如何使用開源SFU構建RTC云服務

作者:電工吧 日期:2020-07-14 08:36:58 人氣: 欄目:市場動態

編者按:本文由百度智能云RTC產品技術負責人 李永興LiveVideoStack線上分享的內容整理而成,從系統架構角度,分析了常見的開源SFU在分布式部署以及高可用、高并發方面的不足,并提出相應的解決方案。

大家好,我是來自百度智能云的李永興,在百度智能云媒體云團隊主要負責RTC產品的研發工作。

01 開源SFU的現狀與不足 ?

如何使用開源SFU構建RTC云服務(圖1)

? 在研發RTC產品的過程中,我們調研了許多優秀的開源WebRTC服務器,例如:Janus、MediaSoup、Licode、SRS4等,這些SFU都有不同的設計理念和特點,我們從中受益頗多。同時我們也發現如果要基于這些優秀的開源的SFU構建一個高可用高并發的RTC云服務,就必須對這些SFU進行相應的改造。本次分享會主要介紹這些“改造部分”,這些改造其實具備一些普遍性,即針對開源SFU普遍存在的問題進行優化和改造,并不局限于某一特定的SFU。?RTC云服務的要求?

如何使用開源SFU構建RTC云服務(圖2)

? 要想構建一個RTC云服務,存在以下幾點要求: ?

高并發:RTC云服務必須要支持海量并發用戶,同時還需要支持海量房間。

高性能:除了單機性能,能抗更多的流次外,還要具備更高的連通率,保證通信的穩定。同時還要求有很強的抗弱網性能。

高可用:單機單節點出現故障時不影響系統可用性。

彈性伸縮:系統可以很方便的進行擴容操作,并且擴容時盡可能減少相應配置,這樣可以使系統迅速進行擴容。

如何使用開源SFU構建RTC云服務(圖3)

? 當前一些開源SFU的現狀,例如Janus和MediaSoup,其服務端都會開UDP的操作范圍,即服務端用不同的端口服務不同的客戶端的媒體連接。同時在Janus中,信令和媒體是耦合在一起的;而在MediaSoup中,官方提供了nodejs庫,其本身只是一個媒體層的庫。但同時官方也提供了一個Demo,其媒體層和信令也是耦合在一起的;SRS4實際是國產之光,產品推出的時間不久,目前只支持WebRTC拉流功能。 ? 對于這些開源SFU,主要的改進點有: ?

使用端的UDP服務端端口進行流媒體的傳輸;

信令和媒體層分離設計,可以支持大規模分布式部署;

關于級聯方面,各個開源SFU都沒有相對完整的解決方案。在我們的系統中,采用路由表方式的級聯,并且是私有協議的級聯,可以很好的支持和用戶就近接入。

當然對于整個RTC云服務,除了SFU這個核心功能之外,RTC云服務還需要支持一些混流、錄制、多協議網關支持(例如RTMP的接入:方便微信小程序的接入、SIP的接入)等。 ? 02 單端口方案 ?

如何使用開源SFU構建RTC云服務(圖4)

? 目前無論是Janus還是MediaSoup,服務端都是使用單獨的UDP端口服務單獨的PeerConnection, SFU在啟動時會配置一個可用的UDP的端口范圍,用于客戶端的數據傳輸。服務端接收到客戶端的請求后,會從配置的端口范圍內為客戶端分配一個未被使用的端口,通過SDP把服務端的端口傳給客戶端??蛻舳耸盏絊DP端口并進行解析,然后就可以向服務端發送或接收數據。這就要求服務端同時暴露成千上萬個端口,對于網絡安全性是很不友好的,同時可運維性也較差。另外,客戶端的網絡可能會對目的端口進行一些限制,如果分配的端口在允許范圍之外,那么客戶端就連接不到服務器,導致整個連通的失敗。 ? 為了實現云服務的高可用、彈性伸縮一般會配置負載均衡設備作為網絡的接入設備。在真正生產環境中,可能一個IP后面會掛著幾十甚至上百臺機器,當機器宕機時不會導致整個服務的不可用。常見的負載均衡設備中很少看到有支持UDP PortRange方式的,即使支持了,由于暴露了很多端口,健康檢查方面實際是不可能完成的任務。 ? 鑒于以上問題,我們就需要對SFU進行相應的改造,以使得服務端使用單端口對流媒體的數據進行傳輸。 ? Janus使用了Libnice庫作為底層網絡傳輸庫,該庫本身是多端口的實現,因此要在Janus基礎上實現單端口存在兩種方案:一種是直接替換掉Libnice庫,重新構建底層,改為單端口的傳輸方式。但是由于Janus和Libnice庫的耦合非常緊密,若要使用重新構建底層的方式,實現較為復雜的,難度很大;另外一種方式就是保留Libnice多端口的實現,在Janus上增加單端口代理的功能。代理的功能是指將單一的對外端口傳輸的客戶端的數據,在接收到數據之后,同時將相應的數據轉發到Libnice內部分配的不同服務端的內部端口中。這種方式修改起來會更簡單一些。 ?

如何使用開源SFU構建RTC云服務(圖5)

? 若選擇使用代理方式,其實現難點在于來自不同客戶端的數據都是通過同一個服務端端口進行傳輸,服務端該如何判斷傳輸的數據與用戶的對應關系。對此,我們可以通過SDP協商里面的ICE-Ufrag字段進行解決,當服務端接收到客戶端的SDP后,按照之前的流程,會創建本地服務的端口,并且將相應的ICE-Ufrag與該端口映射起來。服務端會將對外的IP端口寫入SDP傳給客戶端,然后一直監聽對外端口??蛻舳私摃r會發送Stun包, Stun包中會帶有ICE-Ufrag,服務端接收并解析出ICE-Ufrag,再根據之前的映射關系,從IP-MAPS中找到對應的服務端端口。同時服務端還會記錄Stun包的來源客戶端IP和端口,服務端就會將用戶側的IP和端口與服務端的IP和端口映射起來。每次收到客戶端的數據之后,就可以查看數據源的IP和端口,通過MAP的映射關系查到對應的服務端的端口,將數據轉發到相應的服務端端口中。同理,服務端發出的數據也會從映射關系中找到對應客戶端的IP和端口,通過單個端口發出。 ? 通過這種單端口的方案,我們就可以將SFU部署在負載均衡設備之后,并且可以很方便的進行臺線擴容和健康檢查,達到高并發和高可用的目的。另外,服務端是有公網地址的,因此WebRTC的ICE、打洞的操作實際上也就不需要了。在進行地址映射時,需要使用客戶端Stun包的真實地址。在測試中我們發現,有時候真實地址與客戶端發送過來的Candidate中的地址不一樣,如果使用Candidate中的地址則會存在連通失敗的問題。 ? MediaSoup雖然也是多端口方案,但是并未使用Libnice庫,因此可以直接在底層實現整套單端口方案,并不需要Porxy的存在。 ? 這里值得一提的是SRS4,雖然SRS4目前只支持WebRTC的拉流,但是其實現是基于原生的單端口方案,沒有使用Libnice庫,整個MAP的建立過程與前面所描述的是一致的,也不需要Porxy的存在。SRS4在單端口方面還是相當友好的,可以很簡單的實現集群化的分布式部署。 ? 03 信令分離 ? ?

如何使用開源SFU構建RTC云服務(圖6)

? WebRTC標準本身并沒有規定信令的部分,因此各個開源的SFU基本都是自定義實現的。Janus實現了基于HTTP或WebSocket的信令,MediaSoup本身是nodejs的庫,不包含信令部分,但是其官方的Demo也實現了HTTP或WebSocket的信令。它們的共同點是信令部分的實現和媒體部分的實現是集成在一起的。信令一般基于TCP協議的,媒體一般是基于UDP協議的。如果它們的實現集成在一起的話,就需要一個客戶端的TCP信令和UDP流媒體數據發送到服務端的同一臺機器上。這主要是因為服務端在收到客戶端的信令后,會在本機進行一些資源的初始化工作,如果TCP信令和UDP流媒體數據不在同一臺機器上是無法完成的。 ? 這樣就存在兩種簡單的方案,其一:每臺機器都有一個單獨的公網IP;其二使用源地址哈希的負載均衡。 ? 如果選擇單獨的公網IP的方案,功能實現沒有問題,但并不能達到高可用、高并發的要求。一臺機器對應一個IP,如果這臺機器上的流特別多,就會很難負載,無法進行彈性擴容。 ? 我們的主要目的就是希望同一個客戶端的TCP和UDP負載到同一個服務器上,而使用源地址哈希的方式,會出現兩個問題:一個是負載不均衡的問題,如果多個用戶共享同一個網絡出口的話,會造成負載的不均衡;另外一個問題是在實際網絡過程中,即使是同一個客戶端,它的TCP出口與UDP出口也可能并不相同,這就會導致客戶端的整個連通失敗。 ?

如何使用開源SFU構建RTC云服務(圖7)

? 根據以上分析可知,造成這種問題的根本原因是由于SFU同時提供了信令和媒體服務,我們的解決方案就是將信令從SFU中分離出來,信令分離其實有兩層意思,其一:是將信令服務從SFU中分離,SFU作為單純的流媒體處理器使用。其二:是將信令分為兩部分,一部分是與客戶端交互的信令,另外一部分是信令服務器與SFU或MeidiaServer之間的內部交互信令。 ? 將信令服務分離之后,就可以單獨實現信令服務器,為客戶提供基于TCP的信令服務,包括SDP解析、生成服務??蛻舳耸紫纫B接到信令服務器上,進行媒體協商,信令服務器會根據一定的策略選擇SFU或MeidiaServer的節點的IP通過SDP返回給客戶端,同時信令服務器還會把接收到的客戶端信息向對應的分配的SFU進行廣播??蛻舳私邮盏絊DP之后,根據IP相應的連接到SFU的節點,SFU的節點中的所有機器其實都已經具備了客戶端的信息,這樣客戶端就可以進行正常的推拉流。 ? 因為采用了信令分離,所以也就不需要依賴于源地址哈希的負載均衡策略。同一個客戶端的多個PeerConnection可能會打到后端不同的SFU上,也就達到了比較好的負載均衡的目的。 ? 信令分離之后,緊接著的一個問題就是:信令服務器與SFU或MeidiaServer之間內部信令如何交互。信令服務器需要向SFU或MeidiaServer廣播用戶的信息,SFU需要向信令服務器上報一些媒體狀態。這些內部信令的特點就是可以異步處理,不需要等待處理的返回結果,因此就可以使用消息隊列去完成內部信令的交互,消息隊列的引入進一步使得信令服務器與SFU進行應用的解耦,二者的部署就更加靈活。信令服務器可以與SFU進行混合部署,也可以進行單獨部署。 ? 信令服務器除了向客戶端提供一些信令服務之外,還會使用客戶端真實的IP通過http-DNS服務獲得最佳的SFU節點地址,并返回給客戶端。這樣就會使得SFU的調度更加的準確,提供更好的服務。 ? Janus的信令與媒體的耦合較為緊密,因此分離起來會稍顯復雜,同樣有兩種方案:一種是基于現有的Videoroom的插件去做修改,另外一種是直接自己實現一個SFU插件。兩者的工作量都不算太小,如果自己實現SFU插件,Janus Core里面的部分也需要進行修改。 ? 對于MediaSoup本身來說,它只是一個nodejs庫,不包含信令部分,只需要實現一些上層消息隊列的收發以及內部信令的解析功能即可,需要一個單獨的信令服務器與客戶端提供信令服務。 ? SRS4內部有一個很簡單的拉流信令部分,如果想用SRS4實現WebRTC的拉流功能,信令的分離工作也是需要去做的。 ? 04 級聯Relay ?

如何使用開源SFU構建RTC云服務(圖8)

? 對于級聯Relay部分的改造,RTC的多方通話存在跨地域、跨運營商的問題。為滿足更多用戶的優質體驗,需要用戶就近接入,即通話多方分布在不同的SFU上。這就需要我們的SFU具備級聯Relay的能力,將相關的媒體流轉發到需要媒體流的SFU上。目前開源的Janus和MediaSoup都不具備完備的級聯能力,都需要進行相應的改造。 ? 級聯主要涉及兩個問題:其一,網絡拓撲的問題,其二是級聯協議的問題。 ? 級聯網絡拓撲問題中最主要的是級聯路由選擇的問題。傳統的CDN網絡是樹形結構,由中心節點和邊緣節點構成,其主要優點是回源結構比較簡單,多級放大,并發能力較強。其主要缺點是由于中心源棧的存在,多級的回源結構導致延遲較大,不太適合RTC的應用。 ? 由于網絡狀況每時每刻都在發生變化,所以我們也不能確定RTC的應用最適合哪種結構。因此我們在設計的時候,最看重的是網絡的靈活性和自適應性。 ? 網絡靈活性是指可以靈活的通過配置的方式,改變網絡的拓撲結構,并且可以適應多種網絡環境。級聯可能會有很復雜的應用場景,例如,Relay可能是在公網做的,也可能是內網做的,也可能是幾點間或內部進行級聯。 ? 自適應性是指系統可以根據實時的網絡狀況自動調整路由選擇。為此,在級聯中我們引入了路由表的設計,路由表就包括目的地址和下一跳地址。中心控制節點會將路由表下發到各個節點的SFU中,與CDN回源不同,由于RTC中沒有中心源站上的概念,因此采用的是主動轉發的方式,而不是類似CDN拉流回源的方式。中心節點其實會保存每條流的節點位置的信息,當某個節點需要某條流時,中心節點會向距離最近的并且有這條流的節點轉發命令,SFU收到轉發命令之后,會將路由信息寫到轉發包的頭里面,并根據路由表查詢下一跳到哪里,進行轉發。下一跳接收到轉發包之后,重復相應的過程,直到到達最后的目的地。這種做法的優點在于每次轉發只需要中心節點下發一次命令即可,后續的轉發完全由SFU自主完成。 ? 中心控制節點還具備路由表的自動生成能力,如果有新節點上線,會自動生成新節點相關的路由表并下發,這樣就可以保證新節點上線時,自動的完成數據流轉的暢通。自適應的原理是節點主動對相鄰的節點進行延遲和丟包的探測,并將這些探測結果上傳到中心節點,中心節點根據這些探測結果對路由表進行一些調整、下發,這個功能目前我們還在處于測試階段。 ? 級聯的另外一個問題是協議的問題,級聯主要是在SFU之間進行,我們采用的是通過私有協議進行級聯。WebRTC的協議本身是基于P2P的,因此如果使用WebRTC協議做SFU之間的級聯就太重了,很多內容是不需要的。同時我們會將一些業務信息,例如房間號、用戶號、路由信息等加到私有協議中,當接收端收到包之后就不需要再單獨進行查詢操作,同時也可以自動完成路由數據包的轉發。 ? SFU使用單獨的Relay端口進行私有協議和數據的監聽和轉發,同時級聯的端口也可以開放給客戶端,客戶端也就可以通過私有協議接入RTC系統。由于有一些公網Relay場景的存在,私有協議里我們還會加入丟包重傳FEC的功能,以保證公網之下Relay的質量。 ? Janus有一個RTP forword的功能,可以將用戶的媒體流以RTP的方式forword到一個地址里。如果要基于Janus做級聯,可以基于這個功能進行一些改造,增加級聯的監聽功能,可以實現整個媒體流的轉發。 ? 05 RTC云架構 ?

如何使用開源SFU構建RTC云服務(圖9)

? 上圖所示是整體的RTC云架構,除了前面講到的流媒體服務器,還包含其它一些模塊,例如業務后臺的模塊Platform,包括Relay、路由表、房間等控制,Platform、信令服務器、流媒體服務器之間使用MQ進行信令的同步和轉發,另外還有一些混流的服務,將多路視頻流混成一路,推向旁路直播或者存儲,混流服務器的流媒體轉發也是通過Relay的方式進行的。除了以上,還有一些多協議的網關,例如支持RTMP(微信小程序)或SIP(傳統的視頻會議、終端)的接入。 ? ?

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