WebRTC | 信令服务器

目录

一、相关术语

1.NAT

2.STUN服务器

3. TURN服务器

4.打洞

二、WebRTC一对一架构

三、信令

1. 信令传输协议的选择

2. 信令服务器的实现方案

3. 信令服务器的业务逻辑

---

        信令服务器的作用主要有两个：一是实现业务层的管理，如用户创建房间，加入房间，退出房间等；二是让通信的双方彼此交换信息，其中最常见的是交换通信双方的外网IP地址和端口。

一、相关术语

1.NAT

        Network Address Translation，网络地址转换。“NAT环境”通常指网络地址转换（Network Address Translation）环境。在计算机网络中，NAT是一种网络协议，用于将一个或多个内部网络的IP地址转换为另一个或多个外部网络的IP地址，以实现网络通信。NAT环境常用于家庭网络、企业网络和互联网服务提供商（ISP）等场景中，以提供更好的网络连接和资源共享。通过NAT，多个设备可以共享同一个公共IP地址，从而节省IP地址资源，并增强网络安全性。

2.STUN服务器

        Session Traversal Utilities for NAT，NAT会话穿越实用工具协议。STUN服务器用于帮助设备发现自己在NAT后面的公共IP地址和端口。当设备处于NAT环境中时，它的私有IP地址无法直接被其他设备访问。STUN服务器充当一个中间人，设备可以向STUN服务器发送请求，以获取自己的公共IP地址和端口。设备可以使用这些信息来建立直接的点对点连接，从而避免通过中继服务器进行通信。

3. TURN服务器

        Traversal Using Relay NAT，通过中继方式穿越NAT。TURN服务器用于在NAT环境下进行中继通信。当设备无法直接建立点对点连接时，它们可以通过TURN服务器进行通信。设备将数据发送到TURN服务器，然后由服务器转发给目标设备。TURN服务器在中继通信中起到一个中间人的作用，帮助设备进行数据的中转。TURN服务器通常会分配一个临时的公共IP地址和端口给设备，以便进行通信。中继通信会增加一些延迟和带宽消耗，因此在实时通信中，尽量避免使用中继，而是优先选择直接的点对点连接。

4.打洞

        打洞通常是指在NAT环境下，通过一些技术手段实现内网设备与外网设备之间的直接通信。
        NAT（网络地址转换）的类型中，打洞是指在内网和外网之间建立直接通信的一种技术。打洞可以是内网对外网访问时打洞，也可以是内网中的设备互相打洞。打洞通常用于解决NAT环境下的双向通信问题，而外网对内网的访问是单向的，只需要将请求转发到内网设备即可，不需要打洞操作。（即：在外网对内网进行访问时，并不涉及打洞的概念。）

二、WebRTC一对一架构

         WebRTC由四部分组成，分别为两个WebRTC终端、一个信令服务器、一台中继服务器（STUN/TURN）和两个NAT，这是最经典的一对一通信架构。其中，信令服务器与中继服务器都在NAT外，也就是属于外网。而两个WebRTC终端在NAT内，属于内网。

         两个WebRTC终端通信步骤：

1. 首先两个终端在通信之前，都要先与信令服务器连接，即步骤1。与服务端建立好连接后，通信的双方就可以通过信令服务器彼此交换必要的信息了，比如告诉对方自己的外网IP地址和端口是多少等。
2. 不过在交换信息之前，WebRTC终端还要与STUN/TURN服务器建立连接。这样做的目的是通过STUN/TURN服务器获得各自的外网IP地址和端口，即步骤2。
3. WebRTC终端拿到自己的外网IP地址和端口后，再通过信令服务器交换给对方。当彼此获得对方地址后，它们就可以尝试NAT穿越，进行P2P连接了，即步骤3。

三、信令

        要实现一对一通信，驱动系统运转的核心就是信令，如创建房间、退出房间等都会用到信令。信令控制着系统各模块之间的前后调用关系。比如当收到用户成功加入房间的信令后，系统需要立即将RTCPeerConnection对象创建好，以便向STUN/TURN服务器请求其外网的IP地址和端口；而当收到另一个用户加入房间的消息时，系统需要将自己的外网IP地址和端口交换给对方，从而建立起socket连接，等等。

1. 信令传输协议的选择

        我们一般选择TCP或基于TCP的HTTP/HTTPS、WS/WSS等协议作为信令服务器的传输协议。这样做有两点好处：一是不用担心信令丢失，因为TCP是可靠的传输协议，能保证传输的数据可靠、有序到达；二是在TCP上传输的数据是流式的，因此不必担心传输的数据过大导致拆包传输的问题。

        注意：WebRTC在信令控制方面采用了可靠的TCP，但是音视频数据传输上，使用了UDP作为传输层协议（传输快、低延时）。

2. 信令服务器的实现方案

        方案一：使用C/C++、Java等语言从零开始开发一个信令服务器。这种方案的实现成本非常高，要写很多代码，还要对编写的代码进行大量的测试。使用这种方案，即使开发一个最简单的HTTPS服务器，至少也要花两周以上的时间。

        方案二：利用现成的Web服务器做应用开发，如以Apache、Nginx、NodeJS为服务，在其上做应用开发是非常不错的选择。

        建议采用第二种方案，它有以下几方面优势：

• 一般信令系统都需要使用HTTP/HTTPS、WS/WSS等传输协议，而Apache、Ng inx、NodeJS等服务器显然在这方面有天然的优势。
• 实时通信的信令服务器一般负载都不是特别高。举个例子，假设有10000个房间同时在线，我们可以评估出大部分房间只需要处理几个信令，那么总的消息量也不过是几万个，这个量级对于Nginx和NodeJS来说，单台服务器就可以应付了。
• 通过Nginx或NodeJS实现信令服务器特别简单，只要几行代码就可以实现。
• 稳定性高。像Apache、Nginx、NodeJS这类服务器都经过了长时间的验证，所以它们的稳定性是可以得到保障的。

        在第二种方案中，尤其推荐使用Node.js来实现信令服务器。虽然NodeJS在性能上不如Nginx，但对于我们这种学习项目来说使用它已经足够了，而且它使用起来也特别简单，还有非常好的生态链，很多逻辑关系不需要我们自己写，大大减少了开发信令服务器的工作量。

3. 信令服务器的业务逻辑

        当两个用户要进行通信时，他们首先要创建一个房间，成功加入房间之后，双方才能交换必要的信息，如Ofer/Answer、Candidate等。当通信的双方结束通话后，用户需要发送离开房间的消息给信令服务器，此时信令服务器需要将房间内的所有人清除；如果房间里已经没有人了，还需要将空房间销毁掉。