基于Blackfin 533的SIP網(wǎng)絡(luò)電話

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(duì)簡(jiǎn)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(hào)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(hào)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(hào)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(jiǎn)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(huì)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(huì)話的類型，而只定義應(yīng)該如何管理會(huì)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(tái)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(duì)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)：

    ① 底層是驅(qū)動(dòng)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。
     ② 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(huì)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。

    ③ 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(huì)議、音量調(diào)節(jié)、自動(dòng)注冊(cè)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(hào)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。

    ① 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。

    ② 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。

    ③ 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)。

    ④ 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(huì)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(huì)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(cè)到有外撥電話時(shí)，它會(huì)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(hào)信息將被添加到本地SDP結(jié)構(gòu)中，用于Invite會(huì)話的協(xié)
商過程。當(dāng)用于本次通話的Offer或Answer會(huì)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(huì)創(chuàng)建一個(gè)Media Session(多媒體會(huì)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(duì)象將以Port的形式注冊(cè)到Conference Bridge。接著在Confer—ence Bridge中注冊(cè)的Media Stream Port會(huì)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(cè)到一個(gè)IOQueue隊(duì)列中，然后通過select()來完成的。首先，Media Transport會(huì)將其Socket注冊(cè)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(huì)輪詢這個(gè)IOQueue，當(dāng)一個(gè)RTP數(shù)據(jù)報(bào)被檢測(cè)到之后，輪詢函數(shù)會(huì)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(cè)的時(shí)候被Media Transport一同注冊(cè)到了IOQueue上的。接著on_rx_rtp()會(huì)將收到的RTP數(shù)據(jù)包傳遞給Mediastream Port。Media Stream會(huì)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(huì)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(duì)會(huì)話作出動(dòng)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(dòng)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(huì)被調(diào)用。接著Sound Device Port就會(huì)調(diào)用get_frame()函數(shù)，這會(huì)觸發(fā)Conference Bridge調(diào)用另外的get_frame()去收集在其注冊(cè)的所有Port的媒體流數(shù)據(jù)。Conference Bridge對(duì)Media Stream Port的一次get_frame()調(diào)用，會(huì)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(huì)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(huì)將收集到的信號(hào)混合(比如多方通話)，然后再將信號(hào)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(duì)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(huì)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(huì)調(diào)用rec_cb()回調(diào)函數(shù)。這將會(huì)導(dǎo)致Conference Bridge的put_frame()函數(shù)調(diào)用。put_frame()函數(shù)調(diào)用會(huì)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(huì)被傳遞給目的Port。該Media Stream Port會(huì)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(huì)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(cè)試
 4．1 測(cè)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(tái)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(cè)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(duì)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(jiǎn)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(jiǎn)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(jí)。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(hào)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(huì)議。

4．3 功能測(cè)試
    (1)注冊(cè)

    注冊(cè)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(qǐng)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(duì)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(huì)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(huì)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(huì)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(huì)議

    會(huì)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(cè)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。