使用Swoole协程实现 WebRTC 信令服务器

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一、什么是WebRTC

WebRTC技术是激烈的开放的Web战争中一大突破-Brendan Eich, inventor of JavaScript。

简单来说，WebRTC 是一个音视频处理+及时通讯的开源库。

在实时通信中，音视频的采集和处理是一个很复杂的过程。比如音视频流的编解码、降噪和回声消除等。

由Google发起开源，其中包含视频音频采集，编解码，数据传输，音视频展示等功能，我们可以通过技术快速地构建出一个音视频通讯应用。

虽然其名为WebRTC，但是实际上它不只是支持Web之间的音视频通讯，还支持Android以及IOS端，此外由于该项目是开源的，我们也可以通过编译C++代码，从而达到全平台的互通。

WebRTC的架构图为：

我们可以看到模块化和分层的设计，我们文章的目的是演示浏览器端对端的连接流程，焦点是服务端信令服务器的实现方式，但需要提前介绍一些WebRTC的基本概念和连接流程。

二、基础概念

流和轨

Track 轨道，可以理解每一路音频或视频，为一个轨，互不相交，类比火车轨道。
MediaStream 媒体流，每个媒体流中包含若干轨道，可以将音频轨，视频轨打包在一起。

三、几个关键类

MediaStream 媒体流类，MeidiaStream用于将多个MediaStreamTrack对象打包到一起。一个MediaStream可包含audio track 与video track,并且可以添加或者删除。
RTCPeerConnection 连接类，包含非常多重要功能，屏蔽复杂技术细节，便于应用层使用，包括但不限于连接管理，P2P类型检测，NAT穿透，中转等。
RTCDataChannel 非音视频数据传输类，这个类在我们的例子中没有涉及到。可以简单理解为将媒体流信息或者数据信息塞到连接中，进行传输。

四、端对端连接流程

两个不同网络环境浏览器，要实现点对点的实时音视频对话，需要处理那些问题?

媒体协商

双方需要知道对方支持的媒体格式，SDP（Session Description Protocol）是一种会话描述协议，视频通讯的双方必须先交换SDP信息，才能进一步互相通信。

网络协商

双方要了解对方的网络情况，尝试寻求一个可以互相通讯的链路，其中有寻路选择，如果确实没办法建立点对点链路，会使用中继服务器来进行转发。如果是内网，或者大部分NAT网络环境下，是可以建立端到端连接。在解决网络打通问题时候，有几个概念。

STUN（Session Traversal Utilities for NAT，NAT会话穿越应用程序）是一种网络协议，它允许位于NAT后的客户端找出自己的公网地址，查出自己位于哪种类型的NAT之后以及NAT在公网的端口映射信息。这些信息被用来在两端创建UDP连接通信。
TURN (Traversal Using Relays around NAT)，如果客户端在NAT之后，那么在一些网络情景下，有可能建立点对点的通讯连接，这时就需要公网的服务器作为一个中继，对数据进行转发。

学习过程中，STUN和TURN服务器我们可使用coturn开源项目来搭建。

数据交换服务-信令服务器

WebRTC实现并没有规定信令服务器的实现方式和相关协议，这给了业务方技术选型极大的灵活。

我们今天就是使用PHP+Swoole协程实现一个简单信令服务器。

下面是一个端到端连接的流程图，整个核心流程逻辑都在图里面。

五、使用Swoole实现信令服务器

客户端代码模拟

<body>
<div style="display: block">
    <button class="btn" onclick="start()">连接</button>
    <button class="btn" onclick="leave()">离开</button>
</div>
<div>
    <div class="videos">
        <h1>Local</h1>
        <video id="localVideo" autoplay></video>
    </div>
    <div class="videos">
        <h1>Remote</h1>
        <video id="remoteVideo" autoplay></video>
    </div>
</div>
<script src="assets/js/adapter.js"></script>
<script type="text/javascript">
    const ws_config = '<?= $signaling_server ?>';
    const localVideo = document.getElementById('localVideo');
    const remoteVideo = document.getElementById('remoteVideo');
    const configuration = {
        iceServers: [{
            urls: '<?= $stun_server ?>'
        }]
    };

    let room_id = getQueryVariable('room_id');
    if (room_id == '' || room_id == null) {
        room_id = Math.random().toString(36).slice(-8);
        location.href = '?room_id=' + room_id;
    }
    let subject = 'room-' + room_id;//当前主题
    let answer = 0;
    let ws = null;
    let pc, localStream;

    function getMediaStream(stream) {
        localVideo.srcObject = localStream;
        localStream = stream;
    }

    function start() {
        ws = new WebSocket(ws_config);
        ws.onopen = function (e) {
            subscribe(subject);
            if (!navigator.mediaDevices || !navigator.mediaDevices.getUserMedia) {
                console.error('the getUserMedia is not supported!');
                return;
            }
            navigator.mediaDevices.getUserMedia({
                audio: true,
                video: true
            }).then(function (stream) {
                if (localStream) {
                    stream.getAudioTracks().forEach((track) => {
                        localStream.addTrack(track);
                        stream.removeTrack(track);
                    });
                } else {
                    localStream = stream;
                }
                localVideo.srcObject = localStream;
                publish('call', null);
            }).catch(function (e) {
                console.error('Failed to get Media Stream!', e);
            });
        };
        ws.onmessage = function (e) {
            let package = JSON.parse(e.data);
            let data = package.data;
            console.log(e);
            switch (package.event) {
                case 'call':
                    icecandidate(localStream);
                    pc.createOffer({
                        offerToReceiveAudio: 1,
                        offerToReceiveVideo: 1
                    }).then(function (desc) {
                        pc.setLocalDescription(desc).then(
                            function () {
                                publish('offer', pc.localDescription);
                            }
                        ).catch(function (e) {
                            alert(e);
                        });
                    }).catch(function (e) {
                        alert(e);
                    });
                    break;
                case 'answer':
                    pc.setRemoteDescription(new RTCSessionDescription(data),        function () {}, function (e) {
                        alert(e);
                    });
                    break;
                case 'offer':
                    icecandidate(localStream);
                    pc.setRemoteDescription(new RTCSessionDescription(data),                            function () {
                        if (!answer) {
                            pc.createAnswer(function (desc) {
                                    pc.setLocalDescription(desc, function () {
                                        publish('answer', pc.localDescription);
                                    }, function (e) {
                                        alert(e);
                                    });
                                }
                                , function (e) {
                                    alert(e);
                                });
                            answer = 1;
                        }
                    }, function (e) {
                        alert(e);
                    });
                    break;
                case 'candidate':
                    pc.addIceCandidate(new RTCIceCandidate(data), function () {
                    }, function (e) {
                        alert(e);
                    });
                    break;
            }
        };
    }

    function leave() {
        pc.close();
    }

    function icecandidate(localStream) {
        pc = new RTCPeerConnection(configuration);
        pc.onicecandidate = function (event) {
            if (event.candidate) {
                publish('candidate', event.candidate);
            }
        };
        try {
            pc.addStream(localStream);
        } catch (e) {
            let tracks = localStream.getTracks();
            for (let i = 0; i < tracks.length; i++) {
                pc.addTrack(tracks[i], localStream);
            }
        }
        pc.onaddstream = function (e) {
            remoteVideo.srcObject = e.stream;
        };
    }

    function publish(event, data) {
        let obj = {
            cmd: 'publish',
            subject: subject,
            event: event,
            data: data
        };
        console.log(obj);
        ws.send(JSON.stringify(obj));
    }

    function subscribe(subject) {
        let obj = {
            cmd: 'subscribe',
            subject: subject
        };
        console.log(obj);
        ws.send(JSON.stringify(obj));
    }

    function getQueryVariable(variable) {
        var query = window.location.search.substring(1);
        var vars = query.split("&");
        for (var i = 0; i < vars.length; i++) {
            var pair = vars[i].split("=");
            if (pair[0] == variable) {
                return pair[1];
            }
        }
        return false;
    }
</script>
</body>

信令服务端实现

<?php

use Swoole\Http\Request;
use Swoole\Http\Response;

const WEBROOT = __DIR__ . '/web';
$connnection_map = array();
error_reporting(E_ALL);
Co\run(function () {
    $server = new Swoole\Coroutine\Http\Server('0.0.0.0', 9509, true);
    $server->set([
        'ssl_key_file' => __DIR__ . '/ssl/ssl.key',
        'ssl_cert_file' => __DIR__ . '/ssl/ssl.crt',
    ]);
    $server->handle('/', function (Request $req, Response $resp) {
        //websocket
        if (isset($req->header['upgrade']) and $req->header['upgrade'] == 'websocket') {
            $resp->upgrade();
            $resp->subjects = array();
            while (true) {
                $frame = $resp->recv();
                if (empty($frame)) {
                    break;
                }
                $data = json_decode($frame->data, true);
                switch ($data['cmd']) {
                    case 'subscribe':
                        subscribe($data, $resp);
                        break;
                    case 'publish':
                        publish($data, $resp);
                        break;
                }
            }
            free_connection($resp);
            return;
        }
        //http
        $path = $req->server['request_uri'];
        if ($path == '/') {
            $resp->end(get_php_file(WEBROOT . '/index.html'));
        } else {
            $file = realpath(WEBROOT . $path);
            if (false === $file) {
                $resp->status(404);
                $resp->end('<h3>404 Not Found</h3>');
                return;
            }
            if (strpos($file, WEBROOT) !== 0) {
                $resp->status(400);
                return;
            }
            if (\pathinfo($file, PATHINFO_EXTENSION) === 'php') {
                $resp->end(get_php_file($file));
                return;
            }
            if (isset($req->header['if-modified-since']) and !empty($if_modified_since = $req->header['if-modified-since'])) {
                $info = \stat($file);
                $modified_time = $info ? \date('D, d M Y H:i:s', $info['mtime']) . ' ' . \date_default_timezone_get() : '';
                if ($modified_time === $if_modified_since) {
                    $resp->status(304);
                    $resp->end();
                    return;
                }
            }
            $resp->sendfile($file);
        }
    });
    $server->start();
});


function subscribe($data, $connection)
{
    global $connnection_map;
    $subject = $data['subject'];
    $connection->subjects[$subject] = $subject;
    $connnection_map[$subject][$connection->fd] = $connection;
}

function unsubscribe($subject, $current_conn)
{
    global $connnection_map;
    unset($connnection_map[$subject][$current_conn->fd]);
}

function publish($data, $current_conn)
{
    global $connnection_map;
    $subject = $data['subject'];
    $event = $data['event'];
    $data = $data['data'];
    //当前主题不存在
    if (empty($connnection_map[$subject])) {
        return;
    }
    foreach ($connnection_map[$subject] as $connection) {
        //不给当前连接发送数据
        if ($current_conn == $connection) {
            continue;
        }
        $connection->push(
            json_encode(
                array(
                    'cmd' => 'publish',
                    'event' => $event,
                    'data' => $data
                )
            )
        );
    }
}

function free_connection($connection)
{
    foreach ($connection->subjects as $subject) {
        unsubscribe($subject, $connection);
    }
}

function get_php_file($file)
{
    \ob_start();
    try {
        include $file;
    } catch (\Exception $e) {
        echo $e;
    }
    return \ob_get_clean();
}

效果演示

1. 房间入口

下面是本地的效果图，首页可以输入房间号加入，如果为空会自动生成一个随机字符

2. 房间内下图我在本地使用两台笔记本实现的一个效果图，使用自签的证书，这里特意展示了两个不同的画面来区分视频同步效果。

请求流程分析

1. 在一台电脑上点击连接按钮，通过绑定的点击事件start()函数，我们可以发现，首先会创建一个websocket对象并发起连接，连接成功后,向信号服务器注册设备，并获取当前设备的流媒体。获取成功后，赋值给本地元素可以展示，并且赋值给全局变量localStream。

ws.onopen = function (e) {
            subscribe(subject);
            navigator.mediaDevices.getUserMedia({
                audio: true,
                video: true
            }).then(function (stream) {
                localVideo.srcObject = stream;
                localStream = stream;
                localVideo.addEventListener('loadedmetadata', function(){
                    publish('call', null);
                })
            }).catch(function (e) {
                alert(e);
            });
        };

2. 信令服务端器在收到subscribe和publish请求后，会在内存中维护一个连接映射关系，核心逻辑是如果有其他连接进来，会进行广播通知，这里并没有实现一些细节逻辑，比如房间内连接数量限制，房间满了通知，退出连接通知等。3. 另一个客户端点击连接会重复上一步骤，对端在收到其他客户端加入房间通知后。

case 'call':
        icecandidate(localStream);//创建连接，并注册网络协商成功后给信令服务器发送信息的事件
        pc.createOffer({
            offerToReceiveAudio: 1,
            offerToReceiveVideo: 1
        }).then(function (desc) {
            pc.setLocalDescription(desc).then(//创建offer成功后，设置本地描述，并服务端绑定网络信息，成功后给信令服务器发送SDP offer
                function () {
                    publish('offer', pc.localDescription);
                }
            ).catch(function (e) {
                alert(e);
            });
        }).catch(function (e) {
            alert(e);
        });
        break;

4. 信令服务端收到一端offer后会转发给另一端，触发客户端的相应逻辑，同样会创建连接，并注册网络协商成功后给信令服务器发送信息的事件，同时会创建应答，成功后也会设置本地描述，并向服务端发送绑定信息。同时向信令服务端发送answer信息,进行中转到对端。

case 'offer':
        icecandidate(localStream);
        pc.setRemoteDescription(new RTCSessionDescription(data), function () {
            if (!answer) {
                pc.createAnswer(function (desc) {
                        pc.setLocalDescription(desc, function () {
                            publish('answer', pc.localDescription);
                        }, function (e) {
                            alert(e);
                        });
                    }
                    , function (e) {
                        alert(e);
                    });
                answer = 1;
            }
        }, function (e) {
            alert(e);
        });
        break;

5. 对端收到answer信息，设置远端的描述信息。当双方都完成offer,answer步骤后，此时双方的媒体协商已经完成。我们已经绑定过网络信息到服务端，各端会等待接收候选者列表。

case 'answer':
    pc.setRemoteDescription(new RTCSessionDescription(data), function () {
    }, function (e) {
        alert(e);
    });
    break;

6. 收到候选者列表后，需要把各自的候选信息通过信令服务器中转到对方。

pc.onicecandidate = function (event) {
    if (event.candidate) {
        publish('candidate', event.candidate);
    }
};

7. 各端收到对方的候选者列表后，会把对端的候选者加入当前连接通路的候选者列表中，然后双方会进行连接检测等等一些列复杂的操作，当找到一个最优的链路之后，就会建立连接,进行数据交互。

pc.addIceCandidate(new RTCIceCandidate(data), function () {
    }, function (e) {
        alert(e);
    });
    break;

信令服务端

我们介绍了建立连接的过程，针对服务端代码，可以看到信令服务器端的代码很少，加上http的服务总计100行代码左右，怎样达到通过同步编程的方式实现异步非阻塞IO，并且可以很轻松的实现并发百万呢？

首先通过构造函数$server = new Swoole\Coroutine\Http\Server('0.0.0.0', 9509, true);会创建server对象。
当调用$server->start();方法后，会循环进行accept，accept连接后，会创建一个协程，这个协程内所有的消息收发，都会引起协程调度。
可以低成本创建成千上万协程，并发百万没问题，底层会为每个协程开辟独立的栈空间，并基于多路复用技术（Linux下为EPOLL）来进行调度。

信令服务器利用Swoole协程技术，单进程支持异步非阻塞IO高并发，但编程完全是同步阻塞的模式。如果想进一步要利用多核，可以采用Process Pool，加reuse port(Linux kernel 3.9)技术，开启多个进程同时处理,代码仓库中有一份server_co_pool.php的相关实现

$resp->subjects = array();
while (true) {
    $frame = $resp->recv();
    if (empty($frame)) {
        break;
    }
    $data = json_decode($frame->data, true);
    switch ($data['cmd']) {
        case 'subscribe':
            subscribe($data, $resp);//订阅
            break;
        case 'publish':
            publish($data, $resp);//广播除自己以外的连接
            break;
    }
}
free_connection($resp);

服务端处理核心逻辑为将当前连接加入内存map中，以供新的连接到来查找广播，连接关闭时，清理对应的主题和fd。

到此，我们使用Swoole协程实现WebRTC信令服务器结束。

备注：当前例子运行环境为

PHP 7.2.14 (cli)
Swoole v4.4.16
Darwin mbp 19.3.0 Darwin Kernel Version 19.3.0 和 18.04.1-Ubuntu

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