても動かないぞ？😢
問題4

76. TCPの応答確認
Packetが正常に送受信できているか
確認する仕組み
Headerを使って処理する
問題4

77. Checksum計算
Packetが正常に送受信できているか
確認する仕組み
Headerを使って処理する
問題4

78. Headerを使って処理する😇

79. TCP Packet
Flags0 0 0
Acknowledgment number
Sequence number
Source port Destination port
Options
Urgent pointerChecksum
Window Size
Payload
Data offset

80. TCP Packet
Flags0 0 0
Acknowledgment number
Sequence number
Source port Destination port
Options
Urgent pointerChecksum
Window Size
Payload
Data offset

81. Sequence number:送信済みデータ量
Acknowledgment number:受信済みデータ量
3 way handshakeのときに初期値を設定
TCPの応答確認

82. IP Packet
Source Address
Destination Address
Options
Payload
Header ChecksumTTL Protocol
Identification
Total Length
Flags Fragment Offset
Version IHL TOS

83. IP Packet
Source Address
Destination Address
Options
Payload
Header ChecksumTTL Protocol
Identification
Total Length
Flags Fragment Offset
Version IHL TOS

84. IP PacketのChecksumは
Header部分のみが対象
Payload部分は確認しない
(上位プロコトルに任せる)
IP PacketのChecksum計算

85. Checksumは1の補数という概念を
使って計算する
Checksum計算

86. 1の補数？？🙄

87. ある数の1の補数はビット反転した数
例として2bitの数を考えます
10 の1の補数は 01
11 の1の補数は 00
自身と1の補数との和は必ず 11 になる
1の補数

88. 1の補数和と繰り上がり
1の補数和は繰り上がりが発生したら、
発生した回数だけ1を足す。
11 + 10 = 01 + 01 = 10
11 + 11 = 10 + 01 = 11
10 + 10 + 10 + 10 = 00 + 10 = 10

89. １．Checksumを0にする
２．1の補数和を計算する
３．計算した補数和の1の補数を取る
４．3で計算した値をChecksumにする
Checksum計算

90. １．1の補数和を計算する
２．計算した補数和の1の補数を取る
３．0になっていればチェックOK
Checksumの確認方法

91. TCP PacketのChecksumは
Header + Payload全体が対象
ただし、Headerは擬似Headerに
変換してから計算する
TCP PacketのChecksum計算

92. 擬似Header？？😶

93. TCP Packet
Flags0 0 0
Acknowledgment number
Sequence number
Source port Destination port
Options
Urgent pointerChecksum
Window Size
Payload
Data offset

94. チェックサム計算用TCP擬似ヘッダ
Flags0 0 0
Acknowledgment number
Sequence number
Source port Destination port
Options
Urgent pointerChecksum
Window Size
Payload
Data offset
Source Address
Destination Address
0 0 0 0 0 0 0 0 Protocol TCP length

95. よっしゃ、もう完成したね？😙

96. MTU設定とByteBuffer
一度の送信で最大どのくらいのサイズの
Packetを流すか
Headerを使って処理する
問題5

97. WiFi Direct
全体図
VpnService
SIM有
SIM無
Socket

98. BUFFER_SIZEを調節することで
間接的に設定できる
問題5

99. よっしゃ、もう完成したね？😙

100. IPv4 と IPv6
これまでの話は全てIPv4の話
そもそもIPv6はPacketの形が違う
問題6

101. IPv4とIPv6のどちらを使うかは動的
おそらくDNSのレスポンスのよいほうを
利用しているような動きをしている
問題6

102. ドメイン名からIP Addressを解決する
UDPを使って通信する
DNS

103. IP通信の上で動くプロトコル
TCPと対をなす存在
JavaでのUDPはDatagramSocketを使う
もちろんHeaderは無い
UDP

104. もちろんHeaderは無い😭

105. Port指定は両方ともある
UDPには3 way handshakeやSequence
numberによる接続確認は無い
TCP vs UDP

106. よっしゃ、もう完成したね？😙

107. まとめ

108. WiFi Direct
全体図
VpnService
SIM有
SIM無
Socket

109. Thank you
空中清高
@soranakk