Klientpuses WebRTC mediju saskaņošana: kodeku izvēles algoritma atšifrēšana

Dinamiskajā reāllaika saziņas (RTC) pasaulē WebRTC ir galvenā tehnoloģija, kas nodrošina peer-to-peer audio, video un datu kanālus tieši tīmekļa pārlūkprogrammās. Kritisks, taču bieži vien sarežģīts šo savienojumu izveides aspekts ir mediju saskaņošanas process, īpaši sarežģītā kodeku izvēle. Šis process nodrošina, ka abas WebRTC zvana puses var saprast un atveidot apmainītās mediju straumes. Klientpuses izstrādātājiem ir ļoti svarīgi dziļi izprast šo algoritmu, lai veidotu stabilas, augstas kvalitātes un universāli saderīgas RTC lietojumprogrammas.

Pamats: Sesijas apraksta protokols (SDP)

WebRTC mediju saskaņošanas pamatā ir Sesijas apraksta protokols (SDP). SDP ir teksta formāts, ko izmanto, lai aprakstītu multivides sesijas. Tas nav paredzēts pašu mediju pārsūtīšanai, bet gan lai paziņotu par šo sesiju iespējām un parametriem. Kad divi lietotāji (peers) uzsāk WebRTC savienojumu, viņi apmainās ar SDP piedāvājumiem un atbildēm. Šī apmaiņa detalizēti apraksta:

• Sūtāmo mediju veidus (audio, video, dati).
• Atbalstītos kodekus katram medija veidam.
• Tīkla adreses un portus mediju sūtīšanai un saņemšanai.
• Citus sesijai specifiskus parametrus, piemēram, šifrēšanu, joslas platumu un citus.

Kodeku izvēles algoritms darbojas šajā SDP apmaiņā. Katrs lietotājs (peer) paziņo par saviem atbalstītajiem kodekiem, un, veicot virkni saskaņošanu, viņi nonāk pie kopīga kodeku kopuma, ko abi var izmantot. Šeit rodas sarežģītība, jo dažādas pārlūkprogrammas, operētājsistēmas un aparatūra var atbalstīt dažādus kodekus ar atšķirīgu efektivitātes un kvalitātes līmeni.

Izpratne par kodekiem WebRTC

Pirms iedziļināties izvēles algoritmā, īsi definēsim, kas ir kodeki un kāpēc tie ir būtiski:

• Kodeks (Kodētājs-Dekodētājs): Kodeks ir ierīce vai programma, kas saspiež un atspiež datus. WebRTC kodeki ir atbildīgi par neapstrādātu audio un video datu kodēšanu formātā, kas piemērots pārraidei tīklā (saspiešana), un pēc tam šo saspiesto datu dekodēšanu atpakaļ atskaņojamā formātā saņēmēja pusē (atspiešana).
• Mērķis: To galvenais mērķis ir samazināt joslas platumu, kas nepieciešams mediju straumju pārraidīšanai, padarot reāllaika saziņu iespējamu pat tīklos ar ierobežotu kapacitāti. Tiem ir arī loma saderības nodrošināšanā starp dažādām ierīcēm un platformām.

WebRTC parasti atbalsta dažādus audio un video kodekus. Visbiežāk sastopamie ir:

Audio kodeki:

• Opus: De facto standarts WebRTC audio. Tas ir daudzpusīgs, atvērtā koda un bezmaksas kodeks, kas paredzēts gan runai, gan mūzikai, piedāvājot izcilu kvalitāti plašā tīkla apstākļu un bitu pārraides ātrumu diapazonā. Tas ir ļoti ieteicams visām WebRTC lietojumprogrammām.
• G.711 (PCMU/PCMA): Vecāki, plaši saderīgi kodeki, bet parasti mazāk efektīvi nekā Opus. PCMU (μ-likums) ir izplatīts Ziemeļamerikā un Japānā, savukārt PCMA (A-likums) tiek izmantots Eiropā un pārējā pasaulē.
• iSAC: Vēl viens platjoslas audio kodeks, ko izstrādājis Google, pazīstams ar spēju pielāgoties mainīgiem tīkla apstākļiem.
• ILBC: Vecāks, šaurjoslas kodeks, kas paredzēts zemam joslas platumam.

Video kodeki:

• VP8: Atvērtā koda, bezmaksas video kodeks, ko izstrādājis Google. Tas ir plaši atbalstīts un piedāvā labu veiktspēju.
• VP9: VP8 pēctecis, kas piedāvā uzlabotu saspiešanas efektivitāti un augstāku kvalitāti pie līdzīgiem bitu pārraides ātrumiem. Tas arī ir atvērtā koda un bezmaksas kodeks no Google.
• H.264 (AVC): Ļoti efektīvs un plaši izmantots patentēts video kodeks. Lai gan tas ir ļoti izplatīts, tā licencēšana dažām lietojumprogrammām var būt apsvērums, lai gan lielākā daļa pārlūkprogrammu to piedāvā WebRTC.
• H.265 (HEVC): Vēl efektīvāks H.264 pēctecis, bet ar sarežģītāku licencēšanu. HEVC atbalsts WebRTC ir mazāk izplatīts nekā H.264.

Kodeku izvēles algoritms darbībā

Kodeku izvēles procesu galvenokārt virza SDP piedāvājuma/atbildes modelis. Lūk, vienkāršots sadalījums, kā tas parasti darbojas:

1. solis: Piedāvājums

Kad WebRTC lietotājs (nosauksim to par A lietotāju) uzsāk zvanu, tas ģenerē SDP piedāvājumu. Šajā piedāvājumā ir iekļauts visu tā atbalstīto audio un video kodeku saraksts, kā arī ar tiem saistītie parametri un prioritātes secība. Piedāvājums tiek nosūtīts otram lietotājam (B lietotājam) caur signalizācijas serveri.

SDP piedāvājums parasti izskatās apmēram šādi (vienkāršots fragments):

v=0
...
a=rtpmap:102 opus/48000/2
a=rtpmap:103 VP8/90000
a=rtpmap:104 H264/90000
...

Šajā fragmentā:

• a=rtpmap rindas apraksta kodekus.
• Cipari (piem., 102, 103) ir lietderīgās slodzes tipi (payload types), lokāli identifikatori kodekiem šajā sesijā.
• opus/48000/2 norāda Opus kodeku ar paraugu ņemšanas frekvenci 48000 Hz un 2 kanāliem (stereo).
• VP8/90000 un H264/90000 ir izplatīti video kodeki.

2. solis: Atbilde

B lietotājs saņem SDP piedāvājumu. Pēc tam tas pārbauda A lietotāja atbalstīto kodeku sarakstu un salīdzina to ar savu atbalstīto kodeku sarakstu. Mērķis ir atrast augstāko kopīgo kodeku, ko abi lietotāji var apstrādāt.

Kopīgā kodeka izvēles algoritms parasti ir šāds:

1. Iterēt cauri A lietotāja paziņotajiem kodekiem, parasti tādā secībā, kādā tie ir norādīti piedāvājumā (kas bieži atspoguļo A lietotāja priekšroku).
2. Katram kodekam A lietotāja sarakstā pārbaudīt, vai B lietotājs arī atbalsta to pašu kodeku.
3. Ja tiek atrasta atbilstība: Šis kodeks kļūst par izvēlēto kodeku šim medija veidam (audio vai video). Pēc tam B lietotājs ģenerē SDP atbildi, kurā iekļauts šis izvēlētais kodeks un tā parametri, piešķirot tam lietderīgās slodzes tipu. Atbilde tiek nosūtīta atpakaļ A lietotājam caur signalizācijas serveri.
4. Ja pēc visu kodeku pārbaudes netiek atrasta atbilstība: Tas nozīmē, ka nav izdevies saskaņot kopīgu kodeku šim medija veidam. Šādā gadījumā B lietotājs var vai nu izlaist šo medija veidu no savas atbildes (faktiski atspējojot audio vai video zvanam), vai mēģināt saskaņot rezerves variantu.

B lietotāja SDP atbildē tad būtu iekļauts saskaņotais kodeks:

v=0
...
m=audio 9 UDP/TLS/RTP/SAVPF 102
...
a=rtpmap:102 opus/48000/2
...
m=video 9 UDP/TLS/RTP/SAVPF 103
...
a=rtpmap:103 VP8/90000
...

Ievērojiet, ka atbilde tagad norāda, kuru lietderīgās slodzes tipu (piemēram, 102 Opus, 103 VP8) B lietotājs izmantos saskaņotajiem kodekiem.

3. solis: Savienojuma izveide

Kad abi lietotāji ir apmainījušies ar SDP piedāvājumiem un atbildēm un ir vienojušies par kopīgiem kodekiem, viņi ir izveidojuši nepieciešamos parametrus, lai sāktu mediju apmaiņu. WebRTC steks pēc tam izmanto šo informāciju, lai konfigurētu mediju transportu (RTP pār UDP) un izveidotu peer-to-peer savienojumu.

Faktori, kas ietekmē kodeku izvēli

Lai gan pamata algoritms ir vienkāršs (atrast pirmo kopīgo kodeku), praktisko īstenošanu un faktiski izvēlēto kodeku ietekmē vairāki faktori:

1. Pārlūkprogrammu implementācijas un noklusējuma iestatījumi

Dažādām pārlūkprogrammām (Chrome, Firefox, Safari, Edge) ir savas iekšējās WebRTC implementācijas un savas noklusējuma kodeku preferences. Piemēram:

• Chrome/Chromium bāzētās pārlūkprogrammas parasti dod priekšroku VP8 un Opus.
• Firefox arī dod priekšroku Opus un VP8, bet var būt atšķirīgas preferences H.264 atkarībā no platformas.
• Safari vēsturiski ir bijis spēcīgs atbalsts H.264 un Opus.

Tas nozīmē, ka secība, kādā pārlūkprogramma uzskaita savus atbalstītos kodekus SDP piedāvājumā, var būtiski ietekmēt saskaņošanas rezultātu. Parasti pārlūkprogrammas vispirms uzskaita savus vēlamos, visefektīvākos vai visbiežāk atbalstītos kodekus.

2. Operētājsistēmas un aparatūras iespējas

Pamatā esošā operētājsistēma un aparatūra arī var ietekmēt kodeku atbalstu. Piemēram:

• Dažās sistēmās var būt aparatūras paātrināta kodēšana/dekodēšana noteiktiem kodekiem (piem., H.264), padarot to izmantošanu efektīvāku.
• Mobilajām ierīcēm var būt atšķirīgi kodeku atbalsta profili, salīdzinot ar galddatoriem.

3. Tīkla apstākļi

Lai gan tīkla apstākļi nav tieši saistīti ar sākotnējo SDP saskaņošanu, tiem ir izšķiroša loma izvēlētā kodeka veiktspējā. WebRTC ietver mehānismus joslas platuma novērtēšanai (BE) un pielāgošanai. Kad kodeks ir izvēlēts:

• Adaptīvais bitu pārraides ātrums: Mūsdienīgi kodeki, piemēram, Opus un VP9, ir izstrādāti, lai pielāgotu savu bitu pārraides ātrumu un kvalitāti atbilstoši pieejamajam tīkla joslas platumam.
• Pakešu zudumu slēpšana (PLC): Ja paketes tiek zaudētas, kodeki izmanto metodes, lai uzminētu vai rekonstruētu trūkstošos datus, lai samazinātu uztverto kvalitātes pasliktināšanos.
• Kodeku pārslēgšana (retāk sastopama): Dažos sarežģītos scenārijos lietojumprogrammas var mēģināt dinamiski pārslēgt kodekus, ja tīkla apstākļi krasi mainās, lai gan tas ir sarežģīts uzdevums.

Sākotnējās saskaņošanas mērķis ir saderība; turpmākā komunikācija izmanto izvēlētā kodeka adaptīvo dabu.

4. Lietojumprogrammai specifiskas prasības

Izstrādātāji var ietekmēt kodeku izvēli, izmantojot JavaScript API, manipulējot ar SDP piedāvājumu/atbildi. Šī ir sarežģīta tehnika, bet tā ļauj:

• Piespiest konkrētu kodeku izmantošanu: Ja lietojumprogrammai ir stingra prasība pēc konkrēta kodeka (piemēram, saderībai ar vecākām sistēmām), tā var mēģināt piespiest tā izvēli.
• Noteikt kodeku prioritāti: Pārkārtojot kodekus SDP piedāvājumā vai atbildē, lietojumprogramma var norādīt savu priekšroku.
• Atspējot kodekus: Ja ir zināms, ka kodeks rada problēmas vai nav nepieciešams, to var tieši izslēgt.

Programmatiska kontrole un SDP manipulācija

Lai gan pārlūkprogrammas lielāko daļu SDP saskaņošanas veic automātiski, klientpuses izstrādātāji var iegūt smalkāku kontroli, izmantojot WebRTC JavaScript API:

1. `RTCPeerConnection.createOffer()` un `createAnswer()`

Šīs metodes ģenerē SDP piedāvājuma un atbildes objektus. Pirms šo aprakstu iestatīšanas `RTCPeerConnection`, izmantojot `setLocalDescription()`, jūs varat modificēt SDP virkni.

2. `RTCPeerConnection.setLocalDescription()` un `setRemoteDescription()`

Šīs metodes tiek izmantotas, lai attiecīgi iestatītu lokālo un attālināto aprakstu. Saskaņošana notiek, kad gan `setLocalDescription` (piedāvātājam), gan `setRemoteDescription` (atbildētājam) ir veiksmīgi izsauktas.

3. `RTCSessionDescriptionInit`

`RTCSessionDescriptionInit` `sdp` īpašība ir virkne, kas satur SDP. Jūs varat parsēt šo virkni, modificēt to un pēc tam salikt to atpakaļ.

Piemērs: VP9 prioritizēšana pār VP8

Pieņemsim, ka vēlaties nodrošināt, ka VP9 tiek dota priekšroka pār VP8. Noklusējuma SDP piedāvājums no pārlūkprogrammas varētu tos uzskaitīt šādā secībā:

a=rtpmap:103 VP8/90000
a=rtpmap:104 VP9/90000

Jūs varētu pārtvert SDP piedāvājumu un samainīt rindas vietām, lai prioritizētu VP9:

let offer = await peerConnection.createOffer();

// Modificējam SDP virkni
let sdpLines = offer.sdp.split('\n');
let vp8LineIndex = -1;
let vp9LineIndex = -1;

for (let i = 0; i < sdpLines.length; i++) {
    if (sdpLines[i].startsWith('a=rtpmap:') && sdpLines[i].includes('VP8/90000')) {
        vp8LineIndex = i;
    }
    if (sdpLines[i].startsWith('a=rtpmap:') && sdpLines[i].includes('VP9/90000')) {
        vp9LineIndex = i;
    }
}

if (vp8LineIndex !== -1 && vp9LineIndex !== -1) {
    // Samainām VP8 un VP9 rindas vietām, ja VP9 ir norādīts pēc VP8
    if (vp9LineIndex > vp8LineIndex) {
        [sdpLines[vp8LineIndex], sdpLines[vp9LineIndex]] = [sdpLines[vp9LineIndex], sdpLines[vp8LineIndex]];
    }
}

offer.sdp = sdpLines.join('\n');

await peerConnection.setLocalDescription(offer);
// ... nosūtīt piedāvājumu attālinātajam lietotājam ...

Uzmanību: Tieša SDP manipulācija var būt nestabila. Pārlūkprogrammu atjauninājumi var mainīt SDP formātus, un nepareizas modifikācijas var pārtraukt saskaņošanu. Šī pieeja parasti ir rezervēta sarežģītiem lietošanas gadījumiem vai tad, kad nepieciešama specifiska savstarpēja sadarbība.

4. `RTCRtpTransceiver` API (Mūsdienīga pieeja)

Stabilāks un ieteicamāks veids, kā ietekmēt kodeku izvēli, ir izmantot `RTCRtpTransceiver` API. Kad pievienojat mediju celiņu (piemēram, `peerConnection.addTrack(stream.getAudioTracks()[0], 'audio')`), tiek izveidots raiduztvērējs (transceiver). Pēc tam varat iegūt šo raiduztvērēju un iestatīt tā direction un vēlamos kodekus.

Jūs varat iegūt atbalstītos kodekus raiduztvērējam:

const transceivers = peerConnection.getTransceivers();
transceivers.forEach(transceiver => {
    if (transceiver.kind === 'audio') {
        const codecs = transceiver.rtpSender.getCapabilities().codecs;
        console.log('Atbalstītie audio kodeki:', codecs);
    }
});

Lai gan universāli visās pārlūkprogrammās nav tiešas `setPreferredCodec` metodes uz raiduztvērēja, WebRTC specifikācija tiecas uz savstarpēju sadarbību, liekot pārlūkprogrammām ievērot SDP piedāvāto kodeku secību. Tiešāka kontrole bieži nāk no SDP piedāvājuma/atbildes ģenerēšanas manipulācijas, izmantojot `createOffer`/`createAnswer` un potenciāli filtrējot/pārkārtojot kodekus pirms apraksta iestatīšanas.

5. `RTCPeerConnection` ierobežojumi (priekš `getUserMedia`)

Iegūstot mediju straumes, izmantojot `navigator.mediaDevices.getUserMedia()`, jūs varat norādīt ierobežojumus, kas var netieši ietekmēt kodeku izvēli, ietekmējot pieprasīto mediju kvalitāti vai veidu. Tomēr šie ierobežojumi galvenokārt ietekmē pašu mediju uztveršanu, nevis kodeku saskaņošanu starp lietotājiem.

Izaicinājumi un labākās prakses globālām lietojumprogrammām

Globālas WebRTC lietojumprogrammas veidošana rada unikālus izaicinājumus, kas saistīti ar mediju saskaņošanu:

1. Globālā pārlūkprogrammu un ierīču fragmentācija

Pasaule izmanto plašu ierīču, operētājsistēmu un pārlūkprogrammu versiju klāstu. Nodrošināt, ka jūsu WebRTC lietojumprogramma darbojas nevainojami šajā fragmentācijā, ir liels šķērslis.

• Piemērs: Lietotājam Dienvidamerikā ar vecāku Android ierīci var būt atšķirīgi H.264 profili vai kodeku atbalsts nekā lietotājam Austrumāzijā ar jaunu iOS ierīci.

2. Tīkla mainība

Interneta infrastruktūra visā pasaulē ievērojami atšķiras. Latentums, pakešu zudumi un pieejamais joslas platums var krasi atšķirties.

• Piemērs: Zvans starp diviem lietotājiem ātrgaitas optisko šķiedru tīklos Rietumeiropā būs ar ļoti atšķirīgu pieredzi nekā zvans starp lietotājiem mobilajā tīklā Dienvidaustrumāzijas lauku apvidū.

3. Savstarpēja sadarbība ar mantotām sistēmām

Daudzas organizācijas paļaujas uz esošo videokonferenču aparatūru vai programmatūru, kas var pilnībā neatbalstīt jaunākos WebRTC kodekus vai protokolus. Šīs plaisas pārvarēšana bieži prasa ieviest atbalstu izplatītākiem, lai arī mazāk efektīviem, kodekiem, piemēram, G.711 vai H.264.

Labākās prakses:

• Prioritizējiet Opus audio: Opus ir vispusīgākais un visplašāk atbalstītais audio kodeks WebRTC. Tas darbojas ārkārtīgi labi dažādos tīkla apstākļos un ir ļoti ieteicams visām lietojumprogrammām. Pārliecinieties, ka tas ir redzamā vietā jūsu SDP piedāvājumos.
• Prioritizējiet VP8/VP9 video: VP8 un VP9 ir atvērtā koda un plaši atbalstīti. Lai gan H.264 arī ir izplatīts, VP8/VP9 piedāvā labu saderību bez licencēšanas problēmām. Apsveriet VP9 labākai saspiešanas efektivitātei, ja atbalsts ir konsekvents jūsu mērķa platformās.
• Izmantojiet stabilu signalizācijas serveri: Uzticams signalizācijas serveris ir būtisks, lai efektīvi un droši apmainītos ar SDP piedāvājumiem un atbildēm dažādos reģionos.
• Testējiet plaši dažādos tīklos un ierīcēs: Simulējiet reālus tīkla apstākļus un testējiet savu lietojumprogrammu plašā ierīču un pārlūkprogrammu klāstā, kas pārstāv jūsu globālo lietotāju bāzi.
• Pārraugiet WebRTC statistiku: Izmantojiet `RTCPeerConnection.getStats()` API, lai uzraudzītu kodeku lietojumu, pakešu zudumus, drebēšanu (jitter) un citus rādītājus. Šie dati ir nenovērtējami, lai identificētu veiktspējas problēmas un ar kodekiem saistītas problēmas dažādos reģionos.
• Ieviesiet rezerves stratēģijas: Cenšoties sasniegt labāko, esiet gatavi scenārijiem, kur saskaņošana var neizdoties noteiktiem kodekiem. Nodrošiniet elegantus rezerves mehānismus.
• Apsveriet servera puses apstrādi (SFU/MCU) sarežģītiem scenārijiem: Lietojumprogrammām ar daudziem dalībniekiem vai kurām nepieciešamas papildu funkcijas, piemēram, ierakstīšana vai pārkodēšana, Selektīvo pārsūtīšanas vienību (SFU) vai Daudzpunktu kontroles vienību (MCU) izmantošana var atslogot apstrādi un vienkāršot klienta puses saskaņošanu. Tomēr tas palielina servera infrastruktūras izmaksas.
• Sekojiet līdzi pārlūkprogrammu standartiem: WebRTC nepārtraukti attīstās. Esiet informēti par jaunu kodeku atbalstu, standartu izmaiņām un pārlūkprogrammu specifisko uzvedību.

Noslēgums

WebRTC mediju saskaņošanas un kodeku izvēles algoritms, lai arī šķietami sarežģīts, būtībā ir par kopīga pamata atrašanu starp diviem lietotājiem. Izmantojot SDP piedāvājuma/atbildes modeli, WebRTC cenšas izveidot saderīgu saziņas kanālu, identificējot kopīgus audio un video kodekus. Klientpuses izstrādātājiem, kas veido globālas lietojumprogrammas, šī procesa izpratne nav tikai par koda rakstīšanu; tā ir par universāla dizaina veidošanu.

Prioritizējot stabilus, plaši atbalstītus kodekus, piemēram, Opus un VP8/VP9, kopā ar rūpīgu testēšanu dažādās globālās vidēs, tiks likts pamats nevainojamai, augstas kvalitātes reāllaika saziņai. Apgūstot kodeku saskaņošanas nianses, jūs varat pilnībā atraisīt WebRTC potenciālu un nodrošināt izcilu lietotāja pieredzi visā pasaulē.