基于HTTP 協(xié)議的VoIP 終端在線查詢功能的設(shè)計與實現(xiàn)

田文武

0 引言

伴隨著Internet技術(shù)在全球范圍內(nèi)的日益普及，諸多基于互聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)的新業(yè)務(wù)正如雨后春筍般涌現(xiàn)，VoIP（Voice over IP）就是一種典型的互聯(lián)網(wǎng)新興技術(shù)。和傳統(tǒng)的電路交換通信技術(shù)相比，VoIP技術(shù)以IP數(shù)據(jù)包的形式，傳輸通信過程中，產(chǎn)生的所有信令與實時音視頻數(shù)據(jù)，從而可以實現(xiàn)更為低廉的通訊成本。同時，由于基于開放的IP網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，結(jié)合當(dāng)前最新的處理器芯片和嵌入式操作系統(tǒng)技術(shù)，VoIP終端可以實現(xiàn)許多傳統(tǒng)電話無法提供的新應(yīng)用，如傳真、視頻、數(shù)據(jù)等，最終為用戶提供更為便利的通信服務(wù)。本文所介紹在線電話簿、實時天氣預(yù)報功能，就是對VoIP終端產(chǎn)品功能擴(kuò)展的一次積極嘗試。

圖1 HTTP客戶端分層設(shè)計框圖

1 HTTP客戶端模塊的結(jié)構(gòu)設(shè)計

首先，該功能模塊是基于ARM-LINUX嵌入式平臺開發(fā)的，在系統(tǒng)中處于中心地位的是一個獨立的VoIP進(jìn)程，它包含了VoIP終端主要的功能實現(xiàn)。

HTTP客戶端模塊包含：HTTP客戶端應(yīng)用接口層，它可以被VoIP進(jìn)程中各線程共享調(diào)用；HTTP客戶端線程，它可以滿足VoIP進(jìn)程中，其他線程實時并發(fā)地訪問遠(yuǎn)端HTTP服務(wù)器的需要；客戶端API的語法編解碼模塊，它服務(wù)于HTTP客戶端API，使其能夠?qū)TTP報文、XML/XHTML數(shù)據(jù)等進(jìn)行高效的解析與構(gòu)建。HTTP客戶端的功能設(shè)計框圖，如圖1所示：

圖1中，MMI（Man-Machine Interface）線程主要負(fù)責(zé)用戶與VoIP終端的人機(jī)交互任務(wù)。通過MMI線程，用戶訪問遠(yuǎn)端服務(wù)器數(shù)據(jù)的場景有兩種：一種是手動訪問的方式；另一種是自動訪問的方式。對于手動方式，MMI線程可以直接調(diào)用HTTP客戶端API函數(shù)進(jìn)行訪問；但這種方式存在如何有效縮短手動訪問時延的問題。另外一種自動訪問的方式，是通過獨立的HTTP客戶端線程來實現(xiàn)的；該方式面臨著另一個問題：如何實現(xiàn)MMI線程與HTTP客戶端線程之間的數(shù)據(jù)同步問題。上述兩個問題的具體分析與解決，均將在第三節(jié)中進(jìn)行闡述。每次對遠(yuǎn)端服務(wù)器數(shù)據(jù)的訪問，無論以手動方式還是自動方式，均遵循相同的基本流程，如圖2所示：

圖2 通過HTTP客戶端API訪問遠(yuǎn)端服務(wù)器流程圖

上層模塊（MMI線程或HTTP客戶端線程等）傳遞相關(guān)的參數(shù)給HTTP客戶端API層；

API層調(diào)用相應(yīng)的報文編碼函數(shù)根據(jù)上層傳遞的參數(shù)構(gòu)建出請求報文；

調(diào)用Linux套接字API建立與遠(yuǎn)端HTTP服務(wù)器的TCP連接；

一旦連接建立成功，發(fā)送請求報文，同時等待接收響應(yīng)報文；

當(dāng)成功接收到響應(yīng)報文，HTTP客戶端API層將調(diào)用相應(yīng)的報文解析函數(shù)對報文進(jìn)行解析；

將解析得到的數(shù)據(jù)返回給上層模塊，并關(guān)閉TCP連接。

如果連接建立失敗、響應(yīng)超時或失敗，同樣要將錯誤的結(jié)果返回給上層。

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 HTTP客戶端API模塊非阻塞通信機(jī)制的實現(xiàn)

圖2描述了HTTP客戶端API層訪問遠(yuǎn)端服務(wù)器的過程。調(diào)用socket()創(chuàng)建一個socket文件描述符，其內(nèi)核屬性默認(rèn)為阻塞模式。當(dāng)建立連接或接收響應(yīng)數(shù)據(jù)時，如果直接調(diào)用connect()或recv()對創(chuàng)建的socket描述符進(jìn)行操作，調(diào)用結(jié)果返回之前，當(dāng)前線程會被掛起，該調(diào)用方式成為“阻塞調(diào)用”。在“阻塞調(diào)用”模式下，如果遠(yuǎn)端服務(wù)器不存在或服務(wù)器端不返回數(shù)據(jù)，connect()/recv()函數(shù)就會長時間無法返回，進(jìn)行該調(diào)用的線程將被長時間掛起，而這對于用戶而言顯然是無法接受的。如何解決該問題？

Unix/Linux中，系統(tǒng)調(diào)用select()經(jīng)常在阻塞調(diào)用的非阻塞化場合被用到。其函數(shù)聲明如下：

select()函數(shù)提供了一個fd_set的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，它是一個長整型的數(shù)組，每一個數(shù)組元素都能與一個打開的文件描述符（如socket描述符）相關(guān)聯(lián)。當(dāng)調(diào)用select()時，由內(nèi)核根據(jù)I/O狀態(tài)修改fd_set的內(nèi)容，由此來通知執(zhí)行了select()的進(jìn)程哪一個socket或文件可讀寫。同時select()還提供了一個timeval結(jié)構(gòu)，在調(diào)用時，如果超過了timeval參數(shù)所指定的時間長度仍然沒有文件描述符滿足條件，select()就會直接返回。通過timeval參數(shù)可以定制符合用戶要求的最大等待時間（建立連接、接收響應(yīng)數(shù)據(jù)等）。

非阻塞連接建立過程如下：

A. 建立socket，將socket文件描述符設(shè)為非阻塞模式；

B. 調(diào)用connect()函數(shù)，建立與socket綁定的連接（該調(diào)

用會立刻返回）；

C. 調(diào)用select()檢查socket是否可讀寫；

D. 根據(jù)select()返回值判斷connect()的結(jié)果：成功、超時或失??；

E. 將socket重新設(shè)置為阻塞模式。

區(qū)別于非阻塞連接過程，由于網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸本身的時延效應(yīng)，需要在不改變socket描述符阻塞屬性的情況下，通過動態(tài)輪詢的方式來實現(xiàn)非阻塞的數(shù)據(jù)接收過程，如圖3所示：

圖3 非阻塞數(shù)據(jù)接收過程

N表示最大輪詢次數(shù)，以SELECT_T 代表Select()調(diào)用的超時時間，則整個數(shù)據(jù)接收過程的時間延遲最大為

實際測試表明，通過select()函數(shù)實現(xiàn)的非阻塞網(wǎng)絡(luò)通信機(jī)制，可以實現(xiàn)通信過程中實時性和可靠性的有效平衡。

2.2 MMI與HTTP客戶端線程間的數(shù)據(jù)傳遞和同步機(jī)制

VoIP進(jìn)程的每個線程均是基于一種消息或事件驅(qū)動的自循環(huán)模型設(shè)計的。

這種由消息或事件驅(qū)動的自循環(huán)線程模型，如圖4所示：

圖4 消息/事件驅(qū)動的自循環(huán)線程模型

在每次循環(huán)過程中，線程檢查是否有新的消息傳入或事件發(fā)生；若發(fā)現(xiàn)新的消息或事件，則進(jìn)行相應(yīng)的處理，完成后進(jìn)入下次循環(huán)過程，若當(dāng)前沒有新的消息或事件，則繼續(xù)等待消息/事件的到來，直到定時器超時進(jìn)入下次循環(huán)。

HTTP客戶端線程的特殊之處在于，它一直等待請求消息而不會超時，一旦受到請求消息就立即處理，并返回響應(yīng)消息給外部請求發(fā)送者，然后進(jìn)入下一個等待周期。

當(dāng)MMI線程需要自動訪問遠(yuǎn)端服務(wù)器時，直接向HTTP客戶端消息隊列發(fā)送一個請求；處于“等待”狀態(tài)的HTTP客戶端線程收到MMI線程的請求消息，會立即提取消息中的服務(wù)器地址和HTTP請求相關(guān)的參數(shù)，然后按照圖2所示的流程通過HTTP客戶端API層與遠(yuǎn)端服務(wù)器進(jìn)行交互；當(dāng)收到HTTP客戶端API層的返回數(shù)據(jù)時，HTTP客戶端線程就會將這些數(shù)據(jù)以一定的組織形式，發(fā)送到MMI線程的消息隊列，然后重新進(jìn)入侍候狀態(tài)；當(dāng)MMI線程收到來自HTTP客戶端線程的消息時，該自動訪問過程結(jié)束。

3 擴(kuò)展功能實現(xiàn)的介紹

3.1 在線電話簿

3.1.1 手動搜索功能

該功能通過MMI線程直接調(diào)用HTTP客戶端API實現(xiàn)，基本流程為：用戶輸入搜索條件；MMI線程調(diào)用HTTP客戶端API向遠(yuǎn)端服務(wù)器發(fā)送HTTP搜索請求；如果搜索返回成功，則將搜索結(jié)果提供給用戶查看，否則，提示用戶錯誤信息。

3.1.2 自動查詢功能

該功能通過圖5所示的MMI與HTTP客戶端線程的同步機(jī)制實現(xiàn)，基本流程，如圖5所示：

3.2 在線天氣預(yù)報

在線天氣預(yù)報屬于MMI線程中的常駐功能，一旦MMI線程啟動，就會直接觸發(fā)它的運(yùn)行.

檢查在線天氣功能是否開啟，如未開啟，則重置計時器，等待其超時再次檢測功能是否開啟，否則進(jìn)入下一步；

向HTTP客戶端線程發(fā)送信息查詢請求；如客戶端線程成功返回響應(yīng)消息，則進(jìn)入下一步，否則重新進(jìn)行上一步；

將HTTP客戶端線程返回的天氣信息顯示在LCD屏上；

重置定時器；

等待定時器超時，返回第一步再次更新天氣信息。

4.結(jié)論

本文針對當(dāng)前VoIP終端特色功能擴(kuò)展的需要，設(shè)計了一種輕型、高效的HTTP客戶端，并對該客戶端的設(shè)計架構(gòu)和實現(xiàn)中遇到的關(guān)鍵問題進(jìn)行了闡述。由于采用了相對開放的架構(gòu)設(shè)計，實現(xiàn)了相互獨立的HTTP客戶端接口層、HTTP客戶端線程以及語法編解碼模塊，因此，除了已實現(xiàn)的在線號碼簿和在線天氣信息外，還可以基于該客戶端，進(jìn)行其他類似的功能擴(kuò)展。實際測試表明，該客戶端具有實時性高、穩(wěn)定性強(qiáng)、系統(tǒng)資源開銷少等特點，達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計指標(biāo)。

[1]Wikipedia: Voice over IP[G/OL], http://en.wikipedia.org/wiki/Voice_over_IP, 2011.

[2]Neil Matthew, Richard Stones. Beginning Linux Progrmaming 4th Edition[M]. 北京，人民郵電出版社 ,2010.

[3]宋敬彬, 孫海濱. Linux網(wǎng)絡(luò)編程,[M]北京，清華大學(xué)出版社, 2010.

[4]謝希仁. 計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)(第5版)[M].北京電子工業(yè)出版社,2008.

[5]許信順. 嵌入式 Linux應(yīng)用編程[M], 北京，機(jī)械工業(yè)出版社, 2007.

[6]Internet Engineering Task Force, Hypertext Transfer Protocol - HTTP/1.1[S], http://tools.ietf.org/html/rfc2616,1999.