Android平臺下基于Wi—Fi的可視化VoIP通話系統(tǒng)設(shè)計(jì)

引言
    隨著移動終端設(shè)備朝著越來越智能化的方向發(fā)展，原本只具備簡單通話功能的手機(jī)，也開始增加越來越多的服務(wù)功能。在移動終端上實(shí)現(xiàn)更多的功能，已經(jīng)成為研發(fā)人員的一個新目標(biāo)之一，這些功能為人們的生活提供著極大的便利，而VoIP技術(shù)就是其中的一個重要應(yīng)用。現(xiàn)如今，VoIP技術(shù)已經(jīng)在計(jì)算機(jī)上得到了廣泛的應(yīng)用，出現(xiàn)了一大批基于VoIP的應(yīng)用軟件，而隨著移動終端逐漸可以方便地接入WLAN，在其上面進(jìn)行多媒體技術(shù)的開發(fā)已經(jīng)成為一個新的熱點(diǎn)，尤其是在現(xiàn)如今最熱門的Android操作系統(tǒng)上面。隨著移動終端的處理能力日益強(qiáng)大，可以實(shí)現(xiàn)過去無法進(jìn)行的復(fù)雜視頻編解碼處理，因此如果進(jìn)一步結(jié)合VoIP技術(shù)，實(shí)現(xiàn)一個VoIP可視通話系統(tǒng)，這將是一個很好的研究課題，同時也將會有很好的市場前景。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
1．1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案
    本方案所設(shè)計(jì)的局域網(wǎng)內(nèi)基于Wi—Fi的可視化VoIP通話系統(tǒng)主要包含了以下功能：
    ①移動終端(如手機(jī)、PDA)用戶對系統(tǒng)個性化的配置，用戶可以根據(jù)自己的需求和愛好選擇需要的功能；
    ②實(shí)現(xiàn)移動終端用戶向服務(wù)器發(fā)出請求并完成注冊的功能；
    ③移動終端用戶對語音視頻數(shù)據(jù)的采集和編碼，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；
    ④OpenSIPS開源服務(wù)器完成對會話的控制，包括會話的注冊、發(fā)起、維護(hù)與結(jié)束、注銷等功能；
    ⑤界面的開發(fā)，作為一個應(yīng)用程序。一個友好的界面是不可或缺的，我們通過它來與用戶進(jìn)行交互。
1．2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
    系統(tǒng)的總體架構(gòu)采用了客戶端和服務(wù)器(C／S)模型，客戶端利用自身的Wi—Fi模塊接入網(wǎng)絡(luò)。通過SIP協(xié)議與Open SIPS服務(wù)器建立會話，在傳輸層以IP數(shù)據(jù)包的形式傳輸語音視頻數(shù)據(jù)?；赪i—Fi的可視化VoIP通話系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

    系統(tǒng)主要由SIP客戶終端和OpenSIPS開源服務(wù)器兩部分組成?？蛻艚K端采用Android操作系統(tǒng)的智能手機(jī)和平板電腦?？蛻艚K端包括了SIP User Agent邏輯實(shí)體，并且支持AMR、G．729音頻編解碼，以及H．263和H．264視頻編解碼。

2 系統(tǒng)開發(fā)中關(guān)鍵技術(shù)的研究
2．1 SIP協(xié)議
    SIP協(xié)議(Session Initiation Protocol，會話發(fā)起協(xié)議)是由IETF(Internet工程任務(wù)組)2001年提出的IP電話信令協(xié)議，用于在IP數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)上建立、改變和結(jié)束多媒體會話。SIP能夠使用互聯(lián)網(wǎng)的端點(diǎn)(用戶代理)來發(fā)現(xiàn)參與者，并且協(xié)商它們共享會話的特性，SIP獨(dú)立運(yùn)行于底層的通信協(xié)議之上，并且不依賴于所建立的會話類型。SIP協(xié)議的主要目的是解決IP網(wǎng)中的信令控制，以及同Soft Switch的通信，從而構(gòu)成下一代的增值業(yè)務(wù)平臺，對電信、銀行、金融等行業(yè)提供更好的增值業(yè)務(wù)。
    SIP是一個應(yīng)用層的控制協(xié)議，可以用來建立、修改和終止多媒體會話(或者會議)，例如互聯(lián)網(wǎng)電話。SIP也可以邀請參與者參加已經(jīng)存在的會話，例如電話會議。它可以很方便地在一個已經(jīng)存在的會話中增加(或者刪除)媒體。SIP透明地支持名字映射和重定向服務(wù)，這些特性用于支持個人移動業(yè)務(wù)，也就是說用戶可以使用一個唯一的外部標(biāo)識，而無須考慮它們所在的實(shí)際網(wǎng)絡(luò)位置。SIP在建立和終止多媒體通信方面支持了很多的功能。
2．2 Android手機(jī)操作系統(tǒng)
    Android是一種以Linux內(nèi)核為基礎(chǔ)、源碼開放的手機(jī)操作系統(tǒng)。Android系統(tǒng)采用Java語言開發(fā)，它內(nèi)部含有一個Dalvik虛擬機(jī)(Dalvik VM)，應(yīng)用程序運(yùn)行在Dalvik虛擬機(jī)上，而Dalvik虛擬機(jī)則運(yùn)行在Linux內(nèi)核上。Androld利用JNI實(shí)現(xiàn)了Java與C的通信。Android系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)分為了4層：
    ①Linux內(nèi)核層，是硬件和應(yīng)用軟件之間的抽象層，提供硬件抽象功能，提供安全機(jī)制、內(nèi)存管理、進(jìn)程管理、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議堆棧和驅(qū)動程序等；
    ②中間件層，包括函數(shù)庫和Androld運(yùn)行時，其中函數(shù)庫主要提供一組基于C／C++的函數(shù)庫，Android運(yùn)行時包括核心庫和Dalvik虛擬機(jī)；
    ③應(yīng)用程序框架層，采用Java語言實(shí)現(xiàn)，它提供了Androld平臺基本的管理功能和組件重用機(jī)制；
    ④應(yīng)用程序?qū)?，提供貼近用戶的Android應(yīng)用功能程序，包括鬧鐘、記事本、通訊錄、電子郵件客戶端、瀏覽器和日歷等。
2．3 OpenSIPS服務(wù)器的介紹和配置
    OpenSIPS是一個成熟的開源SIP服務(wù)器，它除了提供基本的SIP代理及SIP路由功能外，還提供了一些應(yīng)用級的功能。OpenSIPS的結(jié)構(gòu)非常靈活，其核心路由功能完全通過腳本來實(shí)現(xiàn)，可靈活定制各種路由策略，方便地應(yīng)用于語音視頻通信、IM以及Presencce等。同時OpenSIPS是目前性能最高的SIP服務(wù)器之一，可用于電信級產(chǎn)品構(gòu)建。OpenSIPS憑借其可擴(kuò)展、模塊化的系統(tǒng)架構(gòu)提供了一個高度靈活的、用戶可配置的路由引擎，可以為voice、video、IM和presence等服務(wù)提供強(qiáng)大高效的路由、鑒權(quán)、NAT、網(wǎng)關(guān)協(xié)議轉(zhuǎn)化等功能。由于其穩(wěn)定高效等特點(diǎn)，OpenSIPS已經(jīng)被諸多電信運(yùn)營商應(yīng)用在自己的網(wǎng)絡(luò)體系中。
    本系統(tǒng)中，我們對OpenSIPS進(jìn)行了基本的配置，主要是通過配置文件opensips．cfg來實(shí)現(xiàn)的。該配置文件主要分為三個部分：
    ①第一部分主要是全局變量的設(shè)置，通過“Listen=udp：192．168．1．100：5060”語句來指定用于偵聽接收sip消息的端口和傳輸層協(xié)議；
    ②第二部分主要是加載模塊，并設(shè)置模塊的相應(yīng)參數(shù)；
    ③第三部分主要是路由的策略和功能應(yīng)用。
    通過一些簡單的配置，我們就能夠確保服務(wù)器端正常工作，為客戶端與服務(wù)器之間的通信提供了保障。完成配置后，我們在超級終端上應(yīng)用openserctl start和openserctl stop命令開啟和關(guān)閉OpenSIPS服務(wù)器。

3 系統(tǒng)客戶端的設(shè)計(jì)
3．1 客戶端軟件設(shè)計(jì)的體系架構(gòu)
    可視化VoIP通話系統(tǒng)客戶端的設(shè)計(jì)是基于Android平臺來實(shí)現(xiàn)的，Android是完全免費(fèi)開放的移動設(shè)備平臺，這給系統(tǒng)的開發(fā)提供了有利的條件。為了提高系統(tǒng)的可擴(kuò)展性和可移植性，根據(jù)Android的系統(tǒng)架構(gòu)，本設(shè)計(jì)的可視化VoIP通話系統(tǒng)軟件架構(gòu)如圖2所示。

    我們將客戶端軟件架構(gòu)分成了UI層、Engine層、SIP層和網(wǎng)絡(luò)傳輸層4個部分，各層主要實(shí)現(xiàn)的功能如下：
    ①UI層。主要負(fù)責(zé)界面顯示模塊和界面事件的傳遞。
    ②Engine層。這一層是軟件的核心處理層，它啟動各種服務(wù)、初始化軟件參數(shù)、處理各種UI事件、維持配置文件信息和保存全局屬性變量。其中包括UserAgenProfile(用戶配置文件屬性)，UserAgent(用戶事件處理)，VoIPEngine(核心處理中所有的UI事件、參數(shù)設(shè)計(jì)、服務(wù)
的啟動都由此文件調(diào)度)，以及RegisterAgent(注冊服務(wù)處理)。
    ③SIP層。提供所有的SIP消息模型，所有SIP消息的處理流程，包括發(fā)送、接收、封裝、解碼等等。
    ④網(wǎng)絡(luò)傳輸層。提供音頻、視頻信息的處理，此模塊對音頻、視頻進(jìn)行即時編解碼，同時發(fā)送數(shù)據(jù)。
3．2 客戶端軟件主要功能模塊的實(shí)現(xiàn)
3．2．1 通話功能模塊的實(shí)現(xiàn)
    通話功能是系統(tǒng)的核心模塊，該模塊負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)通話的整個流程，包括了注冊服務(wù)器、會話的發(fā)起和接收以及會話的結(jié)束。通話模塊的流程如圖3所示。

    首先，客戶端軟件進(jìn)行系統(tǒng)資源以及配置文件的初始化。初始化工作完成后，從主線程里創(chuàng)建一個SIP消息監(jiān)聽線程。該線程用來監(jiān)聽和處理SIP消息，創(chuàng)建子線程成功后，主線程向服務(wù)器發(fā)起注冊請求，待客戶端注冊成功后即可發(fā)起和接收會話進(jìn)行語音、視頻通信，會話結(jié)束后，伴隨著Activity的結(jié)束。在此過程中，主線程發(fā)出了一個結(jié)束信號給SIP消息監(jiān)聽線程，SIP消息監(jiān)聽線程收到這個結(jié)束信號后調(diào)用finish()方法退出，等待用戶的下一次呼叫操作。
3．2．2 媒體流管理模塊的實(shí)現(xiàn)
    在本系統(tǒng)中，媒體流管理模塊用來實(shí)現(xiàn)通話過程中音視頻的實(shí)時采集、編碼和播放功能，為了便于系統(tǒng)的調(diào)用，設(shè)計(jì)中實(shí)現(xiàn)了幾個主要的功能函數(shù)StartMediaStream()、StopMediaStream()、InitMediaChannel()，分別完成開啟音視頻操作、關(guān)閉音視頻操作、媒體流通道的初始化。為了具體實(shí)現(xiàn)媒體流的管理功能，系統(tǒng)需要向下調(diào)用RTP／RTCP庫、音視頻編解碼、采集播放等接口。使用RTP／RTCP協(xié)議是目前解決流媒體實(shí)時傳輸問題的最好辦法，RTP負(fù)責(zé)流媒體數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收，而RTCP負(fù)責(zé)提供數(shù)據(jù)分發(fā)質(zhì)量反饋信息。
    對于編解碼庫的加載，系統(tǒng)中采用了JNI技術(shù)實(shí)現(xiàn)了底層C／C++與上層Java的通信，具體的函數(shù)語句如下：
    static{
        System．loadLibrary(“Mediacodec”)；
    }
    其中，Mediacodec是視頻編解碼動態(tài)鏈接庫的名稱，源文件為Mediacodec．so，通過以上方法，我們實(shí)現(xiàn)了底層和上層應(yīng)用之間的通信。

4 封裝與測試
    為了能夠在Android操作系統(tǒng)的智能手機(jī)和平板電腦上面方便地移植和使用該系統(tǒng)，在實(shí)現(xiàn)了各模塊的功能后，還需將上面所有的模塊進(jìn)行封裝。Android SDK本身就提供了一些很有用的工具。由于本文的重點(diǎn)環(huán)節(jié)不在于Android SDK上，所以我們采用集成開發(fā)工具——集成在Eclipse中的ADT插件來對整個系統(tǒng)進(jìn)行封裝。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Eclipse中編譯生成的．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手機(jī)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。將封裝后的apk包安裝到Android手機(jī)、PDA或虛擬機(jī)中。
    系統(tǒng)測試環(huán)境由OpenSIPS服務(wù)器和安裝有可視化VoIP通話軟件的移動終端組成。測試結(jié)果表明，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，性能良好，通話過程中無明顯回音，圖像清晰流暢，語音和視頻能夠保持同步。由于本系統(tǒng)運(yùn)行在局域網(wǎng)內(nèi)，通話延遲基本為零，充分滿足了可視化VoIP通話系統(tǒng)的要求。

結(jié)語
    本文中所設(shè)計(jì)的可視化VoIP通話系統(tǒng)屬于無線局域網(wǎng)領(lǐng)域的應(yīng)用。系統(tǒng)在無線局域網(wǎng)內(nèi)具有信令處理穩(wěn)定、通話無時延、視頻清晰流暢、語音視頻同步性高等優(yōu)點(diǎn)，在實(shí)際應(yīng)用中具有潛在的市場價值。但本系統(tǒng)仍然有許多的不足之處，比如說信令不夠完善、服務(wù)過于單一等缺點(diǎn)。