張 勇

（中山大學(xué) 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，廣東 廣州 510006）

責(zé)任編輯:任健男

0 引言

隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的快速發(fā)展和網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施的逐步加強(qiáng)，高速的網(wǎng)絡(luò)為流媒體的普及提供了可能。近些年，視頻電話的研發(fā)也逐漸升溫。本文基于XMPP協(xié)議提出一種適用于數(shù)字家庭網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的視頻電話系統(tǒng)，旨在將視頻電話與數(shù)字家庭視頻系統(tǒng)進(jìn)行融合，為用戶提供便利舒適的通話體驗(yàn)。

XMPP協(xié)議[1-3]是一種擴(kuò)展消息和表示協(xié)議，XMPP是一種基于XML的協(xié)議，它繼承了在XML環(huán)境中靈活的發(fā)展性，用于即時(shí)消息（IM）以及在線現(xiàn)場(chǎng)探測(cè)，其擴(kuò)展協(xié)議Jingle使得其支持語(yǔ)音和視頻。

ICE（Interactive Connectivity Establishment）是一種用于解決計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中NAT穿透問(wèn)題[4-6]的常用技術(shù)，被廣泛應(yīng)用于VoIP，P2P傳輸系統(tǒng)，即時(shí)通信等領(lǐng)域。ICE是由IETF的MMUSIC工作組開(kāi)發(fā)出來(lái)的一種 framework，可整合 STUN（Simple Traversal of UDP Through Network Address Translators）[7-8]、TURN等NAT穿透技術(shù)。本系統(tǒng)將ICE技術(shù)與STUN技術(shù)進(jìn)行整合完成NAT穿透，從而實(shí)現(xiàn)客戶端之間的直接通信，提高了音視頻傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性。

1 相關(guān)技術(shù)分析

1.1 XMPP協(xié)議與會(huì)話建立

XMPP協(xié)議是一種擴(kuò)展消息和表示協(xié)議，XMPP是一種基于XML的協(xié)議，它繼承了在XML環(huán)境中靈活的發(fā)展性。XMPP協(xié)議定義了3種一級(jí)XML標(biāo)簽:＜pres?ence/＞，＜iq/＞和＜message/＞。＜presence/＞標(biāo)簽用于描述客戶端本身的狀態(tài)及可用性信息；＜iq/＞標(biāo)簽用于客戶之間建立會(huì)話；＜message/＞標(biāo)簽用于客戶端之間發(fā)送消息。

在會(huì)話建立過(guò)程中，客戶端通過(guò)＜iq/＞描述本次會(huì)話本身的屬性，包括接收流媒體數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)實(shí)體地址、本地流媒體類型及載荷基本屬性等。其中網(wǎng)絡(luò)實(shí)體地址是通過(guò)STUN協(xié)議通過(guò)STUN Server獲得的公網(wǎng)通信地址（STUN協(xié)議將在下一節(jié)介紹）。圖1描述了音頻通話的會(huì)話過(guò)程，在此過(guò)程中主要包括ses?sion-initiate，session-info，session-accept，session-ter?minate等動(dòng)作，在會(huì)話成功建立后，會(huì)話成員使用con?tent-add，content-modify，content-accept等動(dòng)作添加新媒體——視頻（圖中未體現(xiàn)）。

1.2 STUN與ICE技術(shù)

圖1 XMPP協(xié)議會(huì)話建立過(guò)程示意圖

視頻電話要解決的另一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題是音視頻數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸，一個(gè)高效的音視頻數(shù)據(jù)傳輸方案直接影響視頻電話系統(tǒng)的可用性，更是關(guān)系到用戶體驗(yàn)的關(guān)鍵問(wèn)題。如果通過(guò)服務(wù)器轉(zhuǎn)發(fā)音視頻數(shù)據(jù)流，不僅增加了服務(wù)器的負(fù)荷，同時(shí)也大大影響了通話的實(shí)時(shí)性。XMPP協(xié)議描述以中ICE技術(shù)解決客戶端間對(duì)等通信問(wèn)題，本文結(jié)合ICE技術(shù)介紹一種基于STUN協(xié)議的音視頻數(shù)據(jù)對(duì)等實(shí)時(shí)傳輸方案。

STUN是一個(gè)輕量級(jí)的協(xié)議，其算法實(shí)現(xiàn)了各種類型的NAT穿透（如圖2所示），是一個(gè)常用的NAT穿透協(xié)議。

圖2 STUN協(xié)議算法流程

視頻會(huì)話參與者通過(guò)STUN協(xié)議獲取自身在公網(wǎng)上的通信地址，并在會(huì)話建立的過(guò)程中通過(guò)XML描述告知媒體接收端。會(huì)話成功建立后，會(huì)話參與者便可與其他參與者實(shí)現(xiàn)音視頻數(shù)據(jù)的對(duì)等傳輸。

到目前為止，STUN協(xié)議僅僅完成的是外網(wǎng)通信地址的獲取，在負(fù)責(zé)多變的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，要保證會(huì)話雙方通信的穩(wěn)定性這遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。在這種情況下，ICE技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。ICE技術(shù)能夠在復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，實(shí)現(xiàn)各種形式的NAT穿透，使得媒體流在通信雙方順利傳輸。

ICE技術(shù)是一種探索式的解決方案，其核心思想是收集本地及會(huì)話對(duì)方的所有可能通信地址，并對(duì)這些地址進(jìn)行連通性檢查，從而得到一條能夠?qū)崿F(xiàn)NAT穿透的通信鏈路。為保證通信的穩(wěn)定性，在通信過(guò)程中需要不斷更新地址信息。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

2.1 物理架構(gòu)設(shè)計(jì)

基于數(shù)字家庭環(huán)境的視頻電話的關(guān)鍵問(wèn)題之一是將其與電視系統(tǒng)及視頻監(jiān)控系統(tǒng)的整合。就此考慮，論文討論的視頻電話客戶端被分為視頻采集設(shè)備、視頻接收解碼設(shè)備（整合到家庭視頻系統(tǒng)中）及會(huì)話管理設(shè)備，如圖3所示，它們都接入到家庭網(wǎng)絡(luò)中，并利用家庭網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。

1）會(huì)話管理設(shè)備，完成XMPP協(xié)議的會(huì)話功能及STUN協(xié)議的客戶端功能，同時(shí)需要對(duì)視頻采集及接收設(shè)備進(jìn)行調(diào)度。

2）視頻采集編碼設(shè)備，采集攝像頭的數(shù)據(jù)并對(duì)視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼（采用流媒體編碼格式，如H.264，WebM等）。該設(shè)備接受會(huì)話管理設(shè)備的調(diào)度，與遠(yuǎn)程客戶端的視頻解碼設(shè)備進(jìn)行直接通信。

3）視頻接收解碼設(shè)備，接收來(lái)自遠(yuǎn)程客戶端及視頻采集設(shè)備的視頻數(shù)據(jù)，并對(duì)其進(jìn)行解碼后播放，或通過(guò)DLNA將其推送到其他視頻設(shè)備播放。

圖3 系統(tǒng)物理結(jié)構(gòu)圖

視頻電話服務(wù)器是一個(gè)通用的Jabber服務(wù)器，主要負(fù)責(zé)所有用戶信息及會(huì)話請(qǐng)求的轉(zhuǎn)發(fā)，同時(shí)還允許搭載一個(gè)STUN服務(wù)器。

2.2 軟件設(shè)計(jì)

根據(jù)需求客戶端軟件的主要模塊有XMPP會(huì)話管理、STUN客戶端、ICE連接管理、設(shè)備調(diào)度、視頻采集編碼模塊、視頻解碼播放模塊。

系統(tǒng)采用P2P架構(gòu)進(jìn)行視頻傳輸，因此，首先需要通過(guò)STUN和ICE獲取本地視頻采集設(shè)備的外網(wǎng)通信地址實(shí)現(xiàn)NAT穿透，外網(wǎng)通信地址通過(guò)XMPP的candidate標(biāo)簽發(fā)送給其他會(huì)話參與者。同時(shí)設(shè)備調(diào)度模塊通過(guò)ICE連接管理模塊定時(shí)檢測(cè)并獲取其他會(huì)話參與者外網(wǎng)通信地址。會(huì)話參與者獲得其他參與者的外網(wǎng)地址后，便可以直接向其發(fā)送音視頻數(shù)據(jù)，而不需要通過(guò)服務(wù)器轉(zhuǎn)發(fā)。圖4描述了視頻會(huì)話啟動(dòng)流程。

3 結(jié)束語(yǔ)

信息時(shí)代，網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和信息技術(shù)的發(fā)展給人們的生活帶來(lái)了許多便利，與此同時(shí)，市場(chǎng)對(duì)信息產(chǎn)品的要求也不斷提高，傳統(tǒng)的電話已無(wú)法滿足日益增長(zhǎng)的需求。在這一背景下，視頻電話應(yīng)運(yùn)而生并在這幾年得到了很好的發(fā)展。本文結(jié)合數(shù)字家庭產(chǎn)業(yè)環(huán)境，介紹了一種基于XMPP協(xié)議和ICE技術(shù)的視頻電話系統(tǒng)，并將其與數(shù)字家庭視頻系統(tǒng)完美結(jié)合，為數(shù)字家庭用戶帶來(lái)一種新型的視頻通話體驗(yàn)。

圖4 視頻會(huì)話啟動(dòng)流程圖

[1]RFC 3920-3921，Extensible Messaging and Presence Protocol(XMPP):Core/Introduction[S].2004.

[2]Jabber Inc.Jabber White Paper:the XMPP cloud[EB/OL].[2008-11-05].http://www.jabber.com/CE/White-Paper.

[3]Jabber Inc.Core XMPP protocolstack[EB/OL].[2009-08-15].http://xmpp.org/protocols/.

[4]孫名松，段志鳴，王湛昱.混合式P2P網(wǎng)絡(luò)UDP下NAT穿越方案的研究與設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)與數(shù)字工程，2010（4）:104-107.

[5]李航，馬林華.IP音視頻穿越NAT技術(shù)的研究[J].通信技術(shù)，2008（3）:65-67.

[6]周曄，李生紅.基于ICE的VoIP穿越NAT改進(jìn)方案[J].計(jì)算機(jī)安全，2008（10）:29-32.

[7]ROSENBERG J，WEINBERGER J.RFC 3489，STUN-simple tra?versal of user datagram protocol through network address transla?tors[S].2003.

[8]史永林，潘進(jìn).STUN技術(shù)深入分析[J].電腦知識(shí)與技術(shù)，2006，23（8）:71-72.