iOS Airplay Screen Mirroring 同屏技術詳解

投屏技術已經被大量用在身邊的產品, 比如電視投屏, 投影儀, 視頻會議產品中. 在iOS平台外的其他平台中都已經有非常成熟的標準和實現. 但在封閉的蘋果iOS和Mac系統中, 蘋果使用私有的Airplay協議進行多屏互動, 只開放給自己生態中的產品. 對此相關技術限制比較嚴格，甚至在iOS9中加上了更嚴格的加密演算法, 直接導致很多投屏的產品不可用.

iOS中的投屏方案:

1, ReplayKit

iOS9中引入了ReplayKit, 讓開發者有了一定的獲取屏幕數據的能力. 並在iOS10和iOS11中繼續擴展了ReplayKit的能力. 但還是有很大的限制, 比如在使用ReplayKit的api時只能錄製當前應用的應用, 無法在應用進入後台之後繼續錄屏. 如果使用系統級別的屏幕錄製,又無法獲得每一幀的數據,只能獲得最後錄取的單個視頻. 這樣對第三方的開發有了非常大的限制.

2, Airplay

Airplay是蘋果提供的一種多屏互動技術, 可以將音頻照片,視頻, 屏幕從iOS設備或者Mac電腦上投射到支持airplay接受的設備上，如Apple TV。這樣可以將小屏映射到大屏，可以無線音樂，可以圖片分享等等. 但是Airplay屬於蘋果私有協議方案，設備間的協商與傳輸過程都進行了加密處理，並不能用於其他平台中。我們已經完整的逆向了Airplay的全部協議棧，並破解了其加密方案，可以提供跨平台Airplay接收方案。這樣可以方便實現跨平台的多屏共享。

同時，通過研究，我們也可以通過Airplay Mirroring技術，做到在iPhone上把自己的屏幕的內容投送給當前iPhone，在某些情況下這種airplay的破解卻非常有用處,比如手游直播。這中投屏方案使用了iOS原生的投屏能力，並且是完全的軟體方案，非常方便進行集成和使用。

下面將介紹Airplay Mirroring接收端的實現原理，並揭示相關協議交互過程。

Airplay Mirroring客戶端的同屏交互過程，分為三個主要步驟：

1, 設備廣播與發現

2, 信息交互與能力協商

3, 音視頻數據接收與解擾

設備廣播與發現:

Airplay設備間的廣播與發現通過Bonjour協議進行。Bonjour也被稱為ZeroConf, mDNS等，可以用來在區域網內進行數據記錄廣播與發現。該協議比較成熟，網上可以找到諸多介紹。對於實現的Airplay（包括Mirroring）接收端而言，首先需要註冊兩類服務，即airtunes和airplay。 Airtunes服務主要用來處理廣播視音頻接收能力協商，是最為重要的服務內容，對應Bonjour記錄名稱為_raop._tcp，註冊服務埠不限，一般為了避免衝突，建議採用較高的埠數；Airplay服務主要用來兼容傳統的streaming等服務，對應記錄名稱為_airplay._tcp，註冊埠一般為7000。

具體的服務廣播內容，可以進行區域網抓包，找到對應記錄內容。

當接收端通過Bonjour廣播器服務能力後，發送端（如iPhone等各類iOS設備）就可以發現該接收端。

信息交互與能力協商:

當發送端發現接收端後，可以開始信息交互與能力協商過程。該部分協議協議格式類似rtsp協議格式。主要分為兩個階段，設備匹配與和能力協商。

當發送端鏈接服務端後，設備匹配過程即開始。通信雙方會進行fairplay加密協議進行信息交換，當完成信息交換後，客戶端後續必須使用這部分信息來處理加密過的密鑰，才能獲得進一步視音頻解密密鑰。在iOS9之後，在fairplay過程之前，增加一個設備匹配過程，即pair-setup、pair-verify過程，其主要演算法是較為標準的非對稱公鑰交換演算法。

當兩端成功匹配後，開始進行能力協商與信息交換，這些信息包括，設備名稱、代號，音視頻接收相關埠配置，視頻接收能力以及加密密鑰等，相關信息使用binary plist格式進行封裝。

可以參考https://github.com/espes/Slave-in-the-Magic-Mirror找到相關協議交互的一些細節。

音視頻數據接收與解密

雙方協商成功後，發送端開始向接收端發送視音頻數據，mirroring數據是通過TCP進行發送，為h.264 ES流格式。音頻是通過RTP協議進行發送，根據內容的不同音頻編碼為ALAC或者AAC-ELD。

音視頻流都是通過AES進行了加密處理，密鑰需要通過上面一步的進過信息交互後的fairplay模組對setup過程中接收到的加密密鑰進行解密，獲得的AES解密需要的IV和KEY，然後經過AES解擾，即可以獲得最終的視音頻清流。

其他需要注意的地方:

Airplay沒過Session傳送過來的視頻h264碼流，只有開頭一個關鍵幀. 因此這種情況並不適合直播這種需要固定GOP的場景. 還需要做進一步的轉碼的工作，或者直接在壓縮域進行處理，獲得合理的GOP結構。

我們對Airplay相關協議的逆向工程已經封裝成了跨平台的類庫和框架, 支持windows/Mac/Android/iOS/linux, 在自己內部產品中使用已經非常穩定, 如果有需要可以聯繫我們. 也歡迎各類技術與應用場景討論。我的郵箱leeoxiang#http://gmail.com

相關鏈接:

1)AirCast

2)Airplay Protocol

3)AirCast website