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基于Android的VoIP系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)原理

2011/05/05

　　VoIP（Voice over Internet Protocol）即首先數(shù)字化語音信號并壓縮成幀，轉(zhuǎn)換為IP數(shù)據(jù)包在網(wǎng)絡(luò)上傳輸，以此完成語音通話的業(yè)務(wù)，是一種利用IP協(xié)議傳輸語音數(shù)據(jù)的、新興的通信技術(shù)。

　　隨著我國三網(wǎng)融合的推進(jìn)，VoIP與IPTV（Interactive Personality TV）一起成為這一龐大工程的重要標(biāo)志。而目前手機(jī)中，VoIP的解決方案并不是很多，特別是在Google公司推出的開源操作系統(tǒng)Android中。盡管該系統(tǒng)推出時間不長，憑借強(qiáng)大的功能、良好的界面、廣泛的商業(yè)支持，為用戶帶來很好的體驗(yàn)，成為2010年最熱門且發(fā)展最快的手機(jī)操作系統(tǒng)。因此，兩者的結(jié)合，將是未來的發(fā)展趨勢。本文提出一種基于PJSIP協(xié)議棧的解決方案，通過Android本地開發(fā)工具（NDK），實(shí)現(xiàn)一個高效、穩(wěn)定且功能強(qiáng)大的VoIP系統(tǒng)，具有較高的參考和實(shí)用價值。

　　1 VoIP設(shè)計(jì)方案

　　1.1 設(shè)計(jì)目標(biāo)

　　本方案所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)包含以下功能：首先，完成用戶終端（如手機(jī)）中語音數(shù)據(jù)的采集與編碼，并通過RTP（實(shí)時傳輸協(xié)議）／RTCP（RTP傳輸控制協(xié)議）進(jìn)行傳輸和控制；其次，完成會話的控制，包括會話的注冊、發(fā)起、維護(hù)與結(jié)束、注銷等；再次，作為一個應(yīng)用程序，必須實(shí)現(xiàn)一個良好的界面，與用戶交互；最后，作為一個開放系統(tǒng)，需具有良好的可擴(kuò)展性。

　　1.2 總體設(shè)計(jì)

　　本方案基本上符合Android的NDK框架的開發(fā)規(guī)范，將系統(tǒng)分為4層，如圖1所示。最上層為應(yīng)用層，該層將在Android SDK的框架內(nèi)，采用Java語言來實(shí)現(xiàn)；第二層為JNI層，SIP協(xié)議棧有很多種實(shí)現(xiàn)，其中，采用C語言的SIP協(xié)議棧在效率、速度、系統(tǒng)占用方面有著超越其他庫（如Java協(xié)議棧）的優(yōu)勢，因此，該方案將在第三層采用純C語言實(shí)現(xiàn)的PJSIP協(xié)議棧。為了讓Java應(yīng)用層能調(diào)用協(xié)議棧層，在兩層之間需要一個銜接的橋梁，這就是JNI層。最后一層是驅(qū)動層，這部分一般是由手機(jī)廠商來實(shí)現(xiàn)的，本文將不做重點(diǎn)介紹。

　　2 VoIP的具體實(shí)現(xiàn)

　　這里將實(shí)現(xiàn)一個完整的VoIP系統(tǒng)，包括協(xié)議棧的實(shí)現(xiàn)、JNI的編寫以及上層UI的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)等。

　　2.1 SIP協(xié)議棧及UA

　　SIP協(xié)議棧直接關(guān)系到整個系統(tǒng)的質(zhì)量與效率，本文將采用純C語言開發(fā)的PJSIP庫。該庫采用C語言開發(fā)，且源碼開放，在兼容性與效率上有明顯優(yōu)勢，不僅體積�。ㄍ暾腟IP封裝也不過150 KB），同時還實(shí)現(xiàn)了一個內(nèi)存池，使得安全系數(shù)與運(yùn)行效率大為提高，該系統(tǒng)所采用的就是優(yōu)化后的PJSIP庫。

　　2.1.1 PJSIP協(xié)議棧

　　PJSIP協(xié)議棧遵循標(biāo)準(zhǔn)的SIP協(xié)議，采用分層架構(gòu)：SIP／SDP消息編碼解析層、傳輸管理層、SIP終端、事務(wù)層、會話層以及應(yīng)用層等。由于SIP協(xié)議采用文本消息發(fā)送請求和響應(yīng)，所以首先需要將SIP消息按照巴斯克范式（ABNF）編碼和解析，這就是SIP／SDP消息編碼解析層所完成的功能。傳輸管理層用來管理用戶代理與服務(wù)器之間的請求和相應(yīng)；SIP終端是PJSIP中轉(zhuǎn)機(jī)制的實(shí)現(xiàn)，它主要負(fù)責(zé)管理各個SIP組建，例如像SIP終端實(shí)例注冊組件，分發(fā)消息到事務(wù)層、會話層及應(yīng)用層，回傳處理結(jié)果，管理定時器、I／O隊(duì)列等；事務(wù)層通過狀態(tài)機(jī)機(jī)制管理SIP信令，每一次狀態(tài)機(jī)狀態(tài)的改變都將觸發(fā)回調(diào)函數(shù)；會話層負(fù)責(zé)會話的發(fā)起與響應(yīng)，一般與應(yīng)用層結(jié)合在一起，用于用戶交互，不同的平臺有不同的實(shí)現(xiàn)，本文使用Andriod的GUI來實(shí)現(xiàn)。

　　PJSIP是一個高度封裝的庫，實(shí)際上它是通過PJSUA子庫來實(shí)現(xiàn)應(yīng)用的。一個完整的PJSUA生命周期，首先需要初始化，通過函數(shù)init（）來實(shí)現(xiàn)。在這個函數(shù)中，將創(chuàng)建代理、初始化變量和堆棧，以及創(chuàng)建一個UDP傳輸并在最后啟動代理；第二步將為UA添加用戶，如果需要的話，還要向服務(wù)器注冊用戶；當(dāng)用戶添加成功后，此時可以建立一個呼叫連接，發(fā)起會話；當(dāng)會話連接成功后，就可以使用SRTP協(xié)議實(shí)時傳輸加密后的數(shù)據(jù)，進(jìn)行通話。最后的過程是掛起或銷毀呼叫。

　　2.1.2 UA原理

　　UA（User Agency）是協(xié)議棧的具體實(shí)現(xiàn)，PJSIP通過封裝了的PJSUA來實(shí)現(xiàn)，在這一點(diǎn)上，大部分的SIP庫都大同小異，在此將介紹UA的工作原理。

　　一個典型的UA包含UAC（User Agency Client）和UAS（User Agency Server）兩部分。會話由UAC發(fā)起。當(dāng)呼叫發(fā)起時，UAC將首先發(fā)送“IN-VITE”消息給SIP代理服務(wù)器，服務(wù)器收到“INVITE”消息后將返回一個應(yīng)答“200 OK”，并回答“ACK”進(jìn)行確認(rèn)，同時通知主叫用戶（即會話發(fā)起用戶）上線通話。如果主叫端（用戶端）主動結(jié)束會話，UAC將返回“BYE”消息，同時通知服務(wù)器；如果用戶端收到服務(wù)器傳來的“BY-E”消息，回答“200”，并結(jié)束會話。

　　服務(wù)器端，UAS收到UAC（用戶端）發(fā)來的“INVITE”消息，首先從消息中提取出主、被叫對象，然后檢查當(dāng)前是否有空閑信道，若沒有則返回“486 BUSY HERE”（即系統(tǒng)忙）消息；接著將檢查被叫用戶是否在服務(wù)區(qū)，如果被叫對象不在服務(wù)范圍，則返回“404 NOT FOUND”（即用戶不在服務(wù)區(qū)）；若被叫用戶成功上線，則返回“200 OK”，同時準(zhǔn)備開始會話。

　　SIP協(xié)議棧一般使用SIP統(tǒng)一資源定位符（URL）來標(biāo)識，它根據(jù)URL來尋址，如集群用戶“200”，“300”分別對應(yīng)SIP用戶為“200@192.168. 1.100”，“300@192．168．1．100”。本文中也使用這種方式來測試通信。

　　2.2 JNI的實(shí)現(xiàn)

　　PJSIP庫和Java類連接是通過JNI來實(shí)現(xiàn)的，這也是Android NDK的實(shí)現(xiàn)機(jī)制，JNI是SUN公司推出的用于Java調(diào)用其他語言的接口。

　　首先需要一個中間類，這個類中主要建立一些方法用于調(diào)用C／C++本地函數(shù)。它們的類型均為“publicstatic native int”，以便其他的Java類能夠調(diào)用。

　　2.2.1 新建PJSIP類

　　為各個待實(shí)現(xiàn)的類新建一個包，可以命名為“com．a(chǎn)ndroid．VoIP．pjsip”，在該包中添加該系統(tǒng)相關(guān)的一些類，主要有如下6個類：
　　
　　這些類分別為上節(jié)中原理各個步驟的實(shí)現(xiàn)。這部分僅僅是為C庫的調(diào)用提供一個接口，因此具體的實(shí)現(xiàn)將放在本地C／C++程序中。

　　2.2.2 頭文件的生成

　　C庫與Java間還需通過一個后綴為“．h”的頭文件來銜接，這個頭文件可以手動編寫，也可以通過“Javah”來生成，該工具包含在JDK中，是由SUN公司提供的。

　　Javah生產(chǎn)的頭文件包含一定的規(guī)則，例如，本例中，它將生成的函數(shù)聲明為“Java_com_android_IMSandroid_pjsip_**”的形式，以便在調(diào)用C庫時能正確識別。

　　由于Java中的數(shù)據(jù)類型與C／C++不盡相同，因此還必須注意參數(shù)傳遞時參數(shù)類型的轉(zhuǎn)換。本文所涉及到的Java數(shù)據(jù)類型有String和int型，Javah生成的頭文件中會先定義好需要傳遞的參數(shù)類型以及函數(shù)返回類型，例如方法“add_account（String sip_user，Stringsip_dom-ain，String sip_passwd）”，在頭文件中將定義函數(shù)的形式為“JNIEXPORT jint JNICALL Java_com_android_IMSandroid_pjsip_add_lac-count（JNIEnv*，jclass，jstring，jstring，jstring）”，其中JNIEXPORT為JNI外部函數(shù)聲明，jint是“jni．h”中定義C語言中整形的對應(yīng)類型，JNCALL是JNI關(guān)鍵字。比較特殊的是JNIEnv，它是一個指向類型為JNIEnv_的一個特殊JNI數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的指針，它的每個元素都指向一個JNI函數(shù)的指針，jclass會根據(jù)引用Java類的不同而不同，本文中“pjsip．class”是靜態(tài)類，因此這里的jclass指的是類本身，如果是非靜態(tài)類則指的是對象。后面幾個就是pjsip類需要傳遞的參數(shù)，根據(jù)“jni．h”的定義，String類型對應(yīng)jstring，int對應(yīng)jint。然而這只是函數(shù)申明與類中方法的形式對應(yīng)，參數(shù)的具體傳遞還需要相應(yīng)的轉(zhuǎn)化，具體實(shí)現(xiàn)將在下一節(jié)詳細(xì)介紹。

　　2.2.3 JNI接口函數(shù)的實(shí)現(xiàn)

　　創(chuàng)建了pjsip庫類和頭文件之后，必須應(yīng)用一個庫接口函數(shù)，這部分是pjsip接口的實(shí)現(xiàn)，限于篇幅，本文只講解幾個重要函數(shù)的實(shí)現(xiàn)。

　　（1）init函數(shù)

　　首先是init函數(shù)，對應(yīng)的接口函數(shù)為JNICALL Java_com_android_IMSandroid_pjsip_init。該函數(shù)在系統(tǒng)初始化時調(diào)用，其作用是配置相關(guān)參數(shù)，并發(fā)起一個pjsua應(yīng)用。它先通過函數(shù)“pjsua_create（）”創(chuàng)建一個“pjsua”應(yīng)用，然后通過三個函數(shù)“pjsua_config_default（＆cfg）”，“pjsua_logging_config_default（&log_cfg”），“pjsua_media_config_default（＆media_cfg）”配置其相關(guān)參數(shù)，其中cfg是pjsua的相關(guān)參數(shù)，主要是狀態(tài)改變時的回調(diào)函數(shù)；log_cfg用來配置log級別；media_cfg中包含時鐘頻率、聲道數(shù)目等相關(guān)參數(shù)。

　　完成配置之后就可以使用pjsua_init（＆cfg，＆log_cfg，＆media_cfg）將先前配置的參數(shù)初始化。在初始化之后，還需為pjsua添加一個udp傳輸，這一步是通過pjsua_transport_create（PJSIP_TRANSPORT_UDP，&cfg，NULL）來實(shí)現(xiàn)的，cfg中包含指定的通訊端口，3GPP建議使用5060。

　　需要注意的是，配置完以上參數(shù)之后，還需指定SPEEX編碼優(yōu)先級，一般將其設(shè)為最大，可以通過函數(shù)pisua_codec_set_priority（＆-speex_codec_id，255）來實(shí)現(xiàn)。所有配置完成之后，就可以發(fā)起pjsua，即最后調(diào)用pjsua_start（）。成功的話，本函數(shù)的返回類型為PJ_SUCCESS。

　�。�2）make_call函數(shù)

　　另一個很重要的函數(shù)是make_call，其在本接口文件中對應(yīng)的函數(shù)為Java_com_Android_IMSandroid_pjsip_make_lcall，這個函數(shù)一般在發(fā)起會話時調(diào)用，它與上一個函數(shù)在結(jié)構(gòu)上最大的不同在于本函數(shù)需要傳遞一個字符串參數(shù)，前面提到，Java與C／C++在參數(shù)結(jié)構(gòu)上并不完全相同，因此這里需要將Java傳遞過來的String類型的參數(shù)轉(zhuǎn)化，可以通過“url_ptr=（char*）env-》GetStringUTFChars（url，&iscopy）”來實(shí)現(xiàn)。env-》GetStringUTFChars在“jni．h”中定義，其功能是將jsting類型（Java）的url復(fù)制到char*類型（C）的url_ptr中，以此來完成參數(shù)類型的轉(zhuǎn)換。

　　為了保證傳遞地址的有效性，還需要使用pjsua_verify_sip_url（url_ptr）驗(yàn)證，這個函數(shù)主要驗(yàn)證url_ptr是符合SIP的規(guī)則，即是否是一個合法的SIP地址。然而char*型的地址pjsua中還是不能直接使用的，這是因?yàn)閜jsua重新封裝了參數(shù)類型，所以最后還需要將其轉(zhuǎn)化成pj_ str_t類型，pjlib提供pj_str（）函數(shù)可以完成轉(zhuǎn)化。在完成了參數(shù)的轉(zhuǎn)化后，調(diào)用“pjsua_call_make_call（）”，將發(fā)起會話。

　�。�3）hangup函數(shù)和pjsua_destroy函數(shù)

　　這兩個函數(shù)用來銷毀和掛斷會話，一般在需結(jié)束的時候調(diào)用，它們在接口函數(shù)中對應(yīng)Java_com_android_

　　IMSandroid_pjsip_hangup和Java_com_android_IMSandroid_pjsip_destroy，由于沒有參數(shù)傳遞，也沒有其他的調(diào)用，因此這兩個函數(shù)非常簡單，基本上直接調(diào)用pjsua提供的pjsua_call_hangup_all（）和pjsua_destroy（）就能實(shí)現(xiàn)。pisua中這兩個函數(shù)將完成內(nèi)存釋放、賬戶注銷等工作。

　�。�4）add_account函數(shù)

　　該函數(shù)在基本的pjsua中并不是必須的，但如果要使用SIP服務(wù)器的話，就必須實(shí)現(xiàn)該函數(shù)，它在接口函數(shù)中對應(yīng)“Java_com_android_I-MSandroid_pjsip_add_1account”，同“make_call”一樣，也需要傳遞參數(shù)，不同的是，它傳遞三個參數(shù)，只是原理大體一樣。

　　首先它將參數(shù)轉(zhuǎn)化后保持到cfg，通過“pjsua_acc_add（＆cfg，PJ_TRUE，＆ace_id）”將參數(shù)添加到pjsua。pjsua將以其中的sip服務(wù)器為目的地址，注冊會話發(fā)起申請，經(jīng)過一系列的操作之后，與目的地址發(fā)起會話。

　　2.2.4 主程序與用戶界面

　　系統(tǒng)的主程序是一個標(biāo)準(zhǔn)的Android應(yīng)用程序，它使用Java語言開發(fā)，符合SDK規(guī)范。與一般的SDK程序不同的是，該類中必須使用Syst-em．loadLibrary加載PJSIP庫文件。形式如下：

　　System．loadLibrary（“pjsip-jni”）；

　　其中，pjsip-jni就是上節(jié)中PJSIP協(xié)議棧生成的庫。

　　主程序中的基本方式均按照上節(jié)中的過程，創(chuàng)建并初始化PJSUA；當(dāng)call按鍵被觸發(fā)時發(fā)起會話，調(diào)用make-call（）方法；當(dāng)用戶接受通話時，點(diǎn)擊hang或cancel按鍵，觸發(fā)hang（）或采用destry（）方法等。

　　用戶接口是通過Android SDK來實(shí)現(xiàn)的，這部分幾乎全都是Java語言，由于UI不是本文的重點(diǎn)，因此只介紹一個簡單的界面，實(shí)際應(yīng)用中用戶交互是非常重要的。為了實(shí)現(xiàn)所需的功能，至少需要一個文本框來提供SIP地址，以及兩個按鍵來控制會話發(fā)起和結(jié)束。另外，在呼叫與通話過程中，還需要一個頁面來顯示，這里可以通過對話框來顯示，最后的界面如圖2所示。
　　
　　3 封裝與調(diào)試

　　為了能在Android平臺上方便地使用該系統(tǒng)，在實(shí)現(xiàn)了PJSIP協(xié)議棧、JNI接口以及UI之后，還需將上面所有的模塊進(jìn)行封裝。Android SDK提供了一些很有用的工具，如aapt等，由于本文重點(diǎn)不在AndriodSDK，所以可以采用集成開發(fā)工具（如集成在Eclipse中的ADT）來封裝。在工程libs（如果不存在則新建）目錄下新建一個名為armeabi的目錄，將上節(jié)生成的．so庫文件放到該目錄下。ADT在封裝資源時會自動將該庫文件封裝到apk文件中，apk是Android操作系統(tǒng)中應(yīng)用程序的封裝形式，在所有android平臺中均能使用。

　　封裝后安裝到Android手機(jī)、MID或虛擬機(jī)中，并發(fā)起會話。與開源SIP軟件Linphone通信的結(jié)果如圖2所示。

　　4 結(jié)語

　　通過測試表明，該系統(tǒng)能夠?qū)Πl(fā)起并很好地控制SIP信令，該系統(tǒng)由于采用SIP協(xié)議，因此與所有采用這一協(xié)議的軟件均能通信，如Lin-phone，Kphone等，功能測試中表現(xiàn)良好，實(shí)現(xiàn)了VoIP的基本需求。同時如果要增加功能，可以在Java類中添加相應(yīng)的方法并在應(yīng)用層調(diào)用即可，具有一定的可擴(kuò)展性。

　　由于手機(jī)等手持設(shè)備在規(guī)格和配置上的差異，該系統(tǒng)在具體的設(shè)備上使用時，界面略有不同，但是同系統(tǒng)架構(gòu)的手機(jī)使用時并不影響功能，在HTC Desire和MOTO Milestone上測試均能正常使用。但是，當(dāng)移植到不同的架構(gòu)時（即使同時ARM架構(gòu)），仍需做一定的優(yōu)化，一般采取主流平臺的多種版本方式來解決，這也是所有多廠商移動設(shè)備上一個無法避免的問題。

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