深入浅出mediasoup—通信框架

libuv 是一个跨平台的异步事件驱动库，用于构建高性能和可扩展的网络应用程序。mediasoup 基于 libuv 构建了包括管道、信号和 socket 在内的一整套通信框架，具有单线程、事件驱动和异步的典型特征，是构建高性能 WebRTC 流媒体服务器的重要基础，本文主要分析 mediasoup 对 libuv 的封装。

1. Pipe 通信

Node.js 进程与 worker 进程之间使用管道通信，而且是双向通信。node.js 进程通过管道向 worker 进程发送请求，并接收响应。worker 进程也可以主动向 node.js 进程发送通知消息。

1.1. 文件描述符

管道通信需要使用两个文件描述符，node.js 进程的文件描述符定义如下：

this.#channel = new Channel({
	producerSocket: this.#child.stdio[3],
	consumerSocket: this.#child.stdio[4],
	pid: this.#pid,
});

worker 进程的文件描述符定义如下：

static constexpr int ConsumerChannelFd{ 3 };
static constexpr int ProducerChannelFd{ 4 };

1.2. 静态结构

worker 进程对管道通信的封装看起来比较复杂，涉及到多个类，如下图所示。由于这里面糅合了几个逻辑，拆解以后会更好理解：

1）UnixStreamSocketHandle 封装了基于 libuv 的 pipe 通信能力，内部包含 libuv 句柄。

2）ChannelSocket 内部包含的 ConsumerSocket 和 ProducerSocket 对应管道通信的读和写两个方向。ChannelSocket 继承了 ConsumerSocket::Listener，从 ConsumerSocket 收到的管道消息，都会回调到 ChannelSocket。

3）全局只有一个 ChannelSocket 对象，被 Worker 持有。Worker 继承了 ChannelSocekt::Listener，ChannelSocket 收到的所有管道消息都会回调 Worker。

4）Worker 包含了一个 Shared 对象，从名字上能看出，这是一个“共享对象”，通过传参的方式共享给各个对象，本质上就是一个全局对象。

5）Shared 内部包含两个对象：ChannelMessageRegistor 和 ChannelNotifier。ChannelMessageRegistor 用来管理管道消息处理器，因为全局就一个 ChannelSocket 对象，所有需要处理管道消息的对象都要把自己注册到 ChannelMessageRegistor，Worker 根据注册信息把管道消息分发给各个处理器。ChannelNotifier 用来发送管道消息，其内部也是使用 ChannelSocket 来发送消息，所有对象需要向 Node.js 进程发送管道消息调用 ChannelNotifier 接口即可。

1.3. 数据流

管道通信的数据流如下图所示。接收到的管道消息会一层层回调到 Worker 对象，Worker 先对消息进行过滤，如果是 Worker 自己关注的消息，自己先处理，其他消息则根据“注册表”进行路由。发送管道消息，调用 ChannelNotifier::Emit 接口，最终通过 libuv 发送出去。

2. Socket 通信

Socket 通信主要用来处理 mediasoup worker 与 WebRTC 客户端之间的媒体通信，支持 TCP 和 UDP。

2.1. 静态结构

2.1.1. UDP

1）UdpSocketHandle 封装了基于 libuv 的 UDP 通信能力，内部包含 libuv 句柄。

2）UdpSocket 继承自 UdpSocketHandle，内部包含了一个数据监听对象，用来接收 UDP 消息。

2）PipeTransport、PlainTransport、WebRtcTransport 和 WebRtcServer 都支持 UDP 通信，它们内部都包含一个指向 UdpSocket 的指针，用来发送 UDP 消息。

【注】这里的 PipeTransport 并不是使用管道通信的 transport。

2.1.2. TCP

1）TcpServerHandle 封装了基于 libuv 的 TCP 监听能力，内部包含 libuv 句柄。

2）TcpConnectionHandle 封装了基于 libuv 的 TCP 通信能力，内部包含 libuv 句柄。TCP 连接中断会通过 OnTcpConnectionClosed 通知 TcpServerHandle。

3）TcpConnection 继承自 TcpConnectionHandle，收到 TCP 报文会回调连接监听者。

4）当前只有 WebRtcServer 和 WebRtcTransport 支持 TCP 通信。

【注】WebRtcServer 用来实现端口聚合，其上可以承载多个 WebRtcTransport。

2.2. Socket 创建

2.2.1. WebRtcServer

WebRtcServer 用来实现 WebRTC 连接的端口聚合，WebRtcTransport 可以运行在 WebRtcServer 之上，共享 WebRtcServer 的端口。

WebRtcServer 根据传入的参数，决定创建 UdpSocket 还是 TcpServer，支持指定端口或端口范围。

WebRtcServer::WebRtcServer(RTC::Shared* shared, const std::string& id,
  const flatbuffers::Vector<flatbuffers::Offset<Transport::ListenInfo>>* listenInfos)
  : id(id), shared(shared)
{
  ...
  // 遍历所有地址
  for (const auto* listenInfo : *listenInfos)
  {
    auto ip = listenInfo->ip()->str();
    ...
    // UDP 协议
    if (listenInfo->protocol() == FBS::Transport::Protocol::UDP)
    {
      RTC::UdpSocket* udpSocket;

      // 指定端口范围，从中选择一个
      if (listenInfo->portRange()->min() != 0 && listenInfo->portRange()->max() != 0)
      {
        uint64_t portRangeHash{ 0u };
        udpSocket = new RTC::UdpSocket(
          this,
          ip,
          listenInfo->portRange()->min(),
          listenInfo->portRange()->max(),
          flags,
          portRangeHash);
      }
      // 指定端口
      else if (listenInfo->port() != 0)
      {
        udpSocket = new RTC::UdpSocket(this, ip, listenInfo->port(), flags);
      }
      // 未指定端口，使用配置中的端口
      else
      {
        uint64_t portRangeHash{ 0u };
        udpSocket = new RTC::UdpSocket(
          this,
          ip,
          Settings::configuration.rtcMinPort,
          Settings::configuration.rtcMaxPort,
          flags,
          portRangeHash);
      }
      ...
    }
    // TCP 协议
    else if (listenInfo->protocol() == FBS::Transport::Protocol::TCP)
    {
      RTC::TcpServer* tcpServer;
      // 指定端口范围
      if (listenInfo->portRange()->min() != 0 && listenInfo->portRange()->max() != 0)
      {
        uint64_t portRangeHash{ 0u };

        tcpServer = new RTC::TcpServer(
          this,
          this,
          ip,
          listenInfo->portRange()->min(),
          listenInfo->portRange()->max(),
          flags,
          portRangeHash);
      }
      // 指定端口
      else if (listenInfo->port() != 0)
      {
        tcpServer = new RTC::TcpServer(this, this, ip, listenInfo->port(), flags);
      }
      // 未指定端口，使用配置中的端口
      else
      {
        uint64_t portRangeHash{ 0u };
        tcpServer = new RTC::TcpServer(
          this,
          this,
          ip,
          Settings::configuration.rtcMinPort,
          Settings::configuration.rtcMaxPort,
          flags,
          portRangeHash);
      }
      ...
    }
  }
  ...
}

2.2.2. WebRtcTransport

如果 WebRtcTransport 运行在 WebRtcServer 之上，则 WebRtcTransport 不会再创建 Socket。

WebRtcTransport::WebRtcTransport(...)
{
	...
	
	// 将 WebRtcTransport 加入到 WebRtcServer 的转发列表
	this->webRtcTransportListener->OnWebRtcTransportCreated(this);

	...
}

否则，还需自食其力，WebRtcTransport 创建 Socket 的逻辑与 WebRtcServer 类似，不再赘述。

2.2.3. PlainTransport

PlainTransport 用来对接像 FFMPEG 这种第三方编码器和工具的推拉流，只支持 UDP 协议，创建逻辑类似，也支持指定端口或端口范围。

PipeTransport::PipeTransport(
  RTC::Shared* shared,
  const std::string& id,
  RTC::Transport::Listener* listener,
  const FBS::PipeTransport::PipeTransportOptions* options)
  : RTC::Transport::Transport(shared, id, listener, options->base())
{
  ...

  // 指定端口范围
  if (this->listenInfo.portRange.min != 0 && this->listenInfo.portRange.max != 0)
  {
    uint64_t portRangeHash{ 0u };

    this->udpSocket = new RTC::UdpSocket(
      this,
      this->listenInfo.ip,
      this->listenInfo.portRange.min,
      this->listenInfo.portRange.max,
      this->listenInfo.flags,
      portRangeHash);
  }
  // 指定端口
  else if (this->listenInfo.port != 0)
  {
    this->udpSocket = new RTC::UdpSocket(
      this, this->listenInfo.ip, this->listenInfo.port, this->listenInfo.flags);
  }
  // 未指定端口，使用配置
  else
  {
    uint64_t portRangeHash{ 0u };

    this->udpSocket = new RTC::UdpSocket(
      this,
      this->listenInfo.ip,
      Settings::configuration.rtcMinPort,
      Settings::configuration.rtcMaxPort,
      this->listenInfo.flags,
      portRangeHash);
  }
  
  ...
}

2.2.4. PipeTransport

PipeTransport 的设计目的是为了使位于同一主机上或不同主机上的两个Router实例之间进行通信，只支持 UDP 协议，创建逻辑类似，也支持指定端口或端口范围。

PipeTransport::PipeTransport(
  RTC::Shared* shared,
  const std::string& id,
  RTC::Transport::Listener* listener,
  const FBS::PipeTransport::PipeTransportOptions* options)
  : RTC::Transport::Transport(shared, id, listener, options->base())
{
  ...

  if (this->listenInfo.portRange.min != 0 && this->listenInfo.portRange.max != 0)
  {
    uint64_t portRangeHash{ 0u };

    this->udpSocket = new RTC::UdpSocket(
      this,
      this->listenInfo.ip,
      this->listenInfo.portRange.min,
      this->listenInfo.portRange.max,
      this->listenInfo.flags,
      portRangeHash);
  }
  else if (this->listenInfo.port != 0)
  {
    this->udpSocket = new RTC::UdpSocket(
      this, this->listenInfo.ip, this->listenInfo.port, this->listenInfo.flags);
  }
  else
  {
    uint64_t portRangeHash{ 0u };

    this->udpSocket = new RTC::UdpSocket(
      this,
      this->listenInfo.ip,
      Settings::configuration.rtcMinPort,
      Settings::configuration.rtcMaxPort,
      this->listenInfo.flags,
      portRangeHash);
  }

  ...
}

2.3. 数据流

2.3.1. UDP

2.3.1.1. 接收数据

以 WebRtcServer 为例，libuv 收到 UDP 消息会回调 UdpSocketHandle::OnUvRecv，UdpSocketHandle 再回调 UdpSocket::UserOnUdpDatagramReceived，最终将消息回调给数据监听者 WebRtcServer。

2.3.1.2. 发送数据

需要发送 UDP 消息的模块持有 TransportTuple 对象，调用 TransportTuple:: Send 方法，内部调用 UdpSocketHandle::Send，最终通过 libuv 接口将数据发送到网络。

需要注意，UDP 报文发送有一个特殊机制，mediaoup 会先调用 libuv 同步发送接口，如果同步发送接口出错，mediasoup 不是立即返回，而是拷贝发送数据，继续调用 libuv 的异步发送接口。这在某些极端场景下，可能会大量消耗服务器内存。

void UdpSocketHandle::Send(const uint8_t* data, size_t len, const struct sockaddr* addr,   UdpSocketHandle::onSendCallback* cb)
{
  ...

  // 使用待发送送数据初始化一块uv缓冲区
  uv_buf_t buffer = uv_buf_init(
    reinterpret_cast<char*>(const_cast<uint8_t*>(data)), len);

  // 调用同步接口发送
  const int sent  = uv_udp_try_send(this->uvHandle, &buffer, 1, addr);
  // 所有数据都发送完成
  if (sent == static_cast<int>(len))
  {
    // Update sent bytes.
    this->sentBytes += sent;
    if (cb)
    {
      (*cb)(true); // 回调返回成功
      delete cb;
    }
    return;
  }
  // 发送了部分数据
  else if (sent >= 0)
  {
    this->sentBytes += sent;
    if (cb)
    {
      (*cb)(false); // 回调返回失败
      delete cb;
    }
    return;
  }
  // 出错了，可能是网络繁忙，使用异步接口uv_udp_send发送
  else if (sent != UV_EAGAIN)
  {
    MS_WARN_DEV("uv_udp_try_send() failed, trying uv_udp_send(): %s", uv_strerror(sent));
  }

  // 创建一个异步处理数据结构
  auto* sendData = new UvSendData(len);
  // 作为自定义数据挂载到uv数据结构中
  sendData->req.data = static_cast<void*>(sendData);
  // 拷贝待发送数据
  std::memcpy(sendData->store, data, len);
  // 保存回调函数指针
  sendData->cb = cb;

  // 使用待发送数据的拷贝初始化uv缓冲区
  buffer = uv_buf_init(reinterpret_cast<char*>(sendData->store), len);

  // 调用异步接口发送，设置回调接口onSend
  const int err = uv_udp_send(&sendData->req, this->uvHandle, &buffer, 1, addr, 
    static_cast<uv_udp_send_cb>(onSend));
  if (err != 0)
  {
    if (cb)
    {
      (*cb)(false);
    }
    delete sendData;
  }
  else
  {
    this->sentBytes += len;
  }
}

UvSendData 定义如下：

struct UvSendData
{
	uv_udp_send_t req{};
	uint8_t* store{ nullptr };
	UdpSocketHandle::onSendCallback* cb{ nullptr };
};

libuv 发送完成后会回调 onSend，在 onSend 函数中处理善后事宜。

inline static void onSend(uv_udp_send_t* req, int status)
{
  auto* sendData = static_cast<UdpSocketHandle::UvSendData*>(req->data);
  auto* handle   = req->handle;
  auto* socket   = static_cast<UdpSocketHandle*>(handle->data);
  const auto* cb = sendData->cb;

  if (socket)
  {
    socket->OnUvSend(status, cb);
  }

  // Delete the UvSendData struct (it will delete the store and cb too).
  delete sendData;
}

2.3.2. TCP

2.3.2.1. 监听连接

1）TcpServer 调用 libuv 接口建立监听。

2）客户端与服务器完成三次握手后，libuv 会回调 TcpServerHandle::OnUvConnection。

3）TcpServerHandle 回调 TcpServer::UserOnTcpConnectionAlloc。

4）TcpServer 创建 TcpConnection 并调用 TcpServerHandle::AcceptTcpConnection 告知要接受这个连接。

5）TcpServerHandle 对 TcpConnection 进行初始化，调用 libuv 的 uv_accpet 方法完成新连接的创建。

6）调用 TcpConnectionHandle::Start 开始接收数据。

2.3.2.2. 接收数据

接收数据逻辑非常简单，以 WebRtcServer 为例，libuv 收到 TCP 数据后会层层回调到 WebRtcServer。

2.3.2.3. 发送数据

发送 TCP 数据的逻辑也很简单，调用 TransportTuple 接口，内部最终调用 libuv 将数据发送到网络。

3. 定时器

定时器在很多地方都会被用到，mediasoup 使用 TimerHanlde 封装 libuv 的定时器能力。需要使用定时器的类需要继承 TimerHandle::Listener，实现 OnTimer 虚拟方法。然后创建一个 TimerHandle 对象，传入 this 指针，调用 TimerHandle::Start 方法启动定时器即可。

4. 信号处理

信号是进程间通信的一种机制，也是操作系统用来通知进程有关系统事件或异常状况的重要手段。信号可以由系统内核发送给进程，也可以由一个进程发送给另一个进程。在 Worker 进程中，Worker 类是唯一处理 signal 的类，它继承 SignalHandle::Listener，实现 OnSignal 虚拟方法，进程接收的所有信号都会回调给 Worker 处理。

mediasoup 当前只处理了 SIGINT 和 SIGTERM 两个信号，用来优雅的关闭 mediasoup 进程。

void Worker::OnSignal(SignalHandle* /*signalHandle*/, int signum)
{
  if (this->closed)
  {
    return;
  }

  switch (signum)
  {
    case SIGINT:
    {
      if (this->closed)
      {
        return;
      }
      Close();
      break;
    }
    case SIGTERM:
    {
      if (this->closed)
      {
        return;
      }
      Close();
      break;
    }
    default:
    {
      MS_WARN_DEV("received a non handled signal [signum:%d]", signum);
    }
  }
}

5. 总结

熟悉 mediasoup 的底层通信机制，是深入阅读 mediasoup 源码的基础。本文详细描述了 mediasoup 对 libuv 的封装，覆盖了 pipe、socket、signal 等几种通信方式，重点分析了 Socket 通信的静态结构和数据流，补充分析了 UDP 报文的异步发送机制。mediasoup 对 libuv 的封装简洁清晰，是一个优秀的设计方案，值得大家借鉴。