基于WebRTC的实时通信

2021-11-27常天宇彭振

工程技术与管理 2021年20期

常天宇彭振

国家无线电监测中心检测中心，中国·北京 100041

1 概述

WebRTC 是一个跨平台的多媒体框架可以进行音视频处理和实时通讯。通过浏览器进行音视频设备访问管理、音视频采集、数据传输最终搭建实时互动的平台[1]。

信令服务器用来交换每个终端支持的媒体信息（编解码器等）和网络信息（每个终端可能支持的通路）；STUN/TURN 服务器用来进行NAT 穿越和提供中继服务；NAT 穿越成功可以建立P2P 通道直连进行媒体数据的传输，否则需要中继节点进行中转[2]。

2 信令服务器的搭建

①下载并安装nodejs、express、serve-index、socket.io模块。

②新建server.js 文件中引入以上模块。

③创建http 和https 服务。

④将socket 服务和web 服务绑定。

⑤服务端侦听底层发送的connection 事件后，继续侦听客户端自定义事件并进行后续的逻辑处理。

⑥打开端口http 服务监听80，https 服务监听443。（web和socket 服务端口复用）

⑦node 运行server.js 文件开启服务。

⑧编写好的客户端html、js、css 文件放在服务端public 路径，利用本地浏览器的v8 引擎进行渲染处理后实现交互。

3 NAT 穿越

NAT 功能是给内网地址提供一个公网的映射地址，提高安全性并解决IPV4 地址不足。

有四种类型的NAT，即完全锥型、地址限制性NAT、端口限制性NAT、对称性NAT。安全性依次增加，给NAT穿越打洞带来挑战。对于端口受限锥形与对称性NAT、对称型NAT 与对称性NAT 之间几乎很难打洞成功[3]。虽然可以尝试IP 地址和端口猜测的方式，但对猜测算法要求很高。

如何进行NAT 类型检测有以下步骤：

①服务器2 台，需有2 个IP 地址和端口（#1 服务器双网卡）。

②客户端向服务端发送多个ECHO（UDP 报文）请求，服务端用该IP 地址和端口返回响应。如果一个响应也没有收到，那么说明不支持UDP 形式检测。

③如果客户端收到回复响应，则需要对比返回的ip 地址和发送的IP 地址，如果相同则客户端没有在NAT 之后，否则在NAT 之后。

④客户端再向服务端发送请求，服务端用不同于接收请求的IP 地址和端口进行回复响应，如果客户端收到了响应则说明客户端处于完全开放的公网，否则客户端位于对称性防火墙之后。

⑤如果第三步在NAT 之后重复第四部步骤，客户端收到回复响应，则NAT 类型为完全锥形，否则需要进一步判断。

⑥向第二台服务器重复步骤二操作，得到回复后对比经过NAT 映射后的公网IP 地址和第三步得到的公网IP 是否相同，如果不同则为对称性NAT，如果相同客户端向一台服务器再次发送请求，服务器端用相同的IP 地址但是不同的端口进行回复响应，如果客户端能收到则为IP 限制性NAT，否则为端口限制性NAT。

4 STUN 服务

交换公网IP 地址和端口，便于进行NAT 穿越。是典型的客户端/服务器模式。即客户端发送请求，服务端响应。如果没有STUN 服务，客户端无法知道彼此的IP，即使在公网上的主机也是无法进行通讯的（见图1）。

图1 STUN 服务器工作原理

5 TURN 服务

建立在STUN 协议之上，TURN 客户端发送allocate 请求，服务器分配公网IP 地址和端口提供流媒体数据的中转服务以解决NAT 无法穿越的问题。TURN 服务器对于同一客户端有2 个端口分别提供allocate 请求服务和数据中转服务：TURN 服务器的3478 端口和客户端可以是TCP 或者UDP(NAT 穿越基于TCP 打洞或UDP 打洞，一般来说为了保证请求服务的可靠性都是基于TCP 或者TLS over TCP)；50000 端口和客户端是流媒体的UDP 包，UDP 数据的传输方式有send/data 或channel，两者可以共存[4]。

6 ICE 框架

收集每个终端可能的通路（本机地址、反射地址、中继地址）通过信令服务器进行交换然后再进行连通性检测。优先P2P 穿越，不成功选择TURN 中转服务。

STUN/TURN 服务器搭建选型Coturn 并下载安装到服务器，需要配置表1的参数可以提供基本的STUN/TRUN服务。

表1 配置参数

配置好后开启该服务并用Trickle ICE 检查服务运行是否正常。candidate 收集到2 个本机的地址（host 双网卡）、1 个经过NAT 之后的映射公网地址（srflx）以及1 个提供TURN 服务的中继地址（relay）。具体网络可以通过wireshark 或者linux 下的tcpdump 进行抓包分析。

7 建立通讯

Peer A 和Peer B 进行通讯，先进行媒体协商（即协商共同支持的编解码器等），再进行候选者收集链路优先级排序检查通路，最后进行媒体流的传输。Peer A、Peer B 在建立的通路上进行媒体数据的传输，并将收到的数据添加在本地html页面标签上显示。

信令服务和STUN/TURN 服务可以部署在同一台物理设备上，客户端可以发送本地采集的音视频数据、共享本地桌面、文字聊天和文件传输等实现1V1 实时互动。如果是同一NAT 后的终端通讯，不需要开启STUN/TURN 服务即可建立P2P 直连，如果是不同网络在NAT 穿越失败后需要TURN 服务中转才能进行通讯。