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基于Blackfin 533的SIP網(wǎng)絡(luò)電話

田有東 王超 張萌 尤燦 王素 2008/11/10

引言

　　近年來，Internet得到了飛速發(fā)展與普及，而作為其核心技術(shù)的IP協(xié)議體系在數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中的統(tǒng)治地位已得到了廣泛認(rèn)同。另外，隨著IP技術(shù)框架中匯聚網(wǎng)絡(luò)研究的發(fā)展和VoIP(Voice over Internet Protoc01)技術(shù)的提出，數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)通信已經(jīng)融入傳統(tǒng)的話音業(yè)務(wù)領(lǐng)域，而且VoIP與生俱來的Internet血統(tǒng)使得其在應(yīng)用方面有著很強(qiáng)的拓展性，因此，VoIP技術(shù)和應(yīng)用的研究成為了當(dāng)今的熱點(diǎn)問題。各大芯片廠商相繼推出了VoIP方案，比如ADI公司的Blackfin系列等。協(xié)議方面的研究也取得了豐碩的成果，其中SIP(Session Initiation Protoc01)協(xié)議憑借相對簡單的實(shí)現(xiàn)模式和極強(qiáng)的擴(kuò)展性受到了越來越多的關(guān)注。ADI公司推出的Blackfin處理器是一類專為滿足當(dāng)今嵌入式音頻、視頻和通信應(yīng)用的計(jì)算要求和功耗約束條件而設(shè)計(jì)的新型16／32位嵌入式處理器。該處理器基于ADI和Intel公司聯(lián)合開發(fā)的微信號架構(gòu)(MSA)，擁有類RISC型指令集、雙16位乘法器、雙40位邏輯運(yùn)算單元(ALU)、40位桶形移位器和4個(gè)視頻運(yùn)算單元(videoALUs)，將信號處理功能和通用型微控制器所具有的易用性組合在了一起。這種處理特征的組合使得Blackfin處理器能夠在信號處理和控制處理應(yīng)用中均有較好的表現(xiàn)；與此同時(shí)，該能力也簡化了硬件和軟件方面的設(shè)計(jì)。SIP類似于HTTP協(xié)議，也是一個(gè)基于文本的協(xié)議，因而易于讀取和調(diào)試。與此同時(shí)，SIP協(xié)議在制訂時(shí)就考慮到了擴(kuò)充性的問題，通過增加新的消息類型、消息頭和消息體即可實(shí)現(xiàn)新服務(wù)。即使不能支持基于SIP的舊設(shè)備也不會妨礙這些新服務(wù)。另外，SIP的一個(gè)重要特點(diǎn)是，它不定義要建立的會話的類型，而只定義應(yīng)該如何管理會話。有了這種靈活性，也就意味著SIP可以用于眾多應(yīng)用和服務(wù)中。本文介紹了一種基于Blackfin處理器平臺的網(wǎng)絡(luò)電話方案�？紤]未來應(yīng)用的拓展需要和網(wǎng)絡(luò)電話的特點(diǎn)，選擇了Blackfin 533處理器和基于SIP的VoIP協(xié)議棧，實(shí)現(xiàn)了一系列的通話功能。

1.系統(tǒng)方案

　　鑒于Linux強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)功能，結(jié)合Blackfin的硬件特點(diǎn)，采用μClinux作為操作系統(tǒng)；同時(shí)面向控制的操作系統(tǒng)、圖形化的人機(jī)界面以及復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧，增加了對MCU的要求，語音處理又需要高效的DSP算法，因此選用Blackfin 533作為核心處理器。系統(tǒng)框圖如圖1所示。


　　外圍硬件主要有ADl836、DM9000、LCD顯示屏和5×5鍵盤輸入設(shè)備。

　　軟件方面采用分層設(shè)計(jì)：

　　底層是驅(qū)動層。完成硬件的配置和相關(guān)操作，并為上層提供硬件訪問接口。

　　中間層是應(yīng)用程序庫。完成上層應(yīng)用所需的各種基本操作，并為上層提供豐富的API接口。SIP／SDPRTP／RTCP結(jié)合TCP／IP完成SIP信令交互、會話管理，以及控制實(shí)時(shí)語音數(shù)據(jù)的傳輸；Codec完成語音編解碼工作，目前支持PCMU、PCMA、GSM、Speex編碼；GUI庫提供具體的圖形顯示功能。

　　上層是應(yīng)用層。利用底層和中間層提供的接口，構(gòu)建出話機(jī)終端具體應(yīng)用。終端支持P2P和Proxy兩種通信模式，可以實(shí)現(xiàn)接聽、掛機(jī)、呼叫保持／恢復(fù)、呼叫轉(zhuǎn)接、電話會議、音量調(diào)節(jié)、自動注冊等功能。

2.硬件方案

　　Blackfin 533為核心處理器芯片。外圍輔以ADl836實(shí)現(xiàn)語音信號的采集和播放；DM9000實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包的收發(fā)；TFT LCD顯示屏和鍵盤實(shí)現(xiàn)圖形界面顯示以及人機(jī)交互。硬件框圖如圖2所示。


3.軟件方案

　　在詳細(xì)分析功能需求的基礎(chǔ)上，采用并行的程序設(shè)計(jì)思想，將整個(gè)應(yīng)用劃分為4部分，分別由4個(gè)線程來完成，如圖3所示。


　　UI(User Interface)控制線程。負(fù)責(zé)響應(yīng)用戶的鍵盤輸入和屏幕顯示的刷新以及傳遞消息給協(xié)議棧。

　　Codec語音 線程。完成語音數(shù)據(jù)的處理，主要包括:本地語音的采集和編碼,網(wǎng)絡(luò)語音數(shù)據(jù)的解碼、混音和播放等。

　　SIP信令交互線程。使用Socket套接字實(shí)現(xiàn)SIP數(shù)據(jù)報(bào)收發(fā)，并將解析后的消息提供給用戶或直接作出相應(yīng)的反應(yīng)。

　　RTP／RTCP收發(fā)線程。使用Socket套接字完成RTP／RTCP數(shù)據(jù)包收發(fā)。RTP傳送語音數(shù)據(jù)，RTCP可以提供數(shù)據(jù)分發(fā)、質(zhì)量反饋等相關(guān)信息。

　　在整個(gè)應(yīng)用初始化時(shí)，會建立Sound Device Port和Conference Bridge兩個(gè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。前者代表本地的聲音設(shè)備，后者控制著媒體數(shù)據(jù)在不同Port之間的傳送。Port結(jié)構(gòu)體代表著會話參與者，比如sound Device Port代表本地用戶，Media Stream Port代表遠(yuǎn)端參與者。當(dāng)UI控制線程探測到有外撥電話時(shí)，它會傳遞一個(gè)消息給SIP信令交互線程。隨后一個(gè)Media Transpor實(shí)體被創(chuàng)建出來(媒體流傳輸使用的是UDP)。該實(shí)體中的地址和端口號信息將被添加到本地SDP結(jié)構(gòu)中，用于Invite會話的協(xié)商過程。當(dāng)用于本次通話的Offer或Answer會話確立之后(即協(xié)商已經(jīng)完成，雙方確定了通信的類型)，根據(jù)通話雙方的SDP信息，就創(chuàng)建出來一個(gè)Media Session Info結(jié)構(gòu)。接著SIP信令交互線程會創(chuàng)建一個(gè)Media Session(多媒體會話)結(jié)構(gòu)。在這一過程中，按照在Me dia sessionInfo數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中的codec等設(shè)置信息，Media Stream被創(chuàng)建出來。與此同時(shí)，Media Stream和先前創(chuàng)建的MediaTransport也被連接到了一起。該Media Stream對象將以Port的形式注冊到Conference Bridge。接著在Confer—ence Bridge中注冊的Media Stream Port會根據(jù)需要被連接到其他Port，從而實(shí)現(xiàn)語音數(shù)據(jù)的傳送。比如，將一個(gè)Media Stream Port和Sound Device Port相連，就可以實(shí)現(xiàn)語音的播放和采集。

　　RTP／RTCP數(shù)據(jù)包的接收并不包含在以上介紹的流程之中，而是由RTP／RTCP收發(fā)線程來負(fù)責(zé)的。這是通過將RTP和RTCP的Sockets注冊到一個(gè)IOQueue隊(duì)列中，然后通過select()來完成的。首先，Media Transport會將其Socket注冊到一個(gè)在初始化過程中創(chuàng)建的I0Queue上。RTP／RTCP收發(fā)線程會輪詢這個(gè)IOQueue，當(dāng)一個(gè)RTP數(shù)據(jù)報(bào)被檢測到之后，輪詢函數(shù)會觸發(fā)on_rx_rtp()函數(shù)調(diào)用。這個(gè)回調(diào)函數(shù)是在一開始Socket注冊的時(shí)候被Media Transport一同注冊到了IOQueue上的。接著on_rx_rtp()會將收到的RTP數(shù)據(jù)包傳遞給Mediastream Port。Media Stream會將收到的RTP解包，更新相關(guān)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，并將負(fù)載中的音頻數(shù)據(jù)放到Jitter Buffer中。RTP包的接收到這里就結(jié)束了，放到Jitter Buffer中的數(shù)據(jù)會被Codec語音線程處理。RTCP的接收過程與此類似，只不過RTCP并不傳輸語音，而是提供語音傳輸方面的信息。根據(jù)這些信息，應(yīng)用可以對會話作出動態(tài)調(diào)整，從而提高通話的質(zhì)量。

　　整個(gè)音頻流都是由Codec語音線程來驅(qū)動的，具體來說是聲卡的回調(diào)函數(shù)。

　　當(dāng)聲卡設(shè)備需要新的一幀數(shù)據(jù)播放到揚(yáng)聲器時(shí)，回調(diào)函數(shù)play_cb()就會被調(diào)用。接著Sound Device Port就會調(diào)用get_frame()函數(shù)，這會觸發(fā)Conference Bridge調(diào)用另外的get_frame()去收集在其注冊的所有Port的媒體流數(shù)據(jù)。Conference Bridge對Media Stream Port的一次get_frame()調(diào)用，會使得Media Stream Port從JitterBuffer中取出一個(gè)數(shù)據(jù)幀，按照配置好的Codec將其解碼(如果有包丟失，就會進(jìn)行Packet Lost Concealment／PLC)，并將解碼后的PCM數(shù)據(jù)幀傳遞給調(diào)用者。如果有必要，會將收集到的信號混合(比如多方通話)，然后再將信號發(fā)送到它的目的Port，從而完成音頻數(shù)據(jù)在Port之間的傳遞(不單單是播放流程，這個(gè)過程對聲音的采集也是很重要的，因?yàn)橹挥羞@個(gè)過程可以完成數(shù)據(jù)在Port之間的交換)。之后，Conference Bridge會把聲卡設(shè)備需要的數(shù)據(jù)發(fā)送到Sound Device Port。

　　當(dāng)聲卡設(shè)備完成了一幀數(shù)據(jù)的采集后，它就會調(diào)用rec_cb()回調(diào)函數(shù)。這將會導(dǎo)致Conference Bridge的put_frame()函數(shù)調(diào)用。put_frame()函數(shù)調(diào)用會將PCM數(shù)據(jù)幀保存在一個(gè)內(nèi)部的緩沖隊(duì)列中，當(dāng)下次ConferenceBridge輪詢Port時(shí)，這些數(shù)據(jù)將會被傳遞給目的Port。該Media Stream Port會將這個(gè)PCM數(shù)據(jù)幀按照配置好的codec進(jìn)行編碼，然后將其封裝為RTP數(shù)據(jù)報(bào)，更新RTCP，然后將RTP／RTCP數(shù)據(jù)報(bào)傳遞給與其相連的Media Transport，最后Media Transport就會將數(shù)據(jù)報(bào)發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)。數(shù)據(jù)流框圖如圖4所示。


4.功能測試

　　4.1 測試環(huán)境

　　為了驗(yàn)證這部網(wǎng)絡(luò)電話的功能，我們搭建了一個(gè)實(shí)驗(yàn)環(huán)境。這個(gè)實(shí)驗(yàn)環(huán)境包括：

　　① 一臺單獨(dú)的主機(jī)運(yùn)行SER(SIP Express Router)，來實(shí)現(xiàn)服務(wù)器的功能，包括注冊服務(wù)器、重定向服務(wù)器和代理服務(wù)器等SIP邏輯上的實(shí)體；

　　② 運(yùn)行X—Lite的主機(jī)，用來作為遠(yuǎn)端客戶機(jī)，和網(wǎng)絡(luò)電話處于對等的狀態(tài)，用來進(jìn)行呼叫、接受呼叫等功能性實(shí)驗(yàn)；

　　③ Blackfin網(wǎng)絡(luò)電話，以下簡稱為“BF533網(wǎng)絡(luò)電話”。

　　它們都以以太網(wǎng)的方式接入同一個(gè)局域網(wǎng)中。實(shí)驗(yàn)環(huán)境的示意圖如圖5所示。Ethereal是本次實(shí)驗(yàn)中用到的監(jiān)聽工具。


　　4.2 界面簡介

　　用戶界面如圖6所示。


　　靠近顯示區(qū)的頂端是音量顯示區(qū)。小圖標(biāo)指明了顯示音量的種類；音量顯示采用遞增柱體，分為6級。緊挨著音量顯示區(qū)的是狀態(tài)顯示區(qū)。這部分包括Server狀態(tài)信息顯示區(qū)、Call狀態(tài)信息顯示區(qū)、當(dāng)前通話狀態(tài)信息顯示區(qū)和號碼輸入顯示區(qū)。底部是菜單顯示區(qū)。從左到右分別為：選擇上一通話、選擇下一通話、呼叫轉(zhuǎn)接、呼叫保持、增大麥克音量、減小麥克音量、增大揚(yáng)聲器音量、減小揚(yáng)聲器音量、電話會議。

　　4.3 功能測試

　　(1)注冊

　　注冊過程如圖7所示。BF533網(wǎng)絡(luò)電話和SER服務(wù)器共交換了兩條消息：一條是目標(biāo)系統(tǒng)向服務(wù)器發(fā)送的REGISTER請求消息，另一條是服務(wù)器發(fā)送的200 OK消息。

　　 (2) 呼叫過程

　　呼叫過程如圖8所示。BF533網(wǎng)絡(luò)電話(BP)先是向SER服務(wù)器發(fā)送了一條INⅥTE消息(M1)，要求與遠(yuǎn)端客戶機(jī)(RC)進(jìn)行對話。SER馬上回復(fù)一條100 Trying消息(M2)表示正在嘗試連接。然后SER將INⅥTE消息加入相關(guān)的Record—Route和Via頭部域以后成為消息M3，發(fā)送給RC。RC回復(fù)一個(gè)100 Trying消息(M4)給SER，然后再發(fā)送180Ringing(M5)給SER，表示正在響鈴中。SER將M5中它的Via和Record—R0ute頭部域去掉以后，成為消息M6發(fā)送給BP。在RC接受本次呼叫以后，它發(fā)送一個(gè)200 OK(M7)給SER。SER去掉Via以后，發(fā)送M8給BP。收到M8以后，BP發(fā)送ACK(M9)給RC。之后，雙方之間的通話就建立了起來。當(dāng)會話結(jié)束時(shí)，BP發(fā)送BYE(M11)給RC，之后，RC返回200 OK(M14)，這次通話就結(jié)束了。(被叫過程和呼叫過程相似。)


　　(3)呼叫轉(zhuǎn)接

　　該過程是通過擴(kuò)展的SIP信令REFER來完成的，交互過程如圖9所示。當(dāng)BF533網(wǎng)絡(luò)電話要將它和遠(yuǎn)端客戶機(jī)1(RCl)的通話轉(zhuǎn)接到遠(yuǎn)端客戶機(jī)2(RC2)時(shí)，BF發(fā)送REFER(M1)給RCl，該信息中Refer—To字頭標(biāo)明了RC2的URL，之后RCl回復(fù)202 Accepted(M2)給BP表明接受轉(zhuǎn)接。隨后，RCl和RC2之間會有類似于通話建立過程的信令交互INVITE(M3)，100 Trying(M4)，180Ringing(M7)、200 OK(M10)，RCl會通過NOTIFY將轉(zhuǎn)接狀態(tài)告知BP，最后RCl回復(fù)ACK(M13)給RC2建立通話，同時(shí)其與BP的通話就斷開了。


　　 (4)呼叫保持／恢復(fù)

　　呼叫保持并沒有專門的信令，而是將INVITE信令體SDP中的Connection Information(c)參數(shù)設(shè)為空(即(IPV4)0.O.O.0)來實(shí)現(xiàn)的。 BF533網(wǎng)絡(luò)電話遠(yuǎn)端客戶機(jī)遠(yuǎn)端各尸機(jī)回復(fù)200 0K接受保持，如圖10所示。同理，呼叫恢復(fù)就是將c參數(shù)恢復(fù)原值，過程與呼叫保持相同。

　　 (5)電話會議

　　會議功能是在Blackfin 533上實(shí)現(xiàn)的，將不同Port的語音數(shù)據(jù)混合并發(fā)送給目的Port，即可讓參與者聽到多方的聲音。通過測試，各項(xiàng)功能均已實(shí)現(xiàn)，而且通話質(zhì)量良好。

結(jié)語

　　本文提出并實(shí)現(xiàn)了一種基于Blackfin的SIP網(wǎng)絡(luò)電話解決方案，介紹了整個(gè)系統(tǒng)的構(gòu)成，包括硬件方案和軟件方案，并展示了相關(guān)的功能。由于采用層次化設(shè)計(jì)，并提供了豐富的API接口，因此該方案有較強(qiáng)的可拓展性。

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