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从入门到进阶|如何基于WebRTC搭建一个视频会议

来源:未知编辑:2020年04月15日 14:03:38
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导读:疫情期间,视频会议等远程办公配资 备受青睐,众多互联网玩家切入视频会议市场,加剧市场竞争。但是,配资 虽多,能够带来稳定可靠体验的配资 却凤毛麟角,它的难点在哪里?视频会议的门槛到底有多高,又能够做到怎样的极致体验?网易智慧企业流媒体服务器天团将会从0到1,和大家分享如何基于WebRTC来搭建一个视频会议。

入门篇

甘肃在线股票配资 先请出我们今天的主角 - WebRTC,它是由谷歌推广的实时音视频技术栈,是音视频领域搜索热度最高的技术。它有多重身份,既是W3C的标准,也是一个开源项目,还有一个对应的IETF工作组(RTCWEB)。在WebRTC出现之前,音视频通信是高不可攀的领域,需要大量的专业积累才能入门,而现在,越来越多的开发者通过WebRTC来深入了解RTC技术。

WebRTC技术的本质是构建点对点的实时通信,目前主流的浏览器,包括Chrome, Firefox, Edge等,天然就支持WebRTC协议。对入门开发者来说,选用这几款浏览器,连开发客户端的时间都省了。最简单的Web视频会议,只需要架设一个Web服务器,服务器兼具信令交换的能力(信令服务也可以独立部署),两个浏览器通过Web Server交换会话炒股配资 ,就能建立P2P通道来传输媒体流,进行1v1的视频会议。如下图所示。
两个浏览器向Web服务器请求页面,并进行SDP交换,然后在浏览器之间直接建立P2P Transport,进行媒体流传输。这是最简单的WebRTC应用形式。

这种简单的媒体流直联的方式,线上有很多教程,也可以参考WebRTC的demo (https://webrtc.github.io/samples/),这里不展开。

甘肃在线股票配资 如果拓展到多方的视频会议,架构是这样的:

可以看到,这种”简单”的视频会议,有两个风险点:

1. 甘肃在线股票配资P2P在两个客户端之间建立,不可避免的涉及到NAT穿透的问题,打洞的成功率直接影响P2P的可用性,在会议场景是不能接受的。

2. 在多人场景下,本地的媒体流以拷贝的形式发送给每个对端,对网络带宽是个极大的浪费,上行网络的带宽瓶颈决定了会议的方数上限,影响体验,也不利于扩展。

要解决这两个问题,就要引入媒体服务器。看下面的架构图:


加入媒体服务器后,每个浏览器只和服务器建立媒体传输通道。

- 甘肃在线股票配资媒体服务器架设在公网,P2P的可用性有保障。

- 每个浏览器只向服务器发送一路本地媒体流,由服务器负责转发给远端,避免了带宽浪费。

对于视频会议来说,这是更优的架构选择。

甘肃在线股票配资 常用的媒体服务器主要分为SFU(Selected Forward Unit)和MCU(Multipoint Control Unit),SFU只负责媒体流转发,不做太多复杂的媒体处理,并发能力会强一些。MCU除了媒体流的接收/发送,还会进行转码和混流,对服务器的性能要求比较高,在实时传输系统中,转码会带来额外的延时,在选型时也必须考虑。多人视频会议场景下的SFU/MCU架构示意如图:

SFU对接入的媒体流进行全网转发,MCU对接收到的媒体流做转码后,只转发一路合成后的媒体流。它们的优势和劣势总结如下表:

甘肃在线股票配资 WebRTC的生态中,有许多优秀的开源媒体服务器,下面列出部分关注度高的项目。

Project SFU MCU LIcense
Janus ?? ?? GPL v3
Licode ?? ?? MIT
MediaSoup ?? ?? ISC
Kurento ?? ?? Apache2
Jitsi ?? ?? Apache2

大家可以根据自己的需求,选择合适的项目来搭建媒体服务器。对于实时性和高并发有强要求的会议场景,笔者还是推荐采用SFU架构,下面的进阶篇中也会基于SFU展开介绍。

另外,如果不满足于浏览器入会,有扩展客户端覆盖的需求,上述的开源项目中,也有相应的native的客户端库,比如mediaSoup,有提供一个libmediasoupclient的C++ library,这个库本身是基于libwebrtc的,大家可以基于这个库来搭建iOS/Andriod/PC的客户端,需要一定的时间摸索编译环境,但不会太复杂。

甘肃在线股票配资 这还不是WebRTC生态的全部,在客户端扩展方面,WebRTC是一直走在路上的,各种前沿的混合开发框架项目中,都能看到它的身影,比如RN/Flutter/Cordova等等,在Github上都有WebRTC开发库,愿意实践的开发者可以尝试,不过,要用这些开发框架做到配资 化,还是需要一定积累的,需要踩一些坑。

到这里,我们完成了基础的视频会议搭建,或许在通话时会面对这样那样的质量问题,但至少实现了听得见、看得到,浅尝则止的目标已达成。下面的进阶篇,就留给打算深入学习RTC的小伙伴(需要一些音视频基础)。

进阶篇

甘肃在线股票配资 视频会议的基础是实时音视频通信(RTC)技术,在上一篇解决了听得见、看得到的问题之后,在接下来的进阶篇中,我们重点关注下如何能让音视频通信稳定、流畅、可靠,也就是关乎视频会议的质量体验问题。

大家可能都会有这样的体会,视频会议总是很难保持稳定,偶尔会视频卡住,或者声音断续,或是今天可以正常完会,改天就不好。其实实时音视频通信的原理就是信号的采集,处理和传输,而其中传输部分是最难把控的,为了做到实时性,我们要摒弃长时延、可靠的TCP,选择不可靠,但有可能做到实时的UDP。在公共互联网上用UDP搭建传输网络,它的不可靠的因子会被放大,比如时延,抖动,丢包等,都有可能影响视频会议的体验。

下面的章节中,我们重点介绍实时音视频通信中的Quality of Service(QoS)。QoS可以狭义地理解为链路分组数据传输的质量指标,相对的另一个指标是Quality of Experience(QoE),它是用户对设备,网络和系统总体的端到端主观体验。

QoS那些事

WebRTC中已经具备了一些保障QoS的策略,比如ARQ,FEC,Jitter Buffer,Congestion Control等,让我们结合前面的SFU架构来展开探讨。

QoS策略的主要任务是对抗影响数据传输的网络变量,比如时延,抖动,丢包,带宽等。我们简单介绍下QoS的常规武器。

? ARQ:自动重传请求,是数据链路层的错误纠正协议之一,WebRTC中用到是协议中的NACK机制,即接收端监测到数据包SeqN丢失后,发送对该数据包的重传请求,由发送端执行重传。

? FEC:前向纠错,是增加数据通讯可靠度的方法,利用原始数据编码进行冗余炒股配资 的传输,当传输中出现丢包,允许接收端根据冗余炒股配资 重建。WebRTC利用UlpFEC进行数据保护,冗余系数由链路上的丢包率决定。

? Jitter Buffer:抖动缓冲,通过在接收端维护一个数据缓冲区,可以对抗一定程度的网络抖动,丢包和乱序,需要考虑的是接收延时和卡顿之间的平衡。

? 甘肃在线股票配资Congestion Control:拥塞控制, WebRTC利用GCC算法来控制传输,通过兼顾丢包和时延的算法来估计网络可用带宽,并以此估算值来控制源端发送码率,避免网络拥堵。

在典型的SFU传输链路中,媒体流(RTP数据包)由Sender发送到Receiver,媒体控制流(RTCP包)由Receiver反馈给Sender。控制流中包括了NACK, PLI, REMB, Receiver Report等反馈炒股配资 。这些反馈炒股配资 是配合QoS策略的辅助手段。

有了这些QoS策略的加持,WebRTC的视频通话能够对抗一定程度的网络状况,正常情况下的通话质量可以保障。但是,这种默认的策略也存在明显的改进空间,比如:

? QoS的策略是在端到端之间生效的,接收端发现丢包后,才会向发送端发送NACK请求重传,全链路的路径(rtt)过长,影响数据重传和恢复的效率。

? 接收端在发现无法恢复视频帧后,才会发送PLI(Picture Lost Indicator)向源端请求关键帧,直到下一个关键帧到达前,所有链路上的视频帧都无法正常解码,影响接收端的视频帧率,较大概率造成卡顿。

甘肃在线股票配资 针对这两个典型的问题,我们可以分别尝试改进。


如上图所示,在改进的SFU传输架构中,重传请求不再是全链路反馈,而是在客户端和服务器之间进行。一方面,服务器具备了NACK请求的能力,及时发现上行链路的丢包,及时向发送到请求重传。另一方面,服务器能够及时响应接收端的NACK请求。丢包重传的效率提升,有助于减少端到端延时,改善音视频体验。

对于弱网下视频帧率较低的问题,除了优化传输过程中的FEC+NACK策略之外,还可以从源端编码器入手调整。

常规的RTC系统中的编码GOP是IPPP…P,每一个P帧都作为参考帧,一旦某一帧有数据包缺失,其后的所有P帧都无法正常解码,抗误码扰动的能力比较差。
一种改进的思路是,改变编码器的参考帧选择,采用长参考帧Long-Term Reference (LTR) frames机制,比如:

可以看到,引入LTR后,P帧不再是单一的前向参考,而是会有选择性的参考一些固定的帧,只要这部分固定的参考帧能够完整被接收,就能确保其他的完整帧能够正常解码,提高接收端的视频帧率,保障流畅。这种编码方式是比较适合于RTC系统的,能够对抗更大的网络抖动。

应用在视频会议中,需要接收端实时反馈的配合。接收端借助于RTCP,实时反馈能够正常解码的帧炒股配资 ,发送端可以利用收集到的这些炒股配资 ,选择合适的参考帧序列(需要兼顾编码效率),这样端到端的配合,能够最大程度的提升实时传输系统的体验。

这种反馈与编码协同的机制,同样适用于多人的会议场景。只不过,在多人场景中,我们要面对更加棘手的多端拥塞控制问题。

前面介绍过WebRTC自带的端到端拥塞控制,在会议场景下,拥塞控制需要综合考虑各个客户端的情况,如下图所示:

在多人会议情况下,各个接收端的带宽能力是不相同的,每条链路的带宽估计值都会反馈到发送端,由发送端来统一决策,控制编码和发送码率。这会带来两个潜在的问题:

? 多条链路的带宽反馈导致发送端的决策困难,编码/发送码率容易抖动。

? 某一个接收端的网络带宽不足(如图中的300k下行),发送端就会降低码率以适配当前带宽,导致每个接收端的体验都会下降,这显然是不合理的。

解决这些问题,我们就要来改进拥塞控制模型。大致的思路是,在SFU上实现带宽估计反馈,以及下行的拥塞控制。将端到端的拥塞策略,演进为分段的拥塞控制策略。

甘肃在线股票配资 理想情况下,发送端会根据上行的带宽估计值控制源端编码和发送码率,SFU则会利用下行的带宽估计值,来控制下发给各接收端的最高码率。

然而,现实问题是,当SFU只有一路视频可以转发时,如何根据各链路的带宽情况进行下发控制,有点巧妇难为无米之炊的感觉。

这里要借助于两种源端编码策略 - Simulcast和SVC。

甘肃在线股票配资 Simulcast:同步广播,指的是同时编码/发送多路视频流,比如常规发送一路720p,外加一路180p的流,这样在SFU下发给接收端的时候,可以根据下行带宽的限制,选择下发不同分辨率的流,照顾到每个端的体验。

应用Simulcast的系统示意:


SVC:可伸缩编码,使用基于层次的方法,提供时间或空间可伸缩编码组合。在RTC的应用中,通常会选用时域SVC,通过改变帧率来实现伸缩性。SFU可以根据下行的实际带宽,从同一路SVC视频流中解析出不同的时域分层,分别传输给各个接收端,同样可以实现差异化的视频流转发。



Simulcast和SVC在实际应用中各有优劣,Simulcast多路流的分辨率跨度大,主观体验不佳;SVC的时域分层会影响帧率,容易出现卡顿。

实时传输网络

甘肃在线股票配资 前一节重点介绍了WebRTC QoS的基本配置,以及进阶的实践方向。有了这些武器,可以在上下行网络质量有波动时,还能保障较好的音视频体验。

在视频会议的搭建过程中,QoS策略的保障是一方面,传输链路的选择也同样重要。

到目前为止,我们介绍的视频会议架构还是中心服务器转发,摆在我们面前有几个显而易见的问题:

? 用户远距离接入,尤其是跨国、跨地区时,传输链路质量没有保障。

? 甘肃在线股票配资国内的跨运营商之间接入,网络抖动大,影响会议质量。

? 甘肃在线股票配资单点服务器的容量和负载受限制。

甘肃在线股票配资 如果希望我们的视频会议是稳定、可靠的,解决上面的所有问题,必须构建一个具备智能调度的实时传输网络。

整体网络传输的调度见上图,几点简要的说明:

? 甘肃在线股票配资分区域/分运营商部署SFU服务器,用户通过接入服务实现就近接入,保障了最后一公里的质量。

? 灵活/按需部署路由节点,通过路由分配服务,能够根据实时网络质量选择最优的传输路径。

? 分布式的SFU更有利于会议方数的扩展和服务扩容

? 需要保障传输s网络内部的数据传输质量,可以尝试QUIC。

结合上述两点,有了可靠的传输网络,加上QoS保障的上下行质量,才能实现让人放心的视频会议体验。

其他

除了网络传输和QoS之外,视频会议的质量体验也和客户端的表现相关,一些端侧的疑难杂症,比如设备可用性,回声消除,双讲抑制等等,一定程度上决定了会议配资 的成败。这一部分的技术细节,将会在今后的公号文章中分享。

To Be Continued

自建一个视频会议配资 绝非一朝一夕之事。视频会议系统庞大,文中介绍的也只是一小部分。未来我们会针对技术细节,结合网易实践,进行持续的分享,甚至推出免费的系列课程。

另外,如果你对本篇文章有任何疑问,或想针对某一细节继续探讨,欢迎大家关注“网易智慧企业技术+”公众号,留下你的问题,对话网易智慧企业流媒体服务器天团。我们也会定期汇总大家的问题,整理成专题文章发布,希望给大家带来更多收获。
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