一种基于DLNA协议的Android设备多媒体共享方案

郭永鑫，乐嘉锦，夏小玲

(东华大学计算机科学与技术学院，上海 201620)

0 引言

随着无线传输技术的发展以及移动电子产品的普及，家庭网络作为数字化的一个重要组成部分，其相关的技术和标准逐渐成为国内外开发人员关注与研究的热点。消费者希望在家中的任何地方都能方便地享受丰富的多媒体内容，而不考虑这些媒体数据存储在什么设备上。

数字生活网络联盟(DLNA)原名为数字家庭工作组(DHWG)，于 2003年 6月成立，由 Intel、Sony、Microsoft、HP、Nokia等公司发起，目前有 190 多家企业参加［1］。该组织的目标是使消费者可以通过有线与无线网络，让家中的PC、电视、机顶盒、音响、手机、PDA、DVD播放机等多种设备共享信息。

DLNA技术以TCP/IP协议和UPnP技术为基础，通过一个无缝的、可互操作的网络将因特网、移动设备和广播网络集成起来。它主要包含物理连接、网络传输、设备发现与控制、媒体管理与控制、媒体格式和媒体传输协议6个功能组件［2］。

另一方面，Android手机系统的发展与推广战略也为数字家庭提供了一个很好的平台。Google的Android平台自2010年以来呈现出突飞猛进的发展势头，2012年11月有数据显示，Android占据全球智能手机操作系统市场56%的份额，中国一线城市的市场占有率为76%。不仅仅是智能手机与平板电脑，各大智能电视生产公司都采用了定制的Android操作系统［3］。同时，一些公司也开始着眼于生产Android系统的智能机顶盒。所以，开发在Android平台上符合DLNA协议的程序很有实际价值。

本文首先介绍DLNA协议的框架与原理，主要分析其中几种设备交互模式，在此基础上提出一个在Android平台上的DLNA共享程序方案，并结合Android设备的特点和网络流量的稳定进行优化改进。通过实验展示了程序的功能实现，以及DMS的普通方案与优化方案的比较，证明了优化方案的有效性。

1 DLNA协议原理与框架

1.1 DLNA协议概述

DLNA是一个多方形成的解决方案，其中各个层次用到的技术都是目前应用比较广泛的协议与技术，按照该协议实现的设备和软件都可以与其他DLNA设备互联互通［4］。其中UPnP协议簇是DLNA的基础，其在UPnP协议簇上进行进一步的封装，从而形成DLNA技术标准。

UPnP协议是一个基于TCP/IP、UDP、HTTP协议的开放体系，其协议簇中包含有SSDP(Simple Service Discovery Protocol，简单服务发现协议)、GENA(Generic Event Notification Architecture，通用事件通知结构)、SOAP(Simple Object Access Protocol，简单对象访问协议)、XML(Extensible Markup Language，可扩张标记语言)。在UPnP Device Architecture 1.0中定义了UPnP设备在这些协议基础上进行工作的具体方式。其工作过程需要处理6个方面的内容:设备寻址、发现设备、对设备的描述、设备控制、设备事件、设备表达［5］。

DLNA在UPnP协议簇上进行更进一步的定义，从而使不同厂商的设备软件之间都可以互联互通。下面对DLNA的主要内容做一些说明。

DLNA协议定义了标准的多媒体角色设备，并规定了每个角色中要提供的服务。设备主要分为家庭网络设备(Home Network Devices)和移动手持设备(Mobile Handheld Devices)2 大类［6］。家庭网络设备主要包含:

(1)Digital Media Server(DMS):数字媒体服务器，存储多媒体资源内容，并保证同网络中的其他DMP与 DMR可以访问到想要的多媒体内容［7］。DMS往往包含着DMP功能。DMS的例子包括PC机、数字机顶盒(有联网和存储功能)和摄像机等。

(2)Digital Media Player(DMP):数字媒体播放器，查找DMS中的内容，可以将多媒体资源拉到本地，同时提供播放与渲染能力［8］。DMP的例子包括智能电视、家庭影院等。

(3)Digital Media Renderer(DMR):数字媒体渲染器，接收DMC发来的控制指令后，可以播放推送到DMR上的多媒体内容(内容源来自DMS)［9］。它与DMP的区别在于，只能接收推送来的信息，而没有自主查找的能力。DMR的例子包括显示器、音响等。

(4)Digital Media Controller(DMC):数字媒体控制器，查找DMS中的多媒体内容，并控制DMR来播放相应的内容。多媒体内容的流直接从DMS发送到DMR，不通过DMC［10］。DMC的典型例子是遥控器。

移动手持设备中的角色定义与家庭网络设备的角色类似，只不过在媒体格式等方面有所精简，使其更适合移动设备的特点。

1.2 DLNA中基本的设备交互模式

在DLNA设备的交互中，ControlPoint是十分重要的。一个设备，例如控制器要发出一个Action，一定要通过一个ControlPoint。在UPnP的规定中，一个ContolPoint的功能要有:发现AV设备，获取内容列表，获得渲染器的支持协议、格式，配置渲染器，开始内容传输等［11］。

一个ControlPoint可以是一个MediaServer，或是一个MediaRender，也可以是一个MediaController。根据ControlPoint的具体角色的不同，可以归纳出如下3种AV设备交互模式。

(1)2台设备的拉取模式:在拉取模式下，控制点可以是数字媒体播放器，例如手机或者平板电脑。控制点主动向MediaServer请求多媒体数据，获得内容之后开始进行显示或者播放。

(2)2台设备的推送模式:在推送模式下，控制点是一个MediaServer，例如一个存储有多媒体资料的PC，控制点主动向数字媒体渲染器推送多媒体内容。控制点要做的是从本地选取所要播放的内容、格式与协议进行传输，在数字媒体渲染器上根据相应的协议匹配，进行播放。

(3)3台设备交互模式:在3台设备的交互模式中，控制点是一个数字媒体控制器。此种交互模式下，有推送和拉取2种模式。控制点作为中间者，在MediaServer与 MediaRenderer之间进行控制［12］。推送模式下，控制点向服务器发送渲染器的地址，让服务器向渲染器发送多媒体内容;拉取模式下，控制点向Render发送服务器的地址以及服务器上的多媒体资料地址，播放器再去拉取信息。

2 系统设计与实现

2.1 系统框架设计

本系统基于Android平台设计开发，可以在Android内核的手机、平板电脑以及机顶盒设备上运行。如图1所示，根据Android的特点，使用Service运行后台线程并通过观察者模式注册监听者Registry，随时获取网络中的设备加入、删除、更新的SSDP消息，并把设备的更新信息存储到相关数据结构中。通过后台Service可以同时进行控制点上的操作，执行Action，订阅消息等。

图1 系统框架设计图

系统集成DMS、DMR、DMC三个角色，可以让任意的Android设备之间的多媒体资料都可以互联互通。其中DMR服务是监听网络中发送来的播放控制指令，接收流的内容，并弹出播放器进行内容播放;DMS则是监听网络中发送来的浏览指令，提供多媒体资料的浏览，并提供传输服务。DMC则是一个典型的控制点，笔者通过一个Executor类，根据DLNA的标准来发送相对应的消息格式，执行对设备的控制。

特别地，在DMS的改进设计中，笔者对媒体传输的方式进行了优化。通过对缓冲区的优化与请求优先级等进行设定，从而使家庭网络环境的流量稳定，控制信息可以得到更及时的响应。

2.2 DMS 设计

根据DLNA协议规范，一个标准DMS要提供2个服 务:ContentDirectory、ConnectionManager［13］。其中ContentDirectory服务向其他的设备提供一个标准访问接口Browse，控制点可以通过此接口获取到DMS上共享出来的多媒体文件信息，而信息的返回都是通过标准的DIDLContent进行封装。Connection-Manager是在推送模式下要用到的服务，其通过ProtocolInfos接口声明的协议类型等信息进行设备间点对点的连接的管理。本系统的MediaServer结构如图2所示。

图2 MediaServer功能模块设计

MediaServer首先使用 ContentResolver访问 Android的多媒体数据库来获得DMS上的所有多媒体数据，并根据其类型分为视频、图片、音频3大类，存储在ContentTree中。之后在HTTPServer类中，启动一个HTTP的ServerSocket，用来监听相应端口，根据发送来的HTTP头中的请求的参数等信息，来查找ContentTree中的多媒体内容，通过输入输出流把对应的文件通过Socket发送到请求设备上。

2.3 DMR 设计

一个标准的 DMR要提供 RenderingControl、AVTransport与 ConnectionManager三种服务。其中RenderingControl接收控制点发送来的标准设备控制信息，进行音量大小、静音、亮度等信息调节;AVTransport服务可以接受控制点设置媒体的URI、播放、暂停、停止、下一曲等媒体控制;ConnectionManager与DMS的类似，提供与匹配的DMS的连接信息管理［14］。系统的MediaRenderer的结构如图3所示。

图3 MediaRender功能模块设计

MediaRender保存一个状态机 RenderState-Machine，用来记录当前渲染器的状态。状态机中定义了播放、暂停、停止、无媒体信息的4个简单状态。当有控制点发送Action到RenderingControl服务的时候，渲染器在做出响应的同时改变状态机的状态。MediaRenderer的另一个重要组件就是播放器，可以用来接收控制点的设置与播放控制。同时，播放器在接收到状态机改变时，也会对外发出自己的最新状态信息，以便其他控制点得到最新的状态。

2.4 DMS传输的一种改进方式

当家庭网络中的多媒体设备数量增多时，需要考虑流量的平衡问题。如果一个多媒体资源丰富的DMS同时得到多个播放设备的请求资源的消息时，就会需要同时为每一个设备进行服务，也就是同时发送多个多媒体文件［15］。然而在初始的DMS设计中，并没有一个公平的传输策略来平衡多个请求节点，仅仅是以一种默认的队列进行FCFS(先来先服务)的方法进行传输。这样如果队列前端的文件比较大的话，后边的请求会受到一定的延迟。

图4 默认FCFS传输方式与改进分时传输示意图

如图4所示，在改进的分时传输策略中，当有多个设备请求时，采取分时轮转策略，在HTTPServer中增加一个Schedule类，对每一个请求分配一个时间片进行传输，每次时间片耗尽后，切换服务的请求对象。这样可以让每个请求者得到公平的服务，不会产生明显的延迟，也可以增加家庭网络的流量稳定性。

3 实验结果及分析

图5 Android设备上实现效果图

选取市面上很常见的家庭路由器TP-Link TLWR941N作为网络基础环境的提供者，开启其DHCP服务器以便设备可以自动获得IP地址，同时开启UPnP协议支持。终端选取2台小米手机(Android 4.1)、1台三星Note1(Android 3.2)以及1个Android内核的机顶盒TV Box，并同时使用1台Windows7系统的PC，开启其WMP(Windows Media Player)的网络共享功能(该播放器支持DLNA的协议)进行测试。

在一个Android设备安装了本系统后，连入配置好的路由器，即可与其他DLNA设备进行互联互通。安装本系统的Android设备除了可以互相共享多媒体资料、播放，也可以访问WMP中的多媒体库资源，并把其他设备中的资料推送到WMP播放。

在优化的MediaServer方案实验中，以1台Android设备为服务器，3台设备同时访问其中的多媒体资料并拉取播放。对每秒钟发出的数据进行记录。在没有采用优化方案的情况下，在图6中可以看到吞吐量比较不稳定;每秒钟的流量在120kB与30kB之间波动，方差较大。而在采取了分时策略后，整体上的网络环境比较稳定，每秒的流量在50kB到90kB之间波动。

图6 FCFS(上)与分时优化方案(下)实验数据

4 结束语

本文提出了 Android系统上的三角色(DMS，DMR，DMC)集成的DLNA共享方案设计与实现，使得符合DLNA协议的设备之间可以进行多媒体的共享与播放的控制。之后对DMS进行了传输稳定方面的优化，使得其平均传输速度比较稳定。对于Android设备来说，使用DLNA协议的系统可以为共享多媒体资料提供许多便利。

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