Airplay协议研究(含shairport交叉编译移植与调试)

AIRPLAY协议一、介绍AIRPLAY是由苹果公司实现的一套协议族，用来实现在AppleTV上浏览iPhone、iPodtouch、iPad（硬件设备）或者iTunes（软件）中的各种媒体内容。AirPlay支持如下几种使用场景:从iOS设备上传输并显示照片、幻灯片；从iOS设备或者Itunes软件中传输并播放音频；从iOS设备或者Itunes软件中传输并播放视频；对iOS设备或者OSXMountainLion进行屏幕镜像。由于此功能需要硬件的硬解码支持，所以只能在iPad2、iPhone4S、带SandyBridgeCPU的Mac电脑（或更新的设备）上支持。最初这套协议名字叫AirTunes，只支持音频流播放。后来苹果开发AppleTV时，对此协议进行了扩充和改进，加入了视频支持，并改名叫做AIRPLAY。AIRPLAY协议基于一些知名的网络标准协议，如MulticastDNS、HTTP、RTSP、RTP或NTP以及其他的一些自定义扩展。由于我们只关注音频部分，所以下面研究的重点是AirTunes服务。二、实现机制实现AIRPLAY协议的软件不需要再做任何配置就能发现同一网络中的相关设备，这主要得益于Bonjour（基于M-DNS协议实现）Bonjour：苹果为基于组播域名服务(multicastDNS)的开放性Zeroconf标准所起的名字。Zeroconf(零设置网络标准)：全称为Zeroconfigurationnetworking，中文名则为零配置网络服务标准，是一种用于自动生成可用IP地址的网络技术，不需要额外的手动配置和专属的配置服务器。“零配置网络”的目标，是让非专业用户也能便捷的连接各种网络设备，例如计算机，打印机等。整个搭建网络的过程都是通过程式自动化实现。如果没有zeroconf，用户必须手动配置一些服务，例如DHCP、DNS，计算机网络的其他设置等。这些对非技术用户和新用户们来说是很难的事情。具体例子为：用户拥有一台appletv和一台iPhone4s，那之只要都连入到同一个无线局域网内，iphone4s就会自动找出appletv，那么在播放音乐或者视频时候，用户只要点击推送，就可以讲音乐和视频推送到appletv上播放。除了Bonjour以外，实现Zeroconf协议的还有Avahi和howl。下面以AirTunes服务为例来具体看是如果实现服务发现的。首先发布RAOP（RemoteAudioAccessProtocol）服务，其格式如下：name字段由设备的MAC地址和远程设备的名称组成（通常就在客户端上显示此设备名称）TXT参数中包含以下字段：Audiocodecs（音频编码）EncryptionTypesMetadataTypesRAOP从本质上来说是实时流协议（RTSP，其内容为实时流传输协议和控制协议），只不过增加了基于身份验证请求-应答的一步。实时流协议是应用层协议，用来实现和控制实时数据的传送。RAOP服务用两个信道实现流媒体音乐：一个是用实时流协议的控制信道；另一个是数据信道用来发送原始数据。以iTunes客户端（v6.0.4）和AirportExpress路由器（简称ApEx）之间的数据交换为例分析RAOP服务过程如下所示：从iTunes到ApEx传输从ApEx到iTunes传输从上面可以看出iTunes客户端提供自己的版本号和一个随机生成的22byte的加密的苹果请求参数给ApEx。然后ApEx回复一个响应，这个响应是由储存在ApEx的私钥加密后的请求参数。然后iTunes用非对称密钥对的公钥对该值进行验证（这种私钥加密公钥验证的方法具体实现细节如果感兴趣可以参考）。这一步目的是iTunes用来验证是否正在与一个ApEx对话。在这一步交流过后上述连接断开。接下来，iTunes在同一个端口建立另外一个与ApEx相连的RTSP连接，同时提供一个随机产生的AES密钥给ApEx。这个AES密钥是经过RSA加密过的，其密钥由iTunes提供（即非对称密钥对的公钥）。然后通过ApEx的私钥解密来验证是否正在跟一个iTunes对话。值得欣喜的是目前通过逆向工程已经破解了非对称密钥对。上述过程如下所示：从iTunes到ApEx传输从ApEx到iTunes传输然后，ApEx告诉iTunes哪一个端口用于数据连接(server_port,6000)。从iTunes到ApEx传输从ApEx到iTunes传输在控制包里的RTSP序列和时间戳的交换如下所示：从iTunes到ApEx传输从ApEx到iTunes传输下面展示如果调整音量参数：从iTunes到ApEx传输从ApEx到iTunes传输最后展示是如何关闭会话的：从iTunes到ApEx传输从ApEx到iTunes传输重新来看下图：知ApEx支持的方法有：ANNOUNCE,SETUP,RECORD,PAUSE,FLUSH,TEARDOWN,OPTIONS,GET_PARAMETER和SET_PARAMETER。ANNOUNCE：ANNOUNCE会告诉RTSP服务器音频流使用的是会话描述协议。并且也会告知相关的编码信息和加密密钥信息。协议交互如下：ANNOUNCEforAppleLosslessaudiofromiTunesSETUP：SETUP会初始化一个记录会话，发送必要的传输信息建立三个UDP信道：协议交互如下：setuparecordsessionRECORD：RECORD启动音频流，RTP-Info头文件里包含了下面的参数：启动音频流的协议交互如下：FLUSH：FLUSH关闭音频流。其协议交互如下：TEARDOWN：TEARDOWN结束RTSP会话，其协议交互上面已经有图介绍过。如果想有更深入的了解可以参考中关于音频的部分。三、AIRPLAY协议的实现、移植与调试：在linux下实现AIRPLAY协议的开源软件有shairport、xmbc（其音频部分实现机制也是基于shairport的）。shairport是一个模拟ApEx路由器的软件，用以达到传输来自iTunes和其他兼容设备的音乐的目的。它是作为支持RAOP的一个服务端。其0.X版本是perl脚本写的，但目前shairport已经更新至1.0-dev，该版本已经去除perl脚本部分，改为完全由C写成，这更方便了我们进行移植工作。但是目前其还在开发中，还没正式发布，潜在着bug。1.0-dev版本后必需的依赖库是OpenSSL，可选的依赖库有libao、PulseAudio、avahi（或者howl）。通过分析知，如果libao和PulseAudio安装后shairport将有5个输出后端（即alsa、ao、pusle、dummy、pipe）可以选择，而即便不安装libao和PulseAudio，shairport将仍有3个输出后端（即alsa、dummy、pipe），不影响shairport的功能（播放时会产生延迟），如果追求高质量的音质最好还是要安装PulseAudio。通过不断的尝试，可以选择交叉编译OpenSSL和howl，以避免复杂的交叉编译。总共需要进行交叉编译的有alsa-lib、OpenSSL、howl、zlib和shairport1.0-dev交叉编译前依然是先新建安装目录shairport，并约定目录（在shairport目录下进行）：WORK_DIR=$PWDTARGET_INC=$WORK_DIR/includeTARGET_LIBS=$WORK_DIR/libTARGET_BIN=$WORK_DIR/binTARGET_SBIN=$WORK_DIR/sbin交叉编译alsa-lib：1../configure--prefix=$WORK_DIR--bindir=$TARGET_BIN--sbindir=$TARGET_BIN--libexecdir=$TARGET_BIN--libdir=$TARGET_LIBS--includedir=$TARGET_INC--enable-shared--disable-static--host=mips-linux--build=i686-linux--disable-alisp--disable-python--disable-old-symbols--disable-seq--disable-rawmidi2.make时出现以下错误：parser.c:Infunction'uc_mgr_scan_master_configs':parser.c:1138:error:'versionsort'undeclared(firstuseinthisfunction)parser.c:1138:error:(Eachundeclaredidentifierisreportedonlyonceparser.c:1138:error:foreachfunctionitappearsin.)make[2]:***[parser.lo]Error1解决方法：patch-p1alsa-lib-1.0.24.1-uclibc-missing-versionsort.patch3.下面又出现问题：aserver.o:Infunction`pcm_shm_cmd':aserver.c:(.text+0x25f0):warning:Warning:snd_pcm_hwsync()isdeprecated,considertousesnd_pcm_avail()../src/.libs/libasound.so:undefinedreferenceto`atomic_sub'../src/.libs/libasound.so:undefinedreferenceto`atomic_add'collect2:ldreturned1exitstatusmake[1]:***[aserver]Error1make[1]:Leavingdirectory`/home/wcy/shairport/alsa-lib-1.0.24.1/aserver'make:***[all-recursive]Error1解决方法：在alsa-lib-1.0.24\include中的iatomic.h中定义的有关mips架构的atomic_add和atomic_sub函数的实现时，将extern改为static。交叉编译openssl1../configsharedno-asm--prefix=/home/wcy/shairport/--openssldir=/home/wcy/shairport/openssl-1.0.1e2.修改Makefile:CC=mips-linux-gccRANLIB=/home/wcy/Lsdk/build/gcc-4.3.3/build_mips/staging_dir/usr/binNM=mips-linux-nmAR=mips-linux-ar交叉编译howl1../configure--prefix=$WORK_DIR--bindir=$TARGET_BIN--sbindir=$TARGET_BIN--libexecdir=$TARGET_BIN--libdir=$TARGET_LIBS--includedir=$TARGET_INC--host=mips-linux--build=i686-linux2.make时出现错误解决方法如下：即：进入src/autoipd执行命令makelinux_autoip.loposix_main.lo交叉编译zlib./configure–prefix=../../Lsdk/build/gcc-4.3.3/build