Airplay协议研究含shairport交叉编译移植与调试.docx

1、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Apple TV上浏览 iPhone、iPod touch、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OS X Mountain Lion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iPad 2、iPhone 4S、带Sandy

2、 Bridge CPU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Apple TV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Multicast DNS、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(mu

3、lticast DNS)的开放性Zeroconf标准所起的名字。Zeroconf (零设置网络标准)：全称为Zero configuration networking，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apple tv和一台iP

4、hone4s，那之只要都连入到同一个无线局域网内，iphone4s就会自动找出apple tv，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apple tv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（Remote Audio Access Protocol）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：Audio codecs（音频编码）Encryption TypesM

5、etadata TypesRAOP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Airport Express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

6、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

7、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

8、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：ANNOUNCEforApple Losslessaudio from iTunesSETUP：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：se

9、tup a record sessionRECORD：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）。

10、 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、pus

11、le、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_IN

12、C=$WORK_DIR/includeTARGET_LIBS=$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 -bui

13、ld=i686-linux -disable-alisp -disable-python -disable-old-symbols -disable-seq -disable-rawmidi 2.make时出现以下错误：parser.c: In function uc_mgr_scan_master_configs:parser.c:1138: error: versionsort undeclared (first use in this function)parser.c:1138: error: (Each undeclared identifier is reported only o

14、nceparser.c:1138: error: for each function it appears in.)make2: * parser.lo Error 1解决方法：patch -p1 alsa-lib-1.0.24.1-uclibc-missing-versionsort.patch3.下面又出现问题：aserver.o: In function pcm_shm_cmd:aserver.c:(.text+0x25f0): warning: Warning: snd_pcm_hwsync() is deprecated, consider to use snd_pcm_avail(

15、)./src/.libs/libasound.so: undefined reference to atomic_sub./src/.libs/libasound.so: undefined reference to atomic_addcollect2: ld returned 1 exit statusmake1: * aserver Error 1make1: Leaving directory /home/wcy/shairport/alsa-lib-1.0.24.1/aservermake: * all-recursive Error 1解决方法：在alsa-lib-1.0.24in

16、clude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-gcc RANLIB=/home/wcy/Lsdk/build/gcc-4.3.3/build_mips/staging_dir/usr/binNM=mips-linux-nm AR

17、=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make linux_autoip.lo posix_main.lo交叉编译zlib ./configure prefix=./

18、./ 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-gccCPP=mips-linux-gccAR=mips-linux-arRANLIB=mips-linux-ranlibprefix =././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=././Lsd

19、k/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/./l

20、ib -lz -lasound -lcrypto 修改config.h:删去#define CONFIG_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“can not load *.so.*，可通过创建Symbolic Link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win 7 iTunes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。