基于XMPP協議的數字家庭網絡可視電話設計與實現

張 勇

（中山大學 信息科學與技術學院，廣東 廣州 510006）

責任編輯:任健男

0 引言

隨著網絡技術的快速發展和網絡基礎設施的逐步加強，高速的網絡為流媒體的普及提供了可能。近些年，視頻電話的研發也逐漸升溫。本文基于XMPP協議提出一種適用于數字家庭網絡環境下的視頻電話系統，旨在將視頻電話與數字家庭視頻系統進行融合，為用戶提供便利舒適的通話體驗。

XMPP協議[1-3]是一種擴展消息和表示協議，XMPP是一種基于XML的協議，它繼承了在XML環境中靈活的發展性，用于即時消息（IM）以及在線現場探測，其擴展協議Jingle使得其支持語音和視頻。

ICE（Interactive Connectivity Establishment）是一種用于解決計算機網絡中NAT穿透問題[4-6]的常用技術，被廣泛應用于VoIP，P2P傳輸系統，即時通信等領域。ICE是由IETF的MMUSIC工作組開發出來的一種 framework，可整合 STUN（Simple Traversal of UDP Through Network Address Translators）[7-8]、TURN等NAT穿透技術。本系統將ICE技術與STUN技術進行整合完成NAT穿透，從而實現客戶端之間的直接通信，提高了音視頻傳輸的實時性。

1 相關技術分析

1.1 XMPP協議與會話建立

XMPP協議是一種擴展消息和表示協議，XMPP是一種基于XML的協議，它繼承了在XML環境中靈活的發展性。XMPP協議定義了3種一級XML標簽:＜pres?ence/＞，＜iq/＞和＜message/＞。＜presence/＞標簽用于描述客戶端本身的狀態及可用性信息；＜iq/＞標簽用于客戶之間建立會話；＜message/＞標簽用于客戶端之間發送消息。

在會話建立過程中，客戶端通過＜iq/＞描述本次會話本身的屬性，包括接收流媒體數據的網絡實體地址、本地流媒體類型及載荷基本屬性等。其中網絡實體地址是通過STUN協議通過STUN Server獲得的公網通信地址（STUN協議將在下一節介紹）。圖1描述了音頻通話的會話過程，在此過程中主要包括ses?sion-initiate，session-info，session-accept，session-ter?minate等動作，在會話成功建立后，會話成員使用con?tent-add，content-modify，content-accept等動作添加新媒體——視頻（圖中未體現）。

1.2 STUN與ICE技術

圖1 XMPP協議會話建立過程示意圖

視頻電話要解決的另一個關鍵問題是音視頻數據的實時傳輸，一個高效的音視頻數據傳輸方案直接影響視頻電話系統的可用性，更是關系到用戶體驗的關鍵問題。如果通過服務器轉發音視頻數據流，不僅增加了服務器的負荷，同時也大大影響了通話的實時性。XMPP協議描述以中ICE技術解決客戶端間對等通信問題，本文結合ICE技術介紹一種基于STUN協議的音視頻數據對等實時傳輸方案。

STUN是一個輕量級的協議，其算法實現了各種類型的NAT穿透（如圖2所示），是一個常用的NAT穿透協議。

圖2 STUN協議算法流程

視頻會話參與者通過STUN協議獲取自身在公網上的通信地址，并在會話建立的過程中通過XML描述告知媒體接收端。會話成功建立后，會話參與者便可與其他參與者實現音視頻數據的對等傳輸。

到目前為止，STUN協議僅僅完成的是外網通信地址的獲取，在負責多變的網絡環境下，要保證會話雙方通信的穩定性這遠遠不夠。在這種情況下，ICE技術應運而生。ICE技術能夠在復雜網絡環境下，實現各種形式的NAT穿透，使得媒體流在通信雙方順利傳輸。

ICE技術是一種探索式的解決方案，其核心思想是收集本地及會話對方的所有可能通信地址，并對這些地址進行連通性檢查，從而得到一條能夠實現NAT穿透的通信鏈路。為保證通信的穩定性，在通信過程中需要不斷更新地址信息。

2 系統總體設計

2.1 物理架構設計

基于數字家庭環境的視頻電話的關鍵問題之一是將其與電視系統及視頻監控系統的整合。就此考慮，論文討論的視頻電話客戶端被分為視頻采集設備、視頻接收解碼設備（整合到家庭視頻系統中）及會話管理設備，如圖3所示，它們都接入到家庭網絡中，并利用家庭網絡進行數據交換。

1）會話管理設備，完成XMPP協議的會話功能及STUN協議的客戶端功能，同時需要對視頻采集及接收設備進行調度。

2）視頻采集編碼設備，采集攝像頭的數據并對視頻數據進行編碼（采用流媒體編碼格式，如H.264，WebM等）。該設備接受會話管理設備的調度，與遠程客戶端的視頻解碼設備進行直接通信。

3）視頻接收解碼設備，接收來自遠程客戶端及視頻采集設備的視頻數據，并對其進行解碼后播放，或通過DLNA將其推送到其他視頻設備播放。

圖3 系統物理結構圖

視頻電話服務器是一個通用的Jabber服務器，主要負責所有用戶信息及會話請求的轉發，同時還允許搭載一個STUN服務器。

2.2 軟件設計

根據需求客戶端軟件的主要模塊有XMPP會話管理、STUN客戶端、ICE連接管理、設備調度、視頻采集編碼模塊、視頻解碼播放模塊。

系統采用P2P架構進行視頻傳輸，因此，首先需要通過STUN和ICE獲取本地視頻采集設備的外網通信地址實現NAT穿透，外網通信地址通過XMPP的candidate標簽發送給其他會話參與者。同時設備調度模塊通過ICE連接管理模塊定時檢測并獲取其他會話參與者外網通信地址。會話參與者獲得其他參與者的外網地址后，便可以直接向其發送音視頻數據，而不需要通過服務器轉發。圖4描述了視頻會話啟動流程。

3 結束語

信息時代，網絡技術和信息技術的發展給人們的生活帶來了許多便利，與此同時，市場對信息產品的要求也不斷提高，傳統的電話已無法滿足日益增長的需求。在這一背景下，視頻電話應運而生并在這幾年得到了很好的發展。本文結合數字家庭產業環境，介紹了一種基于XMPP協議和ICE技術的視頻電話系統，并將其與數字家庭視頻系統完美結合，為數字家庭用戶帶來一種新型的視頻通話體驗。

圖4 視頻會話啟動流程圖

[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網絡UDP下NAT穿越方案的研究與設計[J].計算機與數字工程，2010（4）:104-107.

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

[6]周曄，李生紅.基于ICE的VoIP穿越NAT改進方案[J].計算機安全，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.STUN技術深入分析[J].電腦知識與技術，2006，23（8）:71-72.