Cling源码解析

项目地址：cling，分析的版本：5fd60eb，Demo 地址：BeyondUPnP

1 功能介绍

1.1 Cling

Cling类库是由java实现的DLNA/UPnP协议栈。基于DLNA/UPnP可以开发出类似多屏互动、资源共享、远程控制等功能的应用，通过Android应用管理一个或多个设备，将音频、视频、图片推送到指定设备显示。

UPnP的实现类库有很多，在http://www.upnp.org 上也有对相关内容的介绍。
比较有名的有：
- Platinum UPnP基于C++开发，可以支持windows，IOS，android等平台，XBMC就是使用的此库。
- Cling基于java开发，也是后续要介绍的，市面上很多支持DLNA功能的App都是使用的此库，如BubbleUPnP。

其他的如CyberGarage，Intel UPnP stack就不一一列举了。详情可参考http://upnp.org/certification/toolsoverview/sdks/

1.2 UPnP介绍

官方解释为：UPnP 是各种各样的智能设备、无线设备和个人电脑等实现遍布全球的对等网络连接（P2P）的结构。
UPnP实际使用场景多用于小范围对等网络内（连接至同一路由器的多个设备）之间的相互发现、控制。如使用手机控制电视盒子的音频，视频播放等。

1.3 Cling基本使用

Cling库包括两个模块：
- Cling Core
核心类库，基于UDA1.0，实现了定义服务，设备发现，通过ControlPoint发送指令，等UPnP的基本功能。
- Cling Support
顾名思义该包为Cling中一些功能的扩展，如：avtransport，lastchange等。

下面就以Android平台创建UPnP服务并调用相关的控制方法介绍Cling的基本使用。
1. 定义自己的UpnpService类，继承自AndroidUpnpServiceImpl
2. 创建该Service
3. 从UpnpService中获取ControlPoint，并搜索设备

UpnpService upnpService；
//搜索注册在多播地址的所有设备，也可根据需要使用不同条件搜索
upnpService.getControlPoint().search(new STAllHeader());

获取所有类型为MediaRenderer的设备

upnpService.getRegistry().getDevices(new UDADeviceType("MediaRenderer"));

向Device发送指令
从查找到的结果中获取一个Device,并向其发送Play指令

        Device device;//Check selected deviceif (device == null) return;Service avtService = device.findService(new UDAServiceType("AVTransport"));if (avtService != null) {ControlPoint cp = SystemManager.getInstance().getControlPoint();cp.execute(new Play(avtService) {@Overridepublic void success(ActionInvocation invocation) {Log.i(TAG, "Play success.");}@Overridepublic void failure(ActionInvocation arg0, UpnpResponse arg1, String arg2) {Log.e(TAG, "Play failed");}});}

上述即为一个基本的发现、控制流程，通过ControlPoint发送指令并处理callback。

注：上述只涵盖了使用中的几个关键点，详细内容可参考我开源的项目BeyondUPnP

2 总体设计

2.1 概述

Cling作为UPnP协议栈，其主旨即是在设备的发现，控制等过程中对不同的协议及内容进行处理。UPnP协议栈由多个层组成，Cling只关心底层的TCP/IP协议以及包含SSDP（设备发现），SOAP（设备控制），GENA（设备事件）协议的层。

2.2 使用场景

以一个简单的设备使用场景为例：

用户将手机A中的媒体内容播放到电视B上,前提：A、B在同一个局域网中。
- A加入到多播组中，建立MulticastSocket监听多播信息
- A向多播发出M-SEARCH报文
- B获取多播的报文，判断是否符合条件，若符合向多播地址回应OK报文，报文中包含description URL
- A监听多播获取到相关报文，并通过URL获得设备描述信息
- A通过AVTransport Service将媒体内容推送到B并播放

在整个过程中A通过Cling既充当了DMC（Digital Media Controller）又作为DMS（Digital Media Server），而B作为DMR(Digital Media Renderer)播放媒体内容。

3 流程图

3.1 设备发现及控制流程

control_flow

3.2 媒体播放流程

playback_flow

4 详细设计

4.1 类关系图

overview

4.2 类功能详细介绍

由类图可知，Cling的一切都是从UpnpService开始的，其中包含了ControlPoint,ProtocolFactory,Registry,Router四个核心模块，以及一个配置信息类UpnpServiceConfiguration

4.2.1 ControlPoint

异步执行搜索，设备控制订阅等指令,此接口定义了查找设备，向设备发送指令，订阅设备变更，其实现类只有一个为ControlPointImpl.

(1). 查找

根据UpnpHeader查询指定的设备,UpnpHeader为抽象类其中定义了枚举类型的Type以及泛型value,查询时常用的实现类有:DeviceTypeHeader,UDNHeader等，可根据设备类型、UDN、服务类型等多种方式。

public void search(UpnpHeader searchType, int mxSeconds);

(2). 执行控制指令

将ActionCallback放入DefaultUpnpServiceConfiguration中定义的线程池ClingExecutor并执行，执行完毕回调ActionCallback中定义的success或failure函数。

public Future execute(ActionCallback callback) {callback.setControlPoint(this);ExecutorService executor = getConfiguration().getSyncProtocolExecutorService();return executor.submit(callback);}

4.2.2 ProtocolFactory

协议处理工厂类使用Simple Factory Pattern封装协议内容的处理，具体实现为ProtocolFactoryImpl,分为接收报文处理和创建发送报文两部分。
在该类中UDP包通过createReceivingAsync方法对传递来的IncomingDatagramMessage进行处理，。
如NOTIFY–ReceivingNotification，MSEARCH–ReceivingSearch。TCP包通过createReceivingSync进行分发处理，并通过ReceivingSync的子类进行处理，子类中调用executeSync方法等待并返回response。

(1). 处理接收到的报文

IncomingDatagramMessage封装了UDP包的信息，在createReceivingAsync中分发到对应的处理方法中并创建处理对象，如NOTIFY–ReceivingNotification，MSEARCH–ReceivingSearch

public ReceivingAsync createReceivingAsync(IncomingDatagramMessage message){if (message.getOperation() instanceof UpnpRequest) {IncomingDatagramMessage<UpnpRequest> incomingRequest = message;switch (incomingRequest.getOperation().getMethod()) {case NOTIFY:return isByeBye(incomingRequest) || isSupportedServiceAdvertisement(incomingRequest)? createReceivingNotification(incomingRequest) : null;case MSEARCH:return createReceivingSearch(incomingRequest);}} else if (message.getOperation() instanceof UpnpResponse) {IncomingDatagramMessage<UpnpResponse> incomingResponse = message;return isSupportedServiceAdvertisement(incomingResponse)? createReceivingSearchResponse(incomingResponse) : null;}
}

StreamRequestMessage封装TCP报文，通过createReceivingSync分发处理，ReceivingSync子类中重写executeSync方法定义具体实现.

public ReceivingSync createReceivingSync(StreamRequestMessage message){if (message.getOperation().getMethod().equals(UpnpRequest.Method.GET)) {return createReceivingRetrieval(message);} else if (getUpnpService().getConfiguration().getNamespace().isControlPath(message.getUri())) {if (message.getOperation().getMethod().equals(UpnpRequest.Method.POST))return createReceivingAction(message);} else if (getUpnpService().getConfiguration().getNamespace().isEventSubscriptionPath(message.getUri())) {if (message.getOperation().getMethod().equals(UpnpRequest.Method.SUBSCRIBE)) {return createReceivingSubscribe(message);} else if (message.getOperation().getMethod().equals(UpnpRequest.Method.UNSUBSCRIBE)) {return createReceivingUnsubscribe(message);}}........
}

(2). 组装发送的报文：

有若干功能类似的方法，如：
向组播发送ssdp:alive告知设备存活

public SendingNotificationAlive createSendingNotificationAlive(LocalDevice localDevice)

生产SendingSearch实例的工厂方法，SendingSearch中定义了查询条件以及请求超时时间，并Override了execute(),在线程启动后创建OutgoingSearchRequest对象并通过Router发送。

public SendingSearch createSendingSearch(UpnpHeader searchTarget, int mxSeconds)

4.2.3 Registry

协议栈的核心，实现类为RegistryImpl,可把其看做一个注册表，当发现新设备时将其加入Registry，当该设备失效后从Registry中移除,设备的订阅信息也在此维护。
该类中通过下列类对注册内容以及订阅内容等进行处理:
- RegistryListener
注册表监听类，定义为一组监听器，Set registryListeners。
实现类为DefaultRegistryListener，监听Device的add，remove动作。

Resource
资源的父类。该类中定义资源的URI，model等属性。
ExpirationDetails
每个RegistryItem对象都有自己的ExpirationDetails，ExpirationDetails通过构造函数传递的maxAgeSeconds记录最大超时时间，在每次maintain时判断该RegistryItem是否过期。
RegistryMaintainer
用来每隔1000ms调用一次registry.maintain()方法，该方法执行的操作有：
1.判断过期的item，并从resourceItems中移除。
2.遍历resourceItems，并对其中的每个Resource调用其maintain()方法。
3.remoteItems.maintain()对remote进行维护
4.localItems.maintain()对local进行维护
5.runPendingExecutions执行异步任务
RemoteItems
包含deviceItems集合，定义了对RemoteDevice的增删查改等操作。
保存search后的RemoteDevice集合。
LocalItems
继承自RegistryItems，包含了对LocalDevice的操作。

4.2.4 Router

Router为数据收发处理的核心类，实现类为RouterImpl。在其中通过重入读写锁控制设备的启用和禁用，并

(1). 并发控制

使用可重入读写锁ReentrantReadWriteLock实现设备并发读写的控制

protected volatile boolean enabled;
protected ReentrantReadWriteLock routerLock = new ReentrantReadWriteLock(true);
protected Lock readLock = routerLock.readLock();
protected Lock writeLock = routerLock.writeLock();//writeLock只在enable()和disable()函数尝试获取并禁止其他线程访问，完成操作后释放unlock(writeLock)
public boolean enable() throws RouterException {lock(writeLock);try {if (!enabled) {.....}return false;} finally {unlock(writeLock);}}//多个线程可同时获取读锁lock(readLock)并发处理内容
public void send(OutgoingDatagramMessage msg) throws RouterException {lock(readLock);try {if (enabled) {for (DatagramIO datagramIO : datagramIOs.values()) {datagramIO.send(msg);}} else {log.fine("Router disabled, not sending datagram: " + msg);}} finally {unlock(readLock);}}

(2). 获取网络信息

NetworkAddressFactory的实现类NetworkAddressFactoryImpl提供网络相关内容，如NetworkAddress，interface等

(3). 初始化

startAddressBasedTransports函数，将绑定到router上的ip及端口都以StreamServer的方式进行监听。每一个StreamServer对应一个DatagramIO，进行数据处理。

startInterfaceBasedTransports函数，对应每个NetworkInterface创建对应的MulticastReceiver，用来监听多播地址，并处理获取到的数据。

(4). 发送数据

send(StreamRequestMessage msg) 通过StreamClient发送TCP包
send(OutgoingDatagramMessage msg) 通过datagramIO发送多播的UDP包。

(5). StreamClient

StreamClient具体实现类为AbstractStreamClient以及其子类StreamClientImpl。
在Android系统下使用的Jetty实现。在该类中具体的http协议处理由HttpClient实现，核心方法sendRequest用于创建请求并获取返回response，请求及返回值通过HttpContentExchange封装，每一个StreamRequestMessage及其对应的HttpContentExchange通过createCallable方法封装为Callable对象，并将其压入DefaultUpnpServiceConfiguration中的defaultExecutorService。在call()中调用client.send(exchange)发送request并获取response。

(6). StreamServer

StreamServer用来接收HTTP请求并进行处理。在AndroidUpnpServiceConfiguration中进行初始化：

public StreamServer createStreamServer(NetworkAddressFactory networkAddressFactory) {// Use Jetty, start/stop a new shared instance of JettyServletContainerreturn new AsyncServletStreamServerImpl(new AsyncServletStreamServerConfigurationImpl(JettyServletContainer.INSTANCE,networkAddressFactory.getStreamListenPort()));}

本质上是由Jetty实现的servlet容器。从HttpServletRequest中获取数据流并传递给Router的received(UpnpStream stream)进行处理。JettyServletContainer使用了单例模式，其中定义Server的具体实现，并使用synchronized同步Server属性变更操作。

(7). ReceivingNotification

处理接收到的notification消息。如ALIVE，BYEBYE。当接收到ALIVE消息后，会在后台启动一个线程执行RetrieveRemoteDescriptors获取该设备的信息。

(8). RetrieveRemoteDescriptors

用来主动获取远端内容。并返回RemoteService加入到Registry中。

5 结语

Cling作为一款优秀的开源UPnP协议栈从之前的1.x版本发展到现在的2.x在稳定性易扩展等方面有着显著的提升，由于对Android平台有着较好的支持如BubbleUPnP等越来越多的产品使用Cling作为解决方案。当然它本身也还存在着如Router切换WIFI时注册设备清除失败等问题，但瑕不掩瑜本着学习的态度还是可以从中受益良多。