WebRTC学习笔记二基础概念
一、WebRTC与架构
简单来说,WebRTC 是一个可以在 Web 应用程序中实现音频,视频和数据的实时通信的开源项目。在实时通信中,音视频的采集和处理是一个很复杂的过程。比如音视频流的编解码、降噪和回声消除等,但是在 WebRTC 中,这一切都交由浏览器的底层封装来完成。我们可以直接拿到优化后的媒体流,然后将其输出到本地屏幕和扬声器,或者转发给其对等端。
Web API层 :面向开发者提供标准API(javascirpt),前端应用通过这一层接入使用WebRTC能力。 C++ API层:面向浏览器开发者,使浏览器制造商能够轻松地实现Web API方案。 音频引擎(VoiceEngine):音频引擎是一系列音频多媒体处理的框架,包括从视频采集卡到网络传输端等整个解决方案。 iSAC/iLBC/Opus等编解码 NetEQ语音信号处理 回声消除和降噪 视频引擎(VideoEngine): 是一系列视频处理的整体框架,从摄像头采集视频、视频信息网络传输到视频显示整个完整过程的解决方案。 VP8编解码 jitter buffer:动态抖动缓冲 Image enhancements:图像增益 传输(Transport):传输 / 会话层,会话协商 + NAT穿透组件 RTP 实时协议 P2P传输 STUN+TRUN+ICE实现的网络穿越 硬件模块:音视频的硬件捕获以及NetWork IO相关
虽然浏览器给我们解决了大部分音视频处理问题,但是从浏览器请求音频和视频时,我们还是需要特别注意流的大小和质量。因为即便硬件能够捕获高清质量流,CPU 和带宽也不一定可以跟上,这也是我们在建立多个对等连接时,不得不考虑的问题。 二、WebRTC的重要的类和API1.MediaStream(媒体流)和 MediaStreamTrack(媒体轨道)
这个类并不完全属于WebRTC的范畴,但是在本地媒体流获取,及远端流传到vedio标签播放都与WebRTC相关。 MS 由两部分构成: MediaStreamTrack 和 MediaStream。 MediaStreamTrack 媒体轨,代表一种单类型数据流,可以是音频轨或者视频轨。 MediaStream 是一个完整的音视频流。它可以包含 >=0 个 MediaStreamTrack。它主要的作用就是确保几个媒体轨道是同步播放。 2.Constraints 媒体约束
关于MediaStream,还有一个重要的概念叫做: Constraints(约束)。它是用来规范当前采集的数据是否符合需要,并可以通过参数来设置。 // 基本 const constraint1 = { "audio": true, // 是否捕获音频 "video": true // 是否捕获视频 } // 详细 const constraint2 = { "audio": { "sampleSize": 8, "echoCancellation": true //回声消除 }, "video": { // 视频相关设置 "width": { "min": "381", // 当前视频的最小宽度 "max": "640" }, "height": { "min": "200", // 最小高度 "max": "480" }, "frameRate": { "min": "28", // 最小帧率 "max": "10" } } } // 获取指定宽高,这里需要注意:在改变视频流的宽高时, // 如果宽高比和采集到的不一样,会直接截掉某部分 { audio: false, video: { width: 1280, height: 720 } } // 设定理想值、最大值、最小值 { audio: true, video: { width: { min: 1024, ideal: 1280, max: 1920 }, height: { min: 776, ideal: 720, max: 1080 } } }
对于移动设备来说,还可以指定获取前摄像头,或者后置摄像头: { audio: true, video: { facingMode: "user" } } // 前置 { audio: true, video: { facingMode: { exact: "environment" } } } // 后置 // 也可以指定设备 id, // 通过 navigator.mediaDevices.enumerateDevices() 可以获取到支持的设备 { video: { deviceId: myCameraDeviceId } }
还有一个比较有意思的就是设置视频源为屏幕,但是目前只有火狐支持了这个属性。 { audio: true, video: {mediaSource: "screen"} }
【腾讯文档】FFmpegWebRTCRTMPRTSPHLSRTP播放器-音视频流媒体高级开发-资料领取
FFmpegWebRTCRTMPRTSPHLSRTP鎾 斁鍣 -闊宠 棰戞祦濯掍綋楂樼骇寮 鍙 -璧勬枡棰嗗彇3.获取设备本地音视频
其中本地媒体流获取用到的是navigator.getUserMedia(),它提供了访问用户本地相机/麦克风媒体流的手段。 var video = document.querySelector("video"); navigator.getUserMedia({ audio : true, video : true }, function (stream) { //拿到本地媒体流 video.src = window.URL.creatObjectURL(stream); }, function (error) { console.log(error); });
getUserMedia的第一个参数就是Constraint,第二个参数传入回调函数拿到视频流。当然你可以使用如下Promise的写法: navigator.mediaDevices.getUserMedia(constraints). then(successCallback).catch(errorCallback);4.RTCPeerConnection
RTCPeerConnection,用于实现peer跟peer之间的NAT穿透,继而无需服务器就能传输音视频数据流的连接通道。
这么说过于抽象,为了帮助理解,可以用一个不太恰当但有助于理解的比喻:RTCPeerConnection就是一个高级且功能强大的用于传输音视频数据而建立类似Websocket链接通道,只不过它可以用来建立浏览器
之所以说是高级且强大,是因为它作为WebRTC web层核心API,让你无须关注数据传输延迟抖动、音视频编解码,音画同步等问题。直接使用PeerConnection 就能用上这些浏览器提供的底层封装好的能力。 5.Peer-to-peer Data API
RTCDataChannel可以建立浏览器之间的点对点通讯。常用的通讯方式有websocket, ajax和等方式。websocket虽然是双向通讯,但是无论是websocket还是ajax都是客户端和服务器之间的通讯,你必须配置服务器才可以进行通讯。
而由于RTCDATAChannel借助RTCPeerConnection无需经过服务器,就可以提供点对点之间的通讯,无需/(避免)服务器了这个中间件。 var pc = new RTCPeerConnection(); var dc = pc.createDataChannel("my channel"); dc.onmessage = function (event) { console.log("received: " + event.data); }; dc.onopen = function () { console.log("datachannel open"); }; dc.onclose = function () { console.log("datachannel close"); };6.信令Signaling
我们说WebRTC的RTCPeerConnection是可以做到浏览器间(无服务)的通信。
但这里有个问题,当两个浏览器不通过服务器建立PeerConnection时,它们怎么知道彼此的存在呢?进一步讲,它们该怎么知道对方的网络连接位置(IP/端口等)呢?支持何种编解码器?甚至于什么时候开始媒体流传输、又该什么时候结束呢?
因此在建立WebRTC的RTCPeerConnection前,必须建立 另一条通道来交这些协商信息,这些也被称为信令,这条通道成为信令通道(Signaling Channel)。
两个客户端浏览器交换的信令具有以下功能: 协商媒体功能和设置 标识和验证会话参与者的身份(交换SDP对象中的信息:媒体类型、编解码器、带宽等元数据) 控制媒体会话、指示进度、更改会话、终止会话等 其中主要涉及SDP(offer、answer)会话描述协议,以及ICE candidate的交换。
这里需要注意的一点: WebRTC标准本身没有规定信令交换的通讯方式,信令服务根据自身的情况实现。 一般会使用websocket通道来做信令通道,比如可以基于http://socket.io来搭建信令服务。当然业界也有很多开源且稳定成熟的信令服务方案可供选择。
显而易见,在上述连接的过程中:呼叫端(在这里都是指代浏览器)需要给接收端发送一条名为offer的信息。 接收端在接收到请求后,则返回一条 answer 信息给呼叫端。
这便是上述任务之一 ,SDP 格式的本地媒体元数据的交换。sdp 信息一般长这样: v=0 o=- 1837933589686018726 2 IN IP4 127.0.0.1 s=- t=0 0 a=group:BUNDLE audio video a=msid-semantic: WMS yvKeJMUSZzvJlAJHn4unfj6q9DMqmb6CrCOT m=audio 9 UDP/TLS/RTP/SAVPF 111 103 104 9 0 8 106 105 13 110 112 113 126 ... ...
但是任务不仅仅是交换,还需要分别保存自己和对方的信息,所以我们再加点料:
呼叫端 创建 offer 信息后,先调用 setLocalDescription 存储本地 offer 描述,再将其发送给 接收端 。 接收端 收到 offer 后,先调用 setRemoteDescription 存储远端 offer 描述;然后又创建 answer 信息,同样需要调用 setLocalDescription 存储本地 answer 描述,再返回给 接收端 呼叫端 拿到 answer 后,再次调用 setRemoteDescription 设置远端 answer 描述。
到这里点对点连接还缺一步,也就是网络信息 ICE 候选交换。不过这一步和 offer、answer 信息的交换并没有先后顺序,流程也是一样的。即:在呼叫端和接收端的 ICE 候选信息准备完成后,进行交换,并互相保存对方的信息,这样就完成了一次连接。
这张图是我认为比较完善的了,详细的描述了整个连接的过程。正好我们再来小结一下: 基础设施:必要的信令服务和 NAT 穿越服务 clientA 和 clientB 分别创建 RTCPeerConnection 并为输出端添加本地媒体流。如果是视频通话类型,则意味着,两端都需要添加媒体流进行输出。 本地 ICE 候选信息采集完成后,通过信令服务进行交换。 呼叫端(好比 A 给 B 打视频电话,A 为呼叫端)发起 offer 信息,接收端接收并返回一个 answer 信息,呼叫端保存,完成连接。 三、WebRTC建立连接的关键-ICE连接
在交换SDP后,webrtc就开始真正的连接来传输音视频数据。这个建立连接的过程相当复杂,原因是webrtc既要保证高效的传输性,又要保证稳定的连通性。
由于浏览器客户端之间所处的位置往往是相当复杂的,可能处于同一个内网段内,也可能处于两个不同的位置,所处的NAT网关也可能很复杂。因此需要一种机制找到一条传输质量最优的道路,而WebRTC正具备这种能力。
首先简单了解以下三个概念。 ICE Canidate(ICE 候选者):包含远端通信时使用的协议、IP 地址和端口、候选者类型等信息。 STUN/TURN:STUN实现P2P型连接,TRUN实现中继型连接。两者实现均有标准协议。(参考下图) NAT穿越:NAT即网络地址转换,由于客户端并不能分配到公网IP,需要内网IP与公网IP端口做映射才能与外网通信。而NAT穿越就是位于层层Nat网关背后的客户端之间发现对方并建立连接。
ICE连接大致的原理及步骤如下: 发起收集ICE Canidate任务。 本机能收集host类型(内网IP端口)的candidate。 通过STUN服务器收集srflx类型(NAT映射到外网的IP端口)的candiate。 通过TURN服务器收集relay类型的(中继服务器的 IP 和端口)的candidate。 开始尝试NAT穿越,按照host类型、srflx类型、relay类型的优先级去连接。
以上,WebRTC便能找到一条传输质量最优的连接道路。 当然实际情况并不是这么简单,整个过程包含着更复杂的底层细节。
以下参考 ICE协议下NAT穿越的实现(STUN&TURN) 1.首先来简单讲讲什么是NAT?
原来这是因为IPV4引起的,我们上网很可能会处在一个NAT设备(无线路由器之类)之后。 NAT设备会在IP封包通过设备时修改源/目的IP地址. 对于家用路由器来说, 使用的是网络地址端口转换(NAPT), 它不仅改IP, 还修改TCP和UDP协议的端口号, 这样就能让内网中的设备共用同一个外网IP. 举个例子, NAPT维护一个类似下表的NAT表:
NAT设备会根据NAT表对出去和进来的数据做修改, 比如将192.168.0.3:8888发出去的封包改成120.132.92.21:9202, 外部就认为他们是在和120.132.92.21:9202通信. 同时NAT设备会将120.132.92.21:9202收到的封包的IP和端口改成192.168.0.3:8888, 再发给内网的主机, 这样内部和外部就能双向通信了, 但如果其中192.168.0.3:8888 == 120.132.92.21:9202这一映射因为某些原因被NAT设备淘汰了, 那么外部设备就无法直接与192.168.0.3:8888通信了。 我们的设备经常是处在NAT设备的后面, 比如在大学里的校园网, 查一下自己分配到的IP, 其实是内网IP, 表明我们在NAT设备后面, 如果我们在寝室再接个路由器, 那么我们发出的数据包会多经过一次NAT. 2.NAT的副作用以及解决方案
国内移动无线网络运营商在链路上一段时间内没有数据通讯后, 会淘汰NAT表中的对应项, 造成链路中断。这是NAT带来的 第一个副作用:NAT超时 。而国内的运营商一般NAT超时的时间为5分钟,所以通常我们TCP长连接的心跳设置的时间间隔为3-5分钟。
而第二个副作用就是:我们这边文章要提到的 NAT墙 。NAT会有一个机制,所有外界对内网的请求,到达NAT的时候,都会被NAT所丢弃,这样如果我们处于一个NAT设备后面,我们将无法得到任何外界的数据。
但是这种机制有一个解决方案:就是如果我们A主动往B发送一条信息,这样A就在自己的NAT上打了一个B的洞。这样A的这条消息到达B的NAT的时候,虽然被丢掉了,但是如果B这个时候在给A发信息,到达A的NAT的时候,就可以从A之前打的那个洞中,发送给到A手上了。
简单来讲,就是如果A和B要进行通信,那么得事先A发一条信息给B,B发一条信息给A。这样提前在各自的NAT上打了对方的洞,这样下一次A和B之间就可以进行通信了。 3.四种NAT类型:
RFC3489 中将 NAT 的实现分为四大类: Full Cone NAT (完全锥形 NAT) Restricted Cone NAT (限制锥形 NAT ,可以理解为 IP 限制,Port不限制) Port Restricted Cone NAT (端口限制锥形 NAT,IP+Port 限制) Symmetric NAT (对称 NAT)
其中完全最上层的完全锥形NAT的穿透性最好,而最下层的对称形NAT的安全性最高。
简单来讲讲这4种类型的NAT代表什么: 如果一个NAT是Full Cone NAT,那么无论什么IP地址访问,都不会被NAT墙掉(这种基本很少)。 Restricted Cone NAT,仅仅是经过打洞的IP能穿越NAT,但是不限于Port。 Port Restricted Cone NAT,仅仅是经过打洞的IP+端口号能穿越NAT。 Symmetric NAT 这种也是仅仅是经过打洞的IP+端口号能穿越NAT,但是它有一个最大的和Cone类型的NAT的区别,它对外的公网Port是不停的变化的:比如A是一个对称NAT,那么A给B发信息,经过NAT映射到一个Port:10000,A给C发信息,经过NAT映射到一个Port:10001,这样会导致一个问题,我们服务器根本无法协调进行NAT打洞。
至于为什么无法协调打洞,下面我们会从STUN和TURN的工作原理来讲。 4.STUN Server主要做了两件事接受客户端的请求,并且把客户端的公网IP、Port封装到ICE Candidate中。 通过一个复杂的机制,得到客户端的NAT类型。
完成了这些STUN Server就会这些基本信息发送回客户端,然后根据NAT类型,来判断是否需要TURN服务器协调进行下一步工作。
我们来讲讲这两步具体做了什么吧: 第一件事就不用说了,其实就是得到客户端的请求,把源IP和Port拿到,添加到ICE Candidate中。
来讲讲第二件事,STUN是如何判断NAT的类型的: 假设B是客户端,C是STUN服务器,C有两个IP分别为IP1和IP2(至于为什么要两个IP,接着往下看):
STEP1. 判断客户端是否在NAT后: B向C的IP1的pot1端口发送一个UDP 包。C收到这个包后,会把它收到包的源IP和port写到UDP包中,然后把此包通过IP1和port1发还给B。这个IP和port也就是NAT的外网 IP和port(如果你不理解,那么请你去看我的BLOG里面的NAT的原理和分类),也就是说你在STEP1中就得到了NAT的外网IP。
熟悉NAT工作原理的朋友可以知道,C返回给B的这个UDP包B一定收到。如果在你的应用中,向一个STUN服务器发送数据包后,你没有收到STUN的任何回应包,那只有两种可能:1、STUN服务器不存在,或者你弄错了port。2、你的NAT拒绝一切UDP包从外部向内部通过。
当B收到此UDP后,把此UDP中的IP和自己的IP做比较,如果是一样的,就说明自己是在公网,下步NAT将去探测防火墙类型,我不想多说。如果不一样,说明有NAT的存在,系统进行STEP2的操作。
STEP2. 判断是否处于Full Cone Nat下: B向C的IP1发送一个UDP包,请求C通过另外一个IP2和PORT(不同与SETP1的IP1)向B返回一个UDP数据包(现在知道为什么C要有两个IP了吧,虽然还不理解为什么,呵呵)。
我们来分析一下,如果B收到了这个数据包,那说明什么?说明NAT来着不拒,不对数据包进行任何过滤,这也就是STUN标准中的full cone NAT。遗憾的是,Full Cone Nat太少了,这也意味着你能收到这个数据包的可能性不大。如果没收到,那么系统进行STEP3的操作。
STEP3. 判断是否处于对称NAT下: B向C的IP2的port2发送一个数据包,C收到数据包后,把它收到包的源IP和port写到UDP包中,然后通过自己的IP2和port2把此包发还给B。
和step1一样,B肯定能收到这个回应UDP包。此包中的port是我们最关心的数据,下面我们来分析: 如果这个port和step1中的port一样,那么可以肯定这个NAT是个CONE NAT,否则是对称NAT。道理很简单:根据对称NAT的规则,当目的地址的IP和port有任何一个改变,那么NAT都会重新分配一个port使用,而在step3中,和step1对应,我们改变了IP和port。因此,如果是对称NAT,那这两个port肯定是不同的。
如果在你的应用中,到此步的时候PORT是不同的,那么这个它就是处在一个对称NAT下了。如果相同,那么只剩下了restrict cone 和port restrict cone。系统用step4探测是是那一种。
STEP4. 判断是处于Restrict Cone NAT还是Port Restrict NAT之下: B向C的IP2的一个端口PD发送一个数据请求包,要求C用IP2和不同于PD的port返回一个数据包给B。
我们来分析结果:如果B收到了,那也就意味着只要IP相同,即使port不同,NAT也允许UDP包通过。显然这是Restrict Cone NAT。如果没收到,没别的好说,Port Restrict NAT.
到这里STUN Server一共通过这4步,判断出客户端处于什么类型的NAT下,然后去做后续的处理: 这4步都会返回给客户端它的公网IP、Port和NAT类型,除此之外:
(a) 如果A处于公网或者Full Cone Nat下,STUN不做其他的了,因为其他客户端可以直接和A进行通信。
(b) 如果A处于Restrict Cone或者Port Restrict NAT下,STUN还会协调TURN进行NAT打洞。
(c) 如果A处于对称NAT下,那么点对点连接下,NAT是无法进行打洞的。所以为了通信,只能采取最后的手段了,就是转成C/S架构了,STUN会协调TURN进行消息转发。
5.TURN Server也主要做了两件事:为NAT打洞:如果A和B要互相通信,那么TURN Server,会命令A和B互相发一条信息,这样各自的NAT就留下了对方的洞,下次他们就可以之间进行通信了。 为对称NAT提供 消息转发 :当A或者B其中一方是对称NAT时,那么给这一方发信息,就只能通过TURN Server来转发了。 6.为什么对称NAT无法打洞:
假如A、B进行通信,而B处于对称NAT之下,那么A与B通信,STUN拿到A,B的公网地址和端口号都为10000,然后去协调TURN打洞,那么TURN去命令A发信息给B,则A就在NAT打了个B的洞,但是这个B的洞是端口号为10000的洞,但是下次B如果给A发信息,因为B是对称NAT,它给每个新的IP发送信息时,都重新对应一个公网端口,所以给A发送请求可能是公网10001端口,但是A只有B的10000端口被打洞过,所以B的请求就被丢弃了。 显然Server是无法协调客户端打洞的,因为协调客户端打得洞仅仅是上次对端为Server发送端口的洞,并不适用于另一个请求。
最后的最后再补充一点,就是NAT打的洞也是具有时效性的,如果NAT超时了,那么还是需要重新打洞的。 五、垫片-兼容性
一开始各个浏览器厂商,都会实现自己的一套API,诸如 webkitRTCPeerConnection 和 mozRTCPeerConnection 这样的差异,对于前端开发者当然是苦不堪言。而adapter.js正是为了消除这种差异,帮助我们可以按照规范来写我们的WebRTC代码。
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