《FreeSWITCH: VoIP實戰(zhàn)》：FreeSWITCH 架構(gòu)

2012-08-14 14:02:18 作者：杜金房來源：FreeSWITCH 評論：0 　點擊：

　　總體結(jié)構(gòu)

　　FreeSWITCH 由一個穩(wěn)定的核心及外圍模塊組成。

　　FreeSWITCH 使用線程模型來處理并發(fā)請求，每個連接都在單獨的線程中進行處理。這不僅能提供最大強度的并發(fā)，更重要的是，即使某路電話發(fā)生問題，也只影響到它所在的線程，而不會影響到其它電話。FreeSWITCH 的核心非常短小精悍，這也是保持穩(wěn)定的關(guān)鍵。所有其它功能都在外圍的模塊中。模塊是可以動態(tài)加載（以及卸載）的，在實際應(yīng)用中可以只加載用到的模塊。外圍模塊通過核心提供的 Public API 與核心進行通信，而核心則通過回調(diào)機制執(zhí)行外圍模塊中的代碼。

　　核心

　　FS Core 是 FreeSWITCH 的核心，它包含了關(guān)鍵的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和復(fù)雜的代碼，但這些代碼只出現(xiàn)在核心中，并保持了最大限度的重用。外圍模塊只能通過 API 調(diào)用核心的功能，因而核心運行在一個受保護的環(huán)境中，核心代碼都經(jīng)過精心的編碼和嚴格的測試，最大限度地保持了系統(tǒng)整體的穩(wěn)定。

　　核心代碼保持了最高度的抽象，因而它可以調(diào)用不同功能，不同協(xié)議的模塊。同時，良好的 API 也使得編寫不同的外圍模塊非常容易。

　　數(shù)據(jù)庫

　　FreeSWITCH 的核心除了使用內(nèi)部的隊列、哈希表存儲數(shù)據(jù)外，也使用外部的 SQL 數(shù)據(jù)庫存儲數(shù)據(jù)。當前，系統(tǒng)的核心數(shù)據(jù)庫使用 SQLite，默認的存儲位置是 db/core.db 。使用外部數(shù)據(jù)庫的好處是--查詢數(shù)據(jù)不用鎖定內(nèi)存數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，這不僅能提供性能，而且降低了死鎖的風險，保證了系統(tǒng)穩(wěn)定。命令 show calls、show channels 等都是直接從數(shù)據(jù)庫中讀取內(nèi)容并顯示的。由于 SQLite 會進行讀鎖定，因此不建議直接讀取核心數(shù)據(jù)庫。

　　系統(tǒng)對數(shù)據(jù)庫操作做了優(yōu)化，在高并發(fā)狀態(tài)時，核心會盡量將幾百條 SQL 一齊執(zhí)行，這大大提高了性能。但在低并發(fā)的狀態(tài)下執(zhí)行顯得稍微有點慢，如一個 channel 已經(jīng)建立了，但還不能在 show channels 中顯示；或者，一個 channel 已經(jīng) destroy 了，還顯示在 show channels 中。但由于這些數(shù)據(jù)只用于查詢，而不用于決策，所以一般沒什么問題。

　　除核心數(shù)據(jù)庫外，系統(tǒng)也支持使用 ODBC 方式連接其它數(shù)據(jù)庫，如 PostgreSQL、MySQL等。某些模塊，如 mod_sofia、mod_fifo等都有自己的數(shù)據(jù)庫（表）。如果在 *nix 類系統(tǒng)上使用 ODBC，需要安裝 UnixODBC，并進行正確的配置，如果編譯安裝的話還需要開發(fā)包 unixodbc-devel（CentOS）或 unixodbc-dev（Debian/Ubuntu）。由于 PostgreSQL、MySQL 等都是 Client-Server 的結(jié)構(gòu)，因此，外部程序可以直接查詢數(shù)據(jù)（但需要清楚數(shù)據(jù)的準確性，可能會比 FreeSWITCH 核心中的數(shù)據(jù)有所滯后）。

　　模塊

　　FreeSWITCH 主要分為以下幾個部分：

　　終點

　　End Points 是終結(jié) FreeSWITCH 的地方，也就是說再往外走就超出 FreeSWITCH 的控制了。它主要包含了不同呼叫控制協(xié)議的接口，如 SIP， TDM 硬件，H323 以及 Google Talk 等。這使得 FreeSWITCH 可以與眾多不同的電話系統(tǒng)進行通信。如，可以使用 mod_skypopen 與 Skype 網(wǎng)絡(luò)進行通信。另外，前面也講過，它還可以通過 portaudio 驅(qū)動本地聲卡，用作一個軟電話。

　　撥號計劃

　　Dialplan 主要是為了查找電話路由，主要的是 XML 描述的，但它也支持 Asterisk 格式的配置文件。另外它也持 ENUM 查詢。

　　XML 接口

　　XML Interface 支持多種獲取 XML 配置的方式，它可以是本地的配置文件，或從數(shù)據(jù)庫中讀取，甚至是一個能動態(tài)返回 XML 的遠程 HTTP 服務(wù)器。

　　編解碼器

　　FreeSWITCH 支持最廣泛的 Codec，除了大多數(shù) VoIP 系統(tǒng)支持的 G711、G722、G729、GSM 外，它還支持 iLBC，BV16/32、SILK、CELT等。它可以同時橋接不同采樣頻率的電話，以及電話會議等。

　　語音識別

　　支持語音自動識別（ASR）及文本-語音轉(zhuǎn)換（TTS）。

　　文件格式

　　支持不同的聲音文件格式，如 wav，mp3等。

　　日志

　　日志可以寫到控制臺、日志文件、系統(tǒng)日志（syslog）以及遠程的日志服務(wù)器。

　　 嵌入式語言

　　通過 swig 包裝支持多種腳本語本語言控制呼叫流程，如 Lua、Javascript、Perl等。

　　事件套接字

　　使用 Event Socket 可以使用任何其它語言通過 Socket 方式控制呼叫流程、擴展 FreeSWITCH 功能。

　　 目錄結(jié)構(gòu)

　　在 *nix 類系統(tǒng)上，F(xiàn)reeSWITCH 默認的安裝位置是 /usr/local/freeswitch，在 Windows 上可能是 C:\freeswitch，目錄結(jié)構(gòu)大致相同。

bin         可執(zhí)行程序
db          系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫（sqlite），F(xiàn)reeSWITCH 把呼叫信息存放到數(shù)據(jù)庫里以便在查詢時無需對核心數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)加鎖
htdocs      HTTP Web srver 根目錄
lib         庫文件
mod         可加載模塊
run         運行目錄，存放 PID
sounds      聲音文件，使用 playback() 時默認的尋找路徑
grammar     語法
include     頭文件
log         日志，CDR 等
recordings 錄音，使用 record() 時默認的存放路徑
scripts     嵌入式語言寫的腳本，如使用 lua()、luarun()、jsrun 等默認尋找的路徑
storage     語言留言（Voicemail）的錄音
conf        配置文件，詳見下節(jié)

　　 配置文件

　　配置文件由許多 XML 文件組成。在系統(tǒng)裝載時，XML解析器會將所有XML文件組織在一起，并讀入內(nèi)存，稱為XML注冊表。這種設(shè)計的好處在于其非常高的可擴展性。由于XML文檔本身非常適合描述復(fù)雜的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，在 FreeSWITCH 中就可以非常靈活的使用這些數(shù)據(jù)。并且，外部應(yīng)用程序也可以很簡單地生成XML，F(xiàn)reeSWITCH 在需要時可以動態(tài)的裝載這些 XML。另外，系統(tǒng)還允許在某些 XML 節(jié)點上安裝回調(diào)程序(函數(shù))，當這些節(jié)點的數(shù)據(jù)變化時，系統(tǒng)便自動調(diào)用這些回調(diào)程序。

使用 XML 唯一的不足就是手工編輯這些 XML 比較困難，但正如其作者所言，他絕對不是 XML 的粉絲，但這一缺點與它所帶來的好處相比是微不足道的。而且，將來也許會有圖形化的配置工具，到時候只所高級用戶會去看這些XML了。

　　 目錄結(jié)構(gòu)

　　配置文件的的目錄結(jié)構(gòu)如下（其中結(jié)尾有 “/” 的為目錄）：

autoload_configs/
dialplan/
directory/
extensions.conf
freeswitch.xml
fur_elise.ttml
jingle_profiles/
lang/
mime.types
notify-voicemail.tpl
sip_profiles/
tetris.ttml
vars.xml
voicemail.tpl
web-vm.tpl

　　其中最重要的是 freeswitch.xml，就是它將所有配置文件“粘”到一起。只要有一點 XML 知識，這些配置是很容易看懂的。其中，X-PRE-PROCESS標簽稱為預(yù)處理命令，它用來設(shè)置一些變量和裝入其它配置文件。在 XML 加載階段，F(xiàn)reeSWITCH 的 XML 解析器會先將預(yù)處理命令進行展開，生成一個大的 XML 文件 log/freeswitch.xml.fsxml。該文件是一個內(nèi)存鏡像，用戶不應(yīng)該手工編輯它。但它對調(diào)試非常有用，假設(shè)你不慎弄錯了某個標簽，又不知道它在哪個地方，F(xiàn)reeSWITCH 在加載時就報 XML 的某一行出錯，在該文件中就行容易找到。

　　整個XML文件分為幾個重要的部分：configuration （配置）、dialplan （撥號計劃）、directory（用戶目錄）及phrase（分詞）。每一部分又分別裝入不同的 XML。

　　 小知識：XML

XML由標簽(Tag)和屬性構(gòu)成。<tag> 和 </tag>組成一對標簽，如果該標簽有相關(guān)屬性，剛以
<tag attr="value"></tag> 形式指定。有些標簽無須配對，則必須以 “/>”關(guān)閉該標簽定義，
如<other\_tag attr="value"/>。

freeswitch.xml
<?xml version="1.0"?>
<document type="freeswitch/xml">

<X-PRE-PROCESS cmd="include" data="vars.xml"/>

　　上面是一個精減了的 freeswitch.xml。它的根是 document，在 document 中，有許多 section，每個 section 都對應(yīng)一部分功能。其中有兩個 X-PRE-PROCESS 預(yù)處理指令，它們的作用是將 data 參數(shù)指定的文件包含（include）到本文件中來。由于它是一個預(yù)處理指令，F(xiàn)reeSWITCH 在加載階段只對其進行簡單替換，并不進行語法分析，因此，對它進行注釋是沒有效果的，這是一個新手常犯的錯誤。假設(shè) vars.xml 的內(nèi)容如下，它是一個合法的 XML：

<var>xxxxx</var>

若你在調(diào)試階段想把一條 X-PRE-PROCESS 指令注釋掉：

　　當 FreeSWITCH 預(yù)處理時，還沒有到達 XML 解析階段，也就是說它還不認識 XML 注釋語法，而僅會機械地將預(yù)處理指令替換為 vars.xml 里的內(nèi)容：

<var>xxxxx</var> -->

　　由于 XML 的注釋不能嵌套，因此便產(chǎn)生錯誤的XML。解決辦法是破壞掉 X-PRE-PROCESS 的定義，如我常用下面兩種方法：

<xX-PRE-PROCESS cmd="include" data="vars.xml"/>
<XPRE-PROCESS cmd="include" data="vars.xml"/>

　　由于 FreeSWITCH 不認識 xX-PRE-PROCESS 及 XPRE-PROCESS，因此它會忽略掉該行，相當于注釋掉了。

　　 vars.xml

　　 vars.xml 主要通過 X-PRE-PROCESS 指令定義了一些全局變量。全局變量以 $${var} 表示，臨時變量以 ${var} 表示。有些變量是系統(tǒng)在運行時自動獲取的，如默認情況下 $${base_dir}=/usr/local/freeswitch, $${local_ip_v4}=你機器的IP地址等。

　　 autoload_configs 目錄

　　 autoload_configs目錄下面的各種配置文件會在系統(tǒng)啟動時裝入。一般來說都是模塊級的配置文件，每個模塊對應(yīng)一個。文件名一般以模塊名.conf.xxml 方式命名。其中 modules.conf.xml 決定了 FreeSWITCH 啟動時自動加載哪些模塊。

　　 dialplan 目錄

　　定義 XML 撥號計劃，我們會有專門的章節(jié)講解撥號計劃。

　　 directory 目錄

　　它里面的配置文本決定了 FreeSWITCH 作為注冊服務(wù)器時哪些用戶可以注冊上來。FreeSWITCH 支持多個域（Domain），每個域可以寫到一個 XML 文件里。默認的配置包括一個 default.xml，里面定義了 1000 ~ 1019 一共 20 個用戶。

　　 sip_profiles

　　它定義了 SIP 配置文件，實際上它是由 mod_sofia 模塊在 autoload_configs/sofia.conf.xml 中加載的。但由于它本身比較復(fù)雜又是核心的功能，因此單列了一個目錄。我們將會在后面加以詳細解釋。

　　 XML 用戶目錄

　　 XML 用戶目錄決定了哪些用戶可以注冊到 FreeSWITCH 上。當然，SIP 并不要求一定要注冊才可以打電話，但是用戶認證仍需要在用戶目錄中配置。

　　用戶目錄的默認配置文件在 conf/directory/，系統(tǒng)自帶的配置文件為 default.xml（其中 dial-string 一行由于排版要求人工換行，實際上不應(yīng)該有換行）：

</domain>

　　該配置文件決定了哪些用戶能注冊到 FreeSWITCH 中。一般來說，所有用戶都應(yīng)該屬于同一個 domain（除非你想使用多 domain，后面我們會有例子）。這里的 $${domain} 全局變量是在 vars.xml 中設(shè)置的，它默認是主機的 IP 地址，但也可以修改，使用一個域名。params 中定義了該 domain 中所有用戶的公共參數(shù)。在這里只定義了一個 dial-string，這是一個至關(guān)重要的參數(shù)。當你在使用 user/user_name 或 sofia/internal/user_name 這樣的呼叫字符串時，它會擴展成實際的 SIP 地址。其中 sofia_contact 是一個 API，它會根據(jù)用戶的注冊地址擴展成相應(yīng)的呼叫字符串。

　　 variables 則定義了一些公共變量，在用戶做主叫或被叫時，這些變量會綁定到相應(yīng)的 Channel 上形成 Channel Variable。

　　在 domain 中還定義了許多組（group），組里面包含很多用戶（user）。

　　在這里，組名 default 并沒有什么特殊的意義，它只是隨便起的，你可以修改成任何值。在用戶標簽里，又使用預(yù)處理指令裝入了 default/ 目錄中的所有 XML 文件。你可以看到，在 default/ 目錄中，每個用戶都對應(yīng)一個文件。

　　你也可以定義其它的用戶組，組中的用戶并不需要是完整的 XML 節(jié)點，也可以是一個指向一個已存在用戶的“指針”，如下圖，使用 type="pointer" 可以定義指針。

　　雖然我們這里設(shè)置了組，但使用組并不是必需的。如果你不打算使用組，可以將用戶節(jié)點（users）直接放到 domain 的下一級。但使用組可以支持像群呼、代接等業(yè)務(wù)。使用 group_call 可以同時或順序的呼叫某個組的用戶。

　　實際用戶相關(guān)的設(shè)置也很直觀，下面顯示了 alice 這個用戶的設(shè)置：

　　由上面可以看到，實際上 params 和 variables 可以出現(xiàn)在 user 節(jié)點中，也可以出現(xiàn)在 group 或 domain 中。當它們有重復(fù)時，優(yōu)先級順序為 user，group，domain。

　　當然，用戶目錄還有一些更復(fù)雜的設(shè)置，我們留待以后再做研究。

　　 呼叫流程及相關(guān)概念

　　再復(fù)習一下，F(xiàn)reeSWITCH是一個B2BUA，我們還是以第四章中的圖為例：

　　主要呼叫流程有以下兩種：

　　 bob 向 FreeSWITCH 發(fā)起呼叫，F(xiàn)reeSWTICH 接著啟動另一個 UA 呼叫 alice，兩者通話；

　　 FreeSWITCH 同時呼叫 bob 和 alice，兩者接電話后 FreeSWITCH 將 a-leg 和 b-leg 橋接（bridge）到一起，兩者通話。

　　其中第二種又有一種變種。如市場上有人利用上、下行通話的不對稱性賣電話回撥卡獲取不正當利潤：bob 呼叫 FreeSWITCH，F(xiàn)reeSWITCH 不應(yīng)答，而是在獲取 bob 的主叫號碼后直接掛機；然后 FreeSWITCH 回撥 bob；bob 接聽后 FreeSWITCH 啟動一個 IVR 程序指示 bob 輸入 alice 的號碼；然后 FreeSWITCH 呼叫 Alice……

　　在實際應(yīng)用中，由于涉及回鈴音、呼叫失敗等，實際情況要復(fù)雜的多。

　　 Session 與 Channel

　　對每一次呼叫，F(xiàn)reeSWITCH 都會啟動一個 Session（會話，它包含SIP會話，SIP會在每對UAC-UAS之間生成一個 SIP Session），用于控制整個呼叫，它會一直持續(xù)到通話結(jié)束。其中，每個 Session 都控制著一個 Channel（信道），Channel 是一對 UA 間通信的實體，相當于 FreeSWITCH 的一條腿（leg），每個 Channel 都有一個唯一的 UUID。另外，Channel 上可以綁定一些呼叫參數(shù)，稱為 Channel Variable（信道變量）。Channel 中可能包含媒體（音頻或視頻流），也可能不包含。通話時，F(xiàn)reeSWITCH 的作用是將兩個 Channel（a-leg 和 b-leg，通常先創(chuàng)建的或占主動的叫 a-leg）橋接（bridge）到一起，使雙方可以通話。

　　通話中，媒體（音頻或視頻）數(shù)據(jù)流在 RTP 包中傳送（不同于 SIP， RTP是另外的協(xié)議）。一般來說，Channel是雙向的，因此，媒體流會有發(fā)送（Send/Write）和接收（Receive/Read）兩個方向。

　　 回鈴音與 Early Media

A ------ |a 交換機 | ---X--- | 交換機 b| -------- B

　　為了便于說明，我們假定A與B不在同一臺服務(wù)器上（如在PSTN通話中可能不在同一座城市），中間需要經(jīng)過多級服務(wù)器的中轉(zhuǎn)。

　　假設(shè)上圖是在 PSTN 網(wǎng)絡(luò)中，A 呼叫 B，B 話機開始振鈴，A 端聽回鈴音（Ring Back Tone）。在早期，B 端所在的交換機只給 A 端交換機送地址全（ACM）信號，證明呼叫是可以到達 B 的，A 端聽到的回鈴音鈴流是由 A 端所在的交換機生成并發(fā)送的。但后來，為了在 A 端能聽到 B 端特殊的回鈴音（如“您撥打的電話正在通話中…” 或 “對方暫時不方便接聽您的電話” 尤其是現(xiàn)代交換機支持各種個性化的彩鈴 - Ring Back Color Tone 等），回鈴音就只能由 B 端交換機發(fā)送。在 B 接聽電話前，回鈴音和彩鈴是不收費的（不收取本次通話費。彩鈴費用一般是在 B 端以月租或套餐形式收取的）。這些回鈴音就稱為 Early Media(早期媒體)。它是由 SIP 的183(帶有SDP)消息描述的。

　　理論上講，B 接聽電話后交換機 b 可以一直不向 a 交換機發(fā)送應(yīng)答消息，而將真正的話音數(shù)據(jù)偽裝成 Early Media，以實現(xiàn)“免費通話”。

　　 Channel Variable

　　在每一個 Channel 上都可以設(shè)置好多 Variable，稱為信道變量。FreeSWITCH 呼叫過程中，會根據(jù)這些變量控制 Channel 的行為。

　　 $${var} 與 ${var}

　　 ${var} 是在 dialplan、application 或 directory 中設(shè)置的變量，它會影響呼叫流程并且可以動態(tài)的改變。而 $${var} 則是全局的變量，它僅在預(yù)處理階段（系統(tǒng)啟動時，或重新裝載 - reloadxml時）被求值。后者一般用于設(shè)置一些系統(tǒng)一旦啟動就不會輕易改變的量，如 $${domain} 或 $${local_ip_v4}等。所以，兩者最大的區(qū)別是，$${var} 只求值一次，而 ${var} 則在每次執(zhí)行時求值（如一個新電話進來時）。

　　 $variable_xxxx

　　你會發(fā)現(xiàn)，有些變量在顯示時（可以使用dp_tools 中的 info() 顯示，后面會講到）是以“variable_”開頭的，但在實際引用時要去掉這開頭的“variable_”。如“variable_user_name”，引用時要使用“${user_name}”。http://wiki.freeswitch.org/wiki/Channel_Variables#variable_xxxx 列舉了一些常見的變量顯示與引用時的對應(yīng)關(guān)系。

　　 給 Variable 賦值

　　在 dialplan 中，有兩個程序可以給 Variable 賦值：

以上兩條命令都可以設(shè)置 my_var 變量的值為 my_value。不同的是 -- set 程序僅會作用于“當前”的 Channel （a-leg），而 export 程序則會將變量設(shè)置到兩個 Channel （a-leg 和 b-leg）上，如果當時 b-leg 還沒有創(chuàng)建，則會在創(chuàng)建時設(shè)置。另外，export 還可以只將變量設(shè)置到 b-leg 上：

在實際應(yīng)用中，如果 a-leg 上已經(jīng)有一些變量的值（如 var1、var2、var3），而想同時把這些變量都復(fù)制到 b-leg 上，可以使用以下幾種辦法：

或者使用如下等價的方式：

所以，其實 set 也具有能往 b-leg 上賦值的能力，其實，它和 export 一樣，都是操作 export_vars 這個特殊的變量。

取消 Variable 定義
取消 Variable 定義只需對它賦一個特殊的值_undef_”：

截取 Variable 的一部分
可以使用特殊的語法取一個 Variable 的子串，格式是“${var:位置:長度}”。其中 “位置” 從 0 開始計烽，若為負數(shù)則從字符串尾部開始計數(shù)；如果“長度”為 0 或小于 0，則會從當前“位置”一直取到字符串結(jié)尾（或開頭，若“位置”為負的話）。例如 var 的值為 1234567890，那么：

${var}      = 1234567890
${var:0:1} = 1
${var:1}    = 234567890
${var:-4}   = 7890
${var:-4:2} = 78
${var:4:2} = 56

　　 小結(jié)

　　本章描述了 FreeSWITCH 的架構(gòu)。到這里，讀者應(yīng)該對 FreeSWITCH 有了一個總體的了解。我們也提到了一些基本元素和概念，簡單介紹了配置文件的基本結(jié)構(gòu)，由于脫離了實際單講配置會比較抽象，因此，我們把具體的配置也寫到后面的章節(jié)里，即，用到時再說。

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