（信号与信息处理专业论文）基于siprtmp跨平台远程教育系统设计与实现.pdf

摘要 近年来，网络技术的飞速发展，3 g 基站的全面部署，使得真正意义上的远 程教育平台的实现成为可能，学生可以在任何有信号的地方加入在线课堂，并 进行丰富的学习和交流活动。 本文从信令协议s i p ( s e s s i o ni n i t i a t i o np r o t o c o l ，会话初始协议) 的研究和 实现出发，建立不同团体之间的通道，从而为数据流的传输提供可能。本文通 过监听模式编程，基本实现了s i p 消息的处理流程，包括发送，接收，封装，解 码等等。为了使得各操作系统、应用平台能够方便快捷的创建和组织课逝，本 文基于快速w e b 应用开发框架g r a i l s ，开发了基于h t t p 协议的w e ba p i ，使任 何平台都能通过h t t p c o n n e c t i o n 与服务器交互并管理课堂。 控制通道建立之后，课堂中的数据传输需要流媒体服务器的控制，于是在权 衡多媒体服务器f m s ( f l a s hm e d i as e l v b e t ) 和r e d 5 的利弊之后，从开源多媒体 服务器r e d 5 的构建开始研究，依据r t m p ( r e a l t i m et r a n s p o r tm e s s a g ep r o t o c 0 1 ) 协议在不同客户端的实现，在选取了一系列开源并适用于f l a s h 的音视频编解码 器之后，考虑到实际应用中对音频和视频需求的不同，将音视频分离开，避免 了音视频同步带来的资源消耗。而对于教育系统中的文档与白板共享、文字沟 通等其他功能的传输，系统是通过将这些数据置入多媒体服务的共享对象中， 并通过远程调用的方式进行传输与交互。 在底层控制服务器和多媒体服务器搭建完成之后，本文从视图层着手，为 了与其他不同编程语言应用无缝整合，基于o a u t h 与w e b s e r v i c e 实现了单点登 录功能，并根据授权方式的不同，实现了相应的权限控制、并发控制等功能。 同时，针对大用户数的使用，从数据库上进行优化，并利用j s p 缓存框架e h c a c h e 对客户端的数据对象进行优化缓存，从而组成了一个完整的跨平台远程教育系 统。 本文的特色在于：根据不同操作系统、不同应用平台的共同性，采用跨平 台的f l a s hp l a y e r 音视频通信、文档与白板共享、文字交流等功能：而针对f l a s h 无法操作的平台，则重写其底层的传输协议与传输数据，从而实现了跨平台远 程教育系统的功能。 关键字：s i p ，跨平台，r t m p ，远程教育，f - j p a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fn e t w o r kt e c h n o l o g yi nr e c e n ty e a r , 3 gb a s e s t a t i o n sh a v eb e e nb u i l ta l lo v e rt h ec o u n t r y , w h i c hm a k e st h er e a li z a t i o no fd i s t a n c e e d u c a t i o np l a t f o r mi nr e a ls e n s eb e c o m et r u e s t u d e n t sc a r lj o i nt h eo n l i n ec l a s s r o o m a n dh a v er i c hl e a r n i n ga n d e x c h a n g ea c t i v i t i e sw i t h e a c ho t h e r i na n yp l a c e st h a th a v e s i g n a l t h i sp a p e rb e g i n s 、 ，i t i lt h er e s e a r c ho fs i g n a l i n gp r o t o c o ls i pi no r d e rt o e s t a b l i s hc h a n n e l sb e t w e e nd i f f e r e n tp a r t i e s ，w h i c hm a k et h et r a n s p o r t a t i o no fd a t a b e c o m ep o s s i b l e w ed e s i g nt h es i g n a l i n gp r o t o c o ls t a c ka n di t sc o n t r o l l i n gp r o c e d u r e t h r o u g ht h es t u d yo fc o n t r o ls e r v e r ss u c ha ss i pr e g i s t r a t i o ns e r v e r , p r o x ys e r v e ra n d r e - d i r e c t i o n a ls e r v e r t h e nw eb a s i c a l l ya c c o m p l i s ht h eb o t t o md e s i g no fc o n t r o l l i n g s y s t e mo ft h er e m o t ee d u c a t i o n a st oe n a b l i n gt h eo p e r a t i o ns y s t e ma n dp l a t f o r mt o b e g i ni t sc o u r s eq u i c k l ya n de f f i c i e n t l y , w ed e v e l o pw e ba p io ft h eh t t pp r o t o c o l o nt h eb a s i so ft h ef r a m eo fg r a f t s ，w h i c hm a k e sa n yp l a t f o r mb o t l lb u i l du pa n d p a r t i c i p a t ei nc l a s s e se a s i l y t h et r a n s p o r t a t i o no fs t a t i s t i c sn e e d st h ea c t i o no ft h es t r e a m i n gm e d i as e r v e ri n c l a s s ，s ow er e w r i t et h et r a n s p o r tp r o t o c o l so fr e d 5f r o mp ca n da n d r o i d , w h i c h b e g i n s 、析t l lt h ec o n s t r u c t i o no fo p e ns o u r c em u l t i m e d i as e r v e rr e d 5 i nf a c t , w eh a v e c o n s i d e r e dt h ea d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so fb o t l lf m sa n dr e d 5 w ec h o o s ea s e r i e so fa u d i oa n dv i d e oc o d e st h a ta d a p tt ot h ea p p l i c a t i o no ff l a s h ，t h e nw e d i s t i n g u i s ht h ea u d i oa n dv i d e ot oa v o i dt h er e s o u r c ew a s t e a p a r tf r o mt h i s ，g i v e nt h e s h a r eo fw o r d sa n dw h i t eo a k ，c o m m u n i c a t i o n ，t h es y s t e mw i l lp u tt h e s ed a t ai n t ot h e m u l t i m e d i as h a r e do b j c o t f u r t h e r m o r e ，i tw i l lr e a l i z et h ec o m m u n i c a t i o nt h r o u g h r e m o t et r a n s f e r a f t e rw eb u i l du pt h eb o t t o mc o n t r o l l i n gs e r v e ra n dm u l t i m e d i as e r v e r , t h i s p a p e rw i l ls t a r t 埘t l lt h ev i e wl a y e rs e t i no r d e rt or e a l i z et h ei n t e g r a t i o n 、i t ho t h e r p r o g r a m m i n gl a n g u a g e ，w eu s ec a sa n dw e bs e r v i c et or e a l i z es i n g l ep o i n tl o g i n f u n c t i o n w ea c h i e v et h ec o r r e s p o n d i n ga c c e s sc o n t r o l ，c o n c u r r e n c yc o n t r o la n do t h e r f u n c t i o n sa c c o r d i n gt ot h ec h a r g e sa n da u t h o r i z a t i o n m e a n w h i l e ，w eu s et h ej s p c a c h ef r a m e w o r ko f0 s c a c h et oc a c h eo p t i m i z a t i o no ft h ec l i e n t s d a t a , t h u st oc o n s i s t o faw h o l er e m o t ee d u c a t i o ns y s t e mo f c r o s s 。p l a t f o r m t h i sp a p e rf e a t u r e s ：a c c o r d i n gt ot h ec o m m o n a l i t yo fd i f f e r e n t o p e r a t i n g s y s t e m sa n da p p l i c a t i o np l a t f o r m ，u s i n gc r o s s p l a t f o r mf l a s hp l a y e ra u d i oa n dv i d e o c o m m u n i c a t i o n , d o c u m e n ta n dw h i t e b o a r ds h a r i n ga n dt e x tc o m m u n i c a t i o nf u n c t i o n ； t ot h ep l a t f o r mt h a tc a nn o tb eo p e r a t e db yf l a s h ，w er e w r i t et h eu n d e r l y i n gt r a n s p o r t p r o t o c o la n dt r a n s m i s s i o n d a t a , i no r d e rt oa c h i e v ec r o s s p l a t f o r i l lf u n c t i o no ft h e d i s t a n c ee d u c a t i o ns y s t e m k e yw o r d s ：s i p , c r o s s - p l a t f o r m ，r t m p , r e m o t ee d u c a t i o n ，p o r t a l 武汉理1 ：人学硕斗：学位论文 第1 章绪论 1 1 研究背景 进入本世纪以来，经过一系列重大工程建设和政策推动，我国教育信息化 建设取得了明显进展。面向全国的教育信息化基础设施初步形成，城市和发达 地区各类学校已不同程度地建有校园网并以多种方式接入互联网，信息终端已 逐步进入发达地区的农村学校。教育信息化的发展对于实现教育公平、缩小数 字鸿沟、提高教育质量、改革创新教育模式的促进作用初步显现i l 锄。 国家中长期教育改革和发展规划纲要( 2 0 1 0 2 0 2 0 ) 中指出，要“加快终 端设施普及，推进数字化校园建设，实现多种方式接入互联网 。信息化建设占 据教育发展的战略性地位，数字校园建设是全局的核心实践阵地，是实现教育 信息化的最终承载主体之一【4 】。 在全球信息浪潮的推动下，信息化教学已经成为教育事业核心能力的要 素，教育行业深入全面地利用信息技术，开发和整合教育资源，有效提升了教 学的质量和水平。 基于上述背景，为了推进教育信息化在课堂教学中的应用，全面对课前、 课中、课后实施有效的管理与监督，探索提高课堂教学的效率、提高教学质量 的途径，深圳市于2 0 1 1 年1 2 月启动了“数字化教育 的试点工作【5 】。作为该试 点工作的有效补充，本系统实现了课后远程教育系统的开发与设计。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 视频会议国内外研究现状 早期的视频会议由专门的电缆连接而成，如n i p p o nt e l e g r a p ha n dt e l e p h o n e 建设了东京和大阪之间的视频会议系统；为了方便美国总部与同本分公司每周 的例会，i b m 公司专f - j n 设了一条通道连接到f i 本睁8 l 。这些都极大地促进了视 频会议技术的发展。但这些早期的视频会议主要是模拟电视会议，需要专门的 点对点传输通道，费用过高，资源浪费严重，因此当时并没有得到广泛的应用 和良好的发展。 随后出现了数字电视会议，在信号压缩和传输方面，数字信号比模拟信号 武汉理r 人学硕十学位论文 拥有得天独厚的优势，从此视频会议繁荣发展起来，在此期间，i t u t ( 图际电 信联盟电信标准化部门) 制定了h 2 0 0 统一标准，随之就出现了现有的国际统一 标准的电视会议系统，为以后的h 3 2 3 奠定了基础。但此后，视频会议受其传输 技术的制约无法进一步发展。 随着i n t e m e t 的快速发展，网络带宽的飞速提升，基于i n t e m e t 的视频会议 得到了广泛应用。9 0 年代初，i t u t 推出了基于电路交换的i s d n 和专线网络的 h 3 2 0 标准，保证了各种形式的视频会议在互联网上的畅通【9 。1 0 】。1 9 9 6 年，为了 更好地使视频会议向分组网络过渡，i t u t 推出了h 3 2 3 协议簇。 进入二十世纪，i e t f ( 因特网工程任务组) 推出了基于i p 网络的s i p ( 会 话初始协议) ，相比h 3 2 3 ，s i p 具有简单、开放、扩展性好等优点，正由于其 扩展性，同时也不需要专门硬件( m c u ，视频会议多点控制器) 的辅助。s i p 具有广泛的发展潜力，并j 下向许多领域延伸。 目l j ，常见的视频会议系统主要分为两种：基于硬件的和基于软件的。 基于硬件的视频会议系统根据协议的不同主要分为两种：( 1 ) 基于h 3 2 0 标 准的视频会议系统；( 2 ) 基于h 3 2 3 标准的视频会议系统【- 1 3 1 。基于硬件的视频 会议系统实现起来复杂，网络要求高，随着网络稳定性和可靠性的不断提高， 基于口网络的h 3 2 3 视频会议得到了很好的发展。 基于软件的视频会议系统主要为基于s i p 的视频会议系统，它依据终端的 高性能来实现音视频的编解码，充分利用终端的处理能力。与基于硬件的视频 会议相比，其不同之处就在于视频多点控制器和终端由只能设备通过软件与服 务器交互来实现，因而实现起来相对较为灵活。 1 2 2 跨平台远程教育系统国内外研究现状 远程教育国内外远程教育系统的发展大致可以分为如下三个阶段：函授、 广播电视以及网络教育。所依赖的传输通道覆盖了印刷书籍资料、无线电、电 视网络以及i p 网络。目前，这三种形式的远程教育依据所应用场景的不同，存 在于各行各_ q k , t 1 1 4 d 引。 函授不再需要受教育者在规定的时问、规定的地点接受教育，而是通过将 教材、资料等通过邮件或信件发给受教育者，受教育者通过教材资料或上网等 方式进行学习。目前的成人高考大多采用这种方式，函授使得受教育者拥有极 大的自主性，可以合理地安排学习时间，唯一的缺点就是无法满足受教育者与 2 武汉理。i ：人学硕- ：学位论文 老师之间的当面交流、分工合作。 基于广播电视的远程教育技术相对成熟，老师通过电视台的形式将授课内 容发送至某一频道，受教育者直接将电视切换至指定频道即可。该方式使用方 便，对硬件的要求不高。但地域的局限性较大，受教育者必须在规定的时问聆 听指导，自主性不高【 o 训。 随着网络技术的飞速发展，已经出现了很多基于i p 网络的远程教育系统， i p 网络具有其他网络无法比拟的开放性、实时性，同时价格低廉，传输数据量 大。因而基于i p 网络的远程教育系统应用越来越广泛i 删。 目前，商业上已运行的基于i p 网络的远程教育系统主要分为两种：视频点 播和网上课堂直播。在视频点播中，老师将授课内容录制成视频，并发布于服 务器中，受教育者通过网络以f l a s h 视频或是p 2 p 流媒体技术点播即可。网上课 堂直播则需要实时提供老师图像、声音、板书等各种数据，供受教育者实时观 看并参与互动【2 。两种基于i p 网络的远程教育系统都有各自的实用性，前者主 要是对固定课堂知识的学习、回顾；后者更注重于课堂课题的灵活性，内容形 式多种多样，更适用于课后答疑、讨论。本系统作为深圳市“数字化教育 试 点工作的课后教育部分，主要的应用场景是分组讨论、知识共享，因而采用的 是网上课堂直播的形式1 2 2 1 。 对于网上课堂直播，又可以细分为互动型和非互动型。非互动型的网上课 堂直播与视频点播并无多大区别，反而限制了数据流的传输。起初的互动型网 上课堂直播主要基于c s 架构，只有简单的音视频通信功能1 2 3 1 。随着传感器、 图像采集技术的发展，远程教育系统功能逐渐完善，同时包含了图文教学、电 子白板教学、图像教学等功能，但这样的远程教学要求过于严格，必须具备相 应的硬件设施，无法满足移动教学的需求。对于跨平台而言，这些远程教学系 统需要针对每一操作系统、应用环境开发相应的客户端程序，来满足跨平台的 需求，因而一般并没有很好的支持跨平台。随着富浏览器应用( i l i a ) 的出现， 它主要利用a d o b ef l a s h 与服务器异步交互。不同操作系统的f l a s hp l a y e r 都由 a d o b e 开发，并且底层的传输没有任何阻碍，这样基本满足了不同操作系统之间 的协同操作。但对于移动智能终端而言，由于f l a s h 无法调用终端的硬件设备， 因而还需要依据不同终端进行不同的优化。目前，几乎不存在能够满足跨平台 移动教育系统需求的产品1 2 4 , 2 5 1 。 3 武汉理l ：人学硕- ：学位论文 1 3 课题的工作简介 本课题作为深圳市“数字化教育”试点工作的一部分，目的是为了满足学 生和老师之间的课后交流与讨论，其架构概述图如图1 1 所示。 r o o mm a n a g e m e n t + e n t r yp o i n t w e b m o b i l e a u t h e n t i c a t e s v i a w e bp o r t a l m o b i l e 图1 1 跨平台远程教育系统概述图 整个系统的设计采用模块化的设计，利用基于i v m ( j a v a 虚拟机) 的编程 语言j a v a 、g r o o v y 、j s p 以及a n d r o i d 各自的优越性，同时辅以一些第三方开源 组件，采用混合编程模式搭建而成，并最大程度上代码复用，避免重发开发相 同的功能。 在系统的开发搭建过程中，主要完成了如下工作： ( 1 ) 在理解s i p 协议的基础上，开发了a n d r o i d 端音视频通话功能，使得 学生能通过w i f i 、3 g 网络接入互动课堂。 ( 2 ) 在开源软件r c d s p h o n e 的基础上，利用新兴j a v a 2 平台语言g r o o v y ， 开发了互动课堂管理的a p i ，提供给w e b 端和m o b i l e 端调用。 ( 3 ) 通过对开源流媒体服务器r e d 5 及其传输协议r t m p 的研究，开发了 w e b 端和a n d r o i d 端远程调用的接口和回调函数。 ( 4 ) 为了更好地与“数字化教育”其他部分兼容，在d r y ( d o n tr e p e a t y o u r s e l f ) 原则下，设计并实现了互动课堂的管理门户。用于“数字化教育 的 并发控制、权限控制以及业务逻辑控制等。 4 武汉理r 人学硕十学位论文 1 4 论文的组织结构 本文主要利用s i p 协议来控制并管理远程教育体系中各虚拟课堂中的音 频，围绕着虚拟课堂，包含有视频通信、文档共享、电子白板、公用记事本以 及聊天功能等应用，而这些数据的传输与交互，则依靠流媒体服务器r e d 5 处 理。在音视频通信处理中，分离了音频和视频的捕捉，从而满足了不同的应用 需求，也不需要过多考虑音视频同步的问题。底层的虚拟课堂控制实现则采用 轻量级的g r a f t s 框架实现。在视图层，整个系统，采用轻量级j a v aw e b 框架搭 建整个门户，来保证整个系统的安全与鲁棒性。本文的内容安排如下： 第1 章为引言，主要介绍了远程教育系统的研究背景，视频会议和跨平台 远程教育系统的国内外研究现状。 第2 章首先介绍了整个远程教育系统的整体框架和设计思路，并简要介绍 了控制服务器、流媒体服务器和管理门户服务器三者之间的关系。接着，引入 了远程教育平台所要用到的相关技术，在对s i p 与h 3 9 _ 3 对比的基础上，介绍了 s i p 协议的基本概念以及s i p 协议在t c p u d p 协议各方面的应用，最后本章还 介绍了控制服务器中的课堂管理a p i 所用到的技术g r a i l s 。 第3 章为远程教育系统控制端的设计与实现，在a n d r o i d 端实现了s i p 通话 功能，方便a n d r o i d 加入虚拟课堂。在此基础上，利用g r a f t s 框架实现了用户代 理模块的设计与实现，提供了用户对虚拟课堂操作的a p i 。 第4 章介绍了流媒体服务器的设计与实现，在比较了r e d 5 与f m s 的基础 上，通过对其传输协议r t m p 的研究，实现了音视频数据流的传输以及文档与 白板共享等课堂功能，本章最后还对远程教育系统进行了测试。 第5 章引用了流行的j a v aw e b 框架，在研究了门户单点登录、权限管理以 及并发连接等功能的实现上，搭建了相关门户，为“数字化教育 相关应用提 供了便利。 第6 章则为整个系统的总结与展望。 武汉理i ：人学硕十学位论文 第2 章远程教育平台总体框架与相关技术 2 1 远程教育系统总体框架 整个远程教育系统的设计很好地遵循了面向对象的设计原则，整体和细：节 的实现上都采用了m v c ( m o d e lv i e wc o n t r o l l e r ) 编程模型，因而整个系统整体上 也分为三块：流媒体服务器、门户管理服务器和控制服务器，其中门户为整个 系统的视图层；流媒体服务器为模型层；而控制服务器则为控制层，行使着业 务逻辑的职责。其相互之间的模块关系如图2 1 所示。 图2 1 服务器实现模块划分 从功能上看，远程教育系统大致包含有：音视频通信、文档共享与白板批 注、文字聊天、权限轮转等。此外，对于这些功能的组织和用户关系的体现， 必须有相关认证和授权服务，同时，也方便服务提供商对互动课常的控制。对 于音频通信而言，多人音频通信会话的控制需要信令的控制。在完成上述外围 控制和底层通道之后，就需要有具体的流媒体数据传输服务，在实际操作过程 中，除了音频之外，其他数据都采用的是流媒体服务器传输和交互。 控制服务器主要负责维护每个课常的多人音频通话、课堂的入口以及课堂 管理的接口。它建立不同团体之间的通道，从而为数据流的传输提供可能。通 6 武汉理j i ：人学硕十学位论文 过会话初始协议s i p ，实现同一班级所有用户之间的多人音频通话。同时，为了 使得各操作系统、应用平台能够方便快捷的创建和组织课堂，该服务器还基于 快速w ，e b 应用开发框架g r a f t s ，丌发了基于h t t p 协议的w e ba p i ，使任何平台 都能通过h t t p c o n n e e t i o n 与服务器交互并管理课堂。 对于流媒体服务器而言，它主要负责维护每个课堂所有参与者之间音视频 数据的传输、课堂控制权轮转、文字交流、文档的共享以及白板的协同操作等。 本系统在开源流媒体服务器r e d 5 及其a p i 接口的基础上，依据r t m p 协议在不 同客户端的实现，进行相应的流媒体数据流的传输。考虑到实际应用中对音频 和视频需求的不同，将音视频分离开，避免了音视频同步带来的资源消耗。并 选取了一系列窄带高压缩的音视频编解码器，方便音视频数据的编解码。对于 教育系统中的文档与白板共享、文字沟通等其他功能的传输，系统是通过将这、 些数据置入多媒体服务的共享对象中，并通过远程调用的方式进行传输与交互。 为了更好的展示所有控制管理和业务逻辑，本系统还包含有完整的门户功 能。为了与其他不同编程语言应用无缝整合，该f - j p 实现了基于o a u t h 与 w e b s e r v i e e 实现了单点登录功能，并根据授权方式的不同，实现了相应的权限 控制、并发控制等功能。同时，针对大用户数的使用，从数据库上进行优化， 并利用j s p 缓存框架e h c a c h e 对客户端的数据对象进行优化缓存，这样就组成了 一个完整的跨平台远程教育系统。 因而，本文接下来分三个章节来阐述整个系统的实现过程，第三章，主要 介绍了控制服务器的设计方案与实现过程，第四章介绍了流媒体服务器的部署 以及相关应用的实现过程，第五章则从大型门户的基本要求研究出发，实现了 跨平台远程教育系统的管理门户，并为移动端( a n d r o i d ) 提供了登陆认证和底层 a p i 接口。 2 2s i p 的引入 控制服务器实现的功能主要是多人音频通话的实现，从数据流的传输上看， 教育系统主要分为端到端和多终端的教学互动两种。在端到端的教育系统中， 多媒体数据的传输没有太多的中转和限制，而对于多终端参与的教学互动而 言，所需要的传输与控制就复杂的多。多终端的教学互动中，交换机需要负责 整个网络的交互，它要负责传输线路的建立和拆除、资源的传输与共享、呼叫 的建立与转发等等。所有的信息都通过服器中的交换机进行交互，对于每一次 7 武汉理i ：人学硕+ 学位论文 交互，这些多媒体信息也传输于相应的两个终端和接个网络中，这些传输和控 制的指令就是信令。在远程教育系统中，我们采用了s i p ( s e s s i o ni n i t i a t i o n p r o t o c 0 1 ) 信令。 i n t e m e t 不同于其他连通介质最大的不同就在于其时刻保持连通，一个i p 网 络是由一系列与仅提供数据包传输的路由器组成的，许许多多不同的智能终端 连接在上面。终端除了基本的连接功能之外，还包括计算处理、网络控制和错 误检测等，此时，路由器只需要做一件事情：向终端不停的发送数据报。 2 2 1s i p 与h 3 2 3 比较 h 3 2 3 和s i p 都是v o l p 视频会议中的信令标准，他们都对v o l p 提出了完整 的解决方案，h 3 2 3 主要侧重于以指挥、调度通信为主的行业网络，而s i p 则比 较适合于灵活通信的企业网络。这是由两者的侧重点不同决定的，图2 2 为两 者的区别以及侧重点。 在呼叫控制和信令方面，h 3 2 3 主要参考了传统p s t n 的呼叫控制和信令架 构，p s t n 网络有其特定的网络环境，在承载话音单业务方面，p s t n 的效率、 质量、成本都能控制到最优。而s i p 协议自提出就一直用于发起会话，它可用 来创建、修改以及终结多个参与者参加的多媒体会话进程。参与会话的成员可 以通过组播形式、单播联网或者两者结合的方式进行通信f 7 捌。 呼叫控制和信令 扭令和网关控制： 媒体 i i 一一一一一一一一一一_ ii 视频、音频 i一霪鼎可i胃咩l掣f5 j i 胃犁l 剖f i t c p - i u d p l i- l! i p 图2 2h 3 2 3 与s i p 比较 基于两者提出组织的不同，可以这么区分：h 3 2 3 是通信行业的人提出协 议，而s i p 是计算机行业的人提出的，因而其终端有着明显的不同。h 3 2 3 只需 要终端具有拨号和简单的通话功能即可。而i n t e r n e t 的终端高度智能，计算机和 8 武汉理i ：人学硕十学位论文 智能手机都能够进行呼叫控制、信令处理以及音视频编解码，从而减轻了网络 控制的负担。 在很多不同的领域和应用场景，h 3 2 3 和s i p 有着不同的特点： ( 1 ) 当l ；i i f 的专业会议电视多采用h 3 2 3 协议。只有基于计算机实现会议电 视系统的厂商才采用s i p 协议。一方面，这也与s i p 的发展较晚有关【1 8 1 。 ( 2 ) h 3 2 3 的服务器过于复杂，其消息表示定义了上百个基本元素，山局 端的复杂设备进行分析和处理，但同时保证了呼叫控制的严谨。而s i p 协议简 单清晰，只有三十七个头部，处理能力则摊分到终端，考虑到其终端多为计算 机和智能手机，因而其能很好的补充呼叫控制。 ( 3 ) s i p 协议自提出时，就本着灵活、开发的原则，因而在协议方面并没 有过多的限制，而是允许其充分的扩展，h 3 2 3 则相对较为成熟，其网关定义 了大量的控制和管理功能。 2 2 2s d p 协议 s d p 协议产生的目的就是在媒体会话中，传递媒体流信息，并允许会话描 述的接收者去参与会话。它定义了绘画描述的统一格式，但并不定义多播地址的 分配和s d p 消息的传输，也不支持媒体编码方案的协商，这些功能均由下层传送 协议完成典型的会话传送协议包括：s a p ( s e s s i o na n n o u n c e m e n tp r o t o c o l 会话公 告协议) ，s i p ，r t p ，h r r p 和使用m i m e 的e m a i l io i l 】。 值得注意的事，s d p 同样也是基于文本编码，它用于构建各种消息的消息 体，为服务器和客户端交换媒体信息。它应用也十分广泛，主要用于：媒体流 的配置、多媒体会话中的单播和多播设置以及各种媒体流的表示和操作等。 2 3s i p 协议 会话初始协议s i p ( s e s s i o ni n i t i a t i o np r o t o c 0 1 ) 是一个在i p 网络上进行多媒 体通信的应用层控制协议，它被用来创建、修改、和终结一个或多个参加者参 加的会话进程1 12 1 。类似于h t r p 协议它基于文本编解码，采用事务机制，每一 个请求触发s e r v e r 的操作方法，请求和响应构成一个事务，事务问彼此独立。 图2 3 为其三次握手示意图。 9 武汉理i ：人学硕十学位论文 p r o x y l l i li n v 吒f 2 卜一一- i1 0 0t r y i n gf 5 一 i1 8 0r i n g i n gf 7 k 一一 l2 0 0o kf 1 0 l l1 8 0r i n g i n gf 6 ( 一 l2 0 0o kf 9 k l l i = = = = = = = = = = = = = ：= = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = p i b y ef 1 3 ：一 2 0 0o kf 1 4 一一0 图2 3 三次握手示意图 s i p 本身并不提供任何服务，但它十分灵活，具有相当好的扩展性，可以 协同许多协议( 控制协议) 来发起一个会议。它是一个分层的协议，由一些高 度无关的处理层次组成。但并不意味着s i p 每一个要素都一定包含每一个层。其 每一个要素是逻辑上的要素，并不是物理要素。s i p 的最底层是它的语法和编 码层，接着是传输层，然后是事务层，最上面一层则是事务用户引。 2 3 1s i p 实体 在远程教育系统中，各终端通过服务器来实现交互，这种客户机和服务器 结构在s i p 中，分别成为用户代理和网络服务器。 ( 1 ) 用户代理 s i p 的用户代理并不一定是客户端，也可以是其他用户中转或定向的服务 器。在实际应用中主要分为用户代理客户端( u s e ra g e n tc l i e n t ) 用户代理服务 器( u s e ra g e n ts e l v e t ) ，其中u a c 为发起呼叫的一方，u a s 为接受呼叫的一 方1 1 4 1 。 1 0 p p p p p p p p p p p p p p p p p p p a。一一。一一一。 武汉理jl ：人学硕十学何论文 、 它主要包含如下几个请求和相应的准则：主叫发出初始邀请请求、被叫发 出的相应、主叫接收并相应初始化的请求、主叫或者被叫产生二级并发请求以 及接受的并发请求。 ( 2 ) 服务器 图2 4 服务器结构图 在s i p 的服务器中，主要包含有p r o x y ( 代理服务器) 、r e d i r e e t o r ( 重定向 服务器) 、r e g i s t r a r ( 注册服务器) 和l o c a t i o n ( 位置服务器) 。这些服务器各 司其职，只存在逻辑上的区分。在物理上并非一定要区分开来，服务器结构如 图2 4 所示。 2 3 2s i p 操作 s i p 是基于w e b 协议即超文本传输协议，与h t t p 协议一样，s i p 也是一个 请求应答协议，s i p 的消息主要分为请求消息和应答消息。 1 请求 s i p 核心规范定义了6 中s i p 请求，其中每一种都有不同的作用。每个s i p 请求都含有一个成为方法( m e t h o d ) 的字段，它表示这个请求的目的，它们分 别为：i n v i t e ( 邀请) 、a c k ( 确认) 、o p t o i n s ( 可选项) 、b y e ( 再见) 、 c a n c e l ( 取消) 、r e g i s t e r ( 注册) 。 ( 1 ) i n v i t e 是呼叫请求的第一个指令，在其描述中，必须具有f r o m 、t o 等基本信息。 ( 2 ) a c k 请求用来确认对一个i n v i t e 请求的最终应答的接受。这样，产 生i n v i t e 请求的客户端收到对i n v i t e 请求的最终应答时，就发出一个a c k 武汉理i ：人学硕十学位论文 请求【”】。 ( 3 ) o p t i o n 用于询问服务器的性能情况，包括这台服务器所支持的方法 和会话描述协议。一般很少用到o p t i o n s 方法。 ( 4 ) b y e 请求用于放弃事务。在单方会话中，只要一方结束，该会话就自 动结束了。在多方会话中，除非主持人发送b y e 请求会终结该通话，一般参与 者发出的b y e 请求并不会影响整个通话。 ( 5 ) 如同平常电话中的拒接一样，值得注意的是，在服务器对c a n c e l 请求作出相应之后，它也对先i j 的i n v i t e 请求作出响应。它发送一个“4 8 7 事 务取消 应答，而客户端通过发送一个a c k 结束这个i n v i t e 三次握手过程。 ( 6 ) 用户发送r e g i s t e r 请求向注册服务器通知他们当前的位置以及需要 注册的账号。当注册成功之后，服务器会自动记录该用户的位置和账号，并传 递给相应的代理服务器和位置服务器。 2 应答 当客户端发出请求时，服务器获取该请求，并发出一个或多个应答。当有 代理服务器存在的时候，代理服务器就会转发以并发搜索或顺序搜索的方式转 发多个请求。每一个应答请求都会有一个相应的代表该事务的编码。 2 3 3t c p u d p s i p 协议独立于传输层，它并不关心是应用那种协议来传输数据。作为传 输层中两种协议：t c p 和u d p ，s i p 在两者的基础上都有一定的应用，业界很 多企业用的都是基于u d p 的s i p ，而微软则采用了基于t c p 的s i p 。图2 5 为 整个应用的协议栈。 i i 2 6 3e t c 卜l 上2 3 n l is 斟二r t 土s p | i 一卜一申t 上漭3i r上上 t c p l u d p i 、 r p ll上l l i p p f i ：i 4 il a a i 6 ll - ，- 中 l 上 ， 上 s ( ) n o l l ml e l h o r n o lv ：1 4 图2 5s i p 协议栈 1 2 武汉理。i ：人学硕r f ：学位论文 与t c p 协议相同，u d p 的源端口数和目的端口数也都支持一台主机上的多 个应用。一个1 6 位的u d p 包包含了一个字节长的头部和数据的长度，校验码 域，使其可以进行整体校验f 1 6 l 。( 许多应用只支持u d p ，如：多媒体数据流， 不产生任何额外的数据，即使知道有破坏的包也不进行重发。) 0 9 ：2 9 ：3 7 5 3 5s a t 3 1d e c 2 0 1 1 ，1 9 2 1 6 8 0 8 ：5 0 6 0 u d p ( 9 5 2 b ”哟：r e c e i v e d j s i p 2 02 0 0o k j v i a ：s i p 2 0 u d p1 9 2 1 6 8 0 3 0 ：3 9 0 9 7 凇l t = 3 9 0 9 7 ；t n a n c h = z 9 h g 4 b k 7 0 1 8 9 - , f r o m ： ；t a g = z g h g 4 b k 3 3 9 9 5 0 1 4 j t o ： ；t a g - - 9 6 n s t y z f j g p 5 n c a l l i d ：0 5 5 3 1 6 2 9 7 1 9 0 1 9 2 1 6 8 0 3 c s e q ：1i n v i t e , c o n t a c t ： s i p ：7 0 0 1 6 1 9 2 1 6 8 0 8 ：5 0 6 0 ：仃a 玎印o f 两1 d u s e f - a g e n t ：f r e e s w l t c h - m o d _ s o f i a 1 0 h e a d - g i t - , , a c c e p t ：a p p l i c a t i o w s d l 一 图2 6s i p 响应 作为可靠性的连接，当数据传输的性能必须让位于数据传输的完整性、可 控制性和可靠性时，t c p 是最好的选择；当强调传输性能而不是传输的完整性 时，如：音频和多媒体应用，u d p 是最好的选择；同时在数据传输时间很短， 以至于此前的连接过程成为整个流量主体的情况下，u d p 也是一个好的选择， 如：d n s 交换。u d p 较低的开销使其有更好的机会去传送管理数可靠的点对点 连接。 本系统中同时采用了这两种传输协议的s i p ，对于呼叫控制而言，采用的是 基于t c p 的s i p 请求，而对于数据流的传输控制，采用的则是基于u d p 的s i p 。 图2 - 6 为s i p 的一次响应描述，可以看出，在v i a 描述行中，作为一次呼叫请求， 该行指出了s i p 的底层传输协议为t c p 1 7 l 。 2 4g r a i l s & g r o o v y 控制服务器的另外一个功能就是课常管理a p i 的实现，方便不同平台的调 用。该策略部分采用了目i j 更轻量级的w e b 框架g r a i l s ，g r a i l s 是一种基于敏捷 开发思想，设计建立在j a v a 平台之上的一个面向企业级应用、基于m v c 模式 的丌源框架，它兼容了目前j a v aw e b 中较为流行的框架s i t e m e s h 、h i b e r n a t e 、 s p r i n g ( 这三个框架将会在本系统的w ，c b 管理模块使用) ，其底层开发语言是 g r o o v