前言

继《WebRTC 探索：前端视角下的实时技术解析（上）》一文之后，我们已经对 WebRTC 的基础概念和 API 有了初步的了解。在本文中，我们将进一步挖掘 WebRTC 的核心技术，探索其在前端开发中的应用潜力。随着实时通信技术的飞速发展，WebRTC 已经成为现代网络应用的关键技术之一。接下来，让我们深入探讨WebRTC 的核心技术及其实现细节。

1、WebRTC 连接：核心概念与实现

在 WebRTC 中，PeerConnection 是实现点对点（P2P）视频通话的核心 。要全面理解 PeerConnection的工作原理，首先需要掌握一些关键概念和连接方式。以下是这些核心术语的解释，以及在不同网络环境下建立 WebRTC 连接的方式。

1.1 核心概念

理解 PeerConnection 的运作需要了解以下关键术语：

总结：

• SDP是信令过程中交换的会话描述数据格式，用于确定多媒体会话的参数。
• 信令是WebRTC连接建立前的控制信息交换机制，涉及SDP的创建和交换。
• ICE协议通过收集和测试网络Candidate来实现NAT穿透，以建立点对点连接。
• Offer和Answer是SDP交换的一部分，分别由发起方和接收方创建，以协商会话的媒体参数。

1.2 PeerConnection 的核心方法和事件

PeerConnection 是 WebRTC 中用于建立和维护点对点连接的关键 API。以下是其核心方法和事件：

核心方法：

核心事件：

通过这些方法和事件，PeerConnection 可以高效地建立和管理 P2P 连接，实现媒体流的传输以及数据通道的管理。通过 信令 机制，客户端 A 和客户端 B 交换 SDP 和 ICE 候选信息，完成连接的建立和维护。

1.3 WebRTC 的连接方式

在建立 WebRTC 连接之前，客户端 A 和客户端 B 通常需要通过信令服务器交换必要的连接信息。信令服务器负责在客户端之间传递连接所需的信息，包括 SDP（Session Description Protocol）和 ICE（Interactive Connectivity Establishment）候选信息。根据不同的网络环境，WebRTC 选择合适的连接方式来建立和维护点对点连接。

1.3.1 通过本地网络直接连接

当两个设备位于同一个局域网内（例如家庭网络或办公室网络）时，它们可以直接通过对等连接进行通信，而无需经过中间服务器。这种连接方式充分利用了本地网络的低延迟和高速特性，实现快速的数据传输和实时通信。

1.3.2 通过公共 IP 地址 Internet 直接连接

当两个设备不在同一局域网内时，它们需要通过公共 IP 地址进行互相访问。设备之间的直接连接依赖于公共 IP 地址，但设备通常不知道它们在互联网上的公共 IP 地址。因此，需要使用 STUN 服务器（Session Traversal Utilities for NAT）来帮助设备发现自己的公共 IP 地址，从而建立连接。

STUN 服务器 的主要作用是：

• 发现公共 IP 地址并协助 NAT 穿透：STUN 服务器帮助设备识别它们在互联网中的公共 IP 地址，尤其是在 NAT 环境下。这一过程有助于设备之间建立点对点连接，从而实现网络通信。

然而，即使有 STUN 服务器的帮助，这种连接方式仍可能受到 NAT 和 防火墙 的限制：

• NAT（网络地址转换）：NAT 可能会对设备的公共 IP 地址进行修改，从而影响连接的稳定性。
• 防火墙：防火墙可能阻止某些类型的网络流量，影响设备之间的直接通信。

1.3.3 通过 TURN 服务器路由连接媒体

在某些情况下，P2P 连接可能会失败，尤其是当 NAT 和防火墙设备不允许直接流量时。此时，TURN 服务器（Traversal Using Relays around NAT）可以作为中间服务器来转发数据。

TURN 服务器 的作用是：

• 中继数据：在 P2P 连接不可用时，TURN 服务器接收和转发媒体流，从而保证通信的连续性。

虽然 TURN 需要额外的带宽成本，但它确保了在 P2P 连接不可用时，音视频数据仍能通过服务器转发，从而保证通信的连续性。

1.4 信令服务器与 STUN/TURN 服务器的协作

在 WebRTC 会话中，信令服务器负责交换建立连接所需的信息，包括 SDP 和 ICE 候选信息。STUN 服务器帮助发现公共 IP 地址，TURN 服务器在 P2P 连接失败时提供备选路径。通过理解这些连接方式和信令过程，我们可以更好地应对不同网络环境下的通信挑战，优化 WebRTC 的实时通信体验。

2、WebRTC p2p会话连接流程

在深入探索了 PeerConnection 的概念之后，我们现在转向WebRTC技术的核心——会话的建立过程。WebRTC的P2P架构允许在用户之间直接建立通信，无需经过中心服务器。以下是对WebRTC呼叫流程的详细描述，它将揭示如何从初始设置到成功建立连接的每一个步骤：

WebRTC 呼叫流程：

1. 连接信令服务器

• Peer A（呼叫端） 和 Peer B（被呼叫端） 首先分别与信令服务器建立连接。信令服务器充当通信的桥梁，负责转发信令消息。

• Peer A 启动通话过程，创建一个 RTCPeerConnection 对象。这个对象是WebRTC中的核心，负责管理通话。

• Peer A 调用 createOffer 方法生成一个会话描述（SDP Offer），描述了它希望如何进行通信，例如使用的编解码器、带宽等。
• 调用 setLocalDescription 方法设置本地会话描述。
• 通过信令服务器将 SDP Offer 发送给 Peer B。

• Peer B 接收到 SDP Offer 后，通过 setRemoteDescription 方法设置远程会话描述。
• 接着，Peer B 创建自己的 RTCPeerConnection 对象，并创建 SDP Answer 响应 Peer A 的Offer。
• 调用 setLocalDescription 设置本地会话描述。
• 通过信令服务器将 SDP Answer 发送回 Peer A。

• Peer A 接收到 SDP Answer 后，通过 setRemoteDescription 方法设置远程会话描述，完成会话的建立。

• Peer A 和 Peer B 各自开始收集ICE候选信息，这些信息描述了可能用于建立连接的网络路径。
• 收集完毕后，双方通过信令服务器交换ICE候选信息。
• 接收到ICE候选后，使用 addIceCandidate 方法将其添加到 RTCPeerConnection 对象中。

• 完成ICE候选交换后，Peer A 和 Peer B 尝试使用这些候选建立P2P连接。
• 如果成功，将建立起用于媒体流传输的P2P通道。

WebRTC呼叫流程是一个涉及信令交换、SDP协商、ICE候选收集和交换的复杂过程。通过这个流程，WebRTC能够在不同设备之间建立起安全的点对点媒体流传输，实现高质量的实时通信。

请注意，实际的WebRTC应用可能还需要考虑更多细节，例如信令的具体格式、ICE候选的类型和优先级、以及如何在实际应用中处理各种网络条件。

3、搭建一个简易的信令服务器

在 WebRTC 的应用中，信令服务器负责在两个客户端之间交换控制信息以建立和维护点对点连接。虽然信令服务器本质上只是一个消息转发器，但它对 WebRTC 的正常运行至关重要。WebRTC 并没有提供信令传递机制，你可以使用任何你喜欢的方式如WebSocket 或者XMLHttpRequest 等等，来交换彼此的令牌信息。接下来，我们将用WebSocket来设计并实现一个简易版信令服务器。

3.1 信令服务器设计

信令服务器的核心功能包括：

1. 用户连接管理：

• 跟踪客户端的连接状态，包括连接和断开。

• 转发 SDP（Session Description Protocol）信息，用于建立媒体流的连接。
• 转发 ICE（Interactive Connectivity Establishment）候选信息，用于处理网络地址转换和防火墙问题。

信令服务器通过 WebSocket 实时处理这些信息，确保双方能够顺利建立和维护 WebRTC 连接。

3.2 示例代码

以下是一个基于 Node.js 和 WebSocket 的信令服务器示例代码：

const express = require('express');
const http = require('http');
const socketIo = require('socket.io');

// 创建 Express 应用
const app = express();
const server = http.createServer(app);
const io = socketIo(server);

// 提供静态文件服务（例如 HTML 文件）
app.use(express.static('public'));

// 监听 HTTP 请求并发送主页面
app.get('/', (req, res) => {
  res.sendFile(__dirname + '/index.html');
});

// 处理 WebSocket 连接
io.on('connection', (socket) => {
  console.log('A user connected');

  // 处理 SDP Offer 事件
  socket.on('offer', (data) => {
    // data 包含目标客户端 ID 和 SDP Offer
    const { to, offer } = data;
    // 将 SDP Offer 转发给目标客户端
    socket.to(to).emit('offer', { offer, from: socket.id });
  });

  // 处理 SDP Answer 事件
  socket.on('answer', (data) => {
    // data 包含目标客户端 ID 和 SDP Answer
    const { to, answer } = data;
    // 将 SDP Answer 转发给目标客户端
    socket.to(to).emit('answer', { answer, from: socket.id });
  });

  // 处理 ICE 候选信息事件
  socket.on('ice-candidate', (data) => {
    // data 包含目标客户端 ID 和 ICE 候选信息
    const { to, candidate } = data;
    // 将 ICE 候选信息转发给目标客户端
    socket.to(to).emit('ice-candidate', { candidate, from: socket.id });
  });

  // 处理客户端断开连接事件
  socket.on('disconnect', () => {
    console.log('A user disconnected');
  });
});

// 启动服务器并监听 3000 端口
server.listen(3000, () => {
  console.log('Server is running on port 3000');
});

3.3 信令服务器功能解析

用户管理

• 连接管理：当客户端与服务器建立连接时，服务器会记录日志，便于实时监控连接状态。
• 断开管理：服务器处理用户断开连接的事件，并将相关信息记录在控制台，以便追踪用户连接的完整生命周期。

信令转发

• SDP Offer：客户端 A 发起连接请求并生成初始的 SDP Offer，服务器负责将该 Offer 转发给客户端 B。
• SDP Answer：客户端 B 接收到 Offer 后，生成对应的 SDP Answer，并通过服务器将其返回给客户端 A。
• ICE 候选信息：在连接过程中，双方通过交换 ICE 候选信息寻找最佳网络路径，服务器则充当中间人，将这些候选信息在客户端之间进行传递。

通过上述步骤，我们成功搭建了一个基础的信令服务器，它在 WebRTC 点对点连接中起到了核心作用，负责信令的处理与转发，包括 SDP 和 ICE 候选信息。这一基础实现为 WebRTC 的 P2P 通信提供了坚实的保障。信令服务器的设计也具有高度的灵活性，可以根据实际需求进行扩展，满足更多样化的功能或更复杂的应用场景。

4、小结

这篇文章带你穿越了 WebRTC 的核心世界。我们从 WebRTC 连接的基本概念出发，逐步揭开了 P2P 会话连接的流程奥秘，并深入解析了信令和 ICE 如何在幕后协作，促成实时通信的顺利进行。为了将理论付诸实践，我们还搭建了一个简易的信令服务器，铺设了 WebRTC 连接的桥梁。

通过这些环节，你不仅掌握了 WebRTC 的核心原理，还收获了构建实时通信服务的实际经验。

下一篇文章将是实践的重头戏，我们会基于 WebRTC 实现一个 1v1 音视频通话的 demo，把理论变成生动的实际应用。期待与你在下一篇文章中继续探讨 WebRTC 的精彩世界。