基于WebRTC的視頻會議系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

胡 敏，劉六程，劉 鵬

（重慶郵電大學(xué)軟件技術(shù)中心，重慶 400065）

隨著人類經(jīng)濟(jì)、政治及文化活動的不斷發(fā)展，人與人之間的信息交流愈來愈頻繁，人們渴望得到直觀、真實的交流效果。視頻會議系統(tǒng)可以讓人們遠(yuǎn)距離進(jìn)行實時信息交流，開展協(xié)同工作，提供直觀、真實的音視頻等多種交流方式。此外利用多媒體技術(shù)的支持，視頻會議系統(tǒng)可以幫助用戶對各種信息進(jìn)行處理、加工、反饋，有利于問題的解決［1-2］。視頻會議能提高人們的工作效率，降低遠(yuǎn)距離會議的費用。

簡單靈活的SIP協(xié)議不僅可以實現(xiàn)H.323協(xié)議的相關(guān)功能，而且擴(kuò)展性強(qiáng)，可以由純軟件來實現(xiàn)會議功能，在普通的因特網(wǎng)（網(wǎng)絡(luò)環(huán)境不穩(wěn)定，帶寬有限）上就可以實現(xiàn)視頻會議的應(yīng)用。Google于2011年將WebRTC實時音視頻技術(shù)開源，為更多研究和開發(fā)視頻會議系統(tǒng)的人員降低了成本，節(jié)約了開發(fā)時間。

計算機(jī)與通信技術(shù)的高速發(fā)展，以及網(wǎng)絡(luò)寬帶的不斷改善，視頻會議將向著更廉價、更優(yōu)質(zhì)、更便捷的方向發(fā)展，以滿足廣大用戶的需求，硬件視頻會議系統(tǒng)將逐步被軟件視頻會議系統(tǒng)所取代。因此，研究WebRTC和SIP協(xié)議等技術(shù)，對研究和開發(fā)基于IP網(wǎng)絡(luò)的純軟件視頻會議系統(tǒng)具有重要的價值和意義。

1 WebRTC分析

1.1 WebRTC的背景

在2010年，Google以大約6 820萬美元收購了VoIP軟件開發(fā)商Global IP Solutions公司，并因此獲得了該公司擁有的WebRTC（Web Real Time Communication）技術(shù)，并在2011年6月對WebRTC實時通信項目進(jìn)行了開源。

1.2 WebRTC的結(jié)構(gòu)及分析

WebRTC是基于Web瀏覽器的實時音頻和視頻的通信技術(shù)。其結(jié)構(gòu)如圖1所示。該技術(shù)主要包括3部分:音頻模塊（Voice Engine）、視頻模塊（Video Engine）和傳輸模塊（Transport）。

1）WebRTC的音頻模塊

圖1 WebRTC結(jié)構(gòu)

音頻部分包含采集、編解碼（iLBC/iSAC）、加密、聲音處理、聲音輸出、音量控制、音視頻同步、網(wǎng)絡(luò)傳輸與媒體流控制（RTP/RTCP）等技術(shù)。iLBC編解碼器是窄帶編解碼器，采用8 kHz的采樣頻率，支持比特率為15.20 kbit/s和13.33 kbit/s的音頻流;iSAC編解碼器是寬帶編碼器，采用16 kHz或32 kHz的采樣頻率，支持12～52 kbit/s自適應(yīng)和可變的音頻流范圍。NetEQ技術(shù)是動態(tài)的抖動緩存區(qū)和錯誤隱藏算法，降低網(wǎng)絡(luò)抖動和包丟失對音頻效果的影響，盡可能保持一個低延遲率語音效果。降噪和回音處理技術(shù)（AEC）［3］，能夠提供高質(zhì)量的語音效果。

2）WebRTC的視頻模塊

視頻部分包含采集、編解碼（VP8）、加密、媒體文件、圖像處理與顯示、網(wǎng)絡(luò)傳輸與媒體流控制等技術(shù)。VP8視頻編解碼技術(shù)，可以滿足實時視頻通信的低延遲特性要求。視頻抖動緩存器（Video Jitter Buffer）和圖像增強(qiáng)技術(shù)，減小網(wǎng)絡(luò)抖動和包丟失對視頻效果的影響，降低視頻噪聲，增強(qiáng)視頻質(zhì)量。

2.背向示范法。即體育老師示范時背向?qū)W生，和學(xué)生同方向站立，讓學(xué)生跟隨自己進(jìn)行同步練習(xí)，由于是背向，不利于學(xué)生觀察到老師的體前細(xì)節(jié)動作，因此背向示范法常用于左右方向動作的演示，如武術(shù)的套路教學(xué)等。

3）傳輸模塊

實時音視頻的傳輸與控制，采用 RTP［4］與 RTCP［5-6］技術(shù)，穩(wěn)定、可靠。此外WebRTC還包含了STUN，ICE，TURN，RTP-over-TCP的關(guān)鍵NAT和防火墻穿越技術(shù)。WebRTC支持SIP，XMPP/Jingle等信令協(xié)議，還支持跨平臺:Windows，Linux，Mac，Android 等。功能的各部分可擴(kuò)展，可根據(jù)實際環(huán)境進(jìn)行改進(jìn)。

WebRTC實時音視頻通信技術(shù)能夠滿足帶寬有限的普通網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下用戶進(jìn)行實時音視頻交流的需求，對研究視頻會議的音視頻處理等方面具有重要意義。

2 視頻會議系統(tǒng)框架設(shè)計

2.1 SIP 協(xié)議

IETF工作組于1999年9月推出了基于IP網(wǎng)絡(luò)的會話信令協(xié)議SIP（Session Initiation Protocol）的第一個版本RFC2543［7］;2000年前后，3GPP 把 SIP 作為第三代移動通信系統(tǒng)多媒體的控制協(xié)議;2002年IETF公布了SIP的第二版 RFC3261［8］;2006 年 2 月推出 RFC4353［9］，隨后 IETF發(fā)布了多個關(guān)于SIP的RFC文檔。

SIP用于發(fā)起、修改和終止IP網(wǎng)絡(luò)上的多媒體會話，文獻(xiàn)［8］中介紹了SIP協(xié)議主要有6類消息，并對其進(jìn)行了說明，它們分別是 INVITE，BYE，OPTIONS，ACK，REGISTER和CANCEL消息。SIP具有以下5個特點:1）SIP消息基于文本，詞法和語法簡單、可讀性好;2）協(xié)議簡單、擴(kuò)展性好;3）定位用戶、支持用戶移動性;4）SIP網(wǎng)絡(luò)采用IP網(wǎng)絡(luò)常用的C/S（客戶端/服務(wù)器結(jié)構(gòu)）;5）會話建立的時延較短。文獻(xiàn)［9］中對H.323和SIP作了詳細(xì)的分析和比較。

隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的快速發(fā)展，傳統(tǒng)固網(wǎng)、移動網(wǎng)、寬帶互聯(lián)網(wǎng)以及有線電視網(wǎng)等網(wǎng)絡(luò)的融合，同時終端朝著智能化的方向發(fā)展。在這樣的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，SIP已經(jīng)被廣泛地使用和支持。

2.2 SIP會議系統(tǒng)模型

SIP會議系統(tǒng)可分為緊耦合和松散耦合兩種模型［10］。緊耦合會議中使用一個中心節(jié)點來實現(xiàn)對信令的集中控制，而松散耦合會議中沒有集中的SIP信令服務(wù)器。其中緊耦合模式包括集中混合模式、系統(tǒng)混合模式和信令集中、媒體流分布模式（如圖2，A，B，C，D，E 為終端，實線為SIP流，虛線為媒體流）。

圖2 信令集中、媒體流分布模式

在圖2中，會議的控制由一個SIP信令控制器來完成，并維護(hù)所有終端間的信令連接，完成對終端用戶的控制;媒體流則由各個與會終端分別進(jìn)行處理，媒體流的分發(fā)可以采用組播或單播的方式。考慮了媒體流分發(fā)過程中會占用大量帶寬資源以及實際網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中部分節(jié)點或路由支持組播等因素。對于支持組播的網(wǎng)絡(luò)，采用組播的方式，最大可能地節(jié)省帶寬，提高帶寬的利用率，便于會議規(guī)模的擴(kuò)大。該模型媒體流的傳輸過程中沒有混合編碼轉(zhuǎn)換，處理方便、延遲小。

2.3 會議系統(tǒng)框架設(shè)計

RFC4353［11］描述了一個集中式SIP會議系統(tǒng)原始框架。其中定義了一些邏輯實體和應(yīng)用場景，介紹了如何使用SIP協(xié)議和SIP的擴(kuò)展來實現(xiàn)一個視頻會議系統(tǒng)。其基本功能包括會議控制和管理、音頻/視頻處理、通信服務(wù)（白板，文件共享）等功能模塊。文獻(xiàn)［12］對該框架做了分析和改進(jìn)。

本系統(tǒng)采用集中控制式，其視頻會議框架結(jié)構(gòu)如圖3所示。該模型主要包括Participant（與會者）、Focus（會議控制中心）、Mixer（媒體混合服務(wù)器）、CNS（Conference Notification Server，會議通知服務(wù)器）等功能模塊。其中，F(xiàn)ocus，CNS和Mixer構(gòu)成會議服務(wù)器，完成視頻會議的核心功能。文獻(xiàn)［13］中給出了該模型中部分模塊的功能的介紹。

圖3 視頻會議系統(tǒng)框架

3 會議系統(tǒng)的實現(xiàn)

3.1 會議控制中心的實現(xiàn)

Focus主要控制會議的建立或退出、與會者加入或退出等。Focus的功能是在開源軟件Asterisk的基礎(chǔ)上設(shè)計和修改的。Asterisk具有一個SIP協(xié)議棧和RTP協(xié)議棧，實現(xiàn)了一個具有基本功能的語音會議系統(tǒng)Meetme，其結(jié)構(gòu)如圖4所示。修改后，如圖5采用TCP傳輸SIP，增強(qiáng)會議控制的可靠性，增加RTCP協(xié)議實現(xiàn)對媒體流的實時控制，及時反饋帶寬資源的使用情況，當(dāng)出現(xiàn)擁塞時，視頻發(fā)送端根據(jù)反饋參數(shù)調(diào)節(jié)視頻的幀數(shù)，保證會議的連續(xù)性和穩(wěn)定性。

3.2 客戶端的實現(xiàn)

與會者通過客戶端完成注冊后，可以使用音視頻交流、白板、文件傳輸與共享等通信服務(wù)功能。對于音頻和視頻的采集、編解碼、圖像和聲音同步、顯示、傳輸?shù)确謩e采用 WebRTC 中的 Voice Engine，Video Engine，Transport技術(shù)來完成，其結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 客戶端結(jié)構(gòu)

3.3 媒體混合服務(wù)器的實現(xiàn)

針對音頻的混合和分發(fā)，采用開源軟件Zaptel來實現(xiàn)。Zaptel為音頻混合提供了許多方便的接口，可以完成聲音的混合和分發(fā)等功能。針對視頻的混合和分發(fā)，采用開源軟件FFmpeg來實現(xiàn)，并對其進(jìn)行了改進(jìn)，首先根據(jù)客戶端IP判斷客戶端是否在同一個網(wǎng)段內(nèi)，如客戶端A（192.168.1.100），B（192.168.1.101），C（201.202.1.100）。A與B在同一網(wǎng)段內(nèi)則采用組播方式傳輸媒體流，這樣在一定程度上降低了服務(wù)器負(fù)載，提高了系統(tǒng)性能。

3.4 CNS服務(wù)器的實現(xiàn)

CNS主要通過定義通知機(jī)制來通知與會者相應(yīng)的會議事件和會議狀態(tài)［14］。與會者通過發(fā)送SUBSCRIBE請求向CNS預(yù)定相關(guān)的會議事件和狀態(tài)服務(wù)。在會議中，一旦預(yù)定的事件發(fā)生，CNS將通過NOTIFY方法向與會者通告預(yù)定的相關(guān)會議事件和當(dāng)前會議狀態(tài)。例如，與會者可以預(yù)定會議在席信息，當(dāng)有與會者加入或退出會議時，CNS將向預(yù)定會議的在席信息的與會者發(fā)送會議成員實時變更情況。

4 結(jié)束語

本文通過對目前的SIP視頻會議體系結(jié)構(gòu)的分析和研究，利用WebRTC技術(shù)來處理視頻會議的音頻和視頻，采用SIP作為視頻會議的核心控制信令。并對Asterisk，Zaptel，F(xiàn)Fmpeg等開源軟件進(jìn)行了研究和改進(jìn)，設(shè)計并實現(xiàn)了一個普通網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的視頻會議系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有價格低廉、使用方便、帶寬利用率高等特點，為研究軟件視頻會議提供了一個參考。在下一步工作中，將對此系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，提高系統(tǒng)的安全性，兼容非SIP會話，豐富和完善會議的功能。

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［5］IETF.RFC3611，RTP control protocol extended reports（RTCP XR）［S］.2010.

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［8］RFC3261，SIP:Session initiation protocol［S］.2002.

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