純 JS 實現 WebRTC 視訊通話

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大家好,我是楊成功。

最近需要搭建一個線上課堂的直播平臺,考慮到清晰度和延遲性,我們一致認為使用 WebRTC 最合適。

原因有兩點:首先是“點對點通訊”非常吸引我們,不需要中間伺服器,客戶端直連,通訊非常方便;再者是 WebRTC 瀏覽器原生支援,其他客戶端支援也很好,不像傳統直播用 flv.js 做相容,可以實現標準統一。

然而令我非常尷尬的是,社群看了好幾篇文章,理論架構寫了一堆,但沒一個能跑起來。WebRTC 裡面概念很新也很多,理解它的 通訊流程 才是最關鍵,這點恰恰很少有描述。

於是我就自己搗鼓吧。搗鼓了幾天,可算是整明白了。下面我結合自己的實踐經驗,按照我理解的關鍵步驟,帶大家從應用場景的角度認識這個厲害的朋友 —— WebRTC

線上預覽:本地通訊 Demo

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本文介紹的內容包括以下方面:

  • 什麼是 WebRTC?

  • 獲取媒體流

  • 對等連線流程

  • 本地模擬通訊原始碼

  • 區域網兩端通訊

  • 一對多通訊

  • 我想學更多

什麼是 WebRTC?

WebRTC (Web Real-Time Communications) 是一項實時通訊技術,它允許網路應用或者站點,在 不借助中間媒介 的情況下,建立瀏覽器之間點對點(Peer-to-Peer)的連線,實現視訊流和音訊流或者其他任意資料的傳輸。

簡單的說,就是 WebRTC 可以不借助媒體伺服器,通過瀏覽器與瀏覽器直接連線(點對點),即可實現音視訊傳輸。

如果你接觸過直播技術,你就會知道“沒有媒體伺服器”多麼令人驚訝。以往的直播技術大多是基於推流/拉流的邏輯實現的。要想做音視訊直播,則必須有一臺 流媒體伺服器 做為中間站做資料轉發。但是這種推拉流的方案有兩個問題:

  1. 較高的延遲

  2. 清晰度難以保證

因為兩端通訊都要先過伺服器,就好比本來是一條直路,你偏偏“繞了半個圈”,這樣肯定會花更多的時間,因此直播必然會有延遲,即使延遲再低也要 1s 以上。

清晰度高低的本質是資料量的大小。你想象一下,每天乘地鐵上班,早高峰人越多,進站的那條道就越容易堵,堵你就會走走停停,再加上還繞了路,是不是到公司就更晚了。

把這個例子聯絡到高清晰度的直播:因為資料量大就容易發生網路擁堵,擁堵就會導致播放卡頓,同時延遲性也會更高。

但是 WebRTC 就不一樣了,它不需要媒體伺服器,兩點一線直連,首先延遲性一定大大縮短。再者因為傳輸路線更短,所以清晰度高的資料流也更容易到達,相對來說不易擁堵,因此播放端不容易卡頓,這樣就兼顧了清晰度與延遲性。

當然 WebRTC 也是支援中間媒體伺服器的,有些場景下確實少不了伺服器轉發。我們這篇只探討點對點的模式,旨在幫助大家更容易的瞭解並上手 WebRTC。

獲取媒體流

點對點通訊的第一步,一定是發起端獲取媒體流。

常見的媒體裝置有三種: 攝像機麥克風螢幕 。其中攝像機和螢幕可以轉化為視訊流,而麥克風可轉化為音訊流。音視訊流結合起來就組成了常見的媒體流。

以 Chrome 瀏覽器為例,攝像頭和螢幕的視訊流獲取方式不一樣。對於攝像頭和麥克風,使用如下 API 獲取:

var stream = await navigator.mediaDevices.getUserMedia()

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對於螢幕錄製,則會用另外一個 API。限制是這個 API 只能獲取視訊,不能獲取音訊:

var stream = await navigator.mediaDevices.getDisplayMedia()

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注意:這裡我遇到過一個問題,編輯器裡提示 navigator.mediaDevices == undefined,原因是我的 typescript 版本小於 4.4,升級版本即可。

這兩個獲取媒體流的 API 有使用條件,必須滿足以下兩種情況之一:

  • 域名是 localhost

  • 協議是 https

如果不滿足,則 navigator.mediaDevices 的值就是 undefined

以上方法都有一個引數 constraints ,這個引數是一個配置物件,稱為 媒體約束 。這裡面最有用的是可以配置只獲取音訊或視訊,或者音視訊同時獲取。

比如我只要視訊,不要音訊,就可以這樣:

let stream = await navigator.mediaDevices.getDisplayMedia({  audio: false,  video: true})

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除了簡單的配置獲取視訊之外,還可以對視訊的清晰度,位元速率等涉及視訊質量相關的引數做配置。比如我需要獲取 1080p 的超清視訊,我就可以這樣配:

var stream = await navigator.mediaDevices.getDisplayMedia({  audio: false,  video: {    width: 1920,    height: 1080  }})

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當然了,這裡配置視訊的解析度 1080p,並不代表實際獲取的視訊一定是 1080p。比如我的攝像頭是 720p 的,那即便我配置了 2k 的解析度,實際獲取的最多也是 720p,這個和硬體與網路有關係。

上面說了,媒體流是由音訊流和視訊流組成的。再說的嚴謹一點,一個媒體流(MediaStream)會包含多條媒體軌道(MediaStreamTrack),因此我們可以從媒體流中單獨獲取音訊和視訊軌道:

// 視訊軌道let videoTracks = stream.getVideoTracks()// 音訊軌道let audioTracks = stream.getAudioTracks()// 全部軌道stream.getTracks()

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單獨獲取軌道有什麼意義呢?比如上面的獲取螢幕的 API getDisplayMedia 無法獲取音訊,但是我們直播的時候既需要螢幕也需要聲音,此時就可以分別獲取音訊和視訊,然後組成一個新的媒體流。實現如下:

const getNewStream = async () => {  var stream = new MediaStream()  let audio_stm = await navigator.mediaDevices.getUserMedia({    audio: true  })  let video_stm = await navigator.mediaDevices.getDisplayMedia({    video: true  })  audio_stm.getAudioTracks().map(row => stream.addTrack(row))  video_stm.getVideoTracks().map(row => stream.addTrack(row))  return stream}

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對等連線流程

要說 WebRTC 有什麼不優雅的地方,首先要提的就是連線步驟複雜。很多同學就因為總是連線不成功,結果被成功勸退。

對等連線,也就是上面說的點對點連線,核心是由 RTCPeerConnection 函式實現。兩個瀏覽器之間點對點的連線和通訊,本質上是兩個 RTCPeerConnection 例項的連線和通訊。

RTCPeerConnection 建構函式建立的兩個例項,成功建立連線之後,可以傳輸視訊、音訊或任意二進位制資料(需要支援 RTCDataChannel API )。同時也提供了連線狀態監控,關閉連線的方法。不過兩點之間資料單向傳輸,只能由發起端向接收端傳遞。

我們現在根據核心 API,梳理一下具體連線步驟。

第一步:建立連線例項

首先建立兩個連線例項,這兩個例項就是互相通訊的雙方。

var peerA = new RTCPeerConnection()var peerB = new RTCPeerConnection()

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下文統一將發起直播的一端稱為 發起端 ,接收觀看直播的一端稱為 接收端

現在的這兩個連線例項都還沒有資料。假設 peerA 是發起端,peerB 是接收端,那麼 peerA 的那端就要像上一步一樣獲取到媒體流資料,然後新增到 peerA 例項,實現如下:

var stream = await navigator.mediaDevices.getUserMedia()stream.getTracks().forEach(track => {  peerA.addTrack(track, stream)})

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當 peerA 添加了媒體資料,那麼 peerB 必然會在後續連線的某個環節接收到媒體資料。因此還要為 peerB 設定監聽函式,獲取媒體資料:

peerB.ontrack = async event => {  let [ remoteStream ] = event.streams  console.log(remoteStream)})

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這裡要注意: 必須 peerA 新增媒體資料之後,才能進行下一步! 否則後續環節中 peerB 的 ontrack 事件就不會觸發,也就不會拿到媒體流資料。

第二步:建立對等連線

新增資料之後,兩端就可以開始建立對等連線。

建立連線最重要的角色是 SDP (RTCSessionDescription),翻譯過來就是 會話描述 。連線雙方需要各自建立一個 SDP,但是他們的 SDP 是不同的。發起端的 SDP 被稱為 offer ,接收端的 SDP 被稱為 answer

其實兩端建立對等連線的本質就是互換 SDP,在互換的過程中相互驗證,驗證成功後兩端的連線才能成功。

現在我們為兩端建立 SDP。peerA 建立 offer,peerB 建立 answer:

var offer = await peerA.createOffer()var answer = await peerB.createAnswer()

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建立之後,首先接收端 peerB 要將 offset 設定為遠端描述,然後將 answer 設定為本地描述:

await peerB.setRemoteDescription(offer)await peerB.setLocalDescription(answer)

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注意:當 peerB.setRemoteDescription 執行之後,peerB.ontrack 事件就會觸發。當然前提是第一步為 peerA 添加了媒體資料。

這個很好理解。offer 是 peerA 建立的,相當於是連線的另一端,因此要設為“遠端描述”。answer 是自己建立的,自然要設定為“本地描述”。

同樣的邏輯,peerB 設定完成後,peerA 也要將 answer 設為遠端描述,offer 設定為本地描述。

await peerA.setRemoteDescription(answer)await peerA.setLocalDescription(offer)

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到這裡,互相交換 SDP 已完成。但是通訊還未結束,還差最後一步。

當 peerA 執行 setLocalDescription 函式時會觸發 onicecandidate 事件,我們需要定義這個事件,然後在裡面為 peerB 新增 candidate

peerA.onicecandidate = event => {  if (event.candidate) {    peerB.addIceCandidate(event.candidate)  }}

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至此,端對端通訊才算是真正建立了!如果過程順利的話,此時 peerB 的 ontrack 事件內應該已經接收到媒體流資料了,你只需要將媒體資料渲染到一個 video 標籤上即可實現播放。

還要再提一次:這幾步看似簡單,實際順序非常重要,一步都不能出錯,否則就會連線失敗!如果你在實踐中遇到問題,一定再回頭檢查一下步驟有沒有出錯。

最後我們再為 peerA 新增狀態監聽事件,檢測連線是否成功:

peerA.onconnectionstatechange = event => {  if (peerA.connectionState === 'connected') {    console.log('對等連線成功!')  }  if (peerA.connectionState === 'disconnected') {    console.log('連線已斷開!')  }}

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本地模擬通訊原始碼

上一步我們梳理了點對點通訊的流程,其實主要程式碼也就這麼多。這一步我們再把這些知識點串起來,簡單實現一個本地模擬通訊的 Demo,執行起來讓大家看效果。

首先是頁面佈局,非常簡單。兩個 video 標籤,一個播放按鈕:

<div class="local-stream-page">  <video autoplay controls muted id="elA"></video>  <video autoplay controls muted id="elB"></video>  <button onclick="onStart()">播放</button></div>

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然後設定全域性變數:

var peerA = nullvar peerB = nullvar videoElA = document.getElementById('elA')var videoElB = document.getElementById('elB')

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按鈕綁定了一個 onStart 方法,在這個方法內獲取媒體資料:

const onStart = async () => {  try {    var stream = await navigator.mediaDevices.getUserMedia({      audio: true,      video: true    })    if (videoElA.current) {      videoElA.current.srcObject = stream // 在 video 標籤上播放媒體流    }    peerInit(stream) // 初始化連線  } catch (error) {    console.log('error:', error)  }}

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onStart 函式裡呼叫了 peerInit 方法,在這個方法內初始化連線:

const peerInit = stream => {  // 1. 建立連線例項  var peerA = new RTCPeerConnection()  var peerB = new RTCPeerConnection()  // 2. 新增視訊流軌道  stream.getTracks().forEach(track => {    peerA.addTrack(track, stream)  })  // 新增 candidate  peerA.onicecandidate = event => {    if (event.candidate) {      peerB.addIceCandidate(event.candidate)    }  }  // 檢測連線狀態  peerA.onconnectionstatechange = event => {    if (peerA.connectionState === 'connected') {      console.log('對等連線成功!')    }  }  // 監聽資料傳來  peerB.ontrack = async event => {    const [remoteStream] = event.streams    videoElB.current.srcObject = remoteStream  }  // 互換sdp認證  transSDP()}

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初始化連線之後,在 transSDP 方法中互換 SDP 建立連線:

const transSDP = async () => {  // 1. 建立 offer  let offer = await peerA.createOffer()  await peerB.setRemoteDescription(offer)  // 2. 建立 answer  let answer = await peerB.createAnswer()  await peerB.setLocalDescription(answer)  // 3. 傳送端設定 SDP  await peerA.setLocalDescription(offer)  await peerA.setRemoteDescription(answer)}

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注意:這個方法裡的程式碼順序非常重要,如果改了順序多半會連線失敗!

如果順利的話,此時已經連線成功。截圖如下:

我們用兩個 video 標籤和三個方法,實現了本地模擬通訊的 demo。其實 “本地模擬通訊” 就是模擬 peerA 和 peerB 通訊,把兩個客戶端放在了一個頁面上,當然實際情況不可能如此,這個 demo 只是幫助我們理清通訊流程。

Demo 完整程式碼我已經上傳 GitHub,需要查閱請看 這裡 ,拉程式碼直接開啟 index.html 即可看到效果。

接下來我們探索真實場景 —— 區域網如何通訊。

區域網兩端通訊

上一節實現了本地模擬通訊,在一個頁面模擬了兩個端連線。現在思考一下: 如果 peerA 和 peerB 是一個區域網下的兩個客戶端,那麼本地模擬通訊的程式碼需要怎麼改呢?

本地模擬通訊我們用了 兩個標籤三個方法 來實現。如果分開的話,首先 peerA 和 peerB 兩個例項,以及各自繫結的事件,肯定是分開定義的,兩個 video 標籤也同理。然後獲取媒體流的 onStart 方法一定在發起端 peerA,也沒問題,但是互換 SDP 的 transSDP 方法此時就失效了。

為啥呢?比如在 peerA 端:

// peerA 端let offer = await peerA.createOffer()await peerA.setLocalDescription(offer)await peerA.setRemoteDescription(answer)

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這裡設定遠端描述用到了 answer,那麼 answer 從何而來?

本地模擬通訊我們是在同一個檔案裡定義變數,可以互相訪問。但是現在 peerB 在另一個客戶端,answer 也在 peerB 端,這樣的話就需要在 peerB 端創好 answer 之後,傳到 peerA 端。

相同的道理,peerA 端建立好 offer 之後,也要傳到 peerB 端。這樣就需要兩個客戶端遠端交換 SDP,這個過程被稱作 信令

沒錯,信令是遠端交換 SDP 的 過程 ,並不是某種憑證。

兩個客戶端需要互相主動交換資料,那麼就需要一個伺服器提供連線與傳輸。而“主動交換”最適合的實現方案就是 WebSocket ,因此我們需要基於 WebSocket 搭建一個 信令伺服器 來實現 SDP 互換。

不過本篇不會詳解信令伺服器,我會單獨出一篇搭建信令伺服器的文章。現在我們用兩個變數 socketAsocketB 來表示 peerA 和 peerB 兩端的 WebSocket 連線,然後改造對等連線的邏輯。

首先修改 peerA 端 SDP 的傳遞與接收程式碼:

// peerA 端const transSDP = async () => {  let offer = await peerA.createOffer()  // 向 peerB 傳輸 offer  socketA.send({ type: 'offer', data: offer })  // 接收 peerB 傳來的 answer  socketA.onmessage = async evt => {    let { type, data } = evt.data    if (type == 'answer') {      await peerA.setLocalDescription(offer)      await peerA.setRemoteDescription(data)    }  }}

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這個邏輯是發起端 peerA 建立 offer 之後,立即傳給 peerB 端。當 peerB 端執行完自己的程式碼並建立 answer 之後,再回傳給 peerA 端,此時 peerA 再設定自己的描述。

此外,還有 candidate 的部分也需要遠端傳遞:

// peerA 端peerA.onicecandidate = event => {  if (event.candidate) {    socketA.send({ type: 'candid', data: event.candidate })  }}

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peerB 端稍有不同,必須是接收到 offer 並設定為遠端描述之後,才可以建立 answer,建立之後再發給 peerA 端,同時也要接收 candidate 資料:

// peerB 端,接收 peerA 傳來的 offersocketB.onmessage = async evt => {  let { type, data } = evt.data  if (type == 'offer') {    await peerB.setRemoteDescription(data)    let answer = await peerB.createAnswer()    await peerB.setLocalDescription(answer)    // 向 peerA 傳輸 answer    socketB.send({ type: 'answer', data: answer })  }  if (type == 'candid') {    peerB.addIceCandidate(data)  }}

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這樣兩端通過遠端互傳資料的方式,就實現了局域網內兩個客戶端的連線通訊。

總結一下,兩個客戶端監聽對方的 WebSocket 傳送訊息,然後接收對方的 SDP,互相設定為遠端描述。接收端還要獲取 candidate 資料,這樣“信令”這個過程就跑通了。

一對多通訊

前面我們講的,不管是本地模擬通訊,還是區域網兩端通訊,都屬於“ 一對一 ”通訊。

然而在很多場景下,比如線上教育班級直播課,一個老師可能要面對 20 個學生,這是典型的一對多場景。但是 WebRTC 只支援點對點通訊,也就是一個客戶端只能與一個客戶端建立連線,那這種情況該怎麼辦呢?

記不記得前面說過:兩個客戶端之間點對點的連線和通訊,本質上是兩個 RTCPeerConnection 例項的連線和通訊。

那我們變通一下,比如現在接收端可能是 peerB,peerC,peerD 等等好幾個客戶端,建立連線的邏輯與之前的一樣不用變。那麼發起端能否從“ 一個連線例項 ”擴充套件到“ 多個連線例項 ”呢?

也就是說,發起端雖然是一個客戶端,但是不是可以同時建立多個 RTCPeerConnection 例項。這樣的話,一對一連線的本質沒有變,只不過把多個連線例項放到了一個客戶端,每個例項再與其他接收端連線,變相的實現了一對多通訊。

具體思路是:發起端維護一個連線例項的陣列,當一個接收端請求建立連線時,發起端新建一個連線例項與這個接收端通訊,連線成功後,再將這個例項 push 到數組裡面。當連線斷開時,則會從數組裡刪掉這個例項。

這種方式我親測有效,下面我們對發起端的程式碼改造。其中型別為 join 的訊息,表示連線端請求連線。

// 發起端var offer = nullvar Peers = [] // 連線例項陣列
// 接收端請求連線,傳來標識idconst newPeer = async id => { // 1. 建立連線 let peer = new RTCPeerConnection() // 2. 新增視訊流軌道 stream.getTracks().forEach(track => { peer.addTrack(track, stream) }) // 3. 建立並傳遞 SDP offer = await peerA.createOffer() socketA.send({ type: 'offer', data: { id, offer } }) // 5. 儲存連線 Peers.push({ id, peer })}
// 監聽接收端的資訊socketA.onmessage = async evt => { let { type, data } = evt.data // 接收端請求連線 if (type == 'join') { newPeer(data) } if (type == 'answer') { let index = Peers.findIndex(row => row.id == data.id) if (index >= 0) { await Peers[index].peer.setLocalDescription(offer) await Peers[index].peer.setRemoteDescription(data.answer) } }}

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這個就是核心邏輯了,其實不難,思路理順了就很簡單。

因為信令伺服器我們還沒有詳細介紹,實際的一對多通訊需要信令伺服器參與,所以這裡我只介紹下實現思路和核心程式碼。更詳細的實現,我會在下一篇介紹信令伺服器的文章再次實戰一對多通訊,到時候完整原始碼一併奉上。

我想學更多

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