Linux多媒体进阶之旅(十四): 一条链路讲明白PipeWire Graph模型

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第207篇原创文章

　　音乐播放后，使用pw-cli查看PipeWire组件，经常能看到Node、Port和Link，应用播放流是一个Node，声卡输出也会形成Node，中间还有不同方向的Port和连接它们的Link，那么它们是怎么组成PipeWire Graph的呢？

　　在PipeWire链路中，应用流、设备输入输出、格式协商和数据路径都建立在Graph模型中，本篇从一条播放链路理解PipeWire Graph模型。。

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播放链路看PipeWire Graph模型

　　一个音乐播放器开始播放声音后，应用会在PipeWire里形成播放流Node，系统里也存在代表声卡播放能力的设备输出Node。两个Node建立媒体连接时，需要各自提供对应方向的Port，再由Link连接输出Port和输入Port。

　　可以简单理解为：Node表示媒体处理对象，Port表示Node上的输入或输出端口，Link表示两个Port之间的连接，Graph表示这些对象形成的媒体处理拓扑。

　　在这条播放路径中，应用流Node通过输出Port提供音频数据，Link把它连接到设备Node的输入Port，Node、Port和Link都存在并形成正确关系后，PipeWire才可以从应用流到设备Node的完整处理，下面我们把Graph模型拆开看一下的内部组件职能。

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Graph到底是什么？

　　PipeWire使用Graph组织媒体对象和数据路径，Graph里的Node负责处理媒体数据，Port提供Node的输入和输出端口，Link负责连接两个Port。多个Node通过Port和Link连接以后，就形成了完整的媒体处理拓扑。

　　Graph不是一个与Node、Port、Link并列并且可以单独列出的全局对象。这里所说的PipeWire Graph，是Node通过Port和Link形成的整体关系，系统根据这套关系确定数据从哪里产生、经过哪些处理对象、最终进入哪个目标Node。

　　图中的应用Node先通过Link把数据交给中间处理Node，中间Node完成处理后，再通过另一个Link连接到设备输出Node。Node可以继续增加，Link也可以随着路由变化重新建立，但每一段连接仍然遵循“输出Port到Link再到输入Port”的关系。

　　PipeWire内部还会对这套处理拓扑进行实时调度和数据处理，Graph能否真正运行不只取决于对象是否存在，还取决于Link是否完成协商、Node是否进入对应运行状态。本篇关注Node、Port和Link形成的对象关系，具体播放数据如何被调度并送到声卡，在后面的播放链路中继续分析。

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Node负责什么？

　　Node是PipeWire Graph里的媒体处理对象，它可以表示应用创建的播放流、录音流、设备输入输出，也可以表示格式转换或音频处理模块。不同Node完成不同的媒体处理动作，再通过Port与其他Node建立连接。

　　从源码接口看，Node对应PW_TYPE_INTERFACE_Node，pw_node_info保存对象ID、当前输入和输出Port数量、最大Port数量、运行状态、属性和参数等信息。Node状态包括CREATING、SUSPENDED、IDLE、RUNNING和ERROR，这些信息共同说明当前媒体对象是否已经创建并进入预期运行阶段。

　　比如音乐播放器开始播放后，系统里可能出现一个Stream/Output/Audio类型的Node，这个Node代表应用输出的音频流，通常带有输出Port。声卡对应的Audio/Sink设备Node通常带有输入Port，两个Node之间的媒体连接最终建立在这些Port上。

　  调试Node时，需要确认它代表哪个应用或设备、属于什么媒体类型、当前处于什么状态，以及是否创建了预期方向和数量的Port。只有Node存在还不能说明播放路径已经形成，后续还要继续检查Port和Link。

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Port负责什么？

　　Port是Node上的输入或输出端口，它决定这个Node从哪个方向接收数据，又从哪个方向提供数据。Port必须结合所属Node理解，同一个输入方向放在不同Node上，代表的媒体角色也不同。

    图中每个Port都属于一个Node，一个Node可以有一个或多个输入Port、输出Port。这里使用两个Port表示一个Node可以包含多个端口，并不表示所有Node都会固定创建两个Port，两个Node建立媒体连接时，Link仍然需要分别连接对应的输出Port和输入Port。

　　Port在源码中对应PW_TYPE_INTERFACE_Port，pw_port_info里的direction保存Port方向，pw-cli info会把它显示为input或output。Port属性中的port.direction通常使用in或out表示方向，node.id指向它所属的Node。

　　方向始终以当前Node为参照，播放流Node上的输出Port表示应用流可以提供音频数据，Audio/Sink设备Node上的输入Port表示设备Node可以接收待播放数据。因此播放链路需要从输出Port连接到输入Port，方向相反或缺少对应Port时，Link无法形成正常路径。

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Link负责什么？

　　Link是PipeWire里的连接对象，它最终绑定一个输出Port和一个输入Port，并负责两端Node之间的格式协商和buffer分配。Node和Port已经存在时，仍然需要Link把两个端点组成可以处理媒体数据的连接。

　　Link在源码中对应PW_TYPE_INTERFACE_Link，pw_link_info记录output_node_id、output_port_id、input_node_id、input_port_id、当前状态、错误信息和协商后的格式。通过这些字段，可以确定应用流连接到了哪个设备Node，以及连接使用了两端的哪些Port。

link-factory创建Link时会定位输出Port和输入Port。创建参数可以同时提供Node和Port标识，也可以根据Node选择可用方向的Port，或者直接通过Port标识查找端点。无论采用哪种方式，最终都要得到一个输出Port和一个输入Port，方向不匹配或端点不存在时，Link不能正常创建。

　　Link状态会经历INIT、NEGOTIATING、ALLOCATING、PAUSED和ACTIVE。播放正在运行时，Link通常进入ACTIVE，Node处于空闲或暂停状态时，Link处于PAUSED也可能是正常状态。Link进入ERROR后，再根据错误信息检查两端Port的格式能力、buffer分配和设备状态。

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总结

　　PipeWire中Node、Port、Link和Graph组成完整的链路，Node表示媒体处理对象，Port表示Node上的输入或输出端口，Link连接输出Port和输入Port并完成格式与buffer协商，Graph表示这些对象形成的媒体处理拓扑。

　　Node解决的是谁来处理媒体数据，Port解决的是数据从哪个方向进入或离开Node，Link解决的是两个Node怎样建立连接，Graph则把这些对象组织成完整的媒体处理路径。理解这层关系以后，再看WirePlumber创建Link和PipeWire传输播放数据时，就能明确每个组件操作的对象和位置。

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