java实现局域网内视频投屏播放（三）投屏原理

@summer@2023-12-13 11:52

常见投屏方案

常见的投屏方案主要有以下几种：

DLNA

DLNA的全称是DIGITAL LIVING NETWORK ALLIANCE(数字生活网络联盟)。DLNA委员会已经于2017年1月5日正式解散，原因是旧的标准已经无法满足新设备的发展趋势，DLNA标准将来也不会再更新。但是DLNA协议的使用依然比较广泛，短时间内不会退出历史舞台，在某些情况下依然是最好的解决方案之一。

DLNA不是技术，而是一种方案，一种大家可以遵守的规范，其各种技术和协议都是目前所应用很广泛的技术和协议（SSDP、SOAP等）。

在我看来，DLNA协议栈为设备之间信息交流提供了一种彼此听得懂的语言工具。

AIRPLAY

AirPlay于DLNA类似，例如两种都是基于组播实现的设备发现，只不过DLNA基于SSDP(简单服务发现协议)，而AirPlay基于mDNS(multicast DNS)，甚至苹果曾经也是DLNA委员会的成员。相对DLNA，AirPlay提供了一套完善的官方标准实现，开发者只需要按照文档调用API即可，当然如果需要在第三方设备上实现AirPlay功能，需要自己实现一套与AirPlay兼容的功能，网上就有通过分析抓包实现的第三方AirPlay兼容库，包括发送端和接收端。

MIRACAST

以Wi-Fi Direct(和UPnP都是局域网P2P)为基础的无线显示标准，出现时间晚（2012），使用范围相对较小。支持此标准的设备可通过无线方式分享视频画面。与DLNA有较大差异的在于DLNA设备服务端（DMS，Digital Media Server）基于文件的方式提供服务，文件解码由接收端完成（DMR，Digital Media Render），因此DMR需要支持较多格式以保证兼容性；而Miracast则是由服务端完成解码并重新编码为H.264传输到接收端，接收端只需要对H.264解码即可。

基于以上对比来看，DLNA使用广泛，在主流的电视、智能机顶盒中都有支持，而且终端工作量小，是不错的方案。我们这个局域网投屏也是用的DLNA

DLNA投屏原理

UPnP

通用即插即用协议，使用了SSDP（简单设备发现协议）和SOAP(简单对象访问协议）等几个协议。可以说DLNA很大程度上是基于UPnP的。

UPnP协议中，定义了两个主要的组件，一个是设备（Device），一个是控制点（Control Point）。这就是为什么很多UPnP协议栈的SDK的接口代码一般都主要由Device和Control Point构成。设备是在网络中可见的对象，而控制点在网络中不可见。

一个UPnP的设备（Device）是不能直接访问和控制另一个UPnP的设备（Device）的，对设备的访问和控制都必须通过控制点（Control Point）来代为完成。而控制点对设备的控制则主要是由设备定义的"服务"（Service）来实现。

设备（Device）需要向网络中广播自己的信息，并提供设备描述和服务（Service）描述，并发送设备事件消息.

控制点（Control Point）则是搜索设备，并使用其提供的服务（Service）访问和控制设备，同时监听设备事件消息。

设备发现

设备发现也分为两步，第一步是获取设备基本描述，第二步是获取设备详细描述。

第一步有两种方式：主动发现和被动发现。

主动发现

主动发现是指设备主动通过UDP发出Search组播到指定地址和端口，ipv4为239.255.255.250:1900，ipv6为[FF0x::C]:1900，目标设备收到组播后会通过UDP单播发送设备基本信息（所以终端需要用Socket绑定search发送的那个随机端口，receive单播回包），然后根据基本信息中的设备描述地址获取设备的详细信息。

search包内容如下：

M-SEARCH * HTTP/1.1
ST: upnp:rootdevice
HOST: 239.255.255.250:1900
MX: 3
MAN: "ssdp:discover"

其中ST是Search Type，常见的ST有ssdp:all、upnp:rootdevice、uuid:device-某UUID、urn:schemas-upnp-org:device:device-Type:version等，投屏这里使用的是upnp:rootdevice，
HOST为组播地址，
MX为最大等待时间，
MAN为固定格式。

设备回包内容如：

HTTP/1.1 200 OK
CACHE-CONTROL: max-age=1800
DATE: Fri, 23 Nov 2018 11:26:00 GMT
EXT: 
LOCATION: http://192.168.2.3:49153/description.xml
SERVER: SHP, UPnP/1.0, Samsung UPnP SDK/1.0
ST: upnp:rootdevice
USN: uuid:ecf9f8c1-e1a3-459e-a33e-1f6413af9aef::upnp:rootdevice
Content-Length: 0

其中最重要的是LOCATION，其中包含了目标设备的ip、upnp服务的端口、设备详细描述地址，有了这个地址就可以获取设备的详细信息，具体内容见下文；USN作为服务的唯一识别ID，在设备详细描述中还有，可以暂时忽略。

被动发现

被动发现是指目标设备通过UDP发送Notify组播到局域网（所以终端需要启动一个MulticastSocket joinGroup到上述组播地址监听组播），设备收到组播后可以得到设备描述地址获取设备的详细信息。

Notify报文的内容如下：

NOTIFY * HTTP/1.1
HOST: 239.255.255.250:1900
CACHE-CONTROL: max-age=66
LOCATION: http://192.168.2.3:49153/description.xml
NT: upnp:rootdevice
NTS: ssdp:alive
SERVER: Linux/3.10.79, UPnP/1.0, Portable SDK for UPnP devices/1.6.13
USN: uuid:F7CA5454-3F48-4390-8009-2c3aed46c9a9::upnp:rootdevice

其中也包含了LOCATION，详细信息就不愁啦；还有两个需要关注的值：NT和NTS，前者是Notify Type（与Search中的ST类似），后者表示NT的子类型，其值只可以是ssdp:alive或ssdp:byebye，目标设备会在生命周期中定期发送alive组播，在正常退出时发送byebye组播，也有实现会在目标设备上线时先发送byebye然后发送alive，便于控制端及时更新设备信息。NT有较多类型，我们只关注upnp:rootdevice类型的Notify即可。

设备描述

获取设备详细信息 至此，无论前面通过何种方式，我们都已经得到了一个重要的信息：LOCATION，向该地址发送一个简单的HTTP请求，即可得到详细的设备信息，无论是做投屏还是做基于DLNA的打印机，原理都是一样的，尤其是前面的部分，一模一样，而后面的部分也是换汤不换药，换成了打印相关的服务而已，设备描述示例如下。

head

HTTP/1.1 200 OK
CONTENT-LENGTH: 2506
CONTENT-TYPE: text/xml
DATE: Mon, 07 Jan 2019 11:26:00 GMT
LAST-MODIFIED: Mon, 07 Jan 2019 11:25:17 GMT
SERVER: Linux/3.10.65, UPnP/1.0, Portable SDK for UPnP devices/1.6.13
X-User-Agent: redsonic
CONNECTION: close

body

<?xml version="1.0" encoding="utf-8"?>

<root xmlns="urn:schemas-upnp-org:device-1-0">  
  <specVersion> 
    <major>1</major>  
    <minor>0</minor> 
  </specVersion>  
  <device> 
    <deviceType>urn:schemas-upnp-org:device:MediaRenderer:1</deviceType>  
    <presentationURL>/</presentationURL>  
    <friendlyName>客厅电视</friendlyName>  
    <manufacturer>XXXX</manufacturer>  
    <manufacturerURL>http://www.xxx.com</manufacturerURL>  
    <modelDescription>xxx Media Render</modelDescription>  
    <modelName>xxxxx</modelName>  
    <modelURL>http://www.xxx.com</modelURL>  
    <UDN>uuid:F7CA5454-3F48-4390-8009-dce3a07b5e48</UDN>  
    <UID>-1254112285</UID>  
    <serviceList> 
      <service> 
        <serviceType>urn:schemas-upnp-org:service:AVTransport:1</serviceType>
        <serviceId>urn:upnp-org:serviceId:AVTransport</serviceId>  
        <SCPDURL>/dlna/Render/AVTransport_scpd.xml</SCPDURL>  
        <controlURL>_urn:schemas-upnp-org:service:AVTransport_control</controlURL>
        <eventSubURL>_urn:schemas-upnp-org:service:AVTransport_event</eventSubURL>
      </service>  
      <service>
        <serviceType>urn:schemas-upnp-org:service:ConnectionManager:1</serviceType>
        <serviceId>urn:upnp-org:serviceId:ConnectionManager</serviceId>  
        <SCPDURL>/dlna/Render/ConnectionManager_scpd.xml</SCPDURL>
        <controlURL>_urn:schemas-upnp-org:service:ConnectionManager_control</controlURL>
        <eventSubURL>_urn:schemas-upnp-org:service:ConnectionManager_event</eventSubURL>
      </service>  
      <service> 
        <serviceType>urn:schemas-upnp-org:service:RenderingControl:1</serviceType>
        <serviceId>urn:upnp-org:serviceId:RenderingControl</serviceId>  
        <SCPDURL>/dlna/Render/RenderingControl_scpd.xml</SCPDURL>  
        <controlURL>_urn:schemas-upnp-org:service:RenderingControl_control</controlURL>
        <eventSubURL>_urn:schemas-upnp-org:service:RenderingControl_event</eventSubURL>
      </service> 
    </serviceList>  
    <av:X_RController_DeviceInfo xmlns:av="urn:mi-com:av">  
      <av:X_RController_Version>1.0</av:X_RController_Version>  
      <av:X_RController_ServiceList> 
        <av:X_RController_Service> 
          <av:X_RController_ServiceType>controller</av:X_RController_ServiceType>
          <av:X_RController_ActionList_URL>http://192.168.2.3:6095/</av:X_RController_ActionList_URL> 
        </av:X_RController_Service>  
        <av:X_RController_Service> 
          <av:X_RController_ServiceType>data</av:X_RController_ServiceType>
          <av:X_RController_ActionList_URL>http://api.tv.xx.com/bolt/3party/</av:X_RController_ActionList_URL> 
        </av:X_RController_Service> 
      </av:X_RController_ServiceList> 
    </av:X_RController_DeviceInfo> 
  </device>  
  <URLBase>http://192.168.2.3:49152/</URLBase> 
</root>

在长长的信息中，我们需要关注的有device标签下的deviceType、friendlyName和UDN，其中friendlyName是设备的展示名，即给人看的名字，UDN是根据UUID生成的时间无关的设备失败码，其中包含了UUID，我们可以以此为设备id区分不同设备、处理设备的掉线和重连等。

紧接着，在serviceList中列出了设备提供的服务列表service，service标签下有serviceType、serviceId、SCPDURL、controlURL和eventSubURL5个子标签，其中serviceType是判断设备提供的服务类型的依据，对于支持投屏的设备，一般有AVTransport、RenderingControl、ConnectionManager三种服务，投屏过程中主要使用前两种，每个服务的支持的控制指令可以通过SCPDURL查看，或继续浏览下文用法；serviceId没啥好说的；SCPDURL为服务描述地址，请求会返回该服务的详细描述，包括服务支持的指令及其参数等，因为投屏使用的是比较标准的服务和指令，所以可以不需要请求服务的详细说明也能正常使用；controlURL是服务的控制地址，指令的发送就是往这个地址发的；eventSubURL是用来向目标设备订阅该服务相关的事件回调的，需要控制端运行一个ServerSocket监听tcp请求。

设备控制

前面已经提到，设备控制就是望设备的对应服务的controlURL发送HTTP请求，这里以POST方式为例，向TV的AVTransport服务发送SetAVTransportURI指令，作用是告诉TV需要播放的直播流的地址，内容如下：

head

POST /_urn:schemas-upnp-org:service:AVTransport_control HTTP/1.1
Connection: close
SOAPACTION: "urn:schemas-upnp-org:service:AVTransport:1#SetAVTransportURI"
Content-Type: text/xml;charset="utf-8"
Content-Length: 1464
Host: 192.168.2.3:49152
User-Agent:

其中有两个参数用法说明一下（服务类型记即上面服务列表中服务的serviceType，控制地址为controlURL）

POST 控制地址 HTTP/1.1  
SOAPACTION: "服务类型#Action"

body

<?xml version="1.0" encoding="utf-8"?>

<s:Envelope xmlns:s="http://schemas.xmlsoap.org/soap/envelope/" s:encodingStyle="http://schemas.xmlsoap.org/soap/encoding/">
  <s:Body>
    <u:SetAVTransportURI xmlns:u="urn:schemas-upnp-org:service:AVTransport:1">  
      <InstanceID>0</InstanceID>  
      <CurrentURI>http://xxx.xxx.com/xxx.m3u8?bizid=xxx&amp;txSecret=fcexxxxxab4cf1b8bbee6efbe6668bd4&amp;txTime=5c3c5de1&amp;uid=0</CurrentURI>  
      <CurrentURIMetaData>&lt;DIDL-Lite xmlns="urn:schemas-upnp-org:metadata-1-0/DIDL-Lite/" xmlns:upnp="urn:schemas-upnp-org:metadata-1-0/upnp/" xmlns:dc="http://purl.org/dc/elements/1.1/" xmlns:sec="http://www.sec.co.kr/"&gt;&lt;item id="123" parentID="-1" restricted="1"&gt;&lt;upnp:storageMedium&gt;UNKNOWN&lt;/upnp:storageMedium&gt;&lt;upnp:writeStatus&gt;UNKNOWN&lt;/upnp:writeStatus&gt;&lt;dc:title&gt;Video&lt;/dc:title&gt;&lt;dc:creator&gt;QGame&lt;/dc:creator&gt;&lt;upnp:class&gt;object.item.videoItem&lt;/upnp:class&gt;&lt;res protocolInfo="http-get:*:video/*:DLNA.ORG_OP=01;DLNA.ORG_CI=0;DLNA.ORG_FLAGS=01700000000000000000000000000000"&gt;http://xxx.xxx.com/xxx.m3u8?bizid=xxx&amp;amp;txSecret=fcexxxxxab4cf1b8bbee6efbe6668bd4&amp;amp;txTime=5c3c5de1&amp;amp;uid=0&lt;/res&gt;&lt;/item&gt;&lt;/DIDL-Lite&gt;</CurrentURIMetaData> 
    </u:SetAVTransportURI> 
  </s:Body>
</s:Envelope>

看起来一堆东西，其实大部分都是固定格式，只有其中的少部分参数需要说明一下（Action为服务提供的Action，可以从服务描述地址获取详细说明，下文也有常用Action的列表）

<u:Action xmlns:u="服务类型">
  <参数名1>参数值1</参数名1>
  <参数名2>参数值2</参数名2>
  ...
</u:Action>

元数据中包含了协议的相关数据，没有特殊需求的话，套用常用的元数据内容即可，值得注意的是，元数据中res标签包含了转义过的视频地址（反转义一下就明显看出来了），而元数据也经过转义才放到body中的CurrentURIMetaData标签下，也就是说元数据中的视频URL经过了两次转义，&将转义为&amp;amp;，该转义为常用的xml转义，同样在处理upnp回包时，也要留意upnp需要转义的情况，具体规则为

原字符 转义字符
& &amp;
" &quot;
< &lt;
> &gt;
空格 &nbsp;
' '

转义这里不可以偷懒，以免造成兼容性问题，在已测的设备中，绝大多数电视取视频URL都是使用CurrentURI标签提供的URL，而三星电视则是从CurrentURIMetaData标签取得视频URL，如果元数据设置不对的话，很可能导致三星这种电视无法正常播放。

播放过程中不同的控制Action都是类似的，前后都是固定格式，稍作调整就成了另外一个控制Action，如PlayAction

head

POST /_urn:schemas-upnp-org:service:AVTransport_control HTTP/1.1
Connection: close
SOAPACTION: "urn:schemas-upnp-org:service:AVTransport:1#Play"
Content-Type: text/xml;charset="utf-8"
Content-Length: 327
Host: 192.168.2.3:49152
User-Agent:

body

<?xml version="1.0" encoding="utf-8"?>

<s:Envelope xmlns:s="http://schemas.xmlsoap.org/soap/envelope/" s:encodingStyle="http://schemas.xmlsoap.org/soap/encoding/">  
  <s:Body> 
    <u:Play xmlns:u="urn:schemas-upnp-org:service:AVTransport:1">  
      <InstanceID>0</InstanceID>  
      <Speed>1</Speed> 
    </u:Play> 
  </s:Body>
</s:Envelope>

具体每个Action的参数参考所属服务的详细描述，这里列出常用Action及其对应的服务和参数

Action Service 参数 常用值 说明
SetAVTransportURI AVTransport InstanceID、CurrentURI、CurrentURIMetaData 0、转义的视频地址、见上文 设置视频地址
Play AVTransport InstanceID、Speed 0、1 播放
Pause AVTransport InstanceID 0 暂停
Stop AVTransport InstanceID 0 停止
Seek AVTransport InstanceID、Unit、Target 0、见备注、见备注 跳转[1]
SetMute RenderingControl InstanceID、Channel、DesiredMute 0、Master、1/0 静音/取消[2]
SetVolume RenderingControl InstanceID、Channel、DesiredVolume 0、Master、0-100 设置音量
GetVolume RenderingControl InstanceID、Channel 0、Master 获取音量
GetCurrentTransportActions AVTransport InstanceID 0 获取Action列表[3]
GetMediaInfo AVTransport InstanceID 0 获取媒体信息
GetPositionInfo AVTransport instanceID 0 获取进度
GetTransportInfo AVTransport instanceID 0 获取传输状态[4]

[1] Unit有TRACK_NR 、ABS_TIME 、ABS_COUNT 、REL_COUNT 、CHANNEL_FREQ 、TAPE_INDEX、FRAME 7种取值，参见微软定义，这里使用REL_TIME。 Target格式因Unit而定，如果Unit=REL_TIME，则格式为 "00:11:26"，表示跳转到某个进度，如果Unit=TRACK_NR，则格式为一个整数i，跳转到第i个视频(应该是的，未做验证)。

[2] DesiredMute设置为1表示静音，0表示取消静音。

[3] GetCurrentTransportActions返回结果不太准。

[4] GetTransportInfo可以获取当前传输状态，如STOPPED、PLAYING等，但也不准确，有的设备已经用遥控器停止播放了，获取到的还是PLAYING。

Action的成功与否主要通过POST请求返回的状态码判断，如果是 200 OK，那应该就是成功的了，大多数Action回包内容都非常简单，没有需要处理的返回值，部分Action如GetVolume具有返回值，需要解析回包。如果失败，根据状态码（如500等）及body中说明的错误信息定位问题，对比可以正常投屏的其它应用的请求内容，分析问题原因。

事件处理

当控制端通过SetAVTransportURI、Play让目标设备开始播放视频时，设备会进行加载缓冲，并开始播放，或者用户通过遥控器暂停/继续播放，甚至其它控制端抢占了TV等，都是我们需要关心的事件，以便控制端进行状态处理。获取目标设备的状态变化有两种方式，

  1. 轮询GetTransportInfo、GetMediaInfo等Action，
  2. 向目标设备注册订阅。
    两种方式各有优缺点，因为目标设备实现存在差异，每个设备的在状态的处理上不完全一致。前面已经提到过，GetTransportInfo返回结果不太靠谱；第二种方式，结果较为准确，但是对控制端抢占TV导致更换URL等情况大多不会告知订阅者；所以结合两种方式，可以达到较好的效果。

事件订阅

订阅

设备描述的服务列表中，每个服务都有一个eventSubURL，我们可以在控制端运行一个ServerSocket绑定一个端口（记为端口A），通过accept监听tcp请求，并将本机ip和端口A和自定义回调路径拼接为url通过SUBSCRIBE Action发送给目标设备，即可完成订阅，在必要的时候，通过SUBSCRIBE Action（与订阅使用同一个Action，但参数不同）续订，通过UNSUBSCRIBE Action取消订阅。

参数格式如下表：

| Action | 参数 | 常用值 | 说明 |

| ----------- | :-------------------: | :---------------------------------------: | :------: |

| SUBSCRIBE | Nt、Timeout、Callback | upnp:event、Second-时间、<自定义回调地址> | 订阅[1] |

| SUBSCRIBE | SID、Timeout | 订阅ID、Second-时间 | 续订[2] |

| UNSUBSCRIBE | SID | 订阅ID | 取消订阅 |

[1] Callback的值URL用<>包裹。

[2] SID为SUBSCRIBE ID，是订阅Action返回的值。

回调

ServerSocket接收Socket链接，并读取回调内容，后面过程与处理Action回包类似，解析upnp内容即可（upnp是XML子集），其中需要关注的只有lastchange标签里的内容，以播放事件为例，播放事件的LastChange标签内容为：

<Event xmlns = "urn:schemas-upnp-org:metadata-1-0/AVT/">
<InstanceID val="0">
    <TransportState val="PLAYING"/>
    <TransportStatus val="OK"/>
</InstanceID>
</Event>
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