摘 要： 結(jié)合Android平臺的NDK集合，設(shè)計(jì)及開發(fā)了在Android平臺上使用SIP協(xié)議的軟件使之能通過SIP軟交換服務(wù)器進(jìn)行通話，并針對性地提出以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包的過濾策略，完善了數(shù)據(jù)包解析模塊，實(shí)現(xiàn)了SIP軟交換系統(tǒng)的功能擴(kuò)展。系統(tǒng)將C語言開發(fā)的模塊全部改用跨平臺的Java來編寫，較傳統(tǒng)的SIP軟交換系統(tǒng)而言，其可移植性更強(qiáng)。
關(guān)鍵詞： SIP；數(shù)據(jù)包過濾；Android
傳統(tǒng)程控交換使用硬件電路實(shí)現(xiàn)硬交換，而軟交換是指用軟件實(shí)現(xiàn)電話交換能力，軟交換則采用服務(wù)器+軟件的形式實(shí)現(xiàn)電話的尋號/接續(xù)/呼叫流程處理。VoIP（Voice over Internet Protocol）是一種建立在互聯(lián)網(wǎng)上的數(shù)字化或分組化的語音傳輸技術(shù)，會話發(fā)起協(xié)議（SIP）是VoIP中常用的控制協(xié)議。移動互聯(lián)網(wǎng)時代，移動設(shè)備用戶可根據(jù)需要連接互聯(lián)網(wǎng)。當(dāng)今移動設(shè)備終端中最流行的操作系統(tǒng)是Android系統(tǒng)，因此，只要在Android系統(tǒng)上開發(fā)支持SIP協(xié)議的軟件，就能夠運(yùn)用VoIP技術(shù)實(shí)現(xiàn)語音通話。
目前已有的SIP軟交換系統(tǒng)的硬件由SIP服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)連接設(shè)備（如交換機(jī)）和SIP電話機(jī)構(gòu)成，因此存在成本過高、終端設(shè)備易損壞、攜帶不便等缺點(diǎn)，而本研究實(shí)現(xiàn)的系統(tǒng)則由SIP服務(wù)器、Wi-Fi和智能手機(jī)構(gòu)成。這樣使智能手機(jī)軟件代替了終端設(shè)備的電話機(jī)，節(jié)省了成本，軟件實(shí)現(xiàn)方面，本系統(tǒng)結(jié)合SIP軟交換系統(tǒng)和SIP數(shù)據(jù)包的結(jié)構(gòu)，運(yùn)用Android系統(tǒng)的軟件開發(fā)技術(shù)實(shí)現(xiàn)移動終端設(shè)備的語音通話功能，擴(kuò)展了SIP軟交換系統(tǒng)的功能和服務(wù)質(zhì)量[1-2]。
1 系統(tǒng)需求分析
從功能可將系統(tǒng)劃分為以下兩部分。
（1）服務(wù)器功能。服務(wù)器是為用戶提供信息交換和信息處理而開發(fā)的，所以它必須具備信息處理功能和信息交換功能。
（2）Android客戶端功能。客戶端必須具備連接服務(wù)器IP地址的功能、發(fā)送語音消息功能以及解析收到的數(shù)據(jù)并把數(shù)據(jù)還原為語音消息的功能。
頂層數(shù)據(jù)流圖如圖1所示。
2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)
2.1 Proxy Server的運(yùn)作模式
以圖2為例，A（201@192.168.6.5）先送出一個INVITE信息呼叫B（201@192.168.6.3），Proxy Server收到后則進(jìn)行查詢，由查詢結(jié)果可知目前B實(shí)際的地址為202@192.168.6.3，于是Proxy Server便會再以202@192.168.6.3發(fā)出INVITE信息，B在回復(fù)200 OK時（200表示服務(wù)器回送的響應(yīng)狀態(tài)碼，OK表示請求成功），會將200 OK的Response（響應(yīng)）傳給Proxy Server，再由Proxy Server轉(zhuǎn)送給A。
2.2 Android外線呼叫運(yùn)作模式
Android外線呼叫運(yùn)作模式如圖3所示。其關(guān)鍵步驟與內(nèi)線呼叫類似，主要區(qū)別步驟在于：F8、F9網(wǎng)關(guān)向Proxy回送183 Session Progress響應(yīng)，表示呼叫已在處理[3]。
2.3 系統(tǒng)可移植性
軟件的可移植性是指在一定程度上，軟件從一種環(huán)境移植到另一種環(huán)境后還能正常工作的能力，屬于軟件質(zhì)量的范疇，良好的可移植性可延長軟件的生命周期。
原有的SIP軟交換系統(tǒng)大部分模塊均采用跨平臺的Java開發(fā)，但也有部分模塊或局部地區(qū)是采用C開發(fā)的，如版權(quán)認(rèn)證模塊。要實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)整體的可移植性，最簡單的方法就是完全采用Java來開發(fā)該系統(tǒng)。
版權(quán)認(rèn)證模塊的改良與設(shè)計(jì)：對于服務(wù)器軟件，版權(quán)認(rèn)證最重要的就是能試用于多網(wǎng)卡和群服務(wù)器，并且認(rèn)證文件不被篡改、破解，這里使用serial（序列號）+MAC（地址）+max（最大用戶數(shù)）+expiration（到期日期）+key（許可證密匙）的認(rèn)證方式，通過license.xml文件來承載認(rèn)證信息，將license.xml文件傳給客戶，復(fù)制到系統(tǒng)的特定位置，系統(tǒng)啟動時通過構(gòu)造XML解析器來解析license.xml文件核對信息完成認(rèn)證[4]。
3 數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)
3.1 系統(tǒng)E-R圖
SIP服務(wù)器的實(shí)體E-R圖如圖4所示。
其主要屬性如下。（1）Android客戶：記錄每個連接到服務(wù)器的客戶端IP地址；（2）IP地址：SIP服務(wù)器IP地址；（3）客戶端編號：客戶端連接服務(wù)器后，服務(wù)器將分配一個短號給客戶端，客戶端可通過短號相互呼叫；（4）最大連接數(shù)：連接到服務(wù)器的客戶端最大數(shù)量；（5）時間：服務(wù)器啟動的時間；（6）服務(wù)器記錄：記錄服務(wù)器運(yùn)行信息；（7）網(wǎng)關(guān)：撥打外線電話時，需要通過網(wǎng)關(guān)。
Android客戶端實(shí)體E-R圖如圖5所示。
其主要屬性如下。（1）手機(jī)IP：每個連入網(wǎng)絡(luò)的手機(jī)都分配唯一的IP地址。（2）服務(wù)器地址：SIP服務(wù)器IP地址。（3）被尋呼者：記錄被呼叫的另外一個客戶端別名（編號）。（4）客戶端編號：本手機(jī)的客戶端編號。（5）服務(wù)器類型：即SIP服務(wù)器。（6）解碼編碼器：客戶端撥打電話時，需要將語音消息編碼成二進(jìn)制代碼，而被呼叫的客戶端收到信息時需要將二進(jìn)制代碼解碼為原來的語音消息。
3.2 數(shù)據(jù)表的結(jié)構(gòu)
本系統(tǒng)一共使用了47張數(shù)據(jù)表，由于表與表之間的關(guān)系過于復(fù)雜，因此只選出其中具有代表性的兩張表。注意SIP服務(wù)器表和Android客戶端的表并沒有列出來，以下的兩張表足以說明SIP服務(wù)器和Android客戶端的關(guān)系，spm_job表用于保存服務(wù)器運(yùn)行時的信息，id為主鍵。如表1所示。
t_gw_extension主要用來保存網(wǎng)關(guān)信息記錄，gw_id為主鍵，如表2所示。
4 系統(tǒng)運(yùn)行與測試
4.1 SIP軟交換系統(tǒng)健壯性和穩(wěn)定性運(yùn)行與測試
在以太網(wǎng)錯綜復(fù)雜的環(huán)境下，SIP軟交換系統(tǒng)作為服務(wù)器軟件，必須能穩(wěn)定運(yùn)行并對用戶提供可靠高效的服務(wù)。系統(tǒng)除了能處理正常業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，還應(yīng)該能夠及時識別和丟棄以太網(wǎng)中“非法”的無用數(shù)據(jù)包，即系統(tǒng)本身應(yīng)該具有數(shù)據(jù)包的過濾方法與策略。
為研究SIP數(shù)據(jù)包的格式，本設(shè)計(jì)抓取某SIP軟交換系統(tǒng)服務(wù)器網(wǎng)卡收發(fā)的SIP協(xié)議的數(shù)據(jù)包。利用網(wǎng)絡(luò)抓包工具Wireshark（一款免費(fèi)的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議檢測程序）。抓取數(shù)據(jù)包的步驟如下。（1）選取抓獲網(wǎng)絡(luò)設(shè)備列表；（2）打開一個接口開始捕獲數(shù)據(jù)包；（3）數(shù)據(jù)包的過濾設(shè)置；（4）捕獲數(shù)據(jù)包；（5）在捕獲到所需數(shù)據(jù)包后，根據(jù)需要進(jìn)行后續(xù)工作[5]。
在接收到一個以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀時，在協(xié)議棧的數(shù)據(jù)從底部啟動，同時消除對報(bào)文協(xié)議報(bào)頭的層。協(xié)議必須檢查每一個數(shù)據(jù)包的協(xié)議標(biāo)識符頭，以確定上層協(xié)議來接收數(shù)據(jù)，然后分析可定制的規(guī)則事先需要的內(nèi)容，如數(shù)據(jù)包的源IP、目的IP和源端口號等，如圖6所示。
4.2 SIP數(shù)據(jù)包的預(yù)過濾策略的測試和運(yùn)行
參照SIP數(shù)據(jù)包的分析，只有請求消息是SIP終端發(fā)向服務(wù)器的，即對服務(wù)器存在的數(shù)據(jù)包只可能是請求消息。因而只需要解析請求消息，在服務(wù)器正式解析之前提前識別并過濾有可能影響系統(tǒng)正常運(yùn)行的數(shù)據(jù)包，保證系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行[6]。具體步驟如下。
（1）解析前預(yù)處理方法：限制“合法”數(shù)據(jù)包最小長度，小于最小長度的數(shù)據(jù)包全部丟棄，最小長度應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況靈活確定。
（2）檢索數(shù)據(jù)是否含有行結(jié)束標(biāo)志CRLF（Windows）或者LF（UNIX/Linux）。
（3）檢索Request-Line中是否含有SIP版本信息（如SIP/2.0）。
（4）檢索Request-Line中是否包含Method關(guān)鍵字。
（5）檢索Request-Line中Request-URI是否符合規(guī)定格式。
SIP系統(tǒng)本身也要對正常業(yè)務(wù)的數(shù)據(jù)包進(jìn)行解析，在解析的過程中發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)包異常并及時丟棄，這樣既能保證系統(tǒng)的健壯性，又能節(jié)約系統(tǒng)解析這些異常數(shù)據(jù)包時的開銷，保證系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的同時也保證了系統(tǒng)的執(zhí)行效率。服務(wù)器接收到的數(shù)據(jù)包經(jīng)過濾策略處理后，基本可以過濾掉非SIP數(shù)據(jù)包，接下來的“非法”數(shù)據(jù)包應(yīng)該就是偽SIP包或者是因?yàn)槟撤N原因?qū)е率У腟IP數(shù)據(jù)包，而這一類數(shù)據(jù)包暫時不必進(jìn)行過濾，可將其視為正常數(shù)據(jù)包[7]。運(yùn)行效果如圖7所示。
圖7說明SIP軟交換系統(tǒng)能抓取所有的網(wǎng)絡(luò)流量，過濾出SIP消息，測試SIP消息能否能順利發(fā)出。
本研究對SIP軟交換系統(tǒng)在Android平臺上的實(shí)現(xiàn)始終遵循審視問題、分析問題、升華問題、解決問題、總結(jié)擴(kuò)展的方針路線，從軟件品質(zhì)擴(kuò)展的角度對SIP軟交換系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)，系統(tǒng)中采用數(shù)據(jù)包過濾策略可對服務(wù)器軟件的維護(hù)、網(wǎng)絡(luò)安全的構(gòu)筑提供參考和借鑒。而系統(tǒng)硬件則由SIP服務(wù)器、Wi-Fi和智能手機(jī)構(gòu)成，可實(shí)現(xiàn)中小企業(yè)網(wǎng)內(nèi)智能手機(jī)免費(fèi)通話，同時也可撥打外線電話，可降低企業(yè)內(nèi)通信成本，具有進(jìn)一步挖掘的市場潛力。
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