基于Blackfin 533的SIP網絡電話

引 言

近年來，Internet得到了飛速發(fā)展與普及，而作為其核心技術的IP協(xié)議體系在數據網絡架構中的統(tǒng)治地位已得到了廣泛認同。另外，隨著IP技術框架中匯聚網絡研究的發(fā)展和VoIP(Voice over Internet Protoc01)技術的提出，數據網絡通信已經融入傳統(tǒng)的話音業(yè)務領域，而且VoIP與生俱來的Internet血統(tǒng)使得其在應用方面有著很強的拓展性，因此，VoIP技術和應用的研究成為了當今的熱點問題。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)議憑借相對簡單的實現模式和極強的擴展性受到了越來越多
的關注。ADI公司推出的Blackfin處理器是一類專為滿足當今嵌入式音頻、視頻和通信應用的計算要求和功耗約束條件而設計的新型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)的微信號架構(MSA)，擁有類RISC型指令集、雙16位乘法器、雙40位邏輯運算單元(ALU)、40位桶形移位器和4個視頻運算單元(videoALUs)，將信號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處理器能夠在信號處理和控制處理應用中均有較好的表現；與此同時，該能力也簡化了硬件和軟件方面的設計。SIP類似于HTTP協(xié)議，也是一個基于文本的協(xié)議，因而易于讀取和調試。與此同時，SIP協(xié)議在制訂時就考慮到了擴充性的問題，通過增加新的消息類型、消息頭和消息體即可實現新服務。即使不能支持基于SIP的舊設備也不會妨礙這些新服務。另外，SIP的一個重要特點是，它不定義要建立的會話的類型，而只定義應該如何管理會話。有了這種靈活性，也就意味著SIP可以用于眾多應用和服務中。本文介紹了一種基于Blackfin處理器平臺的網絡電話方案?？紤]未來應用的拓展需要和網絡電話的特點，選擇了Blackfin 533處理器和基于SIP的VoIP協(xié)議棧，實現了一系列的通話功能。

1 系統(tǒng)方案

鑒于Linux強大的網絡功能，結合Blackfin的硬件特點，采用μClinux作為操作系統(tǒng)；同時面向控制的操作系統(tǒng)、圖形化的人機界面以及復雜的網絡協(xié)議棧，增加了對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55鍵盤輸入設備。

軟件方面采用分層設計：

① 底層是驅動層。完成硬件的配置和相關操作，并為上層提供硬件訪問接口。
② 中間層是應用程序庫。完成上層應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結合TCP／IP完成SIP信令交互、會話管理，以及控制實時語音數據的傳輸；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 上層是應用層。利用底層和中間層提供的接口，構建出話機終端具體應用。終端支持P2P和Proxy兩種通信模式，可以實現接聽、掛機、呼叫保持／恢復、呼叫轉接、電話會議、音量調節(jié)、自動注冊等功能。

2 硬件方案
Blackfin 533為核心處理器芯片。外圍輔以ADl836實現語音信號的采集和播放；DM9000實現網絡數據包的收發(fā)；TFT LCD顯示屏和鍵盤實現圖形界面顯示以及人機交互。硬件框圖如圖2所示。

3 軟件方案
在詳細分析功能需求的基礎上，采用并行的程序設計思想，將整個應用劃分為4部分，分別由4個線程來完成，如圖3所示。

① UI(User Interface)控制線程。負責響應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。完成語音數據的處理，主要包括:本地語音的采集和編碼,網絡語音數據的解碼、混音和播放等。

③ SIP信令交互線程。使用Socket套接字實現SIP數據報收發(fā)，并將解析后的消息提供給用戶或直接作出相應的反應。

④ RTP／RTCP收發(fā)線程。使用Socket套接字完成RTP／RTCP數據包收發(fā)。RTP傳送語音數據，RTCP可以提供數據分發(fā)、質量反饋等相關信息。

在整個應用初始化時，會建立Sound Device Port和Conference Bridge兩個數據結構。前者代表本地的聲音設備，后者控制著媒體數據在不同Port之間的傳送。Port結構體代表著會話參與者，比如sound Device Port代表本地用戶，Media Stream Port代表遠端參與者。當UI控制線程探測到有外撥電話時，它會傳遞一個消息給SIP信令交互線程。隨后一個Media Transpor實體被創(chuàng)建出來(媒體流傳輸使用的是UDP)。該實體中的地址和端口號信息將被添加到本地SDP結構中，用于Invite會話的協(xié)
商過程。當用于本次通話的Offer或Answer會話確立之后(即協(xié)商已經完成，雙方確定了通信的類型)，根據通話雙方的SDP信息，就創(chuàng)建出來一個Media Session Info結構。接著SIP信令交互線程會創(chuàng)建一個Media Session(多媒體會話)結構。在這一過程中，按照在Me dia sessionInfo數據結構中的codec等設置信息，Media Stream被創(chuàng)建出來。與此同時，Media Stream和先前創(chuàng)建的MediaTransport也被連接到了一起。該Media Stream對象將以Port的形式注冊到Conference Bridge。接著在Confer―ence Bridge中注冊的Media Stream Port會根據需要被連接到其他Port，從而實現語音數據的傳送。比如，將一個Media Stream Port和Sound Device Port相連，就可以實現語音的播放和采集。

RTP／RTCP數據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)線程來負責的。這是通過將RTP和RTCP的Sockets注冊到一個IOQueue隊列中，然后通過select()來完成的。首先，Media Transport會將其Socket注冊到一個在初始化過程中創(chuàng)建的I0Queue上。RTP／RTCP收發(fā)線程會輪詢這個IOQueue，當一個RTP數據報被檢測到之后，輪詢函數會觸發(fā)on_rx_rtp()函數調用。這個回調函數是在一開始Socket注冊的時候被Media Transport一同注冊到了IOQueue上的。接著on_rx_rtp()會將收到的RTP數據包傳遞給Mediastream Port。Media Stream會將收到的RTP解包，更新相關統(tǒng)計數據，并將負載中的音頻數據放到Jitter Buffer中。RTP包的接收到這里就結束了，放到Jitter Buffer中的數據會被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。根據這些信息，應用可以對會話作出動態(tài)調整，從而提高通話的質量。

整個音頻流都是由Codec語音線程來驅動的，具體來說是聲卡的回調函數。

當聲卡設備需要新的一幀數據播放到揚聲器時，回調函數play_cb()就會被調用。接著Sound Device Port就會調用get_frame()函數，這會觸發(fā)Conference Bridge調用另外的get_frame()去收集在其注冊的所有Port的媒體流數據。Conference Bridge對Media Stream Port的一次get_frame()調用，會使得Media Stream Port從JitterBuffer中取出一個數據幀，按照配置好的Codec將其解碼(如果有包丟失，就會進行Packet Lost Concealment／PLC)，并將解碼后的PCM數據幀傳遞給調用者。如果有必要，會將收集到的信號混合(比如多方通話)，然后再將信號發(fā)送到它的目的Port，從而完成音頻數據在Port之間的傳遞(不單單是播放流程，這個過程對聲音的采集也是很重要的，因為只有這個過程可以完成數據在Port之間的交換)。之后，Conference Bridge會把聲卡設備需要的數據發(fā)送到Sound Device Port。

當聲卡設備完成了一幀數據的采集后，它就會調用rec_cb()回調函數。這將會導致Conference Bridge的put_frame()函數調用。put_frame()函數調用會將PCM數據幀保存在一個內部的緩沖隊列中，當下次ConferenceBridge輪詢Port時，這些數據將會被傳遞給目的Port。該Media Stream Port會將這個PCM數據幀按照配置好的codec進行編碼，然后將其封裝為RTP數據報，更新RTCP，然后將RTP／RTCP數據報傳遞給與其相連的Media Transport，最后Media Transport就會將數據報發(fā)送到網絡。數據流框圖如圖4所示。

4 功能測試
4．1 測試環(huán)境
為了驗證這部網絡電話的功能，我們搭建了一個實驗環(huán)境。這個實驗環(huán)境包括：

① 一臺單獨的主機運行SER(SIP Express Router)，來實現服務器的功能，包括注冊服務器、重定向服務器和代理服務器等SIP邏輯上的實體；

② 運行X―Lite的主機，用來作為遠端客戶機，和網絡電話處于對等的狀態(tài)，用來進行呼叫、接受呼叫等功能性實驗；

③ Blackfin網絡電話，以下簡稱為“BF533網絡電話”。

它們都以以太網的方式接入同一個局域網中。實驗環(huán)境的示意圖如圖5所示。Ethereal是本次實驗中用到的監(jiān)聽工具。

4．2 界面簡介
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)。小圖標指明了顯示音量的種類；音量顯示采用遞增柱體，分為6級。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)、當前通話狀態(tài)信息顯示區(qū)和號碼輸入顯示區(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、呼叫轉接、呼叫保持、增大麥克音量、減小麥克音量、增大揚聲器音量、減小揚聲器音量、電話會議。

4．3 功能測試
(1)注冊

注冊過程如圖7所示。BF533網絡電話和SER服務器共交換了兩條消息：一條是目標系統(tǒng)向服務器發(fā)送的REGISTER請求消息，另一條是服務器發(fā)送的200 OK消息。

(2) 呼叫過程

呼叫過程如圖8所示。BF533網絡電話(BP)先是向SER服務器發(fā)送了一條INⅥTE消息(M1)，要求與遠端客戶機(RC)進行對話。SER馬上回復一條100 Trying消息(M2)表示正在嘗試連接。然后SER將INⅥTE消息加入相關的Record―Route和Via頭部域以后成為消息M3，發(fā)送給RC。RC回復一個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。當會話結束時，BP發(fā)送BYE(M11)給RC，之后，RC返回200 OK(M14)，這次通話就結束了。(被叫過程和呼叫過程相似。)

(3)呼叫轉接

該過程是通過擴展的SIP信令REFER來完成的，交互過程如圖9所示。當BF533網絡電話要將它和遠端客戶機1(RCl)的通話轉接到遠端客戶機2(RC2)時，BF發(fā)送REFER(M1)給RCl，該信息中Refer―To字頭標明了RC2的URL，之后RCl回復202 Accepted(M2)給BP表明接受轉接。隨后，RCl和RC2之間會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會通過NOTIFY將轉接狀態(tài)告知BP，最后RCl回復ACK(M13)給RC2建立通話，同時其與BP的通話就斷開了。

(4)呼叫保持／恢復

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)參數設為空(即(IPV4)0.O.O.0)來實現的。 BF533網絡電話遠端客戶機遠端各尸機回復200 0K接受保持，如圖10所示。同理，呼叫恢復就是將c參數恢復原值，過程與呼叫保持相同。

(5)電話會議

會議功能是在Blackfin 533上實現的，將不同Port的語音數據混合并發(fā)送給目的Port，即可讓參與者聽到多方的聲音。通過測試，各項功能均已實現，而且通話質量良好。

結 語

本文提出并實現了一種基于Blackfin的SIP網絡電話解決方案，介紹了整個系統(tǒng)的構成，包括硬件方案和軟件方案，并展示了相關的功能。由于采用層次化設計，并提供了豐富的API接口，因此該方案有較強的可拓展性。