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使用Swoole协程实现 WebRTC 信令服务器

PHP编程爱好者 229

前言:

如今小伙伴们对“php代码运行流程图”可能比较关切,你们都需要分析一些“php代码运行流程图”的相关文章。那么小编也在网络上汇集了一些对于“php代码运行流程图””的相关文章,希望小伙伴们能喜欢,兄弟们快快来了解一下吧!

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,需要处理哪些问题?

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<tton>    <button class="btn" onclick="leave()">离开<tton></div><div>    <div class="videos">        <h1>Local</h1>        <video id="localVideo" autoplay><ideo>    </div>    <div class="videos">        <h1>Remote</h1>        <video id="remoteVideo" autoplay><ideo>    </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

<?phpuse 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;        }        /tp        $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();}

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系列复杂的操作,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。项目源码已上传至。

备注:当前例子运行环境为

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

谢谢,欢迎各位老师批评指正。

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