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基于Android的VoIP系統實現原理

2011/05/05

　　VoIP（Voice over Internet Protocol）即首先數字化語音信號并壓縮成幀，轉換為IP數據包在網絡上傳輸，以此完成語音通話的業(yè)務，是一種利用IP協議傳輸語音數據的、新興的通信技術。

　　隨著我國三網融合的推進，VoIP與IPTV（Interactive Personality TV）一起成為這一龐大工程的重要標志。而目前手機中，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Android中。盡管該系統推出時間不長，憑借強大的功能、良好的界面、廣泛的商業(yè)支持，為用戶帶來很好的體驗，成為2010年最熱門且發(fā)展最快的手機操作系統。因此，兩者的結合，將是未來的發(fā)展趨勢。本文提出一種基于PJSIP協議棧的解決方案，通過Android本地開發(fā)工具（NDK），實現一個高效、穩(wěn)定且功能強大的VoIP系統，具有較高的參考和實用價值。

　　1 VoIP設計方案

　　1.1 設計目標

　　本方案所設計的系統包含以下功能：首先，完成用戶終端（如手機）中語音數據的采集與編碼，并通過RTP（實時傳輸協議）／RTCP（RTP傳輸控制協議）進行傳輸和控制；其次，完成會話的控制，包括會話的注冊、發(fā)起、維護與結束、注銷等；再次，作為一個應用程序，必須實現一個良好的界面，與用戶交互；最后，作為一個開放系統，需具有良好的可擴展性。

　　1.2 總體設計

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

　　2 VoIP的具體實現

　　這里將實現一個完整的VoIP系統，包括協議棧的實現、JNI的編寫以及上層UI的設計實現等。

　　2.1 SIP協議棧及UA

　　SIP協議棧直接關系到整個系統的質量與效率，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），同時還實現了一個內存池，使得安全系數與運行效率大為提高，該系統所采用的就是優(yōu)化后的PJSIP庫。

　　2.1.1 PJSIP協議棧

　　PJSIP協議棧遵循標準的SIP協議，采用分層架構：SIP／SDP消息編碼解析層、傳輸管理層、SIP終端、事務層、會話層以及應用層等。由于SIP協議采用文本消息發(fā)送請求和響應，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器之間的請求和相應；SIP終端是PJSIP中轉機制的實現，它主要負責管理各個SIP組建，例如像SIP終端實例注冊組件，分發(fā)消息到事務層、會話層及應用層，回傳處理結果，管理定時器、I／O隊列等；事務層通過狀態(tài)機機制管理SIP信令，每一次狀態(tài)機狀態(tài)的改變都將觸發(fā)回調函數；會話層負責會話的發(fā)起與響應，一般與應用層結合在一起，用于用戶交互，不同的平臺有不同的實現，本文使用Andriod的GUI來實現。

　　PJSIP是一個高度封裝的庫，實際上它是通過PJSUA子庫來實現應用的。一個完整的PJSUA生命周期，首先需要初始化，通過函數init（）來實現。在這個函數中，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，還要向服務器注冊用戶；當用戶添加成功后，此時可以建立一個呼叫連接，發(fā)起會話；當會話連接成功后，就可以使用SRTP協議實時傳輸加密后的數據，進行通話。最后的過程是掛起或銷毀呼叫。

　　2.1.2 UA原理

　　UA（User Agency）是協議棧的具體實現，PJSIP通過封裝了的PJSUA來實現，在這一點上，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。當呼叫發(fā)起時，UAC將首先發(fā)送“IN-VITE”消息給SIP代理服務器，服務器收到“INVITE”消息后將返回一個應答“200 OK”，并回答“ACK”進行確認，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）主動結束會話，UAC將返回“BYE”消息，同時通知服務器；如果用戶端收到服務器傳來的“BY-E”消息，回答“200”，并結束會話。

　　服務器端，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，然后檢查當前是否有空閑信道，若沒有則返回“486 BUSY HERE”（即系統忙）消息；接著將檢查被叫用戶是否在服務區(qū)，如果被叫對象不在服務范圍，則返回“404 NOT FOUND”（即用戶不在服務區(qū)）；若被叫用戶成功上線，則返回“200 OK”，同時準備開始會話。

　　SIP協議棧一般使用SIP統一資源定位符（URL）來標識，它根據URL來尋址，如集群用戶“200”，“300”分別對應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的實現

　　PJSIP庫和Java類連接是通過JNI來實現的，這也是Android NDK的實現機制，JNI是SUN公司推出的用于Java調用其他語言的接口。

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

　　2.2.1 新建PJSIP類

　　為各個待實現的類新建一個包，可以命名為“com．android．VoIP．pjsip”，在該包中添加該系統相關的一些類，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現。這部分僅僅是為C庫的調用提供一個接口，因此具體的實現將放在本地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生產的頭文件包含一定的規(guī)則，例如，本例中，它將生成的函數聲明為“Java_com_android_IMSandroid_pjsip_**”的形式，以便在調用C庫時能正確識別。

　　由于Java中的數據類型與C／C++不盡相同，因此還必須注意參數傳遞時參數類型的轉換。本文所涉及到的Java數據類型有String和int型，Javah生成的頭文件中會先定義好需要傳遞的參數類型以及函數返回類型，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外部函數聲明，jint是“jni．h”中定義C語言中整形的對應類型，JNCALL是JNI關鍵字。比較特殊的是JNIEnv，它是一個指向類型為JNIEnv_的一個特殊JNI數據結構的指針，它的每個元素都指向一個JNI函數的指針，jclass會根據引用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，根據“jni．h”的定義，String類型對應jstring，int對應jint。然而這只是函數申明與類中方法的形式對應，參數的具體傳遞還需要相應的轉化，具體實現將在下一節(jié)詳細介紹。

　　2.2.3 JNI接口函數的實現

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

　�。�1）init函數

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

　　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）來實現的，cfg中包含指定的通訊端口，3GPP建議使用5060。

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

　　（2）make_call函數

　　另一個很重要的函數是make_call，其在本接口文件中對應的函數為Java_com_Android_IMSandroid_pjsip_make_lcall，這個函數一般在發(fā)起會話時調用，它與上一個函數在結構上最大的不同在于本函數需要傳遞一個字符串參數，前面提到，Java與C／C++在參數結構上并不完全相同，因此這里需要將Java傳遞過來的String類型的參數轉化，可以通過“url_ptr=（char*）env-》GetStringUTFChars（url，&iscopy）”來實現。env-》GetStringUTFChars在“jni．h”中定義，其功能是將jsting類型（Java）的url復制到char*類型（C）的url_ptr中，以此來完成參數類型的轉換。

　　為了保證傳遞地址的有效性，還需要使用pjsua_verify_sip_url（url_ptr）驗證，這個函數主要驗證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，這是因為pjsua重新封裝了參數類型，所以最后還需要將其轉化成pj_ str_t類型，pjlib提供pj_str（）函數可以完成轉化。在完成了參數的轉化后，調用“pjsua_call_make_call（）”，將發(fā)起會話。

　�。�3）hangup函數和pjsua_destroy函數

　　這兩個函數用來銷毀和掛斷會話，一般在需結束的時候調用，它們在接口函數中對應Java_com_android_

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

　�。�4）add_account函數

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

　　首先它將參數轉化后保持到cfg，通過“pjsua_acc_add（＆cfg，PJ_TRUE，＆ace_id）”將參數添加到pjsua。pjsua將以其中的sip服務器為目的地址，注冊會話發(fā)起申請，經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

　　系統的主程序是一個標準的Android應用程序，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call按鍵被觸發(fā)時發(fā)起會話，調用make-call（）方法；當用戶接受通話時，點擊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來實現的，這部分幾乎全都是Java語言，由于UI不是本文的重點，因此只介紹一個簡單的界面，實際應用中用戶交互是非常重要的。為了實現所需的功能，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 封裝與調試

　　為了能在Android平臺上方便地使用該系統，在實現了PJSIP協議棧、JNI接口以及UI之后，還需將上面所有的模塊進行封裝。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操作系統中應用程序的封裝形式，在所有android平臺中均能使用。

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

　　4 結語

　　通過測試表明，該系統能夠對發(fā)起并很好地控制SIP信令，該系統由于采用SIP協議，因此與所有采用這一協議的軟件均能通信，如Lin-phone，Kphone等，功能測試中表現良好，實現了VoIP的基本需求。同時如果要增加功能，可以在Java類中添加相應的方法并在應用層調用即可，具有一定的可擴展性。

　　由于手機等手持設備在規(guī)格和配置上的差異，該系統在具體的設備上使用時，界面略有不同，但是同系統架構的手機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，當移植到不同的架構時（即使同時ARM架構），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備上一個無法避免的問題。

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