Miracast技术详解(一):Wi-Fi Display

Miracast概述

Miracast

Miracast是由Wi-Fi联盟于2012年所制定,以Wi-Fi直连(Wi-Fi Direct)为基础的无线显示标准。支持此标准的消费性电子产品(又称3C设备)可透过无线方式分享视频画面,例如手机可透过Miracast将影片或照片直接在电视或其他设备播放而无需任何连接线,也不需透过无线热点(AP,Access Point)。

Wi-Fi Direct

Wi-Fi直连(英语:Wi-Fi Direct),之前曾被称为Wi-Fi点对点(Wi-Fi Peer-to-Peer),是一套无线网络互连协议,让wifi设备可以不必透过无线网络接入点(Access Point),以点对点的方式,直接与另一个wifi设备连线,进行高速数据传输。这个协议由Wi-Fi联盟发展、支持与授与认证,通过认证的产品将可获得Wi-Fi CERTIFIED Wi-Fi Direct®标志。

Wi-Fi Display

Wi-Fi Display是Wi-Fi联盟制定的一个标准协议,它结合了Wi-Fi标准和H.264视频编码技术。利用这种技术,消费者可以从一个移动设备将音视频内容实时镜像到大型屏幕,随时、随地、在各种设备之间可靠地传输和观看内容。

Miracast实际上就是Wi-Fi联盟对支持WiFi Display功能的设备的认证名称,产品通过认证后会打上Miracast标签。

Sink & Source

如下图所示,Miracast可分为发送端与接收端。Source端为Miracast音视频数据发送端,负责音视频数据的采集、编码及发送。而Sink端为Miracast业务的接收端,负责接收Source端的音视频码流并解码显示,其中通过Wi-Fi Direct技术进行连接。

Android上Wi-Fi Direct的实现

上面的概述里面也说到,Miracast是基于Wi-Fi Direct技术来实现连接与数据传输。那么要实现Miracast技术,首先就得研究下Android平台下的Wi-Fi Direct技术。

Wi-Fi P2P 服务发现

Wi-Fi Direct(在Android平台上也称Wi-Fi P2P),可以让具备相应硬件的Android 4.0(API 级别 14)或更高版本设备在没有AP的情况下,通过WLAN进行直接互联,主要的调用集中在WifiP2pManager这个类中。

设置应用权限

首先在Manifest中加入以下权限,因为在P2P传输数据的时候会使用到Socket进行C/S连接,因此需要使用到INTERNET权限。

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<uses-permission android:name="android.permission.ACCESS_FINE_LOCATION"/>
<uses-permission android:name="android.permission.ACCESS_WIFI_STATE" />
<uses-permission android:name="android.permission.CHANGE_WIFI_STATE" />
<uses-permission android:name="android.permission.INTERNET" />

初始化WifiP2pManager

获取系统P2P服务WifiP2pManager的实例,并通过调用initialize()获取Channel实例,后面绝大多数api的调用都将使用到mManagermChannel

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mManager = (WifiP2pManager) context.getSystemService(Context.WIFI_P2P_SERVICE);
if (mManager != null) {
mChannel = mManager.initialize(context, context.getMainLooper(), mChannelListener);
}

这里要注意,若系统WiFi没有开启的情况下,需要先调用WiFiManagersetWifiEnabled()方法手动开启WiFi:

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mWifiManager = (WifiManager) context.getSystemService(Context.WIFI_SERVICE);
if (!mWifiManager.isWifiEnabled()) {
mWifiManager.setWifiEnabled(true);
}

接收关键广播

创建广播接收器接收以下关键广播,在P2P连接期间各种设备与连接状态的变化都会通过以下广播进行通知。对于每个Action的意义及处理详见以下注释:

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public class WiFiDirectReceiver extends BroadcastReceiver implements WifiP2pManager.PeerListListener {

private static final String TAG = "WiFiDirectReceiver";
private WifiP2pManager mManager;
private Channel mChannel;

public WiFiDirectReceiver(WifiP2pManager manager, Channel channel) {
mManager = manager;
mChannel = channel;
}

@Override
public void onReceive(Context context, Intent intent) {
String action = intent.getAction();
if (WifiP2pManager.WIFI_P2P_STATE_CHANGED_ACTION.equals(action)) {
// 当Wifi P2P在设备上启用或停用时广播,通过EXTRA_WIFI_STATE字段可以获取状态
int state = intent.getIntExtra(WifiP2pManager.EXTRA_WIFI_STATE, WifiP2pManager.WIFI_P2P_STATE_DISABLED);
boolean isEnabled = (WifiP2pManager.WIFI_P2P_STATE_ENABLED == state);
...
} else if (WifiP2pManager.WIFI_P2P_PEERS_CHANGED_ACTION.equals(action)) {
// 调用discoverPeers()后,若检测到对等设备时会广播
// 指示P2P设备列表已有变化,可调用requestPeers()获取当前最新的对等设备列表
if (mManager != null) {
mManager.requestPeers(channel, this);
}
...
} else if (WifiP2pManager.WIFI_P2P_CONNECTION_CHANGED_ACTION.equals(action)) {
// 当设备的Wifi P2P连接状态更改时广播
// 通过EXTRA_NETWORK_INFO字段获取NetworkInfo,可判断P2P的连接状态
// 并可通过requestConnectionInfo()、requestNetworkInfo()或requestGroupInfo()来检索当前连接信息
NetworkInfo networkInfo = intent.getParcelableExtra(WifiP2pManager.EXTRA_NETWORK_INFO);
if (networkInfo == null) {
Log.e(TAG, "WifiP2pManager NetworkInfo info is null!");
return;
}
if (networkInfo.isConnected()) {
Log.d(TAG, "Wi-Fi Direct connected");
// We are connected with the other device, request connection
// info to find group owner IP
manager.requestConnectionInfo(channel, connectionListener);
} else {
Log.d(TAG, "Wi-Fi Direct disconnected");
}
...
} else if (WifiP2pManager.WIFI_P2P_THIS_DEVICE_CHANGED_ACTION.equals(action)) {
// 当设备的详细信息(例如设备名称)更改时广播
// 通过EXTRA_WIFI_P2P_DEVICE字段可获取当前设备信息WifiP2pDevice
// 并可使用requestDeviceInfo()来检索当前设备信息
WifiP2pDevice device = intent.getParcelableExtra(WifiP2pManager.EXTRA_WIFI_P2P_DEVICE);
...
}
}

@Override
public void onPeersAvailable(WifiP2pDeviceList peerList) {
if (peerList != null) {
Collection<WifiP2pDevice> deviceList = peerList.getDeviceList();
if (!deviceList.isEmpty()) {
for (WifiP2pDevice wifiP2pDevice : deviceList) {
Log.d(TAG, "peer device: " + wifiP2pDevice.toString());
}
}
}
}
}

发现对等设备

当初始化完WifiP2pManager后,我们就可以开始设备的发现了。通过discoverPeers()stopPeerDiscovery()方法,可以完成设备发现的启动与停止。注意这两个方法会立即返回,并在对应的ActionListener中回调成功与否的通知。

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mManager.discoverPeers(mChannel, new WifiP2pManager.ActionListener() {
@Override
public void onSuccess() {
Log.d(TAG, "onSuccess: searchDevice");
}

@Override
public void onFailure(int reason) {
Log.d(TAG, "onFailure: searchDevice" + reason);
}
});

mManager.stopPeerDiscovery(mChannel, new WifiP2pManager.ActionListener() {
@Override
public void onSuccess() {
Log.d(TAG, "onSuccess: stopSearchDevice");
}

@Override
public void onFailure(int reason) {
Log.d(TAG, "onFailure: stopSearchDevice" + reason);
}
});
`

在调用discoverPeers()方法后,我们还获取不到任何对等设备的信息。此时若成功检测到对等设备,则系统会发送WIFI_P2P_PEERS_CHANGED_ACTION广播,此时我们通过requestPeers()方法即可获取到对等设备的列表,详见上述WiFiDirectReceiver代码。

设置WifiP2pWfdInfo

这是Miracast服务发现中最重要的一步,我们需要调用setWFDInfo()方法启动WFD,这样在发送端才能搜索到此设备。
其中WifiP2pWfdInfo类与setWFDInfo()方法都是@hide的,在标准的sdk中无法直接进行访问。

针对WifiP2pWfdInfo类,因为它没有太多依赖,我们可以直接从源码中拷贝一份出来,放在android.net.wifi.p2p包下:

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/**
* A class representing Wifi Display information for a device
* @hide
*/
public class WifiP2pWfdInfo implements Parcelable {
...
public WifiP2pWfdInfo() {
}

public WifiP2pWfdInfo(int devInfo, int ctrlPort, int maxTput) {
mWfdEnabled = true;
mDeviceInfo = devInfo;
mCtrlPort = ctrlPort;
mMaxThroughput = maxTput;
}
...
}

对于setWFDInfo()方法,我们可以采用反射的方式进行调用:

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private void setWFDInfoInner(WifiP2pWfdInfo wfdInfo) {
try {
Method method = ReflectUtil.getPrivateMethod(mManager.getClass(), "setWFDInfo",
WifiP2pManager.Channel.class,
WifiP2pWfdInfo.class,
WifiP2pManager.ActionListener.class);
method.invoke(mManager, mChannel, wfdInfo, new WifiP2pManager.ActionListener() {
@Override
public void onSuccess() {
Log.d(TAG, "setWFDInfo onSuccess:");
}

@Override
public void onFailure(int reason) {
Log.e(TAG, "setWFDInfo onFailure:" + reason);
}
});
} catch (IllegalAccessException e) {
e.printStackTrace();
} catch (InvocationTargetException e) {
e.printStackTrace();
}
}

初始化WifiP2pWfdInfo,并进行如下设置,重要的几个字段详见注释:

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public void setWfdInfo() {
final WifiP2pWfdInfo wfdInfo = new WifiP2pWfdInfo();
// 开启WiFi Display
wfdInfo.setWfdEnabled(true);
wfdInfo.setSessionAvailable(true);
wfdInfo.setCoupledSinkSupportAtSink(false);
wfdInfo.setCoupledSinkSupportAtSource(false);
// 设置设备模式为SINK端(Miracast接收端)
wfdInfo.setDeviceType(WifiP2pWfdInfo.PRIMARY_SINK);
wfdInfo.setControlPort(WFD_DEFAULT_PORT);
wfdInfo.setMaxThroughput(WFD_MAX_THROUGHPUT);
setWFDInfoInner(wfdInfo);
}

若希望关闭WiFi Display模式,则直接setWfdEnabled(false)即可:

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public void clearWfdInfo() {
final WifiP2pWfdInfo wfdInfo = new WifiP2pWfdInfo();
wfdInfo.setWfdEnabled(false);
setWFDInfoInner(wfdInfo);
}

完成上述步骤后,在发送端的投屏或者投射功能中,应该能搜索到对应的Miracast设备了。

Wi-Fi P2P 连接

在发送端搜索到Miracast设备,并点击对应设备后,就进入到了连接过程。此时Sink端应该会弹出一个[连接邀请]的授权窗口,可以选择拒绝或者接受。选择接受后,若是第一次连接,则会进入到GO协商的过程。

GO协商(Group Owner)

GO协商是一个复杂的过程,共包含三个类型的Action帧:GO Req、GO Resp、GO Confirm,经过这几个帧的交互最终确认是Sink端还是Source端作为Group Owner,因此谁做GO是不确定的(关于GO协商的过程,有兴趣的可以查看Wi-Fi P2P Technical Specification文档的3.1.4.2 Group Owner Negotiation这章)。

发送端在connect()的时候,可通过groupOwnerIntent字段设置GO的优先级的(范围从0-15,0表示最小优先级),方法如下:

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WifiP2pConfig config = new WifiP2pConfig();
...
config.groupOwnerIntent = 15; // I want this device to become the owner
mManager.connect(mChannel, config, actionListener);

但Miracast Sink端的场景为接收端,因此不能通过groupOwnerIntent字段来设置GO优先级。在接收到WIFI_P2P_CONNECTION_CHANGED_ACTION这个广播时,我们可以调用 requestConnectionInfo(),并在onConnectionInfoAvailable()回调中通过isGroupOwner字段来判断当前设备是Group Owner,还是Peer。通过groupOwnerAddress,我们可以很方便的获取到Group Owner的IP地址。

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@Override
public void onConnectionInfoAvailable(WifiP2pInfo wifiP2pInfo) {
if (wifiP2pInfo.groupFormed && wifiP2pInfo.isGroupOwner) {
Log.d(TAG, "is groupOwner: ");
} else if (wifiP2pInfo.groupFormed) {
Log.d(TAG, "is peer: ");
}
String ownerIP = wifiP2pInfo.groupOwnerAddress.getHostAddress();
Log.d(TAG, "onConnectionInfoAvailable ownerIP = " + ownerIP);
}

GO协商完之后,受WiFi P2P API的限制,各设备获取到的MAC和IP地址情况如下图所示:

由于在后续RTSP进行指令通讯的时候,需要通过Socket与Source端建立连接,也就是我们需要先知道Source端的IP地址与端口。根据上图,我们可能出现以下2种情况:

  • 情况1:Sink端为Peer,Source端为GO。

这种情况下,Sink端知道Source端(GO)的IP地址,可以直接进行Socket连接。

  • 情况2:Sink端为GO,Source端为Peer。

这种情况下,Sink端只知道自己(GO)的IP地址,不知道Source端(Peer)的IP地址,但此时能获取到MAC地址。

通过ARP协议获取对应MAC设备的IP地址

针对上述情况2,我们需要通过MAC地址获取到对应主机的IP地址,以完成与Source端的Socket连接,比较经典的方案是采用解析ARP缓存表的形式进行。

ARP(Address Resolution Protocol),即地址解析协议,是根据IP地址获取物理地址的一个TCP/IP协议。主机发送信息时将包含目标IP地址的ARP请求广播到局域网络上的所有主机,并接收返回消息,以此确定目标的物理地址;收到返回消息后将该IP地址和物理地址存入本机ARP缓存中并保留一定时间,下次请求时直接查询ARP缓存以节约资源。

在Android上,我们可以通过以下指令获取ARP缓存表:

  • 方法1:通过busybox arp指令

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    dior:/ $ busybox arp
    ? (192.168.0.108) at f8:ff:c2:10:e7:62 [ether] on wlan0
    ? (192.168.0.1) at 9c:a6:15:d6:e8:f4 [ether] on wlan0
  • 方法2:通过cat proc/net/arp命令

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    dior:/ $ cat proc/net/arp
    IP address HW type Flags HW address Mask Device
    192.168.0.108 0x1 0x2 f8:ff:c2:10:e7:62 * wlan0
    192.168.0.1 0x1 0x2 9c:a6:15:d6:e8:f4 * wlan0

剩下的工作就是采用强大的正则表达式解析返回的字符串,并查找出对应MAC设备的IP地址了。

获取Source端RTSP端口号

经过上面的步骤,我们已经拿到了Source端的IP地址,只剩下端口号了。这一步就比较简单了,通过requestPeers()方法获取已连接的对等设备WifiP2pDevice,再获取其中的WifiP2pWfdInfo即可拿到端口号:

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 mManager.requestPeers(mChannel, peers -> {
Collection<WifiP2pDevice> devices = peers.getDeviceList();
for (WifiP2pDevice device : devices) {
boolean isConnected = (WifiP2pDevice.CONNECTED == device.status);
if (isConnected) {
int port = getDevicePort(device);
break;
}
}
});

这里由于WifiP2pDevice中的wfdInfo字段为@hide,因此需要通过反射的方式获取WifiP2pWfdInfo。最后通过getControlPort()方法即可拿到Source端RTSP端口号:

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public int getDevicePort(WifiP2pDevice device) {
int port = WFD_DEFAULT_PORT;
try {
Field field = ReflectUtil.getPrivateField(device.getClass(), "wfdInfo");
if (field == null) {
return port;
}
WifiP2pWfdInfo wfdInfo = (WifiP2pWfdInfo) field.get(device);
if (wfdInfo != null) {
port = wfdInfo.getControlPort();
if (port == 0) {
Log.w(TAG,"set port to WFD_DEFAULT_PORT");
port = WFD_DEFAULT_PORT;
}
}
} catch (IllegalAccessException e) {
e.printStackTrace();
}
return port;
}

拿到了Source端的IP地址与端口号后,我们就可以建立RTSP连接,建立后续控制指令的通道了,详见下篇博客。

参考