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

WebRTC内部结构简化图

WebRTC架构图(截图来自官网https://webrtc.org/

WebRTC核心技术点,简要概括为三部分

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:

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:

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

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