Airplay协议研究含shairport交叉编译移植与调试.docx

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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）

EncryptionTypes

MetadataTypes

RAOP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http:

//zh.wikipedia.org/wiki/RSA%E5%8A%A0%E5%AF%86%E6%BC%94%E7%AE%97%E6%B3%95）。

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：

ANNOUNCE for AppleLossless audiofromiTunes

SETUP：

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：

setuparecordsession

RECORD：

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http:

//nto.github.io/AirPlay.html#audio-rtsprequests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=$PWD

TARGET_INC="$WORK_DIR"/include

TARGET_LIBS="$WORK_DIR"/lib

TARGET_BIN="$WORK_DIR"/bin

TARGET_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-rawmidi

2.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:

（Eachundeclaredidentifierisreportedonlyonce

parser.c:

1138:

error:

foreachfunctionitappearsin.）

make[2]:

***[parser.lo]Error1

解决方法：

patch-p1

3.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:

ldreturned1exitstatus

make[1]:

***[aserver]Error1

make[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openssl

1../config shared no-asm --prefix=/home/wcy/shairport/--openssldir=/home/wcy/shairport/openssl-1.0.1e

2.修改Makefile:

CC=mips-linux-gcc

RANLIB=/home/wcy/Lsdk/build/gcc-4.3.3/build_mips/staging_dir/usr/bin

NM=mips-linux-nmAR=mips-linux-ar

交叉编译howl

1../configure--prefix="$WORK_DIR"--bindir="$TARGET_BIN"--sbindir="$TARGET_BIN"--libexecdir="$TARGET_BIN"--libdir="$TARGET_LIBS"--includedir="$TARGET_INC"--host=mips-linux--build=i686-linux

2.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_mips/staging_dir/usr

修改Makefile:

CC=../../Lsdk/build/gcc-4.3.3/build_mips/staging_dir/usr/bin/mips-linux-gcc

CPP=mips-linux-gcc

AR=mips-linux-ar

RANLIB=mips-linux-ranlib

prefix=../../Lsdk/build/gcc-4.3.3/build_mips/staging_dir/usr

交叉编译shairport

./configure之后修改Makefile:

添加CC=../../Lsdk/build/gcc-4.3.3/build_mips/staging_dir/usr/bin/mips-linux-gcc

修改config.mk:

删去CONFIG_PULSE=yes

修改CFLAGS和LDFLAGS：

CFLAGS+=-D_REENTRANT-I/../../Lsdk/build/gcc-4.3.3/build_mips/staging_dir/usr/include/alsa

LDFLAGS+=-L/../../Lsdk/build/gcc-4.3.3/build_mips/staging_dir/usr/lib-lm-lpthread-lssl-ldl-L/../lib-lz-lasound-lcrypto

修改config.h:

删去#defineCONFIG_PULSE

移植到板子上需要三个可执行文件，分别是mDNSResponder、mDNSPublish和shairport（三者的大小加起来175kb），且总共需要移植的动态库有10个（大小总共加起来有6.59mb）如下图所示：

动态库放在/lib，可执行程序放在/bin中即可。

调试过程中如果出现“cannotload****.so.*，可通过创建SymbolicLink来解决。

调试的结果是程序正常运行，协议交互正常，音频播放功能暂时还没办法测试有待完善（需求带音频部分的板子和外接音箱）

测试环境为win7iTunes和芯片9341tplink的路由器。

测试原理:

由于路由器和win7在同一个网络中，所以win7下当iTunes软件开启时将能发现路由器中的扬声器设备（虚拟）即图中的蓝色矩形框中会显示相应的小喇叭，其名字对应于开启服务时的输入，这里为“gdpisen”

图中78DC5128A107为路由器的MAC地址，_raop._tcp为协议类型，5002为端口号。