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纯 JS 实现 WebRTC 视频通话

作者:杨成功
  • 2022 年 4 月 24 日
  • 本文字数:7748 字

    阅读完需:约 25 分钟

纯 JS 实现 WebRTC 视频通话

大家好,我是杨成功。


最近需要搭建一个在线课堂的直播平台,考虑到清晰度和延迟性,我们一致认为使用 WebRTC 最合适。


原因有两点:首先是“点对点通信”非常吸引我们,不需要中间服务器,客户端直连,通信非常方便;再者是 WebRTC 浏览器原生支持,其他客户端支持也很好,不像传统直播用 flv.js 做兼容,可以实现标准统一。


然而令我非常尴尬的是,社区看了好几篇文章,理论架构写了一堆,但没一个能跑起来。WebRTC 里面概念很新也很多,理解它的通信流程才是最关键,这点恰恰很少有描述。


于是我就自己捣鼓吧。捣鼓了几天,可算是整明白了。下面我结合自己的实践经验,按照我理解的关键步骤,带大家从应用场景的角度认识这个厉害的朋友 —— WebRTC


线上预览:本地通信 Demo

大纲预览

本文介绍的内容包括以下方面:


  • 什么是 WebRTC?

  • 获取媒体流

  • 对等连接流程

  • 本地模拟通信源码

  • 局域网两端通信

  • 一对多通信

  • 我想学更多

什么是 WebRTC?

WebRTC (Web Real-Time Communications) 是一项实时通讯技术,它允许网络应用或者站点,在不借助中间媒介的情况下,建立浏览器之间点对点(Peer-to-Peer)的连接,实现视频流和音频流或者其他任意数据的传输。


简单的说,就是 WebRTC 可以不借助媒体服务器,通过浏览器与浏览器直接连接(点对点),即可实现音视频传输。


如果你接触过直播技术,你就会知道“没有媒体服务器”多么令人惊讶。以往的直播技术大多是基于推流/拉流的逻辑实现的。要想做音视频直播,则必须有一台流媒体服务器做为中间站做数据转发。但是这种推拉流的方案有两个问题:


  1. 较高的延迟

  2. 清晰度难以保证


因为两端通信都要先过服务器,就好比本来是一条直路,你偏偏“绕了半个圈”,这样肯定会花更多的时间,因此直播必然会有延迟,即使延迟再低也要 1s 以上。


清晰度高低的本质是数据量的大小。你想象一下,每天乘地铁上班,早高峰人越多,进站的那条道就越容易堵,堵你就会走走停停,再加上还绕了路,是不是到公司就更晚了。


把这个例子联系到高清晰度的直播:因为数据量大就容易发生网络拥堵,拥堵就会导致播放卡顿,同时延迟性也会更高。


但是 WebRTC 就不一样了,它不需要媒体服务器,两点一线直连,首先延迟性一定大大缩短。再者因为传输路线更短,所以清晰度高的数据流也更容易到达,相对来说不易拥堵,因此播放端不容易卡顿,这样就兼顾了清晰度与延迟性。


当然 WebRTC 也是支持中间媒体服务器的,有些场景下确实少不了服务器转发。我们这篇只探讨点对点的模式,旨在帮助大家更容易的了解并上手 WebRTC。

获取媒体流

点对点通信的第一步,一定是发起端获取媒体流。


常见的媒体设备有三种:摄像机麦克风屏幕。其中摄像机和屏幕可以转化为视频流,而麦克风可转化为音频流。音视频流结合起来就组成了常见的媒体流。


以 Chrome 浏览器为例,摄像头和屏幕的视频流获取方式不一样。对于摄像头和麦克风,使用如下 API 获取:


var stream = await navigator.mediaDevices.getUserMedia()
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对于屏幕录制,则会用另外一个 API。限制是这个 API 只能获取视频,不能获取音频:


var stream = await navigator.mediaDevices.getDisplayMedia()
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注意:这里我遇到过一个问题,编辑器里提示 navigator.mediaDevices == undefined,原因是我的 typescript 版本小于 4.4,升级版本即可。


这两个获取媒体流的 API 有使用条件,必须满足以下两种情况之一:


  • 域名是 localhost

  • 协议是 https


如果不满足,则 navigator.mediaDevices 的值就是 undefined


以上方法都有一个参数 constraints,这个参数是一个配置对象,称为 媒体约束。这里面最有用的是可以配置只获取音频或视频,或者音视频同时获取。


比如我只要视频,不要音频,就可以这样:


let stream = await navigator.mediaDevices.getDisplayMedia({  audio: false,  video: true})
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除了简单的配置获取视频之外,还可以对视频的清晰度,码率等涉及视频质量相关的参数做配置。比如我需要获取 1080p 的超清视频,我就可以这样配:


var stream = await navigator.mediaDevices.getDisplayMedia({  audio: false,  video: {    width: 1920,    height: 1080  }})
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当然了,这里配置视频的分辨率 1080p,并不代表实际获取的视频一定是 1080p。比如我的摄像头是 720p 的,那即便我配置了 2k 的分辨率,实际获取的最多也是 720p,这个和硬件与网络有关系。


上面说了,媒体流是由音频流和视频流组成的。再说的严谨一点,一个媒体流(MediaStream)会包含多条媒体轨道(MediaStreamTrack),因此我们可以从媒体流中单独获取音频和视频轨道:


// 视频轨道let videoTracks = stream.getVideoTracks()// 音频轨道let audioTracks = stream.getAudioTracks()// 全部轨道stream.getTracks()
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单独获取轨道有什么意义呢?比如上面的获取屏幕的 API getDisplayMedia 无法获取音频,但是我们直播的时候既需要屏幕也需要声音,此时就可以分别获取音频和视频,然后组成一个新的媒体流。实现如下:


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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对等连接流程

要说 WebRTC 有什么不优雅的地方,首先要提的就是连接步骤复杂。很多同学就因为总是连接不成功,结果被成功劝退。


对等连接,也就是上面说的点对点连接,核心是由 RTCPeerConnection 函数实现。两个浏览器之间点对点的连接和通信,本质上是两个 RTCPeerConnection 实例的连接和通信。


RTCPeerConnection 构造函数创建的两个实例,成功建立连接之后,可以传输视频、音频或任意二进制数据(需要支持 RTCDataChannel API )。同时也提供了连接状态监控,关闭连接的方法。不过两点之间数据单向传输,只能由发起端向接收端传递。


我们现在根据核心 API,梳理一下具体连接步骤。

第一步:创建连接实例

首先创建两个连接实例,这两个实例就是互相通信的双方。


var peerA = new RTCPeerConnection()var peerB = new RTCPeerConnection()
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下文统一将发起直播的一端称为 发起端,接收观看直播的一端称为 接收端


现在的这两个连接实例都还没有数据。假设 peerA 是发起端,peerB 是接收端,那么 peerA 的那端就要像上一步一样获取到媒体流数据,然后添加到 peerA 实例,实现如下:


var stream = await navigator.mediaDevices.getUserMedia()stream.getTracks().forEach(track => {  peerA.addTrack(track, stream)})
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当 peerA 添加了媒体数据,那么 peerB 必然会在后续连接的某个环节接收到媒体数据。因此还要为 peerB 设置监听函数,获取媒体数据:


peerB.ontrack = async event => {  let [ remoteStream ] = event.streams  console.log(remoteStream)})
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这里要注意:必须 peerA 添加媒体数据之后,才能进行下一步! 否则后续环节中 peerB 的 ontrack 事件就不会触发,也就不会拿到媒体流数据。

第二步:建立对等连接

添加数据之后,两端就可以开始建立对等连接。


建立连接最重要的角色是 SDP(RTCSessionDescription),翻译过来就是 会话描述。连接双方需要各自建立一个 SDP,但是他们的 SDP 是不同的。发起端的 SDP 被称为 offer,接收端的 SDP 被称为 answer


其实两端建立对等连接的本质就是互换 SDP,在互换的过程中相互验证,验证成功后两端的连接才能成功。


现在我们为两端创建 SDP。peerA 创建 offer,peerB 创建 answer:


var offer = await peerA.createOffer()var answer = await peerB.createAnswer()
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创建之后,首先接收端 peerB 要将 offset 设置为远程描述,然后将 answer 设置为本地描述:


await peerB.setRemoteDescription(offer)await peerB.setLocalDescription(answer)
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注意:当 peerB.setRemoteDescription 执行之后,peerB.ontrack 事件就会触发。当然前提是第一步为 peerA 添加了媒体数据。


这个很好理解。offer 是 peerA 创建的,相当于是连接的另一端,因此要设为“远程描述”。answer 是自己创建的,自然要设置为“本地描述”。


同样的逻辑,peerB 设置完成后,peerA 也要将 answer 设为远程描述,offer 设置为本地描述。


await peerA.setRemoteDescription(answer)await peerA.setLocalDescription(offer)
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到这里,互相交换 SDP 已完成。但是通信还未结束,还差最后一步。


当 peerA 执行 setLocalDescription 函数时会触发 onicecandidate 事件,我们需要定义这个事件,然后在里面为 peerB 添加 candidate


peerA.onicecandidate = event => {  if (event.candidate) {    peerB.addIceCandidate(event.candidate)  }}
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至此,端对端通信才算是真正建立了!如果过程顺利的话,此时 peerB 的 ontrack 事件内应该已经接收到媒体流数据了,你只需要将媒体数据渲染到一个 video 标签上即可实现播放。


还要再提一次:这几步看似简单,实际顺序非常重要,一步都不能出错,否则就会连接失败!如果你在实践中遇到问题,一定再回头检查一下步骤有没有出错。


最后我们再为 peerA 添加状态监听事件,检测连接是否成功:


peerA.onconnectionstatechange = event => {  if (peerA.connectionState === 'connected') {    console.log('对等连接成功!')  }  if (peerA.connectionState === 'disconnected') {    console.log('连接已断开!')  }}
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本地模拟通信源码

上一步我们梳理了点对点通信的流程,其实主要代码也就这么多。这一步我们再把这些知识点串起来,简单实现一个本地模拟通信的 Demo,运行起来让大家看效果。


首先是页面布局,非常简单。两个 video 标签,一个播放按钮:


<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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然后设置全局变量:


var peerA = nullvar peerB = nullvar videoElA = document.getElementById('elA')var videoElB = document.getElementById('elB')
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按钮绑定了一个 onStart 方法,在这个方法内获取媒体数据:


const onStart = async () => {  try {    var stream = await navigator.mediaDevices.getUserMedia({      audio: true,      video: true    })    if (videoElA.current) {      videoElA.current.srcObject = stream // 在 video 标签上播放媒体流    }    peerInit(stream) // 初始化连接  } catch (error) {    console.log('error:', error)  }}
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onStart 函数里调用了 peerInit 方法,在这个方法内初始化连接:


const peerInit = stream => {  // 1. 创建连接实例  var peerA = new RTCPeerConnection()  var peerB = new RTCPeerConnection()  // 2. 添加视频流轨道  stream.getTracks().forEach(track => {    peerA.addTrack(track, stream)  })  // 添加 candidate  peerA.onicecandidate = event => {    if (event.candidate) {      peerB.addIceCandidate(event.candidate)    }  }  // 检测连接状态  peerA.onconnectionstatechange = event => {    if (peerA.connectionState === 'connected') {      console.log('对等连接成功!')    }  }  // 监听数据传来  peerB.ontrack = async event => {    const [remoteStream] = event.streams    videoElB.current.srcObject = remoteStream  }  // 互换sdp认证  transSDP()}
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初始化连接之后,在 transSDP 方法中互换 SDP 建立连接:


const transSDP = async () => {  // 1. 创建 offer  let offer = await peerA.createOffer()  await peerB.setRemoteDescription(offer)  // 2. 创建 answer  let answer = await peerB.createAnswer()  await peerB.setLocalDescription(answer)  // 3. 发送端设置 SDP  await peerA.setLocalDescription(offer)  await peerA.setRemoteDescription(answer)}
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注意:这个方法里的代码顺序非常重要,如果改了顺序多半会连接失败!


如果顺利的话,此时已经连接成功。截图如下:



我们用两个 video 标签和三个方法,实现了本地模拟通信的 demo。其实 “本地模拟通信” 就是模拟 peerA 和 peerB 通信,把两个客户端放在了一个页面上,当然实际情况不可能如此,这个 demo 只是帮助我们理清通信流程。


Demo 完整代码我已经上传 GitHub,需要查阅请看 这里,拉代码直接打开 index.html 即可看到效果。


接下来我们探索真实场景 —— 局域网如何通信。

局域网两端通信

上一节实现了本地模拟通信,在一个页面模拟了两个端连接。现在思考一下:如果 peerA 和 peerB 是一个局域网下的两个客户端,那么本地模拟通信的代码需要怎么改呢?


本地模拟通信我们用了 两个标签三个方法 来实现。如果分开的话,首先 peerA 和 peerB 两个实例,以及各自绑定的事件,肯定是分开定义的,两个 video 标签也同理。然后获取媒体流的 onStart 方法一定在发起端 peerA,也没问题,但是互换 SDP 的 transSDP 方法此时就失效了。


为啥呢?比如在 peerA 端:


// peerA 端let offer = await peerA.createOffer()await peerA.setLocalDescription(offer)await peerA.setRemoteDescription(answer)
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这里设置远程描述用到了 answer,那么 answer 从何而来?


本地模拟通信我们是在同一个文件里定义变量,可以互相访问。但是现在 peerB 在另一个客户端,answer 也在 peerB 端,这样的话就需要在 peerB 端创好 answer 之后,传到 peerA 端。


相同的道理,peerA 端创建好 offer 之后,也要传到 peerB 端。这样就需要两个客户端远程交换 SDP,这个过程被称作 信令


没错,信令是远程交换 SDP 的过程,并不是某种凭证。


两个客户端需要互相主动交换数据,那么就需要一个服务器提供连接与传输。而“主动交换”最适合的实现方案就是 WebSocket,因此我们需要基于 WebSocket 搭建一个 信令服务器 来实现 SDP 互换。


不过本篇不会详解信令服务器,我会单独出一篇搭建信令服务器的文章。现在我们用两个变量 socketAsocketB 来表示 peerA 和 peerB 两端的 WebSocket 连接,然后改造对等连接的逻辑。


首先修改 peerA 端 SDP 的传递与接收代码:


// peerA 端const transSDP = async () => {  let offer = await peerA.createOffer()  // 向 peerB 传输 offer  socketA.send({ type: 'offer', data: offer })  // 接收 peerB 传来的 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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这个逻辑是发起端 peerA 创建 offer 之后,立即传给 peerB 端。当 peerB 端执行完自己的代码并创建 answer 之后,再回传给 peerA 端,此时 peerA 再设置自己的描述。


此外,还有 candidate 的部分也需要远程传递:


// 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,必须是接收到 offer 并设置为远程描述之后,才可以创建 answer,创建之后再发给 peerA 端,同时也要接收 candidate 数据:


// peerB 端,接收 peerA 传来的 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 传输 answer    socketB.send({ type: 'answer', data: answer })  }  if (type == 'candid') {    peerB.addIceCandidate(data)  }}
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这样两端通过远程互传数据的方式,就实现了局域网内两个客户端的连接通信。


总结一下,两个客户端监听对方的 WebSocket 发送消息,然后接收对方的 SDP,互相设置为远程描述。接收端还要获取 candidate 数据,这样“信令”这个过程就跑通了。

一对多通信

前面我们讲的,不管是本地模拟通信,还是局域网两端通信,都属于“一对一”通信。


然而在很多场景下,比如在线教育班级直播课,一个老师可能要面对 20 个学生,这是典型的一对多场景。但是 WebRTC 只支持点对点通信,也就是一个客户端只能与一个客户端建立连接,那这种情况该怎么办呢?


记不记得前面说过:两个客户端之间点对点的连接和通信,本质上是两个 RTCPeerConnection 实例的连接和通信。


那我们变通一下,比如现在接收端可能是 peerB,peerC,peerD 等等好几个客户端,建立连接的逻辑与之前的一样不用变。那么发起端能否从“一个连接实例”扩展到“多个连接实例”呢?


也就是说,发起端虽然是一个客户端,但是不是可以同时创建多个 RTCPeerConnection 实例。这样的话,一对一连接的本质没有变,只不过把多个连接实例放到了一个客户端,每个实例再与其他接收端连接,变相的实现了一对多通信。


具体思路是:发起端维护一个连接实例的数组,当一个接收端请求建立连接时,发起端新建一个连接实例与这个接收端通信,连接成功后,再将这个实例 push 到数组里面。当连接断开时,则会从数组里删掉这个实例。


这种方式我亲测有效,下面我们对发起端的代码改造。其中类型为 join 的消息,表示连接端请求连接。


// 发起端var offer = nullvar Peers = [] // 连接实例数组
// 接收端请求连接,传来标识idconst newPeer = async id => { // 1. 创建连接 let peer = new RTCPeerConnection() // 2. 添加视频流轨道 stream.getTracks().forEach(track => { peer.addTrack(track, stream) }) // 3. 创建并传递 SDP offer = await peerA.createOffer() socketA.send({ type: 'offer', data: { id, offer } }) // 5. 保存连接 Peers.push({ id, peer })}
// 监听接收端的信息socketA.onmessage = async evt => { let { type, data } = evt.data // 接收端请求连接 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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这个就是核心逻辑了,其实不难,思路理顺了就很简单。


因为信令服务器我们还没有详细介绍,实际的一对多通信需要信令服务器参与,所以这里我只介绍下实现思路和核心代码。更详细的实现,我会在下一篇介绍信令服务器的文章再次实战一对多通信,到时候完整源码一并奉上。

我想学更多

为了更好的保护原创,我的文章会首发公众号 程序员成功。这个公众号只做原创,每周至少一篇高质量文章,方向是前端工程与架构,Node.js 边界探索,一体化开发与应用交付等实践与思考。


除此之外,我还建了一个微信群,专门提供对这个方向感兴趣的同学交流与学习。如果你也感兴趣,欢迎加我微信  ruidoc  拉你入群,我们一同进步~

发布于: 2022 年 04 月 24 日阅读数: 39
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前端架构师 2021.07.18 加入

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