移動(dòng)云信息交互展示系統(tǒng)的協(xié)議設(shè)計(jì)

黃淳嵐 陸成茂 楊曉慧 金詩(shī)思 郭江濤 譚寓元 樂光學(xué)

摘要： 移動(dòng)云信息交互展示系統(tǒng)定義了支持智能移動(dòng)終端對(duì)投影儀遠(yuǎn)程遙控和文件共享以及無線投屏的通訊協(xié)議。協(xié)議實(shí)踐可行、穩(wěn)定可靠、具有良好的擴(kuò)展性。利用Android系統(tǒng)獨(dú)特的進(jìn)程模型，以H.264數(shù)字視頻編解碼技術(shù)等為技術(shù)手段，實(shí)現(xiàn)了對(duì)投影儀端無線同屏的安卓應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：文件傳輸；Android；協(xié)議模型；H.264

中圖分類號(hào)：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2019）10-0024-03

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：

Protocol Design of Wireless Same Screen System Based on Android

HUANG Chun-lan1， LU Cheng-mao1，YANG Xiao-hui2， JIN Shi-si1，GUO Jiang-tao1， TAN Yu-yuan1，YUE Guang-xue1

（1. Jiaxing University， Jiaxing 314001， China； 2. School of Science， Jiangxi University of Science and Technology， Ganzhou 341000， China）

Abstract： Mobile Cloud Information Interactive Display System defines communication protocols that support remote control and file sharing of projectors by smart mobile terminals， as well as wireless screen projection. The protocol is practicable， stable and reliable， and has good expansibility. Using the unique process model of Android system and H. 264 digital video coding and decoding technology as technical means， the Android application of the projector side wireless same screen is realized.

Key words： file transfer； Android； protocol model； H.264

1 概述

移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)快速發(fā)展，智能手機(jī)日漸普及化，人們的生活與智能手機(jī)的聯(lián)系也越來越密切。無論是學(xué)習(xí)、生活、工作，人們渴望能只需要通過智能手機(jī)，去進(jìn)行操作就能夠解決實(shí)際問題。因?yàn)锳ndroid操作系統(tǒng)其代碼的開源性、以及豐富良好的應(yīng)用等優(yōu)勢(shì)，深受人們的喜愛，取得了智能手機(jī)市場(chǎng)的半壁江山[1]。

Android操作系統(tǒng)擁有良好的嵌入特性，電子設(shè)備選擇嵌入Android系統(tǒng)，可以擴(kuò)展自身的功能多樣和便捷性；傳統(tǒng)的投影儀，其便捷程度和功能多樣性上與新型的智能投影儀相比都大為不足；新型智能投影儀因?yàn)榇钶d了Android系統(tǒng)操作，與安卓市場(chǎng)上豐富的應(yīng)用程序結(jié)合，搭配投影儀放大可視化界面的特性，再配以強(qiáng)大的互聯(lián)網(wǎng)，智能投影儀取代傳統(tǒng)投影儀呈現(xiàn)出了不可逆的發(fā)展趨勢(shì)。

“移動(dòng)云信息交互展示系統(tǒng)”就是將搭載Android操作系統(tǒng)的智能投影儀與智能手機(jī)、平板電腦等智能終端無線互聯(lián)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程無線遙控、文件共享、屏幕共享等功能的新型投影模式。本文接下來將通過協(xié)議模型設(shè)計(jì)、業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)流、文件編碼格式等等來講述該系統(tǒng)的協(xié)議設(shè)計(jì)。

2系統(tǒng)協(xié)議與業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)協(xié)議模型

信息交互展示系統(tǒng)的協(xié)議定義在TCP/IP協(xié)議棧的應(yīng)用層，系統(tǒng)在設(shè)備連接階段采用無須連接的UDP協(xié)議進(jìn)行廣播。由于TCP傳輸控制協(xié)議是一種面向連接的、可靠的、基于字節(jié)流的通信協(xié)議，使用TCP可以保證系統(tǒng)通信的穩(wěn)定性和可靠性[2]。

系統(tǒng)的服務(wù)端可以與多個(gè)客戶端通信，其中一個(gè)客戶端會(huì)被授權(quán)為管理員；當(dāng)另一個(gè)客戶端通過同屏請(qǐng)求取得管理員的同意后，服務(wù)端與該客戶端建立一個(gè)會(huì)話，且不會(huì)再對(duì)其他連接上服務(wù)端的客戶端授予同屏傳輸權(quán)限，除非會(huì)話結(jié)束或管理員中斷此次會(huì)話。

在一個(gè)完整的會(huì)話中，包含控制連接和數(shù)據(jù)連接這兩個(gè)獨(dú)立的連接。命令和數(shù)據(jù)并行傳輸，可以防止數(shù)據(jù)傳輸影響用戶操作，并帶來良好的用戶體驗(yàn)[3]。協(xié)議模型如圖1所示。

2.2 系統(tǒng)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)流

系統(tǒng)分為三個(gè)組成部分：平板電腦為控制管理端，智能手機(jī)為用戶端，智能投影儀為播放服務(wù)端。投影儀端提供顯示播放服務(wù)，在開啟服務(wù)端口后，其不斷通過UDP用戶數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議向局域網(wǎng)內(nèi)廣播加密后的IP地址，并打開TCP傳輸控制協(xié)議的一個(gè)端口，用于與用戶和管理員交流控制信息。

投影儀顯示連接密鑰，客戶端輸入密鑰后與投影儀連接，當(dāng)客戶端發(fā)出連接請(qǐng)求時(shí)，向投影儀發(fā)送請(qǐng)求指令，投影儀收到指令后向管理員端Pad發(fā)送詢問指令，然后管理員端回答。

管理員發(fā)送同意指令給投影儀，投影儀開放另一個(gè)用于傳輸視頻信息的TCP端口，并通知用戶連接，用戶連接后啟動(dòng)錄制屏幕，并將視頻按預(yù)定格式發(fā)送到投影儀。

視頻格式開頭為一個(gè)固定長(zhǎng)度的頭部，頭部中包含即將發(fā)送的視頻幀的大小，投影儀按這個(gè)大小接受視頻幀，而后繼續(xù)讀取頭部。數(shù)據(jù)流圖如圖2所示。

2.3 業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的推送

數(shù)據(jù)的交互是通過用戶登錄投影界面向服務(wù)器發(fā)送投影請(qǐng)求，用戶交互服務(wù)器從本地?cái)?shù)據(jù)中讀取數(shù)據(jù)，若有則將數(shù)據(jù)返回界面，反之，向數(shù)據(jù)交互服務(wù)器發(fā)送請(qǐng)求，數(shù)據(jù)交互服務(wù)器查詢界面數(shù)據(jù)后返回給用戶服務(wù)器，用戶交互服務(wù)器將界面數(shù)據(jù)寫入緩存中，并返回給用戶瀏覽。如圖3所示。

當(dāng)用戶要進(jìn)入個(gè)人設(shè)置時(shí)，用戶交互服務(wù)器先對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，并將結(jié)果提交給數(shù)據(jù)交互服務(wù)器，數(shù)據(jù)交互服務(wù)器將數(shù)據(jù)核實(shí)或登記后，將處理結(jié)果返回給用戶交互服務(wù)器，用戶交互服務(wù)器對(duì)處理結(jié)果進(jìn)行整合，顯示在用戶端的頁(yè)面上。

系統(tǒng)管理員需要更新頁(yè)面數(shù)據(jù)時(shí)，先將需要更改的頁(yè)面數(shù)據(jù)提交給數(shù)據(jù)交互服務(wù)器，由數(shù)據(jù)交互服務(wù)器將更新內(nèi)容寫入數(shù)據(jù)庫(kù)，并將更新信息提交給用戶交互服務(wù)器。

3 編碼標(biāo)準(zhǔn)和報(bào)文格式

3.1 數(shù)字視頻編解碼器標(biāo)準(zhǔn)H.264

在視頻數(shù)據(jù)的編碼格式上，移動(dòng)云信息交互展示系統(tǒng)采用了H.264標(biāo)準(zhǔn)，此標(biāo)準(zhǔn)是ITU-T和ISO/IEC聯(lián)合提出的一種高度壓縮數(shù)字視頻編解碼器標(biāo)準(zhǔn)。其編碼流程圖如圖4所示[4]。

H.264是MPEG-4的第十部分，通常也稱之為H.264/AVC。H.264具有低碼率、高質(zhì)量圖像、容錯(cuò)性強(qiáng)、網(wǎng)絡(luò)適應(yīng)性強(qiáng)等四個(gè)優(yōu)勢(shì)；相同質(zhì)量的圖像，采用H.264技術(shù)壓縮的數(shù)據(jù)量是采用MPEG2壓縮的數(shù)據(jù)量的1/8，MPEG4的1/3；H.264可以提供流暢的高質(zhì)量圖像；就在不穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下容易發(fā)生的丟包等錯(cuò)誤的問題，H.264也提供了相應(yīng)的必要工具；H.264提供網(wǎng)絡(luò)抽象層，H.264格式的文件可以很容易地在不同網(wǎng)絡(luò)上傳輸[5-7]。

可見，采用H.264技術(shù)來壓縮編解碼無線投屏的數(shù)據(jù)文件，可以降低需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量，降低帶寬的占用，提高傳輸效率，降低延時(shí)，讓用戶在使用過程中感覺不到延時(shí)的存在。

3.2 報(bào)文格式與協(xié)議選擇

一次完整的數(shù)據(jù)傳輸，需要不同的通訊協(xié)議的互相協(xié)同。如TCP/IP協(xié)議的數(shù)據(jù)報(bào)文既包含了TCP和IP兩個(gè)協(xié)議的承載關(guān)系： TCP包需要通過IP協(xié)議承載，而IP報(bào)文又是需要以太網(wǎng)傳送，同時(shí)以太幀又分好幾種類型，不同的類型有不同的結(jié)構(gòu)、功用以及優(yōu)劣之處[8-9]。

在以太幀中，Ethernet II 幀為其中一個(gè)典型，其最小長(zhǎng)度為64字節(jié)，最大允許長(zhǎng)度為1518字節(jié)，其結(jié)構(gòu)如圖5所示。

移動(dòng)云信息交互展示系統(tǒng)采用的是TCP傳輸控制協(xié)議，雖然TCP并不是注重及時(shí)性的傳輸協(xié)議，但其擁有良好的穩(wěn)定性和可靠性，在追求無線投屏的穩(wěn)定流暢下，選擇了TCP傳輸控制協(xié)議，而不是更注重于及時(shí)性的RTP實(shí)時(shí)傳輸協(xié)議?？赡芤舱鞘褂昧薚CP的緣故，現(xiàn)在系統(tǒng)在投屏的時(shí)候還存在著100ms～200ms左右的時(shí)延，項(xiàng)目后期會(huì)再進(jìn)一步優(yōu)化代碼，優(yōu)化程序結(jié)構(gòu)，以提高系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性[10]。

4 結(jié)束語(yǔ)

該系統(tǒng)以智能手機(jī)為用戶端，投影儀為服務(wù)端，接入同一個(gè)局域網(wǎng)，采用了H.264的編碼標(biāo)準(zhǔn)，通過局域網(wǎng)網(wǎng)內(nèi)地址直接通訊，實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)無線投屏。該系統(tǒng)代碼主要使用JAVA語(yǔ)言，基于Android平臺(tái)的開發(fā)，具有良好的可移植性，而且因?yàn)閿?shù)據(jù)遵循H.264編碼標(biāo)準(zhǔn)，抗干擾能力非常強(qiáng)，即使出現(xiàn)了丟包，也會(huì)有相應(yīng)的處理機(jī)制解決。隨著移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)以及微處理器的不斷發(fā)展，帶寬、存儲(chǔ)器的存取速度等限制條件，這些問題都會(huì)得到一定程度的改善，移動(dòng)云信息交互展示系統(tǒng)擁有非常廣闊的前景。

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【通聯(lián)編輯：謝媛媛】