WebRTC → 信令服务器

相关简介

信令：驱动系统运转。控制各个模块的前后调用关系;业务不同，逻辑不同，信令也会千差万别

要实现一对一通信，驱动系统的核心就是信令。信令控制着系统各个模块之间的前后调用关系，比如当收到用户成功加入房间后，系统需要立即将RTCPeerConnention对象创建好，以便向STUN/TURN服务器请求其外网的IP地址和端口；而当收到另一个用户加入房间的消息时，系统需要将自己的外网IP地址和端口交换给对方，从而建立起Socket连接；

WebRTC使用信令服务器交换媒体信息和网络候选者信息，信令服务器承担着消息传输和交换的工作，WebRTC规定了信令服务器的实现方式：任何能够进行网络信息交换的技术都可以用来实现信令服务器，如HTTP、XMPP及WebSocket等

信令服务器主要作用

实现业务层管理* 如用户创建房间，加入房间，退出房间等* 确定何时初始化、关闭和修改通话会议，也可以进行错误报告
让通信双方彼此交换网络信息* 最常见的是交换通信双方的IP地址和端口 - ICE Candidate* 两个WebRTC之间会尽可能选择P2P进行传输，同一个局域网内直接通过P2P进行传输，不同局域网内需要使用P2P穿越后进行数据传输，P2P穿越成功后直接传输，失败后进行中转等 - 后续的候选人中进行解说
通信双方交换媒体信息* 媒体信息用SDP来表示，这个SDP可以简单理解为：媒体类型的编码器是什么、是否支持该媒体类型和对应的编码器、编码方式是什么等

最简单的信令系统的分类

客户端发送给服务器的信令
服务端发送给客户端的信令

常见的信令系统

客户端* 用户加入房间 - join* 用户离开房间 - leave* 端到端的命令 - message
服务端* 用户已加入 - joined* 用户已离开 - left* 其他用户已加入 - other_joined* 其他用户已离开 - bye* 房间已满 - full

信令传输协议的选择

一般选择TCP或者基于TCP的HTTP/HTTPS、WS/WSS等协议作为信令服务器的传输协议；

原因一：TCP是可靠的传输协议，可以保证传输的数据可靠、有序到达
原因二：TCP上传输数据是流式的，不必担心传输的数据过大导致的拆包传输的问题

信令服务器的常见特点

可以同时支撑多个WebRTC通话环境，即多个房间，且房间之间互不影响
每个房间的参与人数不受限制
实时性好，不可有明显的延时
支持可靠的信令传输，发送者要知道明确的发送反馈，即使发送失败了
性能好、可拓展性要好，要兼顾后续的拓展功能如传输应用数据等

信令时序

在发送信令前，各端需要先与信令服务器SigServer建立连接，建立连接后终端会向信令服务器发送join消息，服务器收到该消息后会返回joined消息(信令服务器在收到该信令后，会先将该用户加入服务器管理的房间，然后向客户端返回joined信令)，标识已加入房间，同理其他用户加入也是类似只是会收到otherjoin的消息；> 房间：房间服务器将多端聚集到一起管理；

WebRTC信令如何工作

A和B通过WebSocket连接或顺序HTTP请求连接到WebRTC信令服务器；
A与WebRTC信令服务器之间的通信称为offer-answer机制，是WebRTC的一部分
对等点A和对等点B之间的连接是为了在设备之间直接发送媒体而建立的。要到达哪里，对等点必须首先通过WebRTC信号服务器进行通信

WebRTC一对一架构

WebRTC 组成部分

分别是两个WebRTC终端、一个信令服务器、一台中继服务器(STUN/TURN)和两个NAT，这是最经济的一对一通信架构。其中信令服务器与中继服务器都在NAT外，也就是属于外网。而两个WebRTC终端在NAT内，属于内网；> 终端知道对方的IP地址后通过NAT穿越进行P2P连接和传输

WebRTC通信步骤

两个终端通信前，都要先与信令服务器连接；
交换信息前，WebRTC终端还要与STUN/TURN服务器建立连接，这样做的目的是通过STUN/TURN服务器获得各自的外网IP地址(子网和公网)、端口和NAT结构(IP地址和端口对我们称之为ICE Candidate)
连接后通信双方就可以通过信令服务器彼此交换信息了,如获取到对方的外网IP地址和端口等信息；
当获得彼此信息后，就可以尝试NAT穿越，进行P2P连接了

WebRTC架构细化

在Call端内部，首先调用音视频设备检测模块检测终端是否有可用的音视频设备，即步骤❶；然后执行第❷步，调用音视频采集模块从设备中采集音视频数据；采集到数据后，执行第❸步开启客户端录制（是否开启录制是可选的，用户可以根据自己的需求选择录制或不录制）；当数据采集相关的工作就绪后，执行第❹步，通过信令模块与信令服务器建立连接；紧接着执行第❺步，创建RTCPeerConnection对象（RTCPeerConnection对象是WebRTC最核心的对象，后面音视频数据的传输都靠它来完成）。RTCPeerConnection创建好后，系统要先将它与之前采集的音视频数据绑定到一起，这样RTCPeerConnection才知道从哪里获取要发送的数据。以上就是图4.2中前五步所完成的工作。> 接下来再来看一下RTCPeerConnection创建socket连接的过程。要建立socket连接，RTCPeerConnection首先要执行图4.2中的第❻步，向STUN/TRUN服务器发送请求。STUN/TURN服务器收到Call的请求后，会将Call的外网IP地址和端口号作为应答消息返回去；之后终端执行第❼步，通过信令服务器将Call的连接地址发送给对端。同理，Called也会将它的IP地址和端口发给Call。当通信双方都获得对端的地址后，执行第❽步，此时socket连接就被建立起来了。至此，RTCPeerConnection就可以将音视频数据源源不断地发送给对端。以上就是WebRTC一对一通信的完整过程。

连接双方通过第三方服务器来交换各自的ICE Candidate，如果连接双方在同一个NAT下那么他们仅可以通过内网Candidate就能建立连接，反之就需要STUN Server识别出的公网Candidate进行通信；> 当公网Candidate都无法建立连接时，就说明有一方处于对称NAT下，这就需要处于对称NAT下的客户端去寻找TURN Server提供的转发服务，然后将转发形成的Candidate共享(Signalling)给对方；> 总结：同一个NAT → 非对称NAT → 对称NAT → 服务中转共享Candidate

RTCPeerConnection

RTCPeerConnection对象是WebRTC的核心，同时也是暴露给用户的统一接口，内部包含了网络处理模块、服务质量模块、音视频引擎模块等，可以将其理解成一个Socket，可以快速稳定的实现端到端的数据传输，创建RTCPeerConnection需要传入STUN/TURN服务器等相关信息

WebRTC信令机制

WebRTC信令使用称为ICE的协议，该协议收集、交换，然后尝试使用ICE候选者连接会话,ICE候选者是可以让对等点相互连接的潜在地址。

ICE使得数据包到达目标对等方的三种方法

通过三种方法，ICE可以计算出最快、最简单的NAT穿越路由，以便使数据包到达其目标对等方

方法一：UDP连接* 使用从设备操作系统和网卡获取的IP地址建立UDP连接，这将不可避免地在NAT后面的设备上失败 - 忽略该方法
方法二：STUN服务器* STUN服务器是WebRTC信令中最常用的方法。* STUN服务器检查传入请求的IP地址和端口，然后将该地址发送给对等方作为响应。* 这允许应用程序提供一个可公开访问的地址，然后通过信令机制将其发送给另一个WebRTC对等点
方法三：TURN中继服务器* TURN服务器用于在对等点之间传输音视频和其他实时数据，由于它支持对等方之间的实时数据交换，因此不共享信号信息；* TURN服务器具有公共地址，因此对等方可以连接到他们，即使他们位于NAT和防火墙之后

构建信令服务器

信令服务器的实现方案

原生方案

使用原生C/C++、Java等语言从零开发一个信令服务器，这种方案的实现成本非常高

现成的技术

利用现成的Web服务器做应用开发，如以Apache、Nginx、NodeJS等为服务，在其上做应用开发是不错的选择

优势

一般信令系统都需要使用HTTP/HTTPS、WS/WSS等基于TCP的传输协议，而Apache、Ng inx、NodeJS等服务器显然在这方面有天然的优势
实时通信的信令服务器一般负荷不会很高，这个量级对于Node和Nginx来说，单台服务器就可以了，再者通过Nginx和Node实现起来也相对容易些，且稳定性也挺高

信令服务器的业务逻辑

最重要的就是房间的概念，只有成功创建和加入了房间后才可以进行数据交换，再者当通信的双方结束通话后，用户需要发送离开房间的消息给信令服务器，此时信令服务器需要将房间内的所有人清除，当房间内没有人了时，还需要将房间进行销毁；

信令服务器的实现

WebRTC的服务器

room应用服务器
信令服务器* WebRTC依靠信令服务器来建立对等点之间的连接，而信令是计算机如何利用WebRTC发现其他计算机来连接的；* 信令服务器本身不直接处理数据流，因为这是在对等点之间完成的，WebRTC信令服务器仅处理有关客户端的元数据或数据* 一旦每个客户端都获得了所有其他连接客户端的SDP提供，他们就开始点对点连接，而无需使用任何服务器* 处理信息如下：* 客户端配置：客户端窗口分辨率、Web APP如何连接到该用户的媒体设备、客户端需要用哪些编解码器进行媒体播放和传输* 网络信息：网络地址和端口等信息* 在WebRTC的每一端，当创建好 RTCPeerConnection 对象，且调用了setLocalDescription 方法后，就开始收集 ICE候选者了* ICE候选者 - 主机候选者：表示的是本地局域网内的IP地址和端口，其优先级是最高的 - 在WebRTC中会首先尝试本地局域网内建立连接* ICE候选者 - 反射候选者：表示的是获取NAT内主机的外网IP地址和端口。优先级第二， - 当本地局域网内连接不通时会尝试通过反射候选者获得的IP地址和端口进行连接；WebRTC内部会探测用户的NAT类型，最终采用不同的方法进行NAT穿越
流媒体中转服务器* 媒体服务器的最大特点是不仅在于它可以向N人发送广播，而且媒体服务器处理转码和编码，甚至将WebRTC流重新打包到其他协议，进行缩放，甚至添加自适应流功能让观众开心，媒体服务器也可以充当WebRTC信令服务器，如Ant Media Server
NAP穿越服务器* socket.io本身就有房间的概念，也具有信令转发的功能，因此可以用socket.io代替WebRTC中的room服务器和信令服务器

存在的问题及解决办法

如何创建一个HTTP服务* 通过Node的HTTP/HTTPS库和express库进行实现
如何使用socket.io库* 在Node中通过requier进行引入，然后利用socket.io的API进行交互实现如on方法接收消息，emit发送消息，具体API参考官网socket.io浅析
如何进行信令转发* 需要根据收到的不同的信令，返回不同的结果

io.sockets.on("connection", (socket) => {//收到message时，直接进行转发socket.on("message", (message) => {//给另一端转发消息socket.to(room).emit("message", message);});//收到 join 消息socket.on("join", (room) => {// 首先将用户加入服务端管理的房间中，之后向客户端返回joined消息var o = io.sockets.adapter.rooms[room];//得到房间里的人数var nc = o ? Object.keys(o.sockets).length : 0;if (nc < 2) {//如 果 房 间中 没 有 超 过 2 人socket.join(room);//发 送 joined消 息socket.emit("joined", room);//...} else {// max two clientssocket.emit("full", room); //发 送 full 消 息}});//...}); ``````
"use strict " 
var log4js = require("log4js "); // 用于输出日志
var http = require("http"); // 提供HTTP 服务
var https = require("https "); // 提供HTTPS 服务
var fs = require("fs"); // 用于读取文件内容
var socketIo = require("socket.io");
var express = require("express ");
var serveIndex = require("serve -index ");
// 一个房间里可以同时在线的最大用户数
var USERCOUNT = 3;
// 日志的配置项
log4js.configure({appenders: {file: {type: "file",filename: "app.log",layout: {type: "pattern ",pattern: "%r %p - %m",},},},categories: {default: {appenders: ["file"],level: "debug ",},},
});
var logger = log4js.getLogger();
var app = express();
app.use(serveIndex("./ public "));
app.use(express.static("./ public "));
// 设置跨域访问
app.all("*", function (req, res, next) {// 设置允许跨域的域名， * 代表允许任意域名跨域res.header("Access -Control -Allow -Origin", "*");// 允许的header 类型res.header("Access -Control -Allow -Headers", "content -type");// 跨域允许的请求方式res.header("Access -Control -Allow -Methods","DELETE ,PUT ,POST ,GET ,OPTIONS");if (req.method.toLowerCase() == "options ") {res.send(200); // 让options 尝试请求快速结束} else {next();}
});
//HTTP 服务
var http_server = http.createServer(app);
http_server.listen(80, "0.0.0.0 ");
// 你的网站证书
var options = {key: fs.readFileSync("./cert/cert.key"),cert: fs.readFileSync("./cert/cert.pem"),
};
// HTTPS 服务
var https_server = https.createServer(options, app);
var io = socketIo.listen(https_server);
// 处理连接事件
io.sockets.on("connection ", (socket) => {// 中转消息socket.on("message ", (room, data) => {logger.debug("message , room: " + room + ", data , type:" + data.type);socket.to(room).emit("message ", room, data);});// 用户加入房间socket.on("join", (room) => {socket.join(room);var myRoom = io.sockets.adapter.rooms[room];var users = myRoom ? Object.keys(myRoom.sockets).length : 0;logger.debug("the user number of room (" + room + ") is: " + users);// 如果房间里人未满if (users < USERCOUNT) {// 发给除自己之外的房间内的所有人socket.emit("joined ", room, socket.id);// 通知另一个用户， 有人来了if (users > 1) {socket.to(room).emit("otherjoin ", room, socket.id);}} else {// 如果房间里人满了socket.leave(room);socket.emit("full", room, socket.id);}});// 用户离开房间socket.on("leave ", (room) => {// 从管理列表中将用户删除socket.leave(room);var myRoom = io.sockets.adapter.rooms[room];var users = myRoom ? Object.keys(myRoom.sockets).length : 0;logger.debug("the user number of room is: " + users);// 通知其他用户有人离开了socket.to(room).emit("bye", room, socket.id);// 通知用户服务器已处理socket.emit("leaved ", room, socket.id);});
});

https_server.listen(443, "0.0.0.0 ");