基于HTTP 协议的VoIP 终端在线查询功能的设计与实现

田文武

0 引言

伴随着Internet技术在全球范围内的日益普及，诸多基于互联网架构的新业务正如雨后春笋般涌现，VoIP（Voice over IP）就是一种典型的互联网新兴技术。和传统的电路交换通信技术相比，VoIP技术以IP数据包的形式，传输通信过程中，产生的所有信令与实时音视频数据，从而可以实现更为低廉的通讯成本。同时，由于基于开放的IP网络架构，结合当前最新的处理器芯片和嵌入式操作系统技术，VoIP终端可以实现许多传统电话无法提供的新应用，如传真、视频、数据等，最终为用户提供更为便利的通信服务。本文所介绍在线电话簿、实时天气预报功能，就是对VoIP终端产品功能扩展的一次积极尝试。

图1 HTTP客户端分层设计框图

1 HTTP客户端模块的结构设计

首先，该功能模块是基于ARM-LINUX嵌入式平台开发的，在系统中处于中心地位的是一个独立的VoIP进程，它包含了VoIP终端主要的功能实现。

HTTP客户端模块包含：HTTP客户端应用接口层，它可以被VoIP进程中各线程共享调用；HTTP客户端线程，它可以满足VoIP进程中，其他线程实时并发地访问远端HTTP服务器的需要；客户端API的语法编解码模块，它服务于HTTP客户端API，使其能够对HTTP报文、XML/XHTML数据等进行高效的解析与构建。HTTP客户端的功能设计框图，如图1所示：

图1中，MMI（Man-Machine Interface）线程主要负责用户与VoIP终端的人机交互任务。通过MMI线程，用户访问远端服务器数据的场景有两种：一种是手动访问的方式；另一种是自动访问的方式。对于手动方式，MMI线程可以直接调用HTTP客户端API函数进行访问；但这种方式存在如何有效缩短手动访问时延的问题。另外一种自动访问的方式，是通过独立的HTTP客户端线程来实现的；该方式面临着另一个问题：如何实现MMI线程与HTTP客户端线程之间的数据同步问题。上述两个问题的具体分析与解决，均将在第三节中进行阐述。每次对远端服务器数据的访问，无论以手动方式还是自动方式，均遵循相同的基本流程，如图2所示：

图2 通过HTTP客户端API访问远端服务器流程图

上层模块（MMI线程或HTTP客户端线程等）传递相关的参数给HTTP客户端API层；

API层调用相应的报文编码函数根据上层传递的参数构建出请求报文；

调用Linux套接字API建立与远端HTTP服务器的TCP连接；

一旦连接建立成功，发送请求报文，同时等待接收响应报文；

当成功接收到响应报文，HTTP客户端API层将调用相应的报文解析函数对报文进行解析；

将解析得到的数据返回给上层模块，并关闭TCP连接。

如果连接建立失败、响应超时或失败，同样要将错误的结果返回给上层。

2 关键技术

2.1 HTTP客户端API模块非阻塞通信机制的实现

图2描述了HTTP客户端API层访问远端服务器的过程。调用socket()创建一个socket文件描述符，其内核属性默认为阻塞模式。当建立连接或接收响应数据时，如果直接调用connect()或recv()对创建的socket描述符进行操作，调用结果返回之前，当前线程会被挂起，该调用方式成为“阻塞调用”。在“阻塞调用”模式下，如果远端服务器不存在或服务器端不返回数据，connect()/recv()函数就会长时间无法返回，进行该调用的线程将被长时间挂起，而这对于用户而言显然是无法接受的。如何解决该问题？

Unix/Linux中，系统调用select()经常在阻塞调用的非阻塞化场合被用到。其函数声明如下：

select()函数提供了一个fd_set的数据结构，它是一个长整型的数组，每一个数组元素都能与一个打开的文件描述符（如socket描述符）相关联。当调用select()时，由内核根据I/O状态修改fd_set的内容，由此来通知执行了select()的进程哪一个socket或文件可读写。同时select()还提供了一个timeval结构，在调用时，如果超过了timeval参数所指定的时间长度仍然没有文件描述符满足条件，select()就会直接返回。通过timeval参数可以定制符合用户要求的最大等待时间（建立连接、接收响应数据等）。

非阻塞连接建立过程如下：

A. 建立socket，将socket文件描述符设为非阻塞模式；

B. 调用connect()函数，建立与socket绑定的连接（该调

用会立刻返回）；

C. 调用select()检查socket是否可读写；

D. 根据select()返回值判断connect()的结果：成功、超时或失败；

E. 将socket重新设置为阻塞模式。

区别于非阻塞连接过程，由于网络数据传输本身的时延效应，需要在不改变socket描述符阻塞属性的情况下，通过动态轮询的方式来实现非阻塞的数据接收过程，如图3所示：

图3 非阻塞数据接收过程

N表示最大轮询次数，以SELECT_T 代表Select()调用的超时时间，则整个数据接收过程的时间延迟最大为

实际测试表明，通过select()函数实现的非阻塞网络通信机制，可以实现通信过程中实时性和可靠性的有效平衡。

2.2 MMI与HTTP客户端线程间的数据传递和同步机制

VoIP进程的每个线程均是基于一种消息或事件驱动的自循环模型设计的。

这种由消息或事件驱动的自循环线程模型，如图4所示：

图4 消息/事件驱动的自循环线程模型

在每次循环过程中，线程检查是否有新的消息传入或事件发生；若发现新的消息或事件，则进行相应的处理，完成后进入下次循环过程，若当前没有新的消息或事件，则继续等待消息/事件的到来，直到定时器超时进入下次循环。

HTTP客户端线程的特殊之处在于，它一直等待请求消息而不会超时，一旦受到请求消息就立即处理，并返回响应消息给外部请求发送者，然后进入下一个等待周期。

当MMI线程需要自动访问远端服务器时，直接向HTTP客户端消息队列发送一个请求；处于“等待”状态的HTTP客户端线程收到MMI线程的请求消息，会立即提取消息中的服务器地址和HTTP请求相关的参数，然后按照图2所示的流程通过HTTP客户端API层与远端服务器进行交互；当收到HTTP客户端API层的返回数据时，HTTP客户端线程就会将这些数据以一定的组织形式，发送到MMI线程的消息队列，然后重新进入侍候状态；当MMI线程收到来自HTTP客户端线程的消息时，该自动访问过程结束。

3 扩展功能实现的介绍

3.1 在线电话簿

3.1.1 手动搜索功能

该功能通过MMI线程直接调用HTTP客户端API实现，基本流程为：用户输入搜索条件；MMI线程调用HTTP客户端API向远端服务器发送HTTP搜索请求；如果搜索返回成功，则将搜索结果提供给用户查看，否则，提示用户错误信息。

3.1.2 自动查询功能

该功能通过图5所示的MMI与HTTP客户端线程的同步机制实现，基本流程，如图5所示：

3.2 在线天气预报

在线天气预报属于MMI线程中的常驻功能，一旦MMI线程启动，就会直接触发它的运行.

检查在线天气功能是否开启，如未开启，则重置计时器，等待其超时再次检测功能是否开启，否则进入下一步；

向HTTP客户端线程发送信息查询请求；如客户端线程成功返回响应消息，则进入下一步，否则重新进行上一步；

将HTTP客户端线程返回的天气信息显示在LCD屏上；

重置定时器；

等待定时器超时，返回第一步再次更新天气信息。

4.结论

本文针对当前VoIP终端特色功能扩展的需要，设计了一种轻型、高效的HTTP客户端，并对该客户端的设计架构和实现中遇到的关键问题进行了阐述。由于采用了相对开放的架构设计，实现了相互独立的HTTP客户端接口层、HTTP客户端线程以及语法编解码模块，因此，除了已实现的在线号码簿和在线天气信息外，还可以基于该客户端，进行其他类似的功能扩展。实际测试表明，该客户端具有实时性高、稳定性强、系统资源开销少等特点，达到了预期的设计指标。

[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，人民邮电出版社 ,2010.

[3]宋敬彬, 孙海滨. Linux网络编程,[M]北京，清华大学出版社, 2010.

[4]谢希仁. 计算机网络(第5版)[M].北京电子工业出版社,2008.

[5]许信顺. 嵌入式 Linux应用编程[M], 北京，机械工业出版社, 2007.

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