WebRTC探索：前端视角下的实时通信解析（上）

见贤思齐

引言实时通信技术正在迅速改变我们的沟通方式，WebRTC（WebReal-TimeCommunications）作为这场变革的核心，为开发者和用户带来了无限可能。《WebRTC探索之旅》系列将分三篇文章带你了解WebRTC：第一篇《WebRTC探索：前端视角下的实时通信解析（上）》将介绍WebRTC的基础概念和核心功能。第二篇《WebRTC探索：前端视角下的实时通信解析（中）》将探讨会话流程和信令服务器的搭建。第三篇《WebRTC探索：前端视角下的实时通信解析（下）》通过实战Demo，展示如何构建音视频通话和即时通讯应用。让我们一起踏上这场探索之旅，从前端视角深入WebRTC，开启实时通信的新篇章！1、什么是WebRTC？1.1WebRTC介绍WebRTC（Web实时通信）是一个可以用在视频聊天、音频聊天或P2P文件分享等Web应用中的API。——摘自：MDN-WebRTCMDN对WebRTC的定义我们可以拆分为以下三点：WebRTC是网页即时通信（WebReal-TimeCommunication）的缩写；它提供了支持网页浏览器进行实时语音和视频对话的API；允许浏览器之间直接建立连接，实现点对点的通信。乍一看，我们所熟悉的WebSocket好像和WebRTC是同一种技术，然而它们之间的差别就像短信和视频通话——虽然都是通信工具，但一个让你“见字如面”，另一个则是“身临其境”。WebRTCvsWebSocket为了更好地理解WebRTC的独特性，我们先来回顾一下WebSocket的主要特点：WebSocket是一种基于单个TCP连接的全双工通信协议；它允许服务器主动向客户端推送数据；在WebSocketAPI中，浏览器和服务器只需完成一次握手，之后就能建立持久性的连接，并进行双向的数据传输。关键区别：通信类型：WebSocket主要用于文本和二进制数据的实时交换，非常适合聊天应用、实时游戏等需要低延迟的数据传输场景。WebRTC则专注于媒体流的实时传输，如视频和音频通话，具有更复杂的媒体处理能力。建立连接：WebSocket连接是建立在TCP上的，全双工的、持久的连接。WebRTC则是点对点的，利用NAT穿透技术（NAT指的是网络地址转换，NetworkAddressTranslation）直接在浏览器之间建立连接，支持多种实时通信场景。功能支持：WebSocket不直接支持媒体流的传输和编解码功能，而WebRTC内置了对视频、音频流的编解码和传输功能，提供更高层次的实时通信能力。通过下图，我们可以更直观地比较WebRTC和WebSocket的区别：以上对比可以帮助我们更清晰地理解这两种技术的特点。WebRTC和WebSocket各自有不同的优势，可以说WebRTC目前是将前端技术和音视频嫁接起来最佳的媒介。1.2WebRTC的浏览器兼容性WebRTC在主流浏览器中的支持情况如下图所示，这些信息来自caniuse.com网站，提供了各个浏览器对WebRTC的兼容性概况：兼容性注意事项：移动端支持：大多数移动浏览器也支持WebRTC。需要注意的是，在iOS设备上，Safari浏览器的版本需大于10.1。旧版浏览器：一些老旧的浏览器或WebView组件可能不支持WebRTC，建议在发布应用前进行全面的兼容性测试。网络环境与隐私权限：不同浏览器对摄像头、麦克风等隐私权限的处理方式有所不同，用户授权和连接稳定性可能受此影响。通过查看上图中的兼容性数据，我们可以更好地评估WebRTC在不同平台上的表现，优化应用以适配各种浏览器环境。1.3WebRTC适用场景在线教育：如新东方云教室、智慧树、猿辅导、网易云课堂，通过WebRTC实现实时互动教学。社交媒体：增强用户互动体验，如Soul和陌陌的视频聊天功能等。视频会议：如腾讯会议、钉钉，提供高质量的实时视频会议体验。直播平台：如抖音、快手，利用WebRTC技术进行低延迟的实时直播。物联网（IoT）：提供了低延迟的音视频通信能力，可以用于物联网设备之间的实时视频监控，如小米智能家居、小天才等。1.4WebRTC的优缺点WebRTC的出现标志着实时通信技术的一次重要革新。作为一种开源标准，WebRTC使得浏览器能够直接进行音视频通信，无需额外插件或第三方软件。它结合了前端技术与实时多媒体通信，为开发者和用户提供了新的可能性。然而，尽管WebRTC拥有众多优点，它也面临一些挑战。下面我们来详细探讨WebRTC的主要优缺点：优点描述实时通信WebRTC支持浏览器之间的实时音频、视频和数据通信，无需任何插件或第三方软件。高质量的音视频通信WebRTC使用最先进的音频和视频编解码器，如Opus和VP8/VP9/H.264，可以提供高质量的通信体验。端到端加密WebRTC的所有通信都是端到端加密的，保护了用户的隐私和数据安全。P2P连接WebRTC支持直接的P2P连接，可以减少延迟和带宽消耗，提高通信效率。跨平台和跨浏览器WebRTC是一个开源的标准，被大多数现代浏览器和平台支持。缺点描述复杂的信令过程WebRTC本身并不包含信令协议，开发者需要自己实现信令过程，增加了开发的复杂性。（信令是指在WebRTC会话建立过程中，用于在通信双方之间交换必要的控制信息的机制）防火墙和NAT问题在某些网络环境下，建立P2P连接可能会受到防火墙和NAT的限制。隐私问题虽然WebRTC的通信是加密的，但仍有可能泄露用户的IP地址，可能会引发一些隐私问题。资源消耗实时音视频通信需要消耗大量的CPU和带宽资源，可能会影响设备的性能。2、web端基础常用相关APIWebRTC提供了一些API，用于实现Web端的音视频通信。作为W3C标准，它涉及到用户的隐私设备如摄像头和麦克风。接下来，我们将简要介绍这些常用的WebRTCAPI。这些API为实现实时通信提供了强大的支持，每个API都各有其独特的用途。首先，我们来看看如何通过WebRTC访问用户的音视频设备。2.1getUserMediagetUserMedia是什么？getUserMedia是WebRTCAPI中用于访问用户音视频设备的接口，包括摄像头和麦克风。无论是通过USB连接的设备还是虚拟设备，都可以通过这个API进行访问。如何使用getUserMedia？在简单场景下，直接调用getUserMedia的默认参数即可获取PC的默认摄像头和麦克风。然而，在处理复杂场景时，例如选择特定的设备，可以按以下步骤操作：列出所有可用的媒体设备：获取设备列表以便选择。选择所需的设备：从设备列表中选择适合的摄像头和麦克风。配置并传递设备信息：将所选设备的信息传递给浏览器API以进行设置。// 1. 列出所有可用的媒体设备navigator.mediaDevices.enumerateDevices()  .then(devices => {    devices.forEach(device => {      console.log(device.kind, device.label, device.deviceId);    });    // 2. 根据用户选择的 deviceId 请求媒体流    const constraints = {      audio: { deviceId: { exact: selectedAudioDeviceId } },      video: { deviceId: { exact: selectedVideoDeviceId } }    };    // 3. 请求用户媒体流    return navigator.mediaDevices.getUserMedia(constraints);  })  .then(stream => {    // 将媒体流绑定到视频或音频元素上    const videoElement.srcObject = stream;  })  .catch(error => {    console.error('媒体设备访问失败:', error);  });媒体约束constraints在上述代码片段中，constraints参数用于指定音视频设备和其属性。以下是几种常见配置及其应用场景：同时获取视频和音频输入const constraints = { audio: true, video: true }如果没有视频设备，调用时会报错。可以先使用enumerateDevices判断是否有视频输入源，再决定是否设置video为false。指定设备const constraints = { audio: { deviceId: audioId }, video: { deviceId: videoId } }指定分辨率根据网络带宽和设备能力设置分辨率。例如：// 高分辨率const constraints = {    audio: true,    video: {        width: { min: 320, ideal: 1280, max: 1920 },        height: { min: 240, ideal: 720, max: 1080 }    }}// 低分辨率const constraints = {    audio: true,    video: { width: 720, height: 480 }}指定摄像头方向使用facingMode属性来选择前置或后置摄像头：// 前置const constraints = { audio: true, video: { facingMode: "user" } } // 后置const constraints = { audio: true, video: { facingMode: { exact: "environment" } } }指定帧速率frameRate帧速率影响视频的流畅度。可以根据网络条件调整帧速率：const constraints = {    audio: true,    video: {        width: 1920,        height: 1080,        frameRate: { ideal: 10, max: 15 }    }}2.2getDisplayMediagetDisplayMedia是什么？getDisplayMediaAPI用于在浏览器中实现屏幕分享功能。它允许用户选择并分享整个屏幕或特定应用窗口，适用于远程会议和在线演示等场景。如何使用getDisplayMedia？调用getDisplayMedia获取屏幕分享的媒体流。此API返回一个Promise，解析值为包含屏幕视频流的MediaStream对象。async function getShareMedia() {  const constraints = { video: { width: 1920, height: 1080 }, audio: false };  // 停止之前的媒体流  if (window.stream) {    window.stream.getTracks().forEach(track => track.stop());  }  try {    return await navigator.mediaDevices.getDisplayMedia(constraints);  } catch (error) {    console.error('屏幕分享失败:', error);  }}媒体约束Constraints基本配置在屏幕分享中video属性不能设置为false。const constraints = { video: true };指定分辨率const constraints = { video: { width: 1920, height: 1080 } };音频设置如果需要分享系统音频，可以将audio设置为true。注意，并非所有浏览器都支持音频分享功能。const constraints = {  audio: true,  video: { width: 1920, height: 1080 }};示例对比：有音频：无音频：当audio设置为false后，底部就少了开启系统音频的按钮。小提示：在获取新的媒体流之前，建议停止之前的媒体流，以避免设备使用提示，并确保应用逻辑清晰。if (window.stream) {  window.stream.getTracks().forEach(track => track.stop());}2.3RTCPeerConnectionRTCPeerConnection是什么？RTCPeerConnection用于管理音视频连接。它帮助你建立和维护与其他用户的实时通信，处理媒体流、网络连接等问题。如何使用RTCPeerConnection？创建RTCPeerConnection需要提供一个配置对象，通常包含用于网络穿透的服务器信息（如STUN服务器）。const configuration = {    iceServers: [{ urls: 'stun:stun.l.google.com:19302' }]};const peerConnection = new RTCPeerConnection(configuration);主要功能：1.创建连接请求createOffer():发起连接请求。createAnswer():响应连接请求。peerConnection.createOffer()    .then(offer => peerConnection.setLocalDescription(offer))    .then(() => {        // 发送 offer 给对端    });2.设置描述信息setLocalDescription(description):设置本地的连接信息。setRemoteDescription(description):设置对端的连接信息。peerConnection.setRemoteDescription(new RTCSessionDescription(remoteOffer))    .then(() => peerConnection.createAnswer())    .then(answer => peerConnection.setLocalDescription(answer));3.处理媒体流addTrack(track,stream):添加音视频轨道到连接中。addIceCandidate(candidate):添加网络候选地址。navigator.mediaDevices.getUserMedia({ video: true, audio: true })    .then(stream => {        stream.getTracks().forEach(track => peerConnection.addTrack(track, stream));    });peerConnection.addIceCandidate(new RTCIceCandidate(candidate));4.事件处理onicecandidate:当新的网络候选地址出现时触发。ontrack:当接收到对端的媒体流时触发。oniceconnectionstatechange:当连接状态变化时触发。peerConnection.onicecandidate = (event) => {    if (event.candidate) {        // 发送候选地址到信令服务器    }};peerConnection.ontrack = (event) => {    const remoteStream = event.streams[0];    // 显示远程媒体流    videoElement.srcObject = remoteStream;};2.4RTCDataChannelRTCDataChannel是什么？RTCDataChannel是WebRTC提供的一个API，用于在对等端之间传输任意数据。它支持低延迟、可靠性可选的数据传输方式，使得在音视频通信之外，还可以传输文本、文件等数据。如何使用RTCDataChannel？通过RTCPeerConnection创建一个数据通道，并定义其配置。const dataChannel = peerConnection.createDataChannel("myDataChannel");主要功能：1.发送和接收数据send(data):通过数据通道发送数据，可以是字符串、二进制数据等。onmessage:当接收到数据时触发。dataChannel.send("Hello, WebRTC!");dataChannel.onmessage = (event) => {    console.log("Received message:", event.data);};2.事件处理onopen:当数据通道打开时触发。onclose:当数据通道关闭时触发。dataChannel.onopen = () => {    console.log("Data channel is open");};dataChannel.onclose = () => {    console.log("Data channel is closed");};2.5API协同工作通过getUserMedia获取用户的摄像头和麦克风流，结合getDisplayMedia进行屏幕分享，再利用RTCPeerConnection管理音视频连接，最终通过RTCDataChannel实现数据传输。通过这些API的协同工作，我们可以轻松实现一个功能齐全的视频通话应用。3、小结在《WebRTC探索之旅：前端视角下的实时通信解析（上）》中，我们迈出了了解WebRTC的第一步。我们探讨了WebRTC的核心定义及其在开放网络中实现实时音视频交流的能力，同时掌握了基础API，为构建实时通信应用奠定了基础。接下来，我们将深入挖掘WebRTC的核心技术，包括：链接方式的多样性：研究WebRTC支持的各种连接方式及其影响。PeerConnection的核心作用：解析PeerConnection对象的功能和重要性。会话流程的梳理：系统化了解WebRTC会话的生命周期，包括信令处理和媒体协商。信令服务器的实践：探讨如何搭建和配置信令服务器以支持WebRTC通信。随着我们进一步探索WebRTC的技术细节，你将掌握构建复杂实时通信应用的关键知识。期待在下一篇文章中继续发掘其技术精髓，并学习如何将这些理论应用于实际开发中，实现高效的实时通信解决方案。