iOS上VOIP應用使用蘋果網(wǎng)絡終端服務APNs省電

2012/03/05

　　近日在網(wǎng)上看到一個文章，介紹 iPhone、Android 上的熱門的 VOIP 應用 Viber ，曰：

　　它可以完全運行在后臺，且不會耗電，即便是不運行在后臺，你照樣可以撥打免費電話和發(fā)免費短信。

　　應該說，這些說法從技術(shù)上看并不嚴謹。首先，從這段文字能得到一個模糊的印象，一個在后臺運行的程序，并且不會耗電；其次，“程序即便是不運行在后臺，照樣可以撥打免費電話和發(fā)短信”，這如何理解呢？程序運行在前臺能否撥打免費電話？程序壓根不運行時能否撥打電話？

　　VOIP 應用是一種必須實現(xiàn)為“多任務”的業(yè)務，這種業(yè)務通常是耗電的大戶。因此這段文字背后引出其中一個有趣的技術(shù)問題，智能設備上的多任務的業(yè)務如何能夠“不會耗電”？

　　讓我們先看看智能手機上的電池電量限制與多任務需求的關系。

　　智能手機上電池電量限制與多任務需求

　　智能手機與桌面電腦的根本區(qū)別在于智能手機本身的硬件尺寸與電池電量大小，電池電量對智能手機來說是關鍵而致命的限制，人們要求手機越來越輕薄，功能越來越強大，然而待電時間卻要求越來越長，這不是“又要馬兒跑又要馬兒不吃草”的事情么！為此，智能手機上的電池電量正如沙漠中的水，一點一滴都不可以浪費。

　　為了節(jié)約電池的電量，智能手機上的操作系統(tǒng)的一個基本策略是，盡量減少正在運行的程序，這個道理很簡單，運行的程序越多，需要耗費的 CPU 計算時間就越多，電量就省不下來。下面的圖是蘋果 iOS 設備應用程序調(diào)度狀態(tài)圖，事實上蘋果設備是除了用戶正在操作的程序，其他打開的程序進程盡可能都放到“掛起（Suspended）”的狀態(tài)下。在“掛起”的狀態(tài)下面，程序進程處在休眠狀態(tài)，不耗費 CPU 計算能力。當用戶沒有對設備進行操作的時候，整個系統(tǒng)處在休眠的低電狀態(tài)。（這里進程的意思是：程序運行實例）

　　智能手機上的 VOIP，作為一種多任務型的業(yè)務，卻恰恰踩在耗電的雷區(qū)上。VOIP 類的應用需要實現(xiàn)為多任務原因是需要維持應用應用與服務器之間的長期的網(wǎng)絡連接，當網(wǎng)絡側(cè)的來電呼叫到達的時候，提示用戶進行接聽。因此程序有“長期存活”的“待機”需求，后臺長期存活的程序僅僅能處在“后臺（Background）”的狀態(tài)下面，這個狀態(tài)下的程序進程，需要耗費 CPU 計算能力和電量。為何叫做“多任務”型的業(yè)務呢，意思是由于此業(yè)務的存在，除了用戶交互的程序進程，還存在另外的“存活”進程。

　　蘋果 iOS 設備的 VOIP 實現(xiàn)

　　正是由于對程序耗電量的錙銖必較，蘋果公司曾經(jīng)拒絕實現(xiàn)“真正”的多任務，使用“快速程序切換”來緩解用戶對大部分“多任務”的需求，如今，相信蘋果的研發(fā)團隊是在做了艱難的平衡之后，決定允許部分業(yè)務實現(xiàn)為“多任務”。這些業(yè)務主要是上文提到的后臺的音樂播放、后臺的 GPS 定位服務、新聞訂閱業(yè)務的后臺定期更新、VOIP 應用等等，并為后臺業(yè)務實現(xiàn)提供嚴格的開發(fā)指引。VOIP類的業(yè)務正是蘋果公司強制管理的一種“多任務”業(yè)務，如果開發(fā)團隊不遵守架構(gòu)限制，軟件將不能通過審核和在蘋果應用商城上發(fā)布，而 Viber，在 iOS 平臺上，應該是遵循了該架構(gòu)。

　　讓我們來看看蘋果公司為VOIP實現(xiàn)，這種架構(gòu)下如何可能達到省電的目標。

　　下面描述的文字非開發(fā)指引，僅僅為了幫助理解 VOIP 應用進程的調(diào)度過程（需要一定的軟件開發(fā)背景來理解）：

　　1、VOIP 應用需要在 Info.plist 里配置 UIBackgroundModes 的值為 “VOIP” ，告知系統(tǒng)，此乃 VOIP 應用。

　　2、程序配置用于 VOIP 業(yè)務的網(wǎng)絡連接（Socket），告知系統(tǒng)，在程序進程被調(diào)度到“掛起（Suspended）”狀態(tài)時該特殊的網(wǎng)絡連接需要被系統(tǒng)接管，因此，此時網(wǎng)絡連接仍然是活動的。當網(wǎng)絡連接有新的數(shù)據(jù)到達的時候，程序?qū)摹皰炱穑⊿uspended）” 狀態(tài)被喚醒到“后臺（Background）”狀態(tài)，如果是個來電事件，VOIP應用則發(fā)起一個本地提醒事件，此時用戶可以在設備的界面上看到來電提醒，如果用戶選擇接聽來電，則 VOIP 應用被調(diào)度到前端的“活動（Active）”狀態(tài)直接與用戶交互，否則，回退到低電的“掛起（Suspended）”狀態(tài)。下圖可以看到左圖是傳統(tǒng)的 VOIP 應用，在“待機”狀態(tài)下整個程序都運行在耗電的“后臺（Background）”狀態(tài)，右圖是蘋果的 VOIP 實現(xiàn)，僅僅網(wǎng)絡連接運行在耗電的“后臺（Background）”狀態(tài)。其余系統(tǒng)部分運行在低電的“掛起（Suspended）”狀態(tài)。

　　3、安裝 Keep-Alive 的處理函數(shù)維持與服務器端的長連接。VOIP應用將被周期性從“掛起（Suspended）”狀態(tài)調(diào)度到“后臺（Background）”，使 Keep-Alive 的處理函數(shù)能夠定期向網(wǎng)絡服務器發(fā)送“心跳”的網(wǎng)絡包。

　　總結(jié)：在 iOS 實現(xiàn)的 VOIP 方案中，應用進程可以看作兩部分，一部分是需要系統(tǒng)內(nèi)核看管的網(wǎng)絡連接和系統(tǒng)的定期喚醒服務，另一部分是 VOIP 的程序邏輯，在 VOIP 的狀態(tài)下，后一部分被放到了低電的“掛起（Suspended）”狀態(tài)，最少的使用了 CPU，因此可以達到省電的效果。

　　為何能夠更省電

　　然后，回到關于Viber的問題，如何“程序即便是不運行在后臺，照樣可以撥打免費電話和短信”？據(jù)考究，實際上應為“即便程序不運行，照樣可以接聽電話和短信”。原因是，撥打電話和短信，肯定必須有用戶的交互操作，程序只能處在“活動（Active）狀態(tài)”，不可能是不運行的。根據(jù)Viber的網(wǎng)站的資料，Viber 使用了蘋果的 APNs（Apple Push Notification Service）功能，當用戶有電話撥入或者短信發(fā)送過來的時候，此時才加載 Viber 應用。APNs 服務是一種 Apple 公司的網(wǎng)絡端服務，用來向蘋果設備推送消息，通常也用來實現(xiàn)郵件推送等功能。

　　當然，使用 APNs 的方式提醒用戶來電和短信，可以更加省電，在“待機”期間，Viber 程序可以根本沒有運行，僅僅當有來電和短信的時候借用了系統(tǒng)提供的 APNS 服務來喚醒和加載應用。

　　終極的省電方式

　　當然，無論如何優(yōu)化，這種 VOIP 應用相比起傳統(tǒng)語音實現(xiàn)來說仍然是耗電的，因為整個系統(tǒng)（智能手機的 AP 部分）不能休眠。在傳統(tǒng)的非 VOIP 話音業(yè)務中，如果沒有來電和用戶操作，整個系統(tǒng)是休眠的，僅僅是基帶芯片（智能手機的 CP 部分）在工作，負責維護與電信運營商基站的連接，這無疑是最省電的一種工作方式。

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