Реализация SIP-телефонии для мобильных устройств с операционной системой Android

Санкт-Петербургский  Государственный Университет

Математико-механический факультет

 

Кафедра системного программирования

 

 

Малышев Виталий Владиславович

 

Дипломная работа

Реализация SIP-телефонии  для мобильных устройств с  операционной системой Android 

 

Допущено к защите

Зав. кафедрой

д.ф.-м.н, проф. А.Н. Терехов

 

 

Научный руководитель

 д.т.н., проф. кафедры информатики В.О. Сафонов

 

 

Рецензент

аспирант кафедры информатики  В.С. Соловьев

 

 

 

 

 

г. Санкт-Петербург

2010 год

St. Petersburg State University

Faculty of Mathematics and Mechanics

 

Chair of Software Engineering

 

 

Malyshev Vitaly Vladislavovich

 

Graduate paper

SIP-telephony implementation for mobile devices powered by Android operating system

 

Admitted to proof

Head of the chair

Dr. of Phys. and Math. Sci., Professor A.N. Terekhov

 

 

Scientific advisor

 Doctor of Sciences, Professor of Computer Science V. O. Safonov

 

 

Reviewer

Post-graduate student of Computer Science V.S. Soloviev

 

 

 

 

 

St. Petersburg

2010

Оглавление

1. Введение 5

1.1. Постановка задачи 5

1.2. Этапы работы 8

1.3. Введение в предметную область 10

1.3.1. Общие сведения о SIP телефонии 10

1.3.2. Принципы SIP протокола 11

1.3.3. Архитектура сети 12

1.3.4. Сообщения протокола SIP 13

1.3.5. Сравнение SIP с H.323 15

1.3.6. Сравнение SIP с Skype 17

2. Описание предлагаемого решения 19

2.1. Выбор платформы решения 19

2.2. Описание использования приложения 20

3. Реализация решения 24

3.1. Реализация низкоуровнего модуля, работающего со звуком напрямую 24

3.1.1. AudioRecordWrapper 26

3.1.2. AudioTrackWrapper 27

3.1.3. QueuedBuffer 28

3.2. Принцип работы “Handover” 29

3.3. Архитектура проекта “MC Client” 31

 

 

 

3.4. Ключевые классы элементов архитектуры. 33

3.4.1. Activity. 33

3.4.2. SipServiceWrapper 35

3.4.3. Service 36

3.4.4. SIPEngine 39

4. Реализация и применение решения 43

5. Сравнительный анализ 45

6. Заключение 47

7. Список литературы 48

 

1. Введение
1. Постановка задачи

Для пользователей персональных компьютеров уже давно стало  привычным голосовое общение через Интернет,  но для мобильных устройств качественных решений до недавнего времени просто не существовало. Однако развитие современных мобильных технологий, а именно появление мобильных устройств с быстрым доступом в Интернет и работающих под операционной системой Android[1], открывает новые возможности.

В июле 2005 Google приобрела небольшую  компанию Android, Inc., занимающуюся развитием собственных проектов. В то время было немного известно про компанию Android, Inc. – только то, что компания занималась разработкой программного обеспечения для мобильных телефонов. Как раз тогда и пошли слухи о том, что Google собирается выйти на рынок мобильных устройств.

Под руководством Google команда  разработала операционную систему, основанную на ядре Linux, гибкую и предлагающую широкие возможности по конфигурации. В ноябре 2007 Open Handset Alliance (OHA)[2]  - консорциум множества компаний, куда входит и Google, поставил перед собой задачу разработки открытых стандартов для мобильных устройств. Тогда же OHA и выпустил свой первый продукт – операционную систему Android, основанную на ядре Linux версии 2.6. Основными особенностями данной системы являлась открытость и многозадачность. Официальный выход первого смартфона HTC Dream (G1), под управлением ОС Android, на рынок США состоялся 22 октября 2008 года.

После появления первого  устройства под управлением Android, стало  возможным предоставить пользователю возможность использовать Интернет-телефонию так же, как и GSM телефонию. Широкополосный доступ в Интернет, многозадачность операционной системы дали возможность пользователю забыть о проблемах, связанных с Интернет связью. До Android самые удобные приложения Интернет-телефонии предлагала ОС iPhone, но с ее ограниченной многозадачностью невозможно использовать другие приложения вместе с Интернет-телефонией, что означает, например, невозможность читать документы и одновременно принимать звонки.

На данный момент существует ряд решений по обеспечению Интернет-телефонии для Android, однако все они обладают существенными ограничениями по использованию.

Данная работа ставит целью проведение анализа существующих решений Интернет-телефонии для ОС Android и создание приложения SIP телефонии под Android, удовлетворяющего следующим требованиям:

• Приложение должно работать на всех существующих версиях ОС Android[3].  Следует учитывать старые версии Android (1.1 и 1.5), так как общий процент устройств под управлением данных версий ОС достаточно велик, что видно из рисунка 1.

Рисунок 1: Соотношение числа устройств, работающих под управлением конкретной версии ОС Android. Данные приведены по состоянию на 01.04.2010

• Приложение должно уметь осуществлять переключение типа звонка с SIP на GSM и обратно – так называемый “Handover”. Т.е.  при наличии широкого Интернет канала звонок идет по SIP,  а если ширины канала начинает не хватать, то идет переключение звонка с SIP на GSM незаметно для пользователя. Как только ширина канала становится снова достаточной, идет переключение обратно на SIP.
• Приложение должно работать на заднем плане, не ограничивая пользователя в работе с коммуникатором.
• Приложение не должно уступать другим приложениям по качеству звука и скорости работы.
• Приложение должно использовать по максимуму возможности Dialer - приложения для совершения GSM звонков, встроенного в ОС Android (пример возможностей - телефонная книга, учет совершенных звонков).
2. Этапы работы

Разработку SIP телефонии возможно разбить на несколько этапов:

1. Получение доступа к звуку на ранних версиях ОС

Так как одним из основных требований является работа на всех версиях ОС, то необходимо написать низкоуровневый модуль, работающий со звуком напрямую  - записывать голос с устройства и передавать звук в динамики – на ранних версиях ОС (Android 1.1 и Android 1.5) такой возможности не было.

 

2. Сборка низкоуровнего модуля в виде библиотеки, которую возможно подключить и использовать в приложениях под Android

В Android есть механизм подключения  низкоуровневых библиотек в формате “.so” – формате понятном Linux, на ядре которого базируется Android. Сборка осуществляется с помощью компилятора arm gcc.

 

3. Адаптация java библиотеки SIP телефонии для Android

В качестве базы для обмена SIP сообщений используется Open Source библиотека “MjSip”[4]. К данному этапу уже необходимо создать простейшее приложение, которое позволяет звонить и принимать звонки через Интернет.

 

4. Обеспечение дополнительных возможностей SIP клиента 

Для удобства использования  необходимо обеспечить возможность  конфигурации клиента и возможность управления звонками. На данном этапе должна быть реализована возможность совершения автоматического и ручного “Handover” – переключение звонка с GSM на SIP и обратно.

Мною были спроектированы и реализованы этапы 1, 3, 4, в ходе чего были получены результаты, которые легли в основу данной работы. Этап 2 реализовали Смирнов Олег и Семаков Семен.

Стоит отметить, что проект по разработки SIP телефонии для Android является коммерческим, поэтому исходный код проекта является коммерческой тайной компании ООО “e-Legion Ltd.”.

В связи с этим в данной работе будут приведены описания только тех частей проекта, что отражают основные результаты.

Проект, являющийся результатом разработка SIP телефонии для Android, описан в разделе “Реализация и применение решения”.

3. Введение в предметную область
1. Общие сведения о SIP телефонии

SIP (Session Initiation Protocol — протокол установления сессии) - стандарт установления и завершения пользовательского Интернет-сеанса, включающего обмен мультимедийным содержимым (видео - и аудиоконференция, мгновенные сообщения).

В модели взаимодействия открытых систем SIP является сетевым протоколом прикладного уровня.

Протокол описывает, каким образом  клиентское приложение (например, MC Client) запрашивает начало соединения у другого, возможно физически удалённого, клиента, находящегося в той же сети, используя его уникальное имя. Протокол определяет способ согласования между клиентами об открытии каналов обмена на основе других протоколов, которые могут использоваться для непосредственной передачи информации (например, RTP). Допускается добавление или удаление таких каналов в течение установленного сеанса, а также подключение и отключение дополнительных клиентов (то есть допускается участие в обмене более двух сторон — конференцсвязь). Протокол также определяет порядок завершения сеанса. Схему организации работы по протоколу SIP можно видеть на рисунке 2.

Рисунок 2: Пример сети на базе протокола SIP

Наряду с устаревшим H.323, SIP — один из протоколов, лежащих в основе Voice over IP (VoIP).

 

2. Принципы SIP протокола

В основе протокола лежат следующие  принципы:

• Простота: включает в себя только шесть методов (функций)
• Независимость от транспортного уровня, допустимо использовать UDP, TCP, ATM и т. д.
• Персональная мобильность пользователей. Пользователи разрешается перемещаться в пределах сети без ограничений. Данное свойство достигается путем присвоения пользователю уникального идентификатора. При этом набор предоставляемых услуг остается неизменным. О своих перемещениях пользователь сообщает с помощью сообщения REGISTER.
• Масштабируемость сети. Структура сети на базе протокола SIP позволяет легко ее расширять и увеличивать число элементов.
• Расширяемость протокола. Протокол характеризуется возможностью дополнять его новыми функциями при появлении новых услуг.
• Интеграция в стек существующих протоколов Интернет. Протокол SIP является частью глобальной архитектуры мультимедиа, разработанной комитетом IETF. Кроме SIP, данная архитектура включает в себя протоколы RSVP, RTP, RTSP,SDP.
• Взаимодействие с другими протоколами сигнализации. Протокол SIP может быть использован совместно с другими протоколами IP-телефонии, протоколами ТфОП (Телефонная сеть общего пользования), и для связи с интеллектуальными сетями.

 

3. Архитектура сети

Протокол SIP имеет клиент-серверную  архитектуру. Клиент выдает запросы, с указанием того, что он хочет получить от сервера. Сервер принимает и обрабатывает запросы, выдает ответы, содержащие уведомление об успешности выполнения запроса, уведомление об ошибке или информацию, запрошенную клиентом.

Обслуживание вызова распределено между различными элементами сети SIP. Основным функциональным элементом, реализующим  функции управления соединением, является абонентский терминал. Остальные  элементы сети могут отвечать за маршрутизацию  вызовов, а иногда служат для предоставления дополнительных сервисов.

 

 

 

 

 

4. Сообщения протокола SIP

Сообщения протокола SIP (запросы и  ответы), представляют собой последовательности текстовых строк, закодированных в  соответствии с документом RFC 2279. Структура и синтаксис сообщений SIP идентичны используемым в протоколе HTTP. Структура сообщений протокола SIP:

Стартовая строка

Заголовки

Пустая строка

Тело сообщения

• Стартовая строка — начальная строка любого SIP-сообщения. Если сообщение является запросом, в ней указывается тип запроса, адресат и номер версии протокола. Если сообщение является ответом на запрос, в ней указывается номер версии протокола, тип ответа и его короткая расшифровка.
• Заголовки сообщений содержат информацию, необходимую для обработки сообщения (информация об отправителе, адресате, пути следования и пр.)
• Тело сообщения содержит описание сеансов связи. Не все запросы содержат тело сообщения (например, запрос BYE). Все ответы могут содержать тело сообщения, но содержимое тела в них бывает разным.

 

 

 

 

Пример запроса INVITE:

INVITE sip:nikoli@zenit.chempion.spb.ru SIP/2.0

Record-Route: <sip:nikoli@10.0.0.10;lr>

Via: SIP/2.0/UDP 10.0.0.10;branch=z9hG4bK3af7.0a6e92f4.0

Via: SIP/2.0/UDP 192.168.0.2:5060;branch=z9hG4bK12ee92cb;rport=5060

From: "78128210000" <sip:78128210000@vladimir.spb.ru>;tag=as149b2d97

To: <sip:nikoli@zenit.chempion.spb.ru>

Contact: <sip:78128210000@vladimir.spb.ru>

Call-ID: 3cbf958e6f43d91905c3fa964a373dcb_zenit.chempion.spb.ru

CSeq: 103 INVITE

Max-Forwards: 16

Date: Wed, 10 Jan 2001 13:16:23 GMT

Allow: INVITE, ACK, CANCEL, OPTIONS, BYE, REFER, SUBSCRIBE, NOTIFY

Supported: replaces

Content-Type: application/sdp

Content-Length: 394

 

v=0

o=root 3303 3304 IN IP4 10.0.0.10

s=session

c=IN IP4 10.0.0.10

t=0 0

m=audio 40358 RTP/AVP 0 8 101

a=rtpmap:0 PCMU/8000