SIP協(xié)議棧在嵌入式環(huán)境下的設(shè)計(jì)方法

　　會(huì)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(huì)話。SIP具有良好的互操作性和開(kāi)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(guò)SIP服務(wù)器或其他網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器進(jìn)行交互。同時(shí)SIP易于擴(kuò)展，支持用戶移動(dòng)性，能夠充分滿足設(shè)備對(duì)移動(dòng)性服務(wù)的需求，而且SIP簡(jiǎn)單靈活，計(jì)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(yǔ)言描述的消息處理，并未給出SIP協(xié)議棧的實(shí)現(xiàn)機(jī)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(cè)試。

　　1 嵌入式LilIHX系統(tǒng)開(kāi)發(fā)

　　1.1 建立交叉編譯環(huán)境

　　本文使用的是實(shí)驗(yàn)室的ARMSYS2410-B開(kāi)發(fā)板。準(zhǔn)備好必要的軟件包后，建立交叉編譯環(huán)境實(shí)際上就是對(duì)cross2.95.3.tar.bz2的解壓過(guò)程。具體過(guò)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(jìn)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(lái)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(yùn)行之前運(yùn)行的一段小程序。通過(guò)這段程序可以將內(nèi)核從Flash存儲(chǔ)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(gè)合適的狀態(tài)。用燒錄軟件jflash-s3c2410通過(guò)JTAG口向硬件板下載Boot Loader二進(jìn)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(yùn)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(tái)上運(yùn)行，需要根據(jù)具體的硬件平臺(tái)重新裁剪、編譯內(nèi)核，根據(jù)硬件平臺(tái)特性編寫(xiě)相關(guān)代碼，將Linux移植到平臺(tái)上。以下是對(duì)內(nèi)核代碼的修改：1)修改內(nèi)核目錄樹(shù)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(dòng)時(shí)初始化，kernel啟動(dòng)時(shí)依據(jù)對(duì)分區(qū)的設(shè)置進(jìn)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(yùn)行#make clean;#make dep;#make zImage，完成對(duì)內(nèi)核的編譯。

　　2 嵌入式SIP協(xié)議棧的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

　　2.1 嵌入式下實(shí)現(xiàn)SIP協(xié)議棧

　　嵌入式環(huán)境下SIP協(xié)議的開(kāi)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(diǎn)，在設(shè)計(jì)時(shí)充分考慮CPU、存儲(chǔ)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(shí)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(jiǎn)化。根據(jù)RFC3261中定義的SIP協(xié)議棧模型可知，SIP是一個(gè)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(yǔ)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(jī)和服務(wù)器如何接收請(qǐng)求和發(fā)送響應(yīng);第3層為事務(wù)層(TransacTIon)，負(fù)責(zé)事務(wù)處理;最上面一層為事務(wù)用戶層(Transaction User)，每個(gè)SIP實(shí)體都是事務(wù)用戶，當(dāng)一個(gè)事務(wù)用戶希望發(fā)送請(qǐng)求時(shí)，就創(chuàng)建一個(gè)客戶機(jī)事務(wù)實(shí)例以發(fā)送請(qǐng)求。

　　這種協(xié)議棧的設(shè)計(jì)實(shí)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(jì)層次過(guò)多會(huì)增加系統(tǒng)堆棧的開(kāi)銷(xiāo)。為了不過(guò)多占用堆棧，在系統(tǒng)資源分配時(shí)需分配較大的堆棧空間。而嵌入式環(huán)境下的空間資源是有限的，SIP模塊占用過(guò)多的堆?？臻g，會(huì)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(huì)增加系統(tǒng)的延時(shí)，降低系統(tǒng)的實(shí)效性。而作為用戶終端設(shè)備，快速響應(yīng)是設(shè)計(jì)的重要準(zhǔn)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(jì)中需對(duì)SIP協(xié)議棧進(jìn)行修改和裁剪，使其盡量少地占用資源并能最大限度地實(shí)現(xiàn)快速響應(yīng)。本文設(shè)計(jì)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(fù)責(zé)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(fù)責(zé)創(chuàng)建并管理事務(wù)對(duì)象。每個(gè)事務(wù)對(duì)象負(fù)責(zé)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(lái)的消息映射到相應(yīng)的事務(wù)。

　　SIP協(xié)議棧管理層負(fù)責(zé)系統(tǒng)配置、分配內(nèi)管理資源、提供登錄協(xié)議棧和進(jìn)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(yùn)行過(guò)程中比較耗費(fèi)時(shí)間的一個(gè)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(dāng)從網(wǎng)絡(luò)上收到一個(gè)原始的SIP消息時(shí)，消息被解析成很多“關(guān)鍵字和關(guān)鍵字值對(duì)”，關(guān)鍵字是請(qǐng)求行或SIP頭域名，關(guān)鍵字值是沒(méi)有解析的請(qǐng)求行和頭域值。到事務(wù)層，在應(yīng)用程序要訪問(wèn)請(qǐng)求行或某個(gè)頭域時(shí)，才會(huì)對(duì)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(shí)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(gè)模塊：1)TcpConn模塊使用TCP實(shí)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(huì)創(chuàng)建2個(gè)線程，分別負(fù)責(zé)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(duì)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(shí)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(lèi)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(gè)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。

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　　3 SIP協(xié)議棧的測(cè)試結(jié)果

　　本文實(shí)現(xiàn)的系統(tǒng)將在ARM9平臺(tái)的設(shè)備終端上運(yùn)行，將交叉調(diào)試好的程序燒寫(xiě)到ARM9的Flash存儲(chǔ)模塊中，再進(jìn)行調(diào)試和運(yùn)行測(cè)試。其測(cè)試方法是在ARM9平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)一個(gè)簡(jiǎn)單的SIP終端系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用SIP偵聽(tīng)程序，當(dāng)一段用戶發(fā)起呼叫時(shí)，雙發(fā)的SIP模塊開(kāi)始通信。利用SIP信令主動(dòng)發(fā)起呼叫或接收對(duì)方呼叫建立會(huì)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(qǐng)求，終止該次會(huì)話，系統(tǒng)恢復(fù)SIP偵聽(tīng)狀態(tài)。SIP終端之間呼叫流程如圖4所示，開(kāi)始時(shí)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(dāng)主叫與被叫的鏈路搭建成功后，主叫與被叫開(kāi)始語(yǔ)音通信，語(yǔ)音通信采用的標(biāo)準(zhǔn)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(guò)程中也同時(shí)進(jìn)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。

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　　由表2可見(jiàn)，代理服務(wù)器向被叫發(fā)起呼叫，并同時(shí)對(duì)主叫作出響應(yīng)。被叫對(duì)呼叫代理作出響應(yīng)主要采用SIP/SDP協(xié)議，是為了使主叫和被叫的媒體協(xié)商達(dá)成一致。由表3可見(jiàn)，被叫對(duì)主叫所發(fā)起的呼叫能夠作出響應(yīng)，主叫與被叫之間能夠?qū)崿F(xiàn)SIP呼叫，并進(jìn)行語(yǔ)音通信。測(cè)試結(jié)果證明，SIP協(xié)議棧在嵌入式Linux系統(tǒng)平臺(tái)下，運(yùn)行良好，基本滿足設(shè)計(jì)需要。

　　4 結(jié)束語(yǔ)

　　本文探討了SIP協(xié)議在嵌入式環(huán)境下的應(yīng)用，討論了嵌入式SIP協(xié)議棧的設(shè)計(jì)方法。完成了在ARMSYS2410-B的實(shí)驗(yàn)室開(kāi)發(fā)板上建立嵌入式Linux系統(tǒng)并在其上實(shí)現(xiàn)SIP協(xié)議棧主要模塊的主要工作。測(cè)試結(jié)果表明：該協(xié)議棧占用空間小，呼叫建立時(shí)間短，呼叫成功率高，滿足嵌入式式設(shè)備對(duì)實(shí)時(shí)性、可靠性和存儲(chǔ)空間小的要求，具有良好的性能。