基于Android的VoIP系统设计

　　本文提出一种基于PJSIP协议栈的解决方案，通过Android本地开发工具(NDK)，实现一个高效、稳定且功能强大的VoIP系统，具有较高的参考和实用价值。

　　1 VoIP设计方案

　　1.1 设计目标

　　本方案所设计的系统包含以下功能：首先，完成用户终端(如手机)中语音数据的采集与编码，并通过RTP(实时传输协议)/RTCP(RTP传输控制协议)进行传输和控制;其次，完成会话的控制，包括会话的注册、发起、维护与结束、注销等;再次，作为一个应用程序，必须实现一个良好的界面，与用户交互;最后，作为一个开放系统，需具有良好的可扩展性。

　　1.2 总体设计

　　本方案基本上符合Android的NDK框架的开发规范，将系统分为4层，如图1所示。最上层为应用层，该层将在Android SDK的框架内，采用Java语言来实现;第二层为JNI层，SIP协议栈有很多种实现，其中，采用C语言的SIP协议栈在效率、速度、系统占用方面有着超越其他库(如Java协议栈)的优势，因此，该方案将在第三层采用纯C语言实现的PJSIP协议栈。为了让Java应用层能调用协议栈层，在两层之间需要一个衔接的桥梁，这就是JNI层。最后一层是驱动层，这部分一般是由手机厂商来实现的，本文将不做重点介绍。

　　2 VoIP的具体实现

　　这里将实现一个完整的VoIP系统，包括协议栈的实现、JNI的编写以及上层UI的设计实现等。

　　2.1 SIP协议栈及UA

　　SIP协议栈直接关系到整个系统的质量与效率，本文将采用纯C语言开发的PJSIP库。该库采用C语言开发，且源码开放，在兼容性与效率上有明显优势，不仅体积小(完整的SIP封装也不过150 KB)，同时还实现了一个内存池，使得安全系数与运行效率大为提高，该系统所采用的就是优化后的PJSIP库。

　　2.1.1 PJSIP协议栈

　　PJSIP协议栈遵循标准的SIP协议，采用分层架构：SIP/SDP消息编码解析层、传输管理层、SIP终端、事务层、会话层以及应用层等。由于SIP协议采用文本消息发送请求和响应，所以首先需要将SIP消息按照巴斯克范式(ABNF)编码和解析，这就是SIP/SDP消息编码解析层所完成的功能。传输管理层用来管理用户代理与服务器之间的请求和相应;SIP终端是PJSIP中转机制的实现，它主要负责管理各个SIP组建，例如像SIP终端实例注册组件，分发消息到事务层、会话层及应用层，回传处理结果，管理定时器、I/O队列等;事务层通过状态机机制管理SIP信令，每一次状态机状态的改变都将触发回调函数;会话层负责会话的发起与响应，一般与应用层结合在一起，用于用户交互，不同的平台有不同的实现，本文使用Andriod的GUI来实现。

　　PJSIP是一个高度封装的库，实际上它是通过PJSUA子库来实现应用的。一个完整的PJSUA生命周期，首先需要初始化，通过函数init()来实现。在这个函数中，将创建代理、初始化变量和堆栈，以及创建一个UDP传输并在最后启动代理;第二步将为UA添加用户，如果需要的话，还要向服务器注册用户;当用户添加成功后，此时可以建立一个呼叫连接，发起会话;当会话连接成功后，就可以使用SRTP协议实时传输加密后的数据，进行通话。最后的过程是挂起或销毁呼叫。

　　2.1.2 UA原理

　　UA(User Agency)是协议栈的具体实现，PJSIP通过封装了的PJSUA来实现，在这一点上，大部分的SIP库都大同小异，在此将介绍UA的工作原理。

　　一个典型的UA包含UAC(User Agency Client)和UAS(User Agency Server)两部分。会话由UAC发起。当呼叫发起时，UAC将首先发送“IN-VITE”消息给SIP代理服务器，服务器收到“INVITE”消息后将返回一个应答“200 OK”，并回答“ACK”进行确认，同时通知主叫用户(即会话发起用户)上线通话。如果主叫端(用户端)主动结束会话，UAC将返回“BYE”消息，同时通知服务器;如果用户端收到服务器传来的“BY-E”消息，回答“200”，并结束会话。

　　服务器端，UAS收到UAC(用户端)发来的“INVITE”消息，首先从消息中提取出主、被叫对象，然后检查当前是否有空闲信道，若没有则返回“486 BUSY HERE”(即系统忙)消息;接着将检查被叫用户是否在服务区，如果被叫对象不在服务范围，则返回“404 NOT FOUND”(即用户不在服务区);若被叫用户成功上线，则返回“200 OK”，同时准备开始会话。

　　SIP协议栈一般使用SIP统一资源定位符(URL)来标识，它根据URL来寻址，如集群用户“200”，“300”分别对应SIP用户为“200@192.168. 1.100”，“300@192.168.1.100”。本文中也使用这种方式来测试通信。

　　2.2 JNI的实现

　　PJSIP库和Java类连接是通过JNI来实现的，这也是Android NDK的实现机制，JNI是SUN公司推出的用于Java调用其他语言的接口。

　　首先需要一个中间类，这个类中主要建立一些方法用于调用C/C++本地函数。它们的类型均为“publicstatic native int”，以便其他的Java类能够调用。