使用WebRTC搭建前端視頻聊天室——入門篇

什么是WebRTC？

眾所周知，瀏覽器本身不支持相互之間直接建立信道進行通信，都是通過服務器進行中轉。比如現在有兩個客戶端，甲和乙，他們倆想要通信，首先需要甲和服務器、乙和服務器之間建立信道。甲給乙發送消息時，甲先將消息發送到服務器上，服務器對甲的消息進行中轉，發送到乙處，反過來也是一樣。這樣甲與乙之間的一次消息要通過兩段信道，通信的效率同時受制于這兩段信道的帶寬。同時這樣的信道并不適合數據流的傳輸，如何建立瀏覽器之間的點對點傳輸，一直困擾著開發者。WebRTC應運而生

WebRTC是一個開源項目，旨在使得瀏覽器能為實時通信（RTC）提供簡單的JavaScript接口。說的簡單明了一點就是讓瀏覽器提供JS的即時通信接口。這個接口所創立的信道并不是像WebSocket一樣，打通一個瀏覽器與WebSocket服務器之間的通信，而是通過一系列的信令，建立一個瀏覽器與瀏覽器之間（peer-to-peer）的信道，這個信道可以發送任何數據，而不需要經過服務器。并且WebRTC通過實現MediaStream，通過瀏覽器調用設備的攝像頭、話筒，使得瀏覽器之間可以傳遞音頻和視頻

WebRTC已經在我們的瀏覽器中

這么好的功能，各大瀏覽器廠商自然不會置之不理。現在WebRTC已經可以在較新版的Chrome、Opera和Firefox中使用了，著名的瀏覽器兼容性查詢網站caniuse上給出了一份詳盡的瀏覽器兼容情況

WebRTC瀏覽器兼容性from caniuse.com

另外根據36Kr前段時間的新聞Google推出支持WebRTC及Web Audio的Android 版Chrome 29@36kr

和Android版Opera開始支持WebRTC，允許用戶在沒有任何插件的情況下實現語音和視頻聊天，Android也開始支持WebRTC

三個接口

WebRTC實現了三個API，分別是:

  • MediaStream：通過MediaStream的API能夠通過設備的攝像頭及話筒獲得視頻、音頻的同步流
  • RTCPeerConnection：RTCPeerConnection是WebRTC用于構建點對點之間穩定、高效的流傳輸的組件
  • RTCDataChannel：RTCDataChannel使得瀏覽器之間（點對點）建立一個高吞吐量、低延時的信道，用于傳輸任意數據

這里大致上介紹一下這三個API

MediaStream（getUserMedia）

MediaStream API為WebRTC提供了從設備的攝像頭、話筒獲取視頻、音頻流數據的功能

W3C標準

W3C標準傳送門

如何調用

同門可以通過調用navigator.getUserMedia()，這個方法接受三個參數：
1. 一個約束對象（constraints object），這個后面會單獨講
2. 一個調用成功的回調函數，如果調用成功，傳遞給它一個流對象
3. 一個調用失敗的回調函數，如果調用失敗，傳遞給它一個錯誤對象

瀏覽器兼容性

由于瀏覽器實現不同，他們經常會在實現標準版本之前，在方法前面加上前綴，所以一個兼容版本就像這樣

var getUserMedia = (navigator.getUserMedia || 
                    navigator.webkitGetUserMedia || 
                    navigator.mozGetUserMedia || 
                    navigator.msGetUserMedia);

一個超級簡單的例子

這里寫一個超級簡單的例子，用來展現getUserMedia的效果：

<!doctype html>
<html>
<head>
    <meta charset="UTF-8">
    <title>GetUserMedia實例</title></head>
<body>
<video id="video" autoplay></video>
</body>
<script type="text/javascript">
    var getUserMedia = (navigator.getUserMedia || navigator.webkitGetUserMedia || navigator.mozGetUserMedia || navigator.msGetUserMedia);

    getUserMedia.call(navigator, {
        video: true,
        audio: true
    }, function (localMediaStream) {
        var video = document.getElementById('video');
        video.src = window.URL.createObjectURL(localMediaStream);
        video.onloadedmetadata = function (e) {
            console.log("Label: " + localMediaStream.label);
            console.log("AudioTracks", localMediaStream.getAudioTracks());
            console.log("VideoTracks", localMediaStream.getVideoTracks());
        };
    }, function (e) {
        console.log('Reeeejected!', e);
    });</script>
</html>

將這段內容保存在一個HTML文件中，放在服務器上。用較新版本的Opera、Firefox、Chrome打開，在瀏覽器彈出詢問是否允許訪問攝像頭和話筒，選同意，瀏覽器上就會出現攝像頭所拍攝到的畫面了

注意，HTML文件要放在服務器上，否則會得到一個NavigatorUserMediaError的錯誤，顯示PermissionDeniedError，最簡單方法就是cd到HTML文件所在目錄下，然后python -m SimpleHTTPServer（裝了python的話），然后在瀏覽器中輸入http://localhost:8000/{文件名稱}.html

這里使用getUserMedia獲得流之后，需要將其輸出，一般是綁定到video標簽上輸出，需要使用window.URL.createObjectURL(localMediaStream)來創造能在video中使用src屬性播放的Blob URL，注意在video上加入autoplay屬性，否則只能捕獲到一張圖片

流創建完畢后可以通過label屬性來獲得其唯一的標識，還可以通過getAudioTracks()和getVideoTracks()方法來獲得流的追蹤對象數組（如果沒有開啟某種流，它的追蹤對象數組將是一個空數組）

約束對象（Constraints）

約束對象可以被設置在getUserMedia()和RTCPeerConnection的addStream方法中，這個約束對象是WebRTC用來指定接受什么樣的流的，其中可以定義如下屬性：

  • video: 是否接受視頻流
  • audio：是否接受音頻流
  • MinWidth: 視頻流的最小寬度
  • MaxWidth：視頻流的最大寬度
  • MinHeight：視頻流的最小高度
  • MaxHiehgt：視頻流的最大高度
  • MinAspectRatio：視頻流的最小寬高比
  • MaxAspectRatio：視頻流的最大寬高比
  • MinFramerate：視頻流的最小幀速率
  • MaxFramerate：視頻流的最大幀速率

詳情見Resolution Constraints in Web Real Time Communications draft-alvestrand-constraints-resolution-00

RTCPeerConnection

WebRTC使用RTCPeerConnection來在瀏覽器之間傳遞流數據，這個流數據通道是點對點的，不需要經過服務器進行中轉。但是這并不意味著我們能拋棄服務器，我們仍然需要它來為我們傳遞信令（signaling）來建立這個信道。WebRTC沒有定義用于建立信道的信令的協議：信令并不是RTCPeerConnection API的一部分

信令

既然沒有定義具體的信令的協議，我們就可以選擇任意方式（AJAX、WebSocket），采用任意的協議（SIP、XMPP）來傳遞信令，建立信道，比如我寫的demo，就是用的node的ws模塊，在WebSocket上傳遞信令

需要信令來交換的信息有三種：

  • session的信息：用來初始化通信還有報錯
  • 網絡配置：比如IP地址和端口啥的
  • 媒體適配：發送方和接收方的瀏覽器能夠接受什么樣的編碼器和分辨率

這些信息的交換應該在點對點的流傳輸之前就全部完成，一個大致的架構圖如下：

JSEP架構

通過服務器建立信道

這里再次重申，就算WebRTC提供瀏覽器之間的點對點信道進行數據傳輸，但是建立這個信道，必須有服務器的參與。WebRTC需要服務器對其進行四方面的功能支持：
1. 用戶發現以及通信
2. 信令傳輸
3. NAT/防火墻穿越
4. 如果點對點通信建立失敗，可以作為中轉服務器

NAT/防火墻穿越技術

建立點對點信道的一個常見問題，就是NAT穿越技術。在處于使用了NAT設備的私有TCP/IP網絡中的主機之間需要建立連接時需要使用NAT穿越技術。以往在VoIP領域經常會遇到這個問題。目前已經有很多NAT穿越技術，但沒有一項是完美的，因為NAT的行為是非標準化的。這些技術中大多使用了一個公共服務器，這個服務使用了一個從全球任何地方都能訪問得到的IP地址。在RTCPeeConnection中，使用ICE框架來保證RTCPeerConnection能實現NAT穿越

ICE，全名叫交互式連接建立（Interactive Connectivity Establishment）,一種綜合性的NAT穿越技術，它是一種框架，可以整合各種NAT穿越技術如STUN、TURN（Traversal Using Relay NAT 中繼NAT實現的穿透）。ICE會先使用STUN，嘗試建立一個基于UDP的連接，如果失敗了，就會去TCP（先嘗試HTTP，然后嘗試HTTPS），如果依舊失敗ICE就會使用一個中繼的TURN服務器。

我們可以使用Google的STUN服務器：stun:stun.l.google.com:19302，于是乎，一個整合了ICE框架的架構應該長這個樣子

整合了ICE框架的WebRTC應用架構

瀏覽器兼容

還是前綴不同的問題，采用和上面類似的方法：

var PeerConnection = (window.PeerConnection ||                    window.webkitPeerConnection00 || 
                    window.webkitRTCPeerConnection || 
                    window.mozRTCPeerConnection);

創建和使用

//使用Google的stun服務器
    var iceServer = {    "iceServers": [
                {        "url": "stun:stun.l.google.com:19302"
                }
            ]
            };
    //兼容瀏覽器的getUserMedia寫法
    var getUserMedia = (navigator.getUserMedia ||
                    navigator.webkitGetUserMedia ||
                    navigator.mozGetUserMedia ||
                    navigator.msGetUserMedia
                    );
    //兼容瀏覽器的PeerConnection寫法
    var PeerConnection = (window.PeerConnection || window.webkitPeerConnection00 ||
                    window.webkitRTCPeerConnection ||
                    window.mozRTCPeerConnection
                    );
    //與后臺服務器的WebSocket連接
    var socket = __createWebSocketChannel();//創建PeerConnection實例
    var pc = new PeerConnection(iceServer);//發送ICE候選到其他客戶端
    pc.onicecandidate = function (event) {
        socket.send(JSON.stringify({
            "event": "__ice_candidate",
            "data": {"candidate": event.candidate}
        }));
    };
    //如果檢測到媒體流連接到本地，將其綁定到一個video標簽上輸出
    pc.onaddstream = function (event) {
        someVideoElement.src = URL.createObjectURL(event.stream);
    };
    //獲取本地的媒體流，并綁定到一個video標簽上輸出，并且發送這個媒體流給其他客戶端
    getUserMedia.call(navigator, {
                "audio": true,
                "video": true
            },
            function (stream) {    //發送offer和answer的函數，發送本地session描述
                var sendOfferFn = function (desc) {
                            pc.setLocalDescription(desc);
                            socket.send(JSON.stringify({
                                "event": "__offer",
                                "data": {"sdp": desc}
                            }));
                        },
                        sendAnswerFn = function (desc) {
                            pc.setLocalDescription(desc);
                            socket.send(JSON.stringify({
                                "event": "__answer",
                                "data": {"sdp": desc}
                            }));
                        };    //綁定本地媒體流到video標簽用于輸出
                myselfVideoElement.src = URL.createObjectURL(stream);    //向PeerConnection中加入需要發送的流
                pc.addStream(stream);    //如果是發送方則發送一個offer信令，否則發送一個answer信令
                if (isCaller) {
                    pc.createOffer(sendOfferFn);
                } else {
                    pc.createAnswer(sendAnswerFn);
                }
            },
            function (error) {    //處理媒體流創建失敗錯誤});//處理到來的信令
                socket.onmessage = function (event) {
                    var json = JSON.parse(event.data);    //如果是一個ICE的候選，則將其加入到PeerConnection中，否則設定對方的session描述為傳遞過來的描述
                    if (json.event === "__ice_candidate") {
                        pc.addIceCandidate(new RTCIceCandidate(json.data.candidate));
                    } else {
                        pc.setRemoteDescription(new RTCSessionDescription(json.data.sdp));
                    }
                };
            });

實例

由于涉及較為復雜靈活的信令傳輸，故這里不做簡短的實例，可以直接移步到最后

RTCDataChannel

既然能建立點對點的信道來傳遞實時的視頻、音頻數據流，為什么不能用這個信道傳一點其他數據呢？RTCDataChannel API就是用來干這個的，基于它我們可以在瀏覽器之間傳輸任意數據。DataChannel是建立在PeerConnection上的，不能單獨使用

使用DataChannel

我們可以使用channel = pc.createDataCHannel("someLabel");來在PeerConnection的實例上創建Data Channel，并給與它一個標簽

DataChannel使用方式幾乎和WebSocket一樣，有幾個事件：

  • onopen
  • onclose
  • onmessage
  • onerror

同時它有幾個狀態，可以通過readyState獲取：

  • connecting: 瀏覽器之間正在試圖建立channel
  • open：建立成功，可以使用send方法發送數據了
  • closing：瀏覽器正在關閉channel
  • closed：channel已經被關閉了

兩個暴露的方法:

  • close(): 用于關閉channel
  • send()：用于通過channel向對方發送數據

通過Data Channel發送文件大致思路

JavaScript已經提供了File API從input[type='file']的元素中提取文件，并通過FileReader來將文件的轉換成DataURL，這也意味著我們可以將DataURL分成多個碎片來通過Channel來進行文件傳輸

一個綜合的Demo

SkyRTC-demo，這是我寫的一個Demo。建立一個視頻聊天室，并能夠廣播文件，當然也支持單對單文件傳輸，寫得還很粗糙，后期會繼續完善

使用方式

  1. 下載解壓并cd到目錄下

  2. 運行npm install安裝依賴的庫（express, ws, node-uuid）

  3. 運行node server.js，訪問localhost:3000，允許攝像頭訪問

  4. 打開另一臺電腦，在瀏覽器（Chrome和Opera，還未兼容Firefox）打開{server所在IP}:3000，允許攝像頭和話筒訪問

  5. 廣播文件：在左下角選定一個文件，點擊“發送文件”按鈕

  6. 廣播信息：左下角input框輸入信息，點擊發送

  7. 可能會出錯，注意F12對話框，一般F5能解決

功能

視頻音頻聊天（連接了攝像頭和話筒，至少要有攝像頭），廣播文件（可單獨傳播，提供API，廣播就是基于單獨傳播實現的，可同時傳播多個，小文件還好說，大文件坐等內存吃光），廣播聊天信息

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