websocket实现语音通讯

叁歲伎倆 2022-06-16 01:52 1479阅读 0赞

说到websocket想比大家不会陌生，如果陌生的话也没关系，一句话概括

#### “WebSocket protocol 是HTML5一种新的协议。它实现了浏览器与服务器全双工通信” ####

WebSocket相比较传统那些服务器推技术简直好了太多，我们可以挥手向comet和长轮询这些技术说拜拜啦，庆幸我们生活在拥有HTML5的时代~

这篇文章我们将分三部分探索websocket

首先是websocket的常见使用，其次是完全自己打造服务器端websocket，最终是重点介绍利用websocket制作的两个demo，传输图片和在线语音聊天室，let's go

一、websocket常见用法

这里介绍三种我认为常见的websocket实现……（ 注意：本文建立在node上下文环境 ）

1、socket.io

先给demo

相信知道websocket的同学不可能不知道socket.io，因为socket.io太出名了，也很棒，它本身对超时、握手等都做了处理。我猜测这也是实现websocket使用最多的方式。socket.io最最最优秀的一点就是优雅降级，当浏览器不支持websocket时，它会在内部优雅降级为长轮询等，用户和开发者是不需要关心具体实现的，很方便。

不过事情是有两面性的，socket.io因为它的全面也带来了坑的地方，最重要的就是臃肿，它的封装也给数据带来了较多的通讯冗余，而且优雅降级这一优点，也伴随浏览器标准化的进行慢慢失去了光辉

<table style="max-width:100%; background-color:rgb(254,254,254); border-spacing:0px; width:682px; margin-bottom:1.5em; border-width:1px 1px 1px 0px; border-top-style:solid; border-right-style:solid; border-bottom-style:solid; border-top-color:rgb(221,221,221); border-right-color:rgb(221,221,221); border-bottom-color:rgb(221,221,221); border-left-style:initial; border-left-color:initial; font-size:14px; line-height:1.3em; color:rgb(51,51,51); font-family:&quot;Helvetica Neue&quot;,Helvetica,Tahoma,Arial,STXihei,&quot;Microsoft YaHei&quot;,微软雅黑,sans-serif"> 
 <tbody> 
 <tr style="line-height:1.3em"> 
 <td style="padding:8px; line-height:1.3em; vertical-align:top; border-top:0px; border-left:1px solid rgb(221,221,221); font-size:14px"> Chrome </td> 
 <td style="padding:8px; line-height:1.3em; vertical-align:top; border-top:0px; border-left:1px solid rgb(221,221,221); font-size:14px"> Supported in version 4+ </td> 
 </tr> 
 <tr style="line-height:1.3em"> 
 <td style="padding:8px; line-height:1.3em; vertical-align:top; border-top:1px solid rgb(221,221,221); border-left:1px solid rgb(221,221,221); font-size:14px"> Firefox </td> 
 <td style="padding:8px; line-height:1.3em; vertical-align:top; border-top:1px solid rgb(221,221,221); border-left:1px solid rgb(221,221,221); font-size:14px"> Supported in version 4+ </td> 
 </tr> 
 <tr style="line-height:1.3em"> 
 <td style="padding:8px; line-height:1.3em; vertical-align:top; border-top:1px solid rgb(221,221,221); border-left:1px solid rgb(221,221,221); font-size:14px"> Internet Explorer </td> 
 <td style="padding:8px; line-height:1.3em; vertical-align:top; border-top:1px solid rgb(221,221,221); border-left:1px solid rgb(221,221,221); font-size:14px"> Supported in version 10+ </td> 
 </tr> 
 <tr style="line-height:1.3em"> 
 <td style="padding:8px; line-height:1.3em; vertical-align:top; border-top:1px solid rgb(221,221,221); border-left:1px solid rgb(221,221,221); font-size:14px"> Opera </td> 
 <td style="padding:8px; line-height:1.3em; vertical-align:top; border-top:1px solid rgb(221,221,221); border-left:1px solid rgb(221,221,221); font-size:14px"> Supported in version 10+ </td> 
 </tr> 
 <tr style="line-height:1.3em"> 
 <td style="padding:8px; line-height:1.3em; vertical-align:top; border-top:1px solid rgb(221,221,221); border-left:1px solid rgb(221,221,221); font-size:14px"> Safari </td> 
 <td style="padding:8px; line-height:1.3em; vertical-align:top; border-top:1px solid rgb(221,221,221); border-left:1px solid rgb(221,221,221); font-size:14px"> Supported in version 5+ </td> 
 </tr> 
 </tbody> 
</table>

在这里不是指责说socket.io不好，已经被淘汰了，而是有时候我们也可以考虑一些其他的实现~

2、http模块

刚刚说了socket.io臃肿，那现在就来说说便捷的，首先demo

var http = require(‘http’);
    var server = http.createServer();
    server.on(‘upgrade’, function(req) {
     console.log(req.headers);
    });
    server.listen(8888);

很简单的实现，其实socket.io内部对websocket也是这样实现的，不过后面帮我们封装了一些handle处理，这里我们也可以自己去加上，给出两张socket.io中的源码图

![zeyM7b6.png_web][]

![yuuIJrq.png_web][]

3、ws模块

后面有个例子会用到，这里就提一下，后面具体看~

二、自己实现一套server端websocket

刚刚说了三种常见的websocket实现方式，现在我们想想，对于开发者来说

websocket相对于传统http数据交互模式来说，增加了服务器推送的事件，客户端接收到事件再进行相应处理，开发起来区别并不是太大啊

那是因为那些模块已经帮我们将 数据帧解析 这里的坑都填好了，第二部分我们将尝试自己打造一套简便的服务器端websocket模块

感谢次碳酸钴的研究帮助， 我在这里这部分只是简单说下，如果对此有兴趣好奇的请百度【web技术研究所】

自己完成服务器端websocket主要有两点，一个是使用net模块接受数据流，还有一个是对照官方的帧结构图解析数据，完成这两部分就已经完成了全部的底层工作

首先给一个客户端发送websocket握手报文的抓包内容

客户端代码很简单

ws = new WebSocket("ws://127.0.0.1:8888");

![NvE773E.png_web][]

服务器端要针对这个key验证，就是讲key加上一个特定的字符串后做一次sha1运算，将其结果转换为base64送回去

这样握手部分就已经完成了，后面就是数据帧解析与生成的活了

先看下官方提供的帧结构示意图

![6JNb6v2.png_web][]

简单介绍下

FIN为是否结束的标示

RSV为预留空间，0

opcode标识数据类型，是否分片，是否二进制解析，心跳包等等

给出一张opcode对应图

![Zr2iuy.png_web][]

MASK是否使用掩码

Payload len和后面extend payload length表示数据长度，这个是最麻烦的

PayloadLen只有7位，换成无符号整型的话只有0到127的取值，这么小的数值当然无法描述较大的数据，因此规定当数据长度小于或等于125时候它才作为数据长度的描述，如果这个值为126，则时候后面的两个字节来储存数据长度，如果为127则用后面八个字节来储存数据长度

Masking-key掩码

下面贴出解析数据帧的代码

然后是生成数据帧的

都是按照帧结构示意图上的去处理，在这里不细讲，文章重点在下一部分，如果对这块感兴趣的话可以移步web技术研究所~

三、websocket传输图片和websocket语音聊天室

正片环节到了，这篇文章最重要的还是展示一下websocket的一些使用场景

1、传输图片

我们先想想传输图片的步骤是什么，首先服务器接收到客户端请求，然后读取图片文件，将二进制数据转发给客户端，客户端如何处理？当然是使用FileReader对象了

先给客户端代码

接收到消息，然后readAsDataURL，直接将图片base64添加到页面中

转到服务器端代码

fs.readdir("skyland", function(err, files) {
 if(err) {
 throw err;
 }
 for(var i = 0; i < files.length; i++) {
 fs.readFile('skyland/' + files[i], function(err, data) {
 if(err) {
 throw err;
 }
  
 o.write(encodeImgFrame(data));
 });
 }
 });
  
 function encodeImgFrame(buf) {
 var s = [],
 l = buf.length,
 ret = [];
  
 s.push((1 << 7) + 2);
  
 if(l < 126) {
 s.push(l);
 } else if(l < 0x10000) {
 s.push(126, (l&0xFF00) >> 8, l&0xFF);
 } else {
 s.push(127, 0, 0, 0, 0, (l&0xFF000000) >> 24, (l&0xFF0000) >> 16, (l&0xFF00) >> 8, l&0xFF);
 }
  
 return Buffer.concat([new Buffer(s), buf]);
 }

注意 s.push((1 << 7) + 2) 这一句，这里等于直接把opcode写死了为2，对于Binary Frame，这样客户端接收到数据是不会尝试进行toString的，否则会报错~

代码很简单，在这里向大家分享一下websocket传输图片的速度如何

测试很多张图片，总共8.24M

普通静态资源服务器需要20s左右（服务器较远）

cdn需要2.8s左右

那我们的websocket方式呢？？！

答案是同样需要20s左右，是不是很失望……速度就是慢在传输上，并不是服务器读取图片，本机上同样的图片资源，1s左右可以完成……这样看来数据流也无法冲破距离的限制提高传输速度

下面我们来看看websocket的另一个用法~

用websocket搭建语音聊天室

先来整理一下语音聊天室的功能

用户进入频道之后从麦克风输入音频，然后发送给后台转发给频道里面的其他人，其他人接收到消息进行播放

看起来难点在两个地方，第一个是音频的输入，第二是接收到数据流进行播放

先说音频的输入，这里利用了HTML5的getUserMedia方法，不过注意了， 这个方法上线是有大坑的 ，最后说，先贴代码

if (navigator.getUserMedia) {
        navigator.getUserMedia(
            { audio: true },
            function (stream) {
                var rec = new SRecorder(stream);
                recorder = rec;
            })
    }

第一个参数是\{audio: true\}，只启用音频，然后创建了一个SRecorder对象，后续的操作基本上都在这个对象上进行。此时如果 代码运行在本地的话 浏览器应该提示你是否启用麦克风输入，确定之后就启动了

接下来我们看下SRecorder构造函数是啥，给出重要的部分

var SRecorder = function(stream) {
        ……
       var context = new AudioContext();
        var audioInput = context.createMediaStreamSource(stream);
        var recorder = context.createScriptProcessor(4096, 1, 1);
        ……
    }

AudioContext是一个音频上下文对象，有做过声音过滤处理的同学应该知道“一段音频到达扬声器进行播放之前，半路对其进行拦截，于是我们就得到了音频数据了，这个拦截工作是由window.AudioContext来做的，我们所有对音频的操作都基于这个对象”，我们可以通过AudioContext创建不同的AudioNode节点，然后添加滤镜播放特别的声音

录音原理一样，我们也需要走AudioContext，不过多了一步对麦克风音频输入的接收上，而不是像往常处理音频一下用ajax请求音频的ArrayBuffer对象再decode，麦克风的接受需要用到createMediaStreamSource方法，注意这个参数就是getUserMedia方法第二个参数的参数

再说createScriptProcessor方法，它官方的解释是：

Creates a ScriptProcessorNode, which can be used for direct audio processing via JavaScript.

——————

概括下就是这个方法是使用JavaScript去处理音频采集操作

终于到音频采集了！胜利就在眼前！

接下来让我们把麦克风的输入和音频采集相连起来

audioInput.connect(recorder);
    recorder.connect(context.destination);

context.destination官方解释如下

The destination property of the [AudioContext][] interface returns an  [AudioDestinationNode][] representing the final destination of all audio in the context.

——————

context.destination返回代表在环境中的音频的最终目的地。

好，到了此时，我们还需要一个监听音频采集的事件

recorder.onaudioprocess = function (e) {
        audioData.input(e.inputBuffer.getChannelData(0));
    }

audioData是一个对象，这个是在网上找的，我就加了一个clear方法因为后面会用到，主要有那个encodeWAV方法很赞，别人进行了多次的音频压缩和优化，这个最后会伴随完整的代码一起贴出来

此时整个 用户进入频道之后从麦克风输入音频 环节就已经完成啦，下面就该是向服务器端发送音频流，稍微有点蛋疼的来了，刚才我们说了，websocket通过opcode不同可以表示返回的数据是文本还是二进制数据，而我们onaudioprocess中input进去的是数组，最终播放声音需要的是Blob，\{type: 'audio/wav'\}的对象，这样我们就必须要在发送之前将数组转换成WAV的Blob，此时就用到了上面说的encodeWAV方法

服务器似乎很简单，只要转发就行了

*本地测试确实可以， 然而天坑来了！ 将程序跑在服务器上时候调用getUserMedia方法提示我必须在一个安全的环境，也就是需要https，这意味着ws也必须换成wss…… *所以服务器代码就没有采用我们自己封装的握手、解析和编码了，代码如下

代码还是很简单的，使用https模块，然后用了开头说的ws模块，userMap是模拟的频道，只实现转发的核心功能

使用ws模块是因为它配合https实现wss实在是太方便了，和逻辑代码0冲突

https的搭建在这里就不提了，主要是需要私钥、CSR证书签名和证书文件，感兴趣的同学可以了解下（不过不了解的话在现网环境也用不了getUserMedia……）

下面是完整的前端代码

注意：按住a键说话，放开a键发送

自己有尝试不按键实时对讲，通过setInterval发送，但发现杂音有点重，效果不好，这个需要encodeWAV再一层的封装，多去除环境杂音的功能，自己选择了更加简便的按键说话的模式

这篇文章里首先展望了websocket的未来，然后按照规范我们自己尝试解析和生成数据帧，对websocket有了更深一步的了解

最后通过两个demo看到了websocket的潜力，关于语音聊天室的demo涉及的较广，没有接触过AudioContext对象的同学最好先了解下AudioContext

文章到这里就结束啦~有什么想法和问题欢迎大家提出来一起讨论探索~

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[AudioContext]: https://developer.mozilla.org/en-US/docs/Web/API/AudioContext
[AudioDestinationNode]: https://developer.mozilla.org/en-US/docs/Web/API/AudioDestinationNode