郭永鑫，樂(lè)嘉錦，夏小玲

(東華大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，上海 201620)

0 引言

隨著無(wú)線(xiàn)傳輸技術(shù)的發(fā)展以及移動(dòng)電子產(chǎn)品的普及，家庭網(wǎng)絡(luò)作為數(shù)字化的一個(gè)重要組成部分，其相關(guān)的技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)逐漸成為國(guó)內(nèi)外開(kāi)發(fā)人員關(guān)注與研究的熱點(diǎn)。消費(fèi)者希望在家中的任何地方都能方便地享受豐富的多媒體內(nèi)容，而不考慮這些媒體數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在什么設(shè)備上。

數(shù)字生活網(wǎng)絡(luò)聯(lián)盟(DLNA)原名為數(shù)字家庭工作組(DHWG)，于 2003年 6月成立，由 Intel、Sony、Microsoft、HP、Nokia等公司發(fā)起，目前有 190 多家企業(yè)參加［1］。該組織的目標(biāo)是使消費(fèi)者可以通過(guò)有線(xiàn)與無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)，讓家中的PC、電視、機(jī)頂盒、音響、手機(jī)、PDA、DVD播放機(jī)等多種設(shè)備共享信息。

DLNA技術(shù)以TCP/IP協(xié)議和UPnP技術(shù)為基礎(chǔ)，通過(guò)一個(gè)無(wú)縫的、可互操作的網(wǎng)絡(luò)將因特網(wǎng)、移動(dòng)設(shè)備和廣播網(wǎng)絡(luò)集成起來(lái)。它主要包含物理連接、網(wǎng)絡(luò)傳輸、設(shè)備發(fā)現(xiàn)與控制、媒體管理與控制、媒體格式和媒體傳輸協(xié)議6個(gè)功能組件［2］。

另一方面，Android手機(jī)系統(tǒng)的發(fā)展與推廣戰(zhàn)略也為數(shù)字家庭提供了一個(gè)很好的平臺(tái)。Google的Android平臺(tái)自2010年以來(lái)呈現(xiàn)出突飛猛進(jìn)的發(fā)展勢(shì)頭，2012年11月有數(shù)據(jù)顯示，Android占據(jù)全球智能手機(jī)操作系統(tǒng)市場(chǎng)56%的份額，中國(guó)一線(xiàn)城市的市場(chǎng)占有率為76%。不僅僅是智能手機(jī)與平板電腦，各大智能電視生產(chǎn)公司都采用了定制的Android操作系統(tǒng)［3］。同時(shí)，一些公司也開(kāi)始著眼于生產(chǎn)Android系統(tǒng)的智能機(jī)頂盒。所以，開(kāi)發(fā)在Android平臺(tái)上符合DLNA協(xié)議的程序很有實(shí)際價(jià)值。

本文首先介紹DLNA協(xié)議的框架與原理，主要分析其中幾種設(shè)備交互模式，在此基礎(chǔ)上提出一個(gè)在Android平臺(tái)上的DLNA共享程序方案，并結(jié)合Android設(shè)備的特點(diǎn)和網(wǎng)絡(luò)流量的穩(wěn)定進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)。通過(guò)實(shí)驗(yàn)展示了程序的功能實(shí)現(xiàn)，以及DMS的普通方案與優(yōu)化方案的比較，證明了優(yōu)化方案的有效性。

1 DLNA協(xié)議原理與框架

1.1 DLNA協(xié)議概述

DLNA是一個(gè)多方形成的解決方案，其中各個(gè)層次用到的技術(shù)都是目前應(yīng)用比較廣泛的協(xié)議與技術(shù)，按照該協(xié)議實(shí)現(xiàn)的設(shè)備和軟件都可以與其他DLNA設(shè)備互聯(lián)互通［4］。其中UPnP協(xié)議簇是DLNA的基礎(chǔ)，其在UPnP協(xié)議簇上進(jìn)行進(jìn)一步的封裝，從而形成DLNA技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。

UPnP協(xié)議是一個(gè)基于TCP/IP、UDP、HTTP協(xié)議的開(kāi)放體系，其協(xié)議簇中包含有SSDP(Simple Service Discovery Protocol，簡(jiǎn)單服務(wù)發(fā)現(xiàn)協(xié)議)、GENA(Generic Event Notification Architecture，通用事件通知結(jié)構(gòu))、SOAP(Simple Object Access Protocol，簡(jiǎn)單對(duì)象訪(fǎng)問(wèn)協(xié)議)、XML(Extensible Markup Language，可擴(kuò)張標(biāo)記語(yǔ)言)。在UPnP Device Architecture 1.0中定義了UPnP設(shè)備在這些協(xié)議基礎(chǔ)上進(jìn)行工作的具體方式。其工作過(guò)程需要處理6個(gè)方面的內(nèi)容:設(shè)備尋址、發(fā)現(xiàn)設(shè)備、對(duì)設(shè)備的描述、設(shè)備控制、設(shè)備事件、設(shè)備表達(dá)［5］。

DLNA在UPnP協(xié)議簇上進(jìn)行更進(jìn)一步的定義，從而使不同廠(chǎng)商的設(shè)備軟件之間都可以互聯(lián)互通。下面對(duì)DLNA的主要內(nèi)容做一些說(shuō)明。

DLNA協(xié)議定義了標(biāo)準(zhǔn)的多媒體角色設(shè)備，并規(guī)定了每個(gè)角色中要提供的服務(wù)。設(shè)備主要分為家庭網(wǎng)絡(luò)設(shè)備(Home Network Devices)和移動(dòng)手持設(shè)備(Mobile Handheld Devices)2 大類(lèi)［6］。家庭網(wǎng)絡(luò)設(shè)備主要包含:

(1)Digital Media Server(DMS):數(shù)字媒體服務(wù)器，存儲(chǔ)多媒體資源內(nèi)容，并保證同網(wǎng)絡(luò)中的其他DMP與 DMR可以訪(fǎng)問(wèn)到想要的多媒體內(nèi)容［7］。DMS往往包含著DMP功能。DMS的例子包括PC機(jī)、數(shù)字機(jī)頂盒(有聯(lián)網(wǎng)和存儲(chǔ)功能)和攝像機(jī)等。

(2)Digital Media Player(DMP):數(shù)字媒體播放器，查找DMS中的內(nèi)容，可以將多媒體資源拉到本地，同時(shí)提供播放與渲染能力［8］。DMP的例子包括智能電視、家庭影院等。

(3)Digital Media Renderer(DMR):數(shù)字媒體渲染器，接收DMC發(fā)來(lái)的控制指令后，可以播放推送到DMR上的多媒體內(nèi)容(內(nèi)容源來(lái)自DMS)［9］。它與DMP的區(qū)別在于，只能接收推送來(lái)的信息，而沒(méi)有自主查找的能力。DMR的例子包括顯示器、音響等。

(4)Digital Media Controller(DMC):數(shù)字媒體控制器，查找DMS中的多媒體內(nèi)容，并控制DMR來(lái)播放相應(yīng)的內(nèi)容。多媒體內(nèi)容的流直接從DMS發(fā)送到DMR，不通過(guò)DMC［10］。DMC的典型例子是遙控器。

移動(dòng)手持設(shè)備中的角色定義與家庭網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的角色類(lèi)似，只不過(guò)在媒體格式等方面有所精簡(jiǎn)，使其更適合移動(dòng)設(shè)備的特點(diǎn)。

1.2 DLNA中基本的設(shè)備交互模式

在DLNA設(shè)備的交互中，ControlPoint是十分重要的。一個(gè)設(shè)備，例如控制器要發(fā)出一個(gè)Action，一定要通過(guò)一個(gè)ControlPoint。在UPnP的規(guī)定中，一個(gè)ContolPoint的功能要有:發(fā)現(xiàn)AV設(shè)備，獲取內(nèi)容列表，獲得渲染器的支持協(xié)議、格式，配置渲染器，開(kāi)始內(nèi)容傳輸?shù)龋?1］。

一個(gè)ControlPoint可以是一個(gè)MediaServer，或是一個(gè)MediaRender，也可以是一個(gè)MediaController。根據(jù)ControlPoint的具體角色的不同，可以歸納出如下3種AV設(shè)備交互模式。

(1)2臺(tái)設(shè)備的拉取模式:在拉取模式下，控制點(diǎn)可以是數(shù)字媒體播放器，例如手機(jī)或者平板電腦?？刂泣c(diǎn)主動(dòng)向MediaServer請(qǐng)求多媒體數(shù)據(jù)，獲得內(nèi)容之后開(kāi)始進(jìn)行顯示或者播放。

(2)2臺(tái)設(shè)備的推送模式:在推送模式下，控制點(diǎn)是一個(gè)MediaServer，例如一個(gè)存儲(chǔ)有多媒體資料的PC，控制點(diǎn)主動(dòng)向數(shù)字媒體渲染器推送多媒體內(nèi)容?？刂泣c(diǎn)要做的是從本地選取所要播放的內(nèi)容、格式與協(xié)議進(jìn)行傳輸，在數(shù)字媒體渲染器上根據(jù)相應(yīng)的協(xié)議匹配，進(jìn)行播放。

(3)3臺(tái)設(shè)備交互模式:在3臺(tái)設(shè)備的交互模式中，控制點(diǎn)是一個(gè)數(shù)字媒體控制器。此種交互模式下，有推送和拉取2種模式?？刂泣c(diǎn)作為中間者，在MediaServer與 MediaRenderer之間進(jìn)行控制［12］。推送模式下，控制點(diǎn)向服務(wù)器發(fā)送渲染器的地址，讓服務(wù)器向渲染器發(fā)送多媒體內(nèi)容;拉取模式下，控制點(diǎn)向Render發(fā)送服務(wù)器的地址以及服務(wù)器上的多媒體資料地址，播放器再去拉取信息。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1 系統(tǒng)框架設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)基于Android平臺(tái)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)，可以在Android內(nèi)核的手機(jī)、平板電腦以及機(jī)頂盒設(shè)備上運(yùn)行。如圖1所示，根據(jù)Android的特點(diǎn)，使用Service運(yùn)行后臺(tái)線(xiàn)程并通過(guò)觀察者模式注冊(cè)監(jiān)聽(tīng)者Registry，隨時(shí)獲取網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備加入、刪除、更新的SSDP消息，并把設(shè)備的更新信息存儲(chǔ)到相關(guān)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中。通過(guò)后臺(tái)Service可以同時(shí)進(jìn)行控制點(diǎn)上的操作，執(zhí)行Action，訂閱消息等。

圖1 系統(tǒng)框架設(shè)計(jì)圖

系統(tǒng)集成DMS、DMR、DMC三個(gè)角色，可以讓任意的Android設(shè)備之間的多媒體資料都可以互聯(lián)互通。其中DMR服務(wù)是監(jiān)聽(tīng)網(wǎng)絡(luò)中發(fā)送來(lái)的播放控制指令，接收流的內(nèi)容，并彈出播放器進(jìn)行內(nèi)容播放;DMS則是監(jiān)聽(tīng)網(wǎng)絡(luò)中發(fā)送來(lái)的瀏覽指令，提供多媒體資料的瀏覽，并提供傳輸服務(wù)。DMC則是一個(gè)典型的控制點(diǎn)，筆者通過(guò)一個(gè)Executor類(lèi)，根據(jù)DLNA的標(biāo)準(zhǔn)來(lái)發(fā)送相對(duì)應(yīng)的消息格式，執(zhí)行對(duì)設(shè)備的控制。

特別地，在DMS的改進(jìn)設(shè)計(jì)中，筆者對(duì)媒體傳輸?shù)姆绞竭M(jìn)行了優(yōu)化。通過(guò)對(duì)緩沖區(qū)的優(yōu)化與請(qǐng)求優(yōu)先級(jí)等進(jìn)行設(shè)定，從而使家庭網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的流量穩(wěn)定，控制信息可以得到更及時(shí)的響應(yīng)。

2.2 DMS 設(shè)計(jì)

根據(jù)DLNA協(xié)議規(guī)范，一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)DMS要提供2個(gè)服 務(wù):ContentDirectory、ConnectionManager［13］。其中ContentDirectory服務(wù)向其他的設(shè)備提供一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)訪(fǎng)問(wèn)接口Browse，控制點(diǎn)可以通過(guò)此接口獲取到DMS上共享出來(lái)的多媒體文件信息，而信息的返回都是通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的DIDLContent進(jìn)行封裝。Connection-Manager是在推送模式下要用到的服務(wù)，其通過(guò)ProtocolInfos接口聲明的協(xié)議類(lèi)型等信息進(jìn)行設(shè)備間點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的連接的管理。本系統(tǒng)的MediaServer結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 MediaServer功能模塊設(shè)計(jì)

MediaServer首先使用 ContentResolver訪(fǎng)問(wèn) Android的多媒體數(shù)據(jù)庫(kù)來(lái)獲得DMS上的所有多媒體數(shù)據(jù)，并根據(jù)其類(lèi)型分為視頻、圖片、音頻3大類(lèi)，存儲(chǔ)在ContentTree中。之后在HTTPServer類(lèi)中，啟動(dòng)一個(gè)HTTP的ServerSocket，用來(lái)監(jiān)聽(tīng)相應(yīng)端口，根據(jù)發(fā)送來(lái)的HTTP頭中的請(qǐng)求的參數(shù)等信息，來(lái)查找ContentTree中的多媒體內(nèi)容，通過(guò)輸入輸出流把對(duì)應(yīng)的文件通過(guò)Socket發(fā)送到請(qǐng)求設(shè)備上。

2.3 DMR 設(shè)計(jì)

一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的 DMR要提供 RenderingControl、AVTransport與 ConnectionManager三種服務(wù)。其中RenderingControl接收控制點(diǎn)發(fā)送來(lái)的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備控制信息，進(jìn)行音量大小、靜音、亮度等信息調(diào)節(jié);AVTransport服務(wù)可以接受控制點(diǎn)設(shè)置媒體的URI、播放、暫停、停止、下一曲等媒體控制;ConnectionManager與DMS的類(lèi)似，提供與匹配的DMS的連接信息管理［14］。系統(tǒng)的MediaRenderer的結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 MediaRender功能模塊設(shè)計(jì)

MediaRender保存一個(gè)狀態(tài)機(jī) RenderState-Machine，用來(lái)記錄當(dāng)前渲染器的狀態(tài)。狀態(tài)機(jī)中定義了播放、暫停、停止、無(wú)媒體信息的4個(gè)簡(jiǎn)單狀態(tài)。當(dāng)有控制點(diǎn)發(fā)送Action到RenderingControl服務(wù)的時(shí)候，渲染器在做出響應(yīng)的同時(shí)改變狀態(tài)機(jī)的狀態(tài)。MediaRenderer的另一個(gè)重要組件就是播放器，可以用來(lái)接收控制點(diǎn)的設(shè)置與播放控制。同時(shí)，播放器在接收到狀態(tài)機(jī)改變時(shí)，也會(huì)對(duì)外發(fā)出自己的最新?tīng)顟B(tài)信息，以便其他控制點(diǎn)得到最新的狀態(tài)。

2.4 DMS傳輸?shù)囊环N改進(jìn)方式

當(dāng)家庭網(wǎng)絡(luò)中的多媒體設(shè)備數(shù)量增多時(shí)，需要考慮流量的平衡問(wèn)題。如果一個(gè)多媒體資源豐富的DMS同時(shí)得到多個(gè)播放設(shè)備的請(qǐng)求資源的消息時(shí)，就會(huì)需要同時(shí)為每一個(gè)設(shè)備進(jìn)行服務(wù)，也就是同時(shí)發(fā)送多個(gè)多媒體文件［15］。然而在初始的DMS設(shè)計(jì)中，并沒(méi)有一個(gè)公平的傳輸策略來(lái)平衡多個(gè)請(qǐng)求節(jié)點(diǎn)，僅僅是以一種默認(rèn)的隊(duì)列進(jìn)行FCFS(先來(lái)先服務(wù))的方法進(jìn)行傳輸。這樣如果隊(duì)列前端的文件比較大的話(huà)，后邊的請(qǐng)求會(huì)受到一定的延遲。

圖4 默認(rèn)FCFS傳輸方式與改進(jìn)分時(shí)傳輸示意圖

如圖4所示，在改進(jìn)的分時(shí)傳輸策略中，當(dāng)有多個(gè)設(shè)備請(qǐng)求時(shí)，采取分時(shí)輪轉(zhuǎn)策略，在HTTPServer中增加一個(gè)Schedule類(lèi)，對(duì)每一個(gè)請(qǐng)求分配一個(gè)時(shí)間片進(jìn)行傳輸，每次時(shí)間片耗盡后，切換服務(wù)的請(qǐng)求對(duì)象。這樣可以讓每個(gè)請(qǐng)求者得到公平的服務(wù)，不會(huì)產(chǎn)生明顯的延遲，也可以增加家庭網(wǎng)絡(luò)的流量穩(wěn)定性。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

圖5 Android設(shè)備上實(shí)現(xiàn)效果圖

選取市面上很常見(jiàn)的家庭路由器TP-Link TLWR941N作為網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)環(huán)境的提供者，開(kāi)啟其DHCP服務(wù)器以便設(shè)備可以自動(dòng)獲得IP地址，同時(shí)開(kāi)啟UPnP協(xié)議支持。終端選取2臺(tái)小米手機(jī)(Android 4.1)、1臺(tái)三星Note1(Android 3.2)以及1個(gè)Android內(nèi)核的機(jī)頂盒TV Box，并同時(shí)使用1臺(tái)Windows7系統(tǒng)的PC，開(kāi)啟其WMP(Windows Media Player)的網(wǎng)絡(luò)共享功能(該播放器支持DLNA的協(xié)議)進(jìn)行測(cè)試。

在一個(gè)Android設(shè)備安裝了本系統(tǒng)后，連入配置好的路由器，即可與其他DLNA設(shè)備進(jìn)行互聯(lián)互通。安裝本系統(tǒng)的Android設(shè)備除了可以互相共享多媒體資料、播放，也可以訪(fǎng)問(wèn)WMP中的多媒體庫(kù)資源，并把其他設(shè)備中的資料推送到WMP播放。

在優(yōu)化的MediaServer方案實(shí)驗(yàn)中，以1臺(tái)Android設(shè)備為服務(wù)器，3臺(tái)設(shè)備同時(shí)訪(fǎng)問(wèn)其中的多媒體資料并拉取播放。對(duì)每秒鐘發(fā)出的數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄。在沒(méi)有采用優(yōu)化方案的情況下，在圖6中可以看到吞吐量比較不穩(wěn)定;每秒鐘的流量在120kB與30kB之間波動(dòng)，方差較大。而在采取了分時(shí)策略后，整體上的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境比較穩(wěn)定，每秒的流量在50kB到90kB之間波動(dòng)。

圖6 FCFS(上)與分時(shí)優(yōu)化方案(下)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

4 結(jié)束語(yǔ)

本文提出了 Android系統(tǒng)上的三角色(DMS，DMR，DMC)集成的DLNA共享方案設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，使得符合DLNA協(xié)議的設(shè)備之間可以進(jìn)行多媒體的共享與播放的控制。之后對(duì)DMS進(jìn)行了傳輸穩(wěn)定方面的優(yōu)化，使得其平均傳輸速度比較穩(wěn)定。對(duì)于Android設(shè)備來(lái)說(shuō)，使用DLNA協(xié)議的系統(tǒng)可以為共享多媒體資料提供許多便利。

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