基于SIP協(xié)議棧的嵌入式環(huán)境下的設(shè)計方法介紹

會話初始協(xié)議(SIP協(xié)議)是一種用于IP網(wǎng)絡(luò)多媒體通信的應(yīng)用層控制協(xié)議，可建立、修改、和終止多媒體會話。SIP具有良好的互操作性和開放性，支持多種服務(wù)且具有多媒體協(xié)商能力，能夠在不同設(shè)備之間通過SIP服務(wù)器或其他網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器進行交互。同時SIP易于擴展，支持用戶移動性，能夠充分滿足設(shè)備對移動性服務(wù)的需求，而且SIP簡單靈活，計算量小，尤其適合在嵌入式應(yīng)用環(huán)境中應(yīng)用。因此，將SIP引入到嵌入式應(yīng)用中，憑借SIP自身的特性可有效提高嵌入式網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的互操作性和接入網(wǎng)絡(luò)的便利性。但SIP協(xié)議本身只給出SIP消息的文法定義以及自然語言描述的消息處理，并未給出SIP協(xié)議棧的實現(xiàn)機制。這里討論在嵌入式終端設(shè)備上建立嵌入式Linux系統(tǒng)，并完成SIP的嵌入式，以及代碼的嵌入式移植和測試。

　　1 嵌入式LilIHX系統(tǒng)開發(fā)

　　1.1 建立交叉編譯環(huán)境

　　本文使用的是實驗室的ARMSYS2410-B開發(fā)板。準備好必要的軟件包后，建立交叉編譯環(huán)境實際上就是對cross2.95.3.tar.bz2的解壓過程。具體過程如下：

　　1)在編譯Linux之前，先安裝交叉編譯toolclhain，在/usr/local目錄下建立名為ann的目錄，進入該目錄，執(zhí)行解包：

　　cd/usr/local/armtar xjvf/mnf/cdrom/linux/toolchain/cross-2.95.3.tar.bz2

　　2)編輯/etc/profile，找到pathmunge/usr/local/sbin，在其下面添加一行：

　　Pathmunge/usr/local/arm/2.95.3/bin這樣，內(nèi)核或其他應(yīng)用程序均可使用arm-linux-來指定使用該交叉編譯器。

　　1.2 Boot Loader移植

　　Boot Loader是在嵌入式Linux操作系統(tǒng)內(nèi)核運行之前運行的一段小程序。通過這段程序可以將內(nèi)核從Flash存儲器拷貝到RAM，并執(zhí)行內(nèi)核。還要完成初始化硬件設(shè)備，建立內(nèi)存空間的映射圖，從而將系統(tǒng)的軟硬件環(huán)境帶到一個合適的狀態(tài)。用燒錄軟件jflash-s3c2410通過JTAG口向硬件板下載Boot Loader二進制文件，向硬件板Flash中下載引導(dǎo)程序，這樣Boot Loader就可以成功運行。

　　1.3 重新編譯內(nèi)核

　　從官方網(wǎng)站上下載的內(nèi)核不能直接在硬件平臺上運行，需要根據(jù)具體的硬件平臺重新裁剪、編譯內(nèi)核，根據(jù)硬件平臺特性編寫相關(guān)代碼，將Linux移植到平臺上。以下是對內(nèi)核代碼的修改：1)修改內(nèi)核目錄樹根下的Makefile，指明交叉編譯器;2)配置Flash分區(qū)，修改arch-/arm/mach-s3c2410/devs.c，用以指明分區(qū)信息，該文件的內(nèi)容建立Nand Flash分區(qū)表;修改arch/arm/machs3c2410/machsmdk241-0.c文件指定啟動時初始化，kernel啟動時依據(jù)對分區(qū)的設(shè)置進行初始配置：3)配置和編譯內(nèi)核，在Linux源文件目錄下，執(zhí)行make menuc-onfig命令，配置內(nèi)核產(chǎn)生config文件。然后依次運行#make clean;#make dep;#make zImage，完成對內(nèi)核的編譯。

　　2 嵌入式SIP協(xié)議棧的設(shè)計與實現(xiàn)

　　2.1 嵌入式下實現(xiàn)SIP協(xié)議棧

　　嵌入式環(huán)境下SIP協(xié)議的開發(fā)，主要需要考慮嵌入式系統(tǒng)資源有限的局限性，需根據(jù)系統(tǒng)應(yīng)用的特點，在設(shè)計時充分考慮CPU、存儲空間等系統(tǒng)資源的利用。由于資源的限制，嵌入式系統(tǒng)一般作為用戶終端設(shè)備，故這里主要實現(xiàn)協(xié)議棧中用戶代理(UAC/UAS)的功能。

　　首先是協(xié)議棧的簡化。根據(jù)RFC3261中定義的SIP協(xié)議棧模型可知，SIP是一個分層體系結(jié)構(gòu)的協(xié)議。該協(xié)議主要由4層組成，底層為語法編解碼層(Syntax&Encoding);第2層是傳輸層(TransportLayer)，該層定義網(wǎng)絡(luò)上的客戶機和服務(wù)器如何接收請求和發(fā)送響應(yīng);第3層為事務(wù)層(TransacTIon)，負責事務(wù)處理;最上面一層為事務(wù)用戶層(Transaction User)，每個SIP實體都是事務(wù)用戶，當一個事務(wù)用戶希望發(fā)送請求時，就創(chuàng)建一個客戶機事務(wù)實例以發(fā)送請求。

　　這種協(xié)議棧的設(shè)計實現(xiàn)方法應(yīng)用到嵌入式環(huán)境中有以下不足：1)協(xié)議棧設(shè)計層次過多會增加系統(tǒng)堆棧的開銷。為了不過多占用堆棧，在系統(tǒng)資源分配時需分配較大的堆?？臻g。而嵌入式環(huán)境下的空間資源是有限的，SIP模塊占用過多的堆?？臻g，會造成其他任務(wù)空間分配受到限制。2)層次與層次之間的調(diào)用會增加系統(tǒng)的延時，降低系統(tǒng)的實效性。而作為用戶終端設(shè)備，快速響應(yīng)是設(shè)計的重要準則。

　　2.2 SIP協(xié)議棧的總體結(jié)構(gòu)

　　根據(jù)以上分析，在設(shè)計中需對SIP協(xié)議棧進行修改和裁剪，使其盡量少地占用資源并能最大限度地實現(xiàn)快速響應(yīng)。本文設(shè)計的嵌入式SIP協(xié)議棧模型如圖1所示。

　　協(xié)議棧主要分成傳輸層和事務(wù)層。傳輸層主要負責收發(fā)消息，它管理套接字(socket)和網(wǎng)絡(luò)連接，使用TCP或UDP傳送數(shù)據(jù)。事務(wù)層則負責創(chuàng)建并管理事務(wù)對象。每個事務(wù)對象負責維持狀態(tài)，并發(fā)消息和使用傳輸層重傳消息。事務(wù)層也需要將從傳輸層傳來的消息映射到相應(yīng)的事務(wù)。

　　SIP協(xié)議棧管理層負責系統(tǒng)配置、分配內(nèi)管理資源、提供登錄協(xié)議棧和進行管理的命令以及所有其他層的初始化和關(guān)閉。應(yīng)用程序使用該協(xié)議棧前，必須先調(diào)用該層的初始化接口以初始化要使用的層，在結(jié)束應(yīng)用程序前，必須調(diào)用該層的關(guān)閉接口關(guān)閉相應(yīng)的層。

　　SIP編碼解析是協(xié)議棧運行過程中比較耗費時間的一個模塊，為滿足嵌入式環(huán)境，該協(xié)議棧使用了一種“懶漢”解析策略，當從網(wǎng)絡(luò)上收到一個原始的SIP消息時，消息被解析成很多“關(guān)鍵字和關(guān)鍵字值對”，關(guān)鍵字是請求行或SIP頭域名，關(guān)鍵字值是沒有解析的請求行和頭域值。到事務(wù)層，在應(yīng)用程序要訪問請求行或某個頭域時，才會對其完全解析，這種策略可有效提高SIP解碼的速度，極大提高那些需要處理繁重網(wǎng)絡(luò)流量的應(yīng)用。

　　2.3 事務(wù)層和傳輸層的實現(xiàn)

　　圖2為事務(wù)層和傳輸層的軟件結(jié)構(gòu)。這2層都使用SIP消息編碼解析層的功能處理SIP消息。其中傳輸層包含3個模塊：1)TcpConn模塊使用TCP實現(xiàn)收發(fā)消息功能;2)UdpConn模塊使用UDP現(xiàn)收發(fā)消息功能;3)SipMessageSendRcv模塊利用TcpConn和UdpConn向應(yīng)用程序提供統(tǒng)一的消息收發(fā)接口。在TcpConn和UdpConn中，都會創(chuàng)建2個線程，分別負責接收和發(fā)送SIP消息。

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事務(wù)層創(chuàng)建并管理事務(wù)對象。TransacTIonSendRcv提供發(fā)送不同SIP消息的接口，并以回調(diào)函數(shù)的方式在收到消息時通知應(yīng)用程序。Tr-ansactionSendRcv使用傳輸SipMessageSendRcv提供的收發(fā)消息功能收發(fā)SIP消息，并根據(jù)收發(fā)的消息類型產(chǎn)生事件，將事件以及事件體(主要是SIP消息)作為參數(shù)傳遞給相應(yīng)模塊UACTransactFSM和UASTransactlFSM。事務(wù)層的核心就是這2個模塊，分別表示UA客戶端和服務(wù)器端收到不同消息的處理流程，具體的狀態(tài)轉(zhuǎn)換如圖3所示。

　　3 SIP協(xié)議棧的測試結(jié)果

　　本文實現(xiàn)的系統(tǒng)將在ARM9平臺的設(shè)備終端上運行，將交叉調(diào)試好的程序燒寫到ARM9的Flash存儲模塊中，再進行調(diào)試和運行測試。其測試方法是在ARM9平臺上實現(xiàn)一個簡單的SIP終端系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用SIP偵聽程序，當一段用戶發(fā)起呼叫時，雙發(fā)的SIP模塊開始通信。利用SIP信令主動發(fā)起呼叫或接收對方呼叫建立會話連接，連接建立好后傳送RTP數(shù)據(jù)，直到一方用戶提出結(jié)束請求，終止該次會話，系統(tǒng)恢復(fù)SIP偵聽狀態(tài)。SIP終端之間呼叫流程如圖4所示，開始時主叫(IP=192.168.36.1)向代理服務(wù)器(IP=192.168.51.24)發(fā)起呼叫，當主叫與被叫的鏈路搭建成功后，主叫與被叫開始語音通信，語音通信采用的標準是G.729，主叫發(fā)送SIP信令給代理服務(wù)器采用UDP傳輸協(xié)議，主叫與代理服務(wù)器之間在SIP呼叫過程中也同時進行媒體協(xié)商，采用網(wǎng)絡(luò)協(xié)議分析工具Ethereal抓包分析，結(jié)果如表l～表3所示。