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VPN

Android 为开发者提供了用于创建虚拟专用网 (VPN) 解决方案的 API。阅读本指南后,您将了解如何为 Android 设备开发和测试自己的 VPN 客户端。

概览

通过 VPN,实际不在网络中的设备可以安全地访问该网络。

Android 包含一个内置的(PPTP 和 L2TP/IPSec)VPN 客户端,有时称为旧版 VPN。Android 4.0(API 级别 14)引入了 API,以便应用开发者可以提供自己的 VPN 解决方案。您的 VPN 解决方案将打包到用户安装到设备上的应用中。开发者通常会出于以下某个原因构建 VPN 应用:

  • 提供内置客户端不支持的 VPN 协议。
  • 帮助用户在不进行复杂配置的情况下连接到 VPN 服务。

本指南的其余部分将介绍如何开发 VPN 应用(包括始终开启按应用开启的 VPN),不会涉及内置 VPN 客户端的内容。

用户体验

Android 提供界面来帮助用户配置、启动和停止您的 VPN 解决方案。系统界面也会让设备的使用者知晓活动的 VPN 连接。Android 会显示以下适用于 VPN 连接的界面组件:

  • 在 VPN 应用首次变为活动状态之前,系统会显示一个连接请求对话框。该对话框会提示设备的使用者确认他们信任 VPN 并接受请求。
  • VPN 设置屏幕(设置 > 网络和互联网 > VPN)会显示用户接受了连接请求的 VPN 应用。有一个用于配置系统选项或忘记 VPN 的按钮。
  • “快捷设置”栏显示当连接处于活动状态时的信息面板。点按标签会显示一个对话框,里面包含更多信息和指向“设置”的链接。
  • 状态栏包含一个 VPN(钥匙)图标以表示有效连接。

您的应用还需要提供界面,以便设备的使用者配置服务的选项。例如,您的解决方案可能需要捕获帐号身份验证设置。应用应该显示以下界面:

  • 用于手动启动和停止连接的控件。始终开启的 VPN 可以在需要时连接,但允许用户在首次使用 VPN 时配置连接。
  • 服务处于活动状态时发出的不可关闭通知。通知可以显示连接状态或提供更多信息,例如网络统计信息。点按该通知会将您的应用调入前台。在服务变为非活动状态后移除通知。

VPN 服务

您的应用会将用户(或工作资料)的系统网络连接到 VPN 网关。每个用户(或工作资料)都可以运行不同的 VPN 应用。您需要创建 VPN 服务,供系统用来启动和停止您的 VPN,并跟踪连接状态。您的 VPN 服务继承自 VpnService

该服务还充当 VPN 网关连接及其本地设备接口的容器。您的服务实例调用 VpnService.Builder 方法来建立新的本地接口。

图 1. VpnService 如何将 Android 网络连接到 VPN 网关
显示 VpnService 如何在系统网络中创建本地 TUN 接口的块架构图。

您的应用会传输以下数据,用于将设备连接到 VPN 网关:

  • 从本地接口的文件描述符读取传出的 IP 数据包,进行加密并发送到 VPN 网关。
  • 将传入的数据包(从 VPN 网关接收并解密)写入本地接口的文件描述符。

每个用户或工作资料只能有一项活动的服务。启动一项新服务将自动停止现有服务。

添加服务

要将 VPN 服务添加到您的应用,请创建一项继承自 VpnService 的 Android 服务。在您的应用清单文件中声明 VPN 服务,并添加以下内容:

  • 使用 BIND_VPN_SERVICE 权限保护服务,以便只有系统可以绑定到您的服务。
  • 使用 "android.net.VpnService" Intent 过滤器来公布服务,以便系统能够找到您的服务。

以下示例展示了如何在应用清单文件中声明服务:

<service android:name=".MyVpnService"
             android:permission="android.permission.BIND_VPN_SERVICE">
         <intent-filter>
             <action android:name="android.net.VpnService"/>
         </intent-filter>
    </service>
    

现在,您的应用声明了该服务,系统可以在需要时自动启动和停止应用的 VPN 服务。例如,在运行始终开启的 VPN 时,系统会控制您的服务。

准备服务

要使应用准备好成为用户当前的 VPN 服务,请调用 VpnService.prepare()。如果设备的使用者尚未授予应用的权限,则该方法会返回 Activity Intent。您将使用此 Intent 来启动询问权限的系统 Activity。系统会显示一个类似于其他权限对话框(例如摄像头或联系人访问权限)的对话框。如果您的应用已经准备好,则该方法会返回 null

只有一个应用可以是当前准备好的 VPN 服务。始终调用 VpnService.prepare(),因为自从您的应用上次调用方法后,可能有人已将其他应用设置为 VPN 服务。要了解详情,请参阅服务生命周期部分。

连接服务

服务运行后,您可以建立连接到 VPN 网关的新本地接口。要请求权限并将您的服务连接到 VPN 网关,您需要按以下顺序完成步骤:

  1. 调用 VpnService.prepare() 以询问权限(需要时)。
  2. 调用 VpnService.protect() 以将应用的隧道套接字保留在系统 VPN 外部,并避免发生循环连接。
  3. 调用 DatagramSocket.connect() 以将您应用的隧道套接字连接到 VPN 网关。
  4. 调用 VpnService.Builder 方法以在设备上为 VPN 流量配置新的本地 TUN 接口。
  5. 调用 VpnService.Builder.establish(),以便系统建立本地 TUN 接口并开始通过该接口传送流量。

VPN 网关通常会在握手过程就本地 TUN 接口的设置给出建议。您的应用调用 VpnService.Builder 方法来配置服务,如以下示例所示:

Kotlin

// Configure a new interface from our VpnService instance. This must be done
    // from inside a VpnService.
    val builder = Builder()

    // Create a local TUN interface using predetermined addresses. In your app,
    // you typically use values returned from the VPN gateway during handshaking.
    val localTunnel = builder
            .addAddress("192.168.2.2", 24)
            .addRoute("0.0.0.0", 0)
            .addDnsServer("192.168.1.1")
            .establish()

Java

// Configure a new interface from our VpnService instance. This must be done
    // from inside a VpnService.
    VpnService.Builder builder = new VpnService.Builder();

    // Create a local TUN interface using predetermined addresses. In your app,
    // you typically use values returned from the VPN gateway during handshaking.
    ParcelFileDescriptor localTunnel = builder
        .addAddress("192.168.2.2", 24)
        .addRoute("0.0.0.0", 0)
        .addDnsServer("192.168.1.1")
        .establish();

按应用开启的 VPN 部分中的示例显示了包含更多选项的 IPv6 配置。您需要先添加以下 VpnService.Builder 值,然后才能建立新接口:

addAddress()
添加至少一个 IPv4 或 IPv6 地址以及系统指定为本地 TUN 接口地址的子网掩码。您的应用通常会在握手过程中收到来自 VPN 网关的 IP 地址和子网掩码。
addRoute()
如果您希望系统通过 VPN 接口发送流量,请至少添加一个路由。路由按目标地址过滤。要接受所有流量,请设置开放路由,例如 0.0.0.0/0::/0

establish() 方法返回一个 ParcelFileDescriptor 实例,供您的应用从接口缓冲区读取数据包或向其中写入数据包。如果您的应用尚未准备就绪或有人撤消了权限,establish() 方法会返回 null

服务生命周期

您的应用应跟踪系统所选 VPN 的状态以及任何活动的连接。更新应用的界面,以便设备的使用者知晓任何更改。

启动服务

您的 VPN 服务可以通过以下方式启动:

  • 您的应用启动服务,通常是因为用户点按了连接按钮。
  • 系统启动服务,因为始终开启的 VPN 已开启。

您的应用通过向 startService() 传递 Intent 来启动 VPN 服务。要了解详情,请阅读启动服务

系统通过调用 onStartCommand() 在后台启动您的服务。不过,Android 在 8.0 版(API 级别 26)或更高版本中对后台应用施加了限制。如果您支持这些 API 级别,则需要通过调用 Service.startForeground() 将您的服务转移到前台。要了解详情,请阅读在前台运行服务

停止服务

设备的使用者可以使用应用界面来停止服务。停止服务,而不是仅关闭连接。当设备的使用者在“设置”应用的“VPN”屏幕中执行以下操作时,系统也会停止活动的连接:

  • 断开或忘记了 VPN 应用
  • 为活动连接关闭始终开启的 VPN

系统会调用服务的 onRevoke() 方法,但可能不会在主线程上调用。当系统调用此方法时,备用网络接口已经在传送流量。您可以安全地处置以下资源:

始终开启的 VPN

Android 可以在设备启动时启动 VPN 服务,并在设备开启期间使该服务保持运行。此功能称为“始终开启的 VPN”,适用于 Android 7.0(API 级别 24)或更高版本。虽然 Android 会维护服务生命周期,但 VPN 网关的连接由您的 VPN 服务负责。始终开启的 VPN 还可以屏蔽不使用 VPN 的连接。

用户体验

在 Android 8.0 或更高版本中,系统会显示以下对话框,让设备的使用者知晓始终开启的 VPN:

  • 如果始终开启的 VPN 连接断开或无法连接,则用户会看到一条不可关闭的通知。点按该通知会显示一个说明更多内容的对话框。当 VPN 重新连接或有人关闭始终开启的 VPN 选项时,通知会消失。
  • 始终开启的 VPN 允许设备的使用者屏蔽不使用 VPN 的任何网络连接。开启此选项后,“设置”应用会警告用户必须在 VPN 连接之后才能连接互联网。“设置”应用会提示设备的使用者继续或取消。

由于系统(而非用户)会启动和停止始终开启的连接,您需要调整应用的行为和界面:

  1. 停用任何断开连接的界面,因为系统和“设置”应用会控制连接。
  2. 在每次应用启动后保存任何配置,并使用最新设置配置连接。由于系统会根据需要启动您的应用,因此设备的使用者可能并不总是想要配置连接。

您还可以使用托管配置来配置连接。借助托管配置,IT 管理员可远程配置您的 VPN。

检测始终开启的 VPN

Android 不包含用于确认系统是否已启动您的 VPN 服务的 API。但是,当您的应用标记其启动的任何服务实例时,您可以假设系统启动了针对始终开启的 VPN 的未标记服务。示例如下:

  1. 创建 Intent 实例以启动 VPN 服务。
  2. 通过在 Intent 中放置 extra 来标记该 VPN 服务。
  3. 在服务的 onStartCommand() 方法中,查找 intent 参数的 extra 中的标记。

屏蔽的连接

设备的使用者(或 IT 管理员)可以强制所有流量使用 VPN。系统会屏蔽所有不使用 VPN 的网络流量。设备的使用者可以在“设置”的 VPN 选项面板中找到“屏蔽未使用 VPN 的所有连接”开关。

停用始终开启的 VPN

如果您的应用目前无法支持始终开启的 VPN,您可以将 SERVICE_META_DATA_SUPPORTS_ALWAYS_ON 服务元数据设置为 false,从而停用该选项(在 Android 8.1 或更高版本中)。以下应用清单示例演示了如何添加元数据元素:

<service android:name=".MyVpnService"
             android:permission="android.permission.BIND_VPN_SERVICE">
         <intent-filter>
             <action android:name="android.net.VpnService"/>
         </intent-filter>
         <meta-data android:name="android.net.VpnService.SUPPORTS_ALWAYS_ON"
                 android:value=false/>
    </service>
    

当您的应用停用始终开启的 VPN 时,系统会停用“设置”中的选项界面控件。

按应用开启的 VPN

VPN 应用可以过滤允许哪些已安装的应用通过 VPN 连接发送流量。您可以创建允许列表,也可以创建禁止列表,但不能同时创建这两者。如果您不创建允许或禁止列表,系统会通过 VPN 发送所有网络流量。

您的 VPN 应用必须先设置列表,然后建立连接。如果您需要更改列表,请建立新的 VPN 连接。当您将应用添加到列表中时,该应用必须已安装在设备上。

Kotlin

// The apps that will have access to the VPN.
    val appPackages = arrayOf(
            "com.android.chrome",
            "com.google.android.youtube",
            "com.example.a.missing.app")

    // Loop through the app packages in the array and confirm that the app is
    // installed before adding the app to the allowed list.
    val builder = Builder()
    for (appPackage in appPackages) {
        try {
            packageManager.getPackageInfo(appPackage, 0)
            builder.addAllowedApplication(appPackage)
        } catch (e: PackageManager.NameNotFoundException) {
            // The app isn't installed.
        }
    }

    // Complete the VPN interface config.
    val localTunnel = builder
            .addAddress("2001:db8::1", 64)
            .addRoute("::", 0)
            .establish()

Java

// The apps that will have access to the VPN.
    String[] appPackages = {
        "com.android.chrome",
        "com.google.android.youtube",
        "com.example.a.missing.app"};

    // Loop through the app packages in the array and confirm that the app is
    // installed before adding the app to the allowed list.
    VpnService.Builder builder = new VpnService.Builder();
    PackageManager packageManager = getPackageManager();
    for (String appPackage: appPackages) {
      try {
        packageManager.getPackageInfo(appPackage, 0);
        builder.addAllowedApplication(appPackage);
      } catch (PackageManager.NameNotFoundException e) {
        // The app isn't installed.
      }
    }

    // Complete the VPN interface config.
    ParcelFileDescriptor localTunnel = builder
        .addAddress("2001:db8::1", 64)
        .addRoute("::", 0)
        .establish();

允许的应用

要将应用添加到允许列表中,请调用 VpnService.Builder.addAllowedApplication()。如果列表中包含一个或多个应用,则只有列表中的应用才会使用 VPN。(不在列表中的)所有其他应用都将使用系统网络,就像 VPN 未运行一样。当允许列表为空时,所有应用都将使用 VPN。

禁止的应用

要将应用添加到禁止列表中,请调用 VpnService.Builder.addDisallowedApplication()。禁止的应用使用系统网络,就像 VPN 未运行一样,而所有其他应用都将使用 VPN。

绕过 VPN

您的 VPN 可让应用绕过 VPN 并选择自己的网络。要绕过 VPN,请在建立 VPN 接口时调用 VpnService.Builder.allowBypass()。启动 VPN 服务后,您无法更改此值。如果应用没有将其进程或套接字绑定到特定网络,应用的网络流量会继续通过 VPN 发送。

当有人屏蔽不通过 VPN 发送的流量时,绑定到特定网络的应用会失去连接。要通过特定网络发送流量,应用需在连接套接字之前调用 ConnectivityManager.bindProcessToNetwork()Network.bindSocket() 等方法。

示例代码

Android 开源项目包含名为 ToyVPN 的示例应用。此应用展示了如何设置和连接 VPN 服务。