详解IOS WebRTC的实现原理

概述

它在2011年5月开放了工程的源代码,在行业内得到了广泛的支持和应用,成为下一代视频通话的标准。

WebRTC的音视频通信是基于P2P,那么什么是P2P呢?

它是点对点连接的英文缩写。

P2P连接模式

一般我们传统的连接方式,都是以服务器为中介的模式:

类似http协议:客户端?服务端(当然这里服务端返回的箭头仅仅代表返回请求数据)。

我们在进行即时通讯时,进行文字、图片、录音等传输的时候:客户端A?服务器?客户端B。

而点对点的连接恰恰数据通道一旦形成,中间是不经过服务端的,数据直接从一个客户端流向另一个客户端:

客户端A?客户端B ... 客户端A?客户端C ...(可以无数个客户端之间互联)

这里可以想想音视频通话的应用场景,我们服务端确实是没必要去获取两者通信的数据,而且这样做有一个最大的一个优点就是,大大的减轻了服务端的压力。

而WebRTC就是这样一个基于P2P的音视频通信技术。

WebRTC的服务器与信令

讲到这里,可能大家觉得WebRTC就不需要服务端了么?这是显然是错误的认识,严格来说它仅仅是不需要服务端来进行数据中转而已。

WebRTC提供了浏览器到浏览器(点对点)之间的通信,但并不意味着WebRTC不需要服务器。暂且不说基于服务器的一些扩展业务,WebRTC至少有两件事必须要用到服务器:

  • 浏览器之间交换建立通信的元数据(信令)必须通过服务器。
  • 为了穿越NAT和防火墙。

第1条很好理解,我们在A和B需要建立P2P连接的时候,至少要服务器来协调,来控制连接开始建立。而连接断开的时候,也需要服务器来告知另一端P2P连接已断开。这些我们用来控制连接的状态的数据称之为信令,而这个与服务端连接的通道,对于WebRTC而言就是信令通道。

图中signalling就是往服务端发送信令,然后底层调用WebRTC,WebRTC通过服务端得到的信令,得知通信对方的基本信息,从而实现虚线部分Media通信连接。

当然信令能做的事还有很多,这里大概列了一下:

  • 用来控制通信开启或者关闭的连接控制消息
  • 发生错误时用来彼此告知的消息
  • 媒体流元数据,比如像解码器、解码器的配置、带宽、媒体类型等等
  • 用来建立安全连接的关键数据
  • 外界所看到的的网络上的数据,比如IP地址、端口等

在建立连接之前,客户端之间显然没有办法传递数据。所以我们需要通过服务器的中转,在客户端之间传递这些数据,然后建立客户端之间的点对点连接。但是WebRTC API中并没有实现这些,这些就需要我们来实现了。

而第2条中的NAT这个概念,参考文章iOS即时通讯,从入门到“放弃”?,中也提到过,不过是为了应对NAT超时,所造成的TCP连接中断。在这里我们就不展开去讲了,感兴趣的可以看看:NAT百科

这里我简要说明一下,NAT技术的出现,其实就是为了解决IPV4下的IP地址匮乏。举例来说,就是通常我们处在一个路由器之下,而路由器分配给我们的地址通常为192.168.0.1 、192.168.0.2如果有n个设备,可能分配到192.168.0.n,而这个IP地址显然只是一个内网的IP地址,这样一个路由器的公网地址对应了n个内网的地址,通过这种使用少量的公有IP 地址代表较多的私有IP 地址的方式,将有助于减缓可用的IP地址空间的枯竭。

但是这也带来了一系列的问题,例如这里点对点连接下,会导致这样一个问题:

如果客户端A想给客户端B发送数据,则数据来到客户端B所在的路由器下,会被NAT阻拦,这样B就无法收到A的数据了。

但是A的NAT此时已经知道了B这个地址,所以当B给A发送数据的时候,NAT不会阻拦,这样A就可以收到B的数据了。这就是我们进行NAT穿越的核心思路。

于是我们就有了以下思路:

我们借助一个公网IP服务器,a,b都往公网IP/PORT发包,公网服务器就可以获知a,b的IP/PORT,又由于a,b主动给公网IP服务器发包,所以公网服务器可以穿透NAT A,NAT B送包给a,b。

所以只要公网IP将b的IP/PORT发给a,a的IP/PORT发给b。这样下次a和b互相消息,就不会被NAT阻拦了。

WebRTC的NAT/防火墙穿越技术

基于上述的一个思路来实现的:

建立点对点信道的一个常见问题,就是NAT穿越技术。在处于使用了NAT设备的私有TCP/IP网络中的主机之间需要建立连接时需要使用NAT穿越技术。以往在VoIP领域经常会遇到这个问题。目前已经有很多NAT穿越技术,但没有一项是完美的,因为NAT的行为是非标准化的。这些技术中大多使用了一个公共服务器,这个服务使用了一个从全球任何地方都能访问得到的IP地址。在RTCPeeConnection中,使用ICE框架来保证RTCPeerConnection能实现NAT穿越

这里提到了ICE协议框架,它大约是由以下几个技术和协议组成的:STUN、NAT、TURN、SDP,这些协议技术,帮助ICE共同实现了NAT/防火墙穿越。

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时间: 2021-06-06

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