WebRTC 初探

前言

项目中有局域网投屏与文件传输的需求，所以研究了一下 webRTC，这里记录一下学习过程。

WebRTC 基本流程以及概念

下面以 1 对 1 音视频实时通话案例介绍 WebRTC 的基本流程以及概念

WebRTC 中的角色

• WebRTC 终端,负责音视频采集、编解码、NAT 穿越、音视频数据传输

• Signal 服务器,负责信令处理,如加入房间、离开房间、媒体协商消息的传递等。

• STUN/TURN 服务器,负责获取 WebRTC 终端在公网的 IP 地址,以及 NAT 穿越失败后的数据中转。

媒体协商

SDP(Session Description Protocal): 用文本描述的各端(PC 端、Mac 端、Android 端、iOS 端等)的能力。

这里的能力指的是各端所支持的音频编解码器是什么,这些编解码器设定的参数是什么,使用的传输协议是什么,以及包括的音视频媒体是什么

媒体协商流程图

• 呼叫方创建 Offer 类型的 SDP 消息。创建完成后,调用 setLocalDescriptoin 方法将该 Offer 保存到本地 Local 域,然后通过信令将 Offer 发送给被呼叫方。

• 被呼叫方收到 Offer 类型的 SDP 消息后,调用 setRemoteDescription 方法将 Offer 保存到它的 Remote 域。作为应答,被呼叫方要创建 Answer 类型的 SDP 消息,

• Answer 消息创建成功后,再调用 setLocalDescription 方法将 Answer 类型的 SDP 消息保存到本地的 Local 域。最后,被呼叫方将 Answer 消息通过信令发送给呼叫方。

• 呼叫方收到 Answer 类型的消息后,调用 RTCPeerConnecton 对象的 setRemoteDescription 方法,将 Answer 保存到它的 Remote 域

具体的媒体协商的过程是 WebRTC 内部自己去实现的, 作为开发者只需要记住本地的 SDP 和远端的 SDP 都设置好后,协商就算成功了.

紧接着在 WebRTC 底层会收集 Candidate,并进行连通性检测,最终在通话双方之间建立起一条链路来。

WebRTC 的连接 与 ICE Candidate(重点)

WebRTC 之间建立连接的过程是非常复杂的, 主要的原因在于它内部的实现既要考虑传输的高效性,又要保证端与端之间的连通率。

当同时存在多个有效连接时,它首先选择传输质量最好的线路,如能用内网连通就不用公网。另外,如果尝试了很多线路都连通不了,那么它还会使用服务端中继的方式让双方连通

WebRTC 是如何做到的? 答案是采用多个 Candicate 排序并执行连通性测试的方式

ICE Candidate

它表示 WebRTC 与远端通信时使用的协议、IP 地址和端口, 一般有以下字段

其中:

• host 表示 本机候选者

• srflx 表示内网主机映射的外网的地址和端口(通过 TURN 服务器, 需要在 PeerConnectionConfig 里面去配)

• relay 表示中继候选者 (通过 TURN 服务器, 需要在 PeerConnectionConfig 里面去配),

假设 A 和 B 都有多个 candidate, 那么 WebRTC 会按照host->srflx→relay的方式进行联通性测试, 选择最合适的方案

作为开发者, 只需要做两件事情:

1.部署相应的 TURN 服务器和 STUN 服务器(有现成的), 初始化 peerConnection 对象的时候配置 iceServers

2. 监听 oniceccandidate 方法, 每接收到一个 candidate, 就通过信令服务器发送给另外一方即可

当我们没有设置 TURN 服务器或者 STUN 服务器的时候, 两个端建立起了连接, 就可以判断两个端位于同一个局域网内

STUN 服务器与 NAT 穿透

如果两台主机不在同一个内网, WebRTC 将尝试 NAT 打洞,即 P2P 穿越。WebRTC 将 NAT 分类为 4 种类型

• 完全锥型

• NAT IP 限制型

• NAT 端口限制型

• NAT 对称型 NAT

具体的穿透逻辑也是对开发者屏蔽的, 但基本的思路是: 在公网上架设一台服务器,并向这台服务器发个请求, 该服务器往响应中塞入公网 IP , 这样客户端就可以知道自己的公网 IP

WebRTC 兼容性

从 can-i-use 中可以看到浏览器的支持情况还是相对乐观的

但是直接使用 webrtc 原生的 API 还是比较麻烦的, 虽然浏览器支持了 WebRTC, 但是各大浏览器内部的实现方式还是有差异, 需要对应的 pollyfill 方案

目前只有 adaptor.js 可以选择, 可以官方推荐的方案

基于原生 webrtc 的调用流程图

从上面的描述可以看到, 基于原生 WebRTC 去实现投屏功能的话还是比较麻烦的,

特别是 SDP 交换（createOffer 及 createAnswer）、网络候选信息收集(ICE candidate)

Peerjs

peerjs 简化了 webrtc 的开发过程，把 SDP 交换、ICE candidate 这些偏底层的细节都做了封装，开发人员只需要关注应用本身就行了。

peerjs 的核心对象 Peer，它有几个常用方法：

• peer.connect 创建点对点的连接
• peer.call 向另 1 个 peer 端发起音视频实时通信
• peer.on 对各种事件的监控回调
• peer.disconnect 断开连接
• peer.reconnect 重新连接
• peer.destroy 销毁对象

另外还有二个重要对象 DataConnection、MediaConnection，其中：

• DataConnection 用于收发数据(对应于 webrtc 中的 DataChannel)，它的所有方法中有一个重要的 send 方法，用于向另一个 peer 端发送数据；
• MediaConnection 用于处理媒体流，它有一个重要的 stream 属性，表示关联的媒体流。

peerjs 内置了一套信令服务器, peer-server, 开发者可以自己部署, 不指定的情况下会使用 peerjs 官方托管的信令服务器

总结：

• 相比原生的方案, api 简化, 开发者关注底层的细节少了
• 提供了 peer-server 可供部署, 官方也提供免费托管的 peerServer
• 封装程度比较高, 后续改造会比较麻烦

Simple-peer

与 peerjs 类似, 把 SDP 交换、ICE candidate 这些偏底层的细节都做了封装, 但是封装程度没有 peerjs 那么高, 提供了一定的灵活性:

peer.signal(data): 发送信令

peer.send(data): 发送 data

peer.addStream(stream): 添加音视频流

peer.removeStream(stream): 移除音视频流

peer.addTrack(track, stream)

peer.removeTrack(track, stream)

peer.destroy([err]): 销毁实例

peer.on(): 监听各种事件

相比 peerjs, simple-peerjs 自己并不提供 peerServer 作为信令服务器, 而是提供了一个 signal 事件

peer.on("signal", (data) => {// when peer1 has signaling data, give it to peer2 somehow// 在这里使用IM发送信令
});

总结：

• 一定程度的封装, 相比原生不需要写很多冗余的样板代码，但也意味着一个高级功能的实现需要自己来实现(peerjs 有文件传输相关的实现)
• 相比 peerjs, 不依赖 peerServer, 可以接入我们的 IM
• 总代码不到一千行, 且不依赖 server 代码, 改造起来比较容易

一些注意事项

https 限制

由于浏览器的安全限制, 本地开发的时候需要使用 localhost 访问, 或者配置 https 证书, 不然无法拿到 navigator.mediaDevices 对象

参考

• webrtc-samples

• google webrtc

• Peerjs

• Simple-peer

• 从 0 打造音视频直播系统

本文首发于个人博客前端开发笔记，由于笔者能力有限，文章难免有疏漏之处，欢迎指正