详解WebRTC——网页实时通信技术

导语:WebRTC相关技术有很多可以创新的点,比如业界已有创业团队在做Web P2P,核心技术就是WebRTC + DASH协议,共享空闲资源,基于此可以做雾CDN,节点都在用户侧,去中心化

详解WebRTC——网页实时通信技术

简介

全称是: Web browser Real Time Communication
特点如下:

  • 是基于浏览器的实时音视频(数据)通信技术
  • 免插件
  • 开源
  • 已被W3C纳入HTML5标准
  • 跨平台,跨浏览器,跨移动应用
  • Mac OSX、Windows、iOS、Android、Linux

应用场景

适用于网页间音视频实时通信,点对点数据共享,QQ、腾讯视频已有应用

优势

1.方便。对于用户来说,在WebRTC出现之前想要进行实时通信就需要安装插件和客户端,但是对于很多用户来说,插件的下载、软件的安装和更新这些操作是复杂而且容易出现问题的,现在WebRTC技术内置于浏览器中,用户不需要使用任何插件或者软件就能通过浏览器来实现实时通信。
2.免费。虽然WebRTC技术已经较为成熟,其集成了最佳的音/视频引擎,十分先进的codec,但是Google对于这些技术不收取任何费用。
3.强大的打洞能力。WebRTC技术包含了使用STUN、ICE、TURN、RTP-over-TCP的关键NAT和防火墙穿透技术,并支持代理。

缺点

1.传输质量难以保证,比如跨地区、跨运营商、低带宽、高丢包、P2P连接率、呼叫成功率。
2.设备端适配,如回声、录音失败等问题层出不穷。这一点在安卓设备上尤为突出。由于安卓设备厂商众多,每个厂商都会在标准的安卓框架上进行定制化,导致很多可用性问题(访问麦克风失败)和质量问题(如回声、啸叫)。

WebRTC媒体会话原理

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WebRTC内部结构简化图

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WebRTC架构图(截图来自官网https://webrtc.org/)

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WebRTC核心技术点,简要概括为三部分

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下文详细介绍WebRTC核心API和信令服务器部分

WebRTC 核心API详解

运用RTCPeerConnection和RTCDataChannel两个核心API,能够实现任意数据的点对点交换,官网Demo如下:

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该Demo不需要servers,因为呼叫方(发送数据)和呼叫应答方(接收数据)在同一页面上,这样能够清晰的了解RTCPeerConnection API的原理,页面上的RTCPeerConnection对象可以直接交换数据和消息,而无需使用信令服务器。
可以用开发者工具查看WebRTC统计信息

  • Chrome:chrome://webrtc-internals
  • Opera:opera://webrtc-internals
  • FireFox:about:webrtc
    chrome开发者工具中查看WebRTC,如下图所示:

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Demo 代码分析

以Demo为例,分析Web P2P创建、通信、传输数据等流程,具体分析API中各个关键属性、方法、事件的含义和标准操作姿势
完整源码见Github

function createConnection() {
    sendButton.disabled = true;
    megsToSend.disabled = true;
    var servers = null;

    bytesToSend = Math.round(megsToSend.value) * 1024 * 1024;

    // 创建连接,servers可以传入一些描述信息,由于这个demo不需要验证连接信息,在同一个页面上可以直接连接,该参数传null即可
    localConnection = localConnection = new RTCPeerConnection(servers);
    //打印log
    trace('Created local peer connection object localConnection');

    var dataChannelParams = { ordered: false };
    if (orderedCheckbox.checked) {
        dataChannelParams.ordered = true;
    }

    //创建数据通道 语法:dataChannel = RTCPeerConnection .createDataChannel(label [,options ]);,lable:通道的名称;optins:是个可选参数,传入数据通道配置参数,有很多参数可选,例子中的ordered:true表示有序模式,false即为无序模式,还有其他参数maxPacketLifeTime 、maxRetransmits等等
    sendChannel = localConnection.createDataChannel('sendDataChannel', dataChannelParams);
    sendChannel.binaryType = 'arraybuffer';
    trace('Created send data channel');

    //绑定onopen、onclose、onicecandidate(当RTCPeerConnection被createPeerConnection()成功创建时触发,回调会返回待连接端的配置信息)
    sendChannel.onopen = onSendChannelStateChange;
    sendChannel.onclose = onSendChannelStateChange;
    localConnection.onicecandidate = function (e) {
        onIceCandidate(localConnection, e);
    };

    //创建呼叫实例
    localConnection.createOffer().then(
        gotDescription1,
        onCreateSessionDescriptionError
    );

    //创建远端接收连接实例
    remoteConnection = remoteConnection = new RTCPeerConnection(servers);
    trace('Created remote peer connection object remoteConnection');

    remoteConnection.onicecandidate = function (e) {
        onIceCandidate(remoteConnection, e);
    };
    //当一个RTC数据通道已被远端调用createDataChannel()添加到连接中时触发
    remoteConnection.ondatachannel = receiveChannelCallback;
}

function receiveChannelCallback(event) {
    trace('Receive Channel Callback');
    receiveChannel = event.channel;
    receiveChannel.binaryType = 'arraybuffer';
    //接收到数据时触发
    receiveChannel.onmessage = onReceiveMessageCallback;

    receivedSize = 0;
}

function onReceiveMessageCallback(event) {
    receivedSize += event.data.length;
    receiveProgress.value = receivedSize;

    if (receivedSize === bytesToSend) {
        closeDataChannels();
        sendButton.disabled = false;
        megsToSend.disabled = false;
    }
}

function onSendChannelStateChange() {
    var readyState = sendChannel.readyState;
    trace('Send channel state is: ' + readyState);
    if (readyState === 'open') {
        sendGeneratedData();
    }
}

function sendGeneratedData() {
    sendProgress.max = bytesToSend;
    receiveProgress.max = sendProgress.max;
    sendProgress.value = 0;
    receiveProgress.value = 0;

    var chunkSize = 16384;
    var stringToSendRepeatedly = randomAsciiString(chunkSize);
    var bufferFullThreshold = 5 * chunkSize;
    var usePolling = true;
    if (typeof sendChannel.bufferedAmountLowThreshold === 'number') {
        trace('Using the bufferedamountlow event for flow control');
        usePolling = false;

        // 缓冲区大小限值
        bufferFullThreshold = chunkSize / 2;

        // 缓冲区大小控制
        sendChannel.bufferedAmountLowThreshold = bufferFullThreshold;
    }

    // bufferedamountlow 事件处理
    var listener = function () {
        sendChannel.removeEventListener('bufferedamountlow', listener);
        sendAllData();
    };
    var sendAllData = function () {
        // 把一堆数据排队进行处理,在数据通道被填满时停止,这里不建议每次发送后设置Timeout,这样会降低吞吐量
        while (sendProgress.value < sendProgress.max) {
            if (sendChannel.bufferedAmount > bufferFullThreshold) {
                if (usePolling) {
                    setTimeout(sendAllData, 250);
                } else {
                    sendChannel.addEventListener('bufferedamountlow', listener);
                }
                return;
            }
            sendProgress.value += chunkSize;
            // send方法发送数据,RTCDataChannel的语法跟WebSocket语法非常相似,都有message事件和sand方法
            sendChannel.send(stringToSendRepeatedly);
        }
    };
    setTimeout(sendAllData, 0);
}

WebRTC核心API兼容性

MediaStream and getUserMedia

  • Chrome desktop 18.0.1008+; Chrome for Android 29+
  • Opera 18+; Opera for Android 20+
  • Opera 12, Opera Mobile 12 (基于Presto引擎)
  • Firefox 17+
  • Microsoft Edge

RTCPeerConnection

  • Chrome desktop 20+ (now ‘flagless’, i.e. no need to set about:flags); * * Chrome for Android 29+ (flagless)
  • Opera 18+ (默认开启); Opera for Android 20+ (默认开启)
  • Firefox 22+ (默认开启)

RTCDataChannel

  • Chrome 25中的实验版本,在Chrome 26+中更稳定(and with Firefox interoperability); Chrome for Android 29+
  • Opera 18+中的稳定版本(and with Firefox interoperability); Opera for * * * Android 20+
  • Firefox 22+ (默认开启)

信令服务器

信令就是协调通讯的过程,为了建立一个webRTC的通讯过程,客户端需要交换如下信息:

  • 会话控制信息,用来开始和结束通话,即开始视频、结束视频这些操作指令。
  • 处理错误的消息。
  • 元数据,如各自的音视频解码方式、带宽。
  • 网络数据,对方的公网IP、端口、内网IP及端口。
    我们需要一个中间服务器来在客户端之间交换信令消息和数据,这个过程在WebRTC里面是没有实现的,但WebRTC协议没有规定与服务器的通信方式,因此可以采用各种方式,比如WebSocket。初学者可以用NodeJS搭建简易的信令服务器,交换双方的元数据,真实项目里还会有STUN和TURN服务器 【更多】

下面是NodeJS创建信令服务器的源码:

'use strict';

var os = require('os');
var nodeStatic = require('node-static');
var http = require('http');
var socketIO = require('socket.io');

var fileServer = new (nodeStatic.Server)();
var app = http.createServer(function (req, res) {
    fileServer.serve(req, res);
}).listen(8080);

var io = socketIO.listen(app);
io.sockets.on('connection', function (socket) {

    // 打印日志功能
    function log() {
        var array = ['Message from server:'];
        array.push.apply(array, arguments);
        socket.emit('log', array);
    }

    socket.on('message', function (message) {
        log('Client said: ', message);
        // 本示例使用广播方式,真实项目中应该是指定房间号(Socket.IO适用于学习WebRTC信号,因为它内置了'房间'的概念)
        socket.broadcast.emit('message', message);
    });

    socket.on('create or join', function (room) {
        log('Received request to create or join room ' + room);

        var clientsInRoom = io.sockets.adapter.rooms[room];
        var numClients = clientsInRoom ? Object.keys(clientsInRoom.sockets).length : 0;

        log('Room ' + room + ' now has ' + numClients + ' client(s)');

        if (numClients === 0) {
            socket.join(room);
            log('Client ID ' + socket.id + ' created room ' + room);
            socket.emit('created', room, socket.id);

        } else if (numClients === 1) {
            log('Client ID ' + socket.id + ' joined room ' + room);
            io.sockets.in(room).emit('join', room);
            socket.join(room);
            socket.emit('joined', room, socket.id);
            io.sockets.in(room).emit('ready');
        } else { // 最多两个客户端
            socket.emit('full', room);
        }
    });

    socket.on('ipaddr', function () {
        var ifaces = os.networkInterfaces();
        for (var dev in ifaces) {
            ifaces[dev].forEach(function (details) {
                if (details.family === 'IPv4' && details.address !== '127.0.0.1') {
                    socket.emit('ipaddr', details.address);
                }
            });
        }
    });

});

利用WebRTC相关技术有很多可以创新的点,比如业界已有创业团队在做Web P2P,核心技术就是WebRTC + DASH协议,共享空闲资源,基于此可以做雾CDN,节点都在用户侧,去中心化,这里还是有很多挖掘空间的。

参考资料

https://webrtc.org/
https://developer.mozilla.org/zh-CN/docs/Web/API/WebRTC_API
https://hpbn.co/webrtc/
https://webrtchacks.com/
https://codelabs.developers.google.com/codelabs/webrtc-web/#0

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