Android应用实现traceroute功能的方案选型与问题排查

问题背景 #

我是Android应用开发领域的新手，也是Stack Overflow新用户。由于Android设备默认未预装traceroute工具，我尝试在自研Android应用中复刻Linux traceroute功能，参考多个Stack Overflow帖子方案后仍遇到若干问题，开发环境为Android Studio 3.3.0，应用最低支持SDK版本为API 21。

已尝试方案及现存问题 #

• 基于ping的实现方案
  参考Stack Overflow帖子《Traceroute on android》的示例项目逻辑：持续向目标IP发送ping请求，逐次递增TTL（生存时间）字段值获取中间路由器信息。复现时特定TTL值下ping会阻塞挂起，无法返回路由器信息，测试代码如下，循环执行到某一TTL值时进程就会停滞：

  public static void smallTracerouteDemoShowingThatTheProgramStallsAtCertainTTLs() {
      try {
          String host = "google.com";
          int maxTTL = 20;
  
          for (int i = 1; i < maxTTL; i++) {
              // 创建执行ping命令的进程
              Process p = Runtime.getRuntime().exec("ping -c 1 -t " + i + " " + host);
  
              // 获取ping返回信息的输入流读取器
              BufferedReader br = new BufferedReader(new InputStreamReader(p.getInputStream()));
  
              // 读取所有返回内容
              String dataReturnedByPing = "";
              for (String line; (line = br.readLine()) != null; dataReturnedByPing += "\n"+line);
  
              // 打印当前TTL的探测结果
              System.out.println("TTL = " + i + " out of " + maxTTL);
              System.out.println(dataReturnedByPing);
              System.out.println("========================================");
          }
      } catch (Exception e) {
          e.printStackTrace();
      }
  }
  

• 基于BusyBox的实现方案
  参考Stack Overflow帖子《how to run traceroute command through your application?》的建议，需要将BusyBox嵌入应用才能运行traceroute。经调研，BusyBox单文件集成了上百个Linux命令，但我仅需要traceroute功能，且单份BusyBox二进制文件无法覆盖Android支持的所有CPU架构，因此暂不考虑该方案。
• 基于NDK编译原生traceroute的方案
  参考GitHub上的traceroute-for-android项目思路，将traceroute源码嵌入项目，通过NDK和应用其余代码共同编译，该方案原生逻辑一致性最高，最符合需求。但导入项目实验时构建失败，顶层报错信息为：

  org.gradle.initialization.ReportedException: org.gradle.internal.exceptions.LocationAwareException: A problem occurred configuring root project 'traceroute-for-android-master'.
  

待解答问题 #

1. ping实现方案中特定TTL值下ping阻塞的原因
2. 上述NDK项目构建失败的排查方法
3. Android平台实现traceroute功能的最优方案，尤其是适配Android Studio 3.3.0、API 21的NDK实现搭建指南

问题解答 #

1. ping方案特定TTL下阻塞的原因 #

阻塞核心是两个问题叠加：

• 你只读取了进程的标准输出流（getInputStream()），没有读取标准错误流（getErrorStream()）。当TTL到期时，中间路由器返回的ICMP超时信息在很多厂商的Android系统上会输出到标准错误流，缓冲区写满后进程就会挂起等待流被读取，造成阻塞。
• 没有给ping命令加超时参数。部分节点会直接丢弃ICMP超时报文，没有响应的情况下ping命令会默认等待10秒以上才会超时返回，你代码里没有设置-W（超时时间，单位秒）参数，就会卡在无响应的节点上。

修复方法如下：单独开线程读取错误流，同时给ping命令加上超时参数，示例修改：

// 执行ping时增加-W 2参数，代表2秒无响应就超时
Process p = Runtime.getRuntime().exec("ping -c 1 -W 2 -t " + i + " " + host);
// 启动子线程读取错误流，避免缓冲区占满阻塞
new Thread(() -> {
    try {
        BufferedReader errBr = new BufferedReader(new InputStreamReader(p.getErrorStream()));
        while (errBr.readLine() != null) {}
    } catch (Exception ignored) {}
}).start();

另外注意Android不同版本的ping命令参数有差异，部分老版本系统-t参数的TTL设置需要放在目标地址前面，你当前写法适配API21没有问题。

2. NDK项目构建失败排查方法 #

你拿到的开源项目版本较老，和当前Android Studio 3.3.0、API21的环境不匹配，按以下顺序排查即可：

• 先修复Gradle版本不匹配问题：老项目一般使用旧版Gradle插件，打开项目根目录的build.gradle，把classpath里的Gradle插件版本改成和AS 3.3.0匹配的3.3.0版本，同时打开gradle/wrapper/gradle-wrapper.properties，把distributionUrl里的Gradle版本改成4.10.1（AS3.3.0对应支持的Gradle版本）。
• 再检查NDK配置问题：老项目用的是旧版NDK构建逻辑，先在SDK Manager里安装对应版本的NDK（推荐NDK r19c，对API21兼容性最好），然后在项目根目录的local.properties里加上ndk.dir=你的NDK安装路径配置。如果项目用的是ndk-build旧语法，不需要迁移到CMake，直接在app模块的build.gradle里加上ndk配置，指定编译的ABI架构：

  android {
      defaultConfig {
          ndk {
              abiFilters 'armeabi-v7a','arm64-v8a','x86','x86_64'
          }
      }
  }
  

• 最后检查SDK版本配置：把app模块build.gradle里的compileSdkVersion、minSdkVersion改成你当前使用的版本，minSdkVersion设为21即可，compileSdkVersion建议用28（和AS3.3.0兼容性最好）。

3. Android平台Traceroute最优实现方案（适配AS3.3.0+API21） #

优先选择NDK编译原生traceroute的方案，比ping方案准确率高，比BusyBox方案体积小、架构覆盖全，搭建步骤如下：

1. 新建支持NDK的Android项目，选择API21作为最低SDK版本，在SDK Manager中安装NDK r19c、CMake 3.10.2（AS3.3.0支持的稳定版本）。
2. 下载标准Linux traceroute的核心源码（仅需traceroute.c、as.c、ifaddrlist.c等无额外依赖的C文件），放到app模块的src/main/cpp目录下。
3. 在cpp目录下编写CMakeLists.txt，配置编译规则：

cmake_minimum_required(VERSION 3.4.1)
add_library(traceroute SHARED
        traceroute.c
        as.c
        ifaddrlist.c
        addsock.c
        cksum.c
        dnet.c
        # 列出所有用到的C文件
        )
find_library(log-lib log)
target_link_libraries(traceroute ${log-lib})

4. 在app模块的build.gradle里配置CMake编译路径：

android {
    externalNativeBuild {
        cmake {
            path "src/main/cpp/CMakeLists.txt"
        }
    }
    defaultConfig {
        ndk {
            abiFilters 'armeabi-v7a','arm64-v8a','x86','x86_64'
        }
    }
}

5. 编写JNI接口，调用原生traceroute逻辑，把探测结果回调到Java层即可。编译出来的so库总大小不到200KB，比嵌入BusyBox小一个数量级，支持全主流CPU架构，不需要root权限，准确率和Linux原生traceroute完全一致。

如果不想自己编写JNI逻辑，可以直接提取之前找到的开源项目里的C/C++源码和JNI接口代码，替换掉项目里的Gradle配置即可正常编译运行，不需要导入整个旧项目。

内容的提问来源于stack exchange，提问作者Amaar Ebrahim