WebRTC 02：信令、SDP、ICE/STUN/TURN 解析

December 7, 2025 flymeow

目标：以端到端视角梳理一次连接从“发起”到“可用”的完整链路，深入讲清信令、SDP、Offer/Answer、ICE 候选、STUN 与 TURN 的职责与交互，并给出可落地的配置与代码骨架。

一、阅读地图

全流程概览：Signaling → SDP(Offer/Answer) → ICE(候选收集/交换/检测) → DTLS → SRTP/SCTP。
关键产物：SDP 文本、ICE 候选、DTLS 密钥，最终形成媒体与数据的安全通道。
工具与观测：chrome://webrtc-internals、pc.getStats()、浏览器控制台日志、服务端信令日志。

二、媒体捕获与 API 关系图谱

媒体与轨：MediaStream 包含多个 MediaStreamTrack（音频/视频）。
连接对象：RTCPeerConnection 负责协商、连通、加密与传输。
收发器：RTCRtpTransceiver 统一收发语义（direction: sendrecv/sendonly/recvonly/inactive）。
轨与收发器关系：addTrack 绑定到发送端；addTransceiver 更灵活地控制媒体与编码层（Simulcast/SVC）。
数据通道：RTCDataChannel 由 SCTP 承载，支持可靠/不可靠、有序/无序。

三、JSEP 与 SDP 结构深入

JSEP（RFC 8829）：浏览器如何使用 SDP 的规范，定义了 Offer/Answer 时机与字段。
Unified Plan：现代浏览器的 SDP 模型，每个轨对应一个 m= 行；历史的 Plan B 已废弃。
SDP 关键行语义
- v/o/s/t：版本/源/会话名/时间。
- m=：媒体行（audio/video/application）。
- c=：连接信息（通常为占位 0.0.0.0）。
- a=rtpmap/fmtp：编解码映射与参数。
- a=setup/fingerprint：DTLS 握手与证书指纹。
- a=ice-ufrag/ice-pwd：ICE 身份信息。
- a=msid/mid/bundle：轨标识、媒体标识与多媒体同路优化。

示例（节选，含音视频与安全/ICE 字段）

v=0
o=- 46117326 2 IN IP4 127.0.0.1
s=-
t=0 0
m=audio 9 UDP/TLS/RTP/SAVPF 111
c=IN IP4 0.0.0.0
a=rtpmap:111 opus/48000/2
a=fmtp:111 minptime=10;useinbandfec=1
a=setup:actpass
a=ice-ufrag:abc123
a=ice-pwd:def456
a=fingerprint:sha-256 8A:...:FF
a=mid:0
a=msid:stream1 trackA
m=video 9 UDP/TLS/RTP/SAVPF 96 97
c=IN IP4 0.0.0.0
a=rtpmap:96 VP8/90000
a=rtpmap:97 H264/90000
a=sendrecv
a=mid:1
a=msid:stream1 trackV
a=group:BUNDLE 0 1

四、ICE 高级主题：角色、优先级与提名

角色分工：controlling 与 controlled，决定谁进行最终提名（USE-CANDIDATE）。
ICE-Lite 与 ICE-Full：服务端（如 SFU）常用 ICE-Lite；浏览器为 ICE-Full。
候选优先级：host > srflx > relay（通常），实际排序还受网络代价与组件影响。
提名策略：常见为 aggressive 或 regular 提名，确保最佳候选对被选中并稳定。
Trickle ICE：候选边收集边发送，结合早期连通性检测缩短建链时间。

五、STUN 实务：反射与可达性

职责：返回 server-reflexive 地址以辅助直连，常用端口 3478/udp。
局限：对称 NAT 下直连成功率低；需 TURN 回退。
实务建议：多区域/就近 STUN，减少跨洲延迟与丢包。

六、TURN 实务：中继、握手与成本

握手流程（简化）：Allocate → CreatePermission → ChannelBind/Connect。
传输类型：UDP/TCP/TLS（5349），受企业网络与防火墙策略影响。
凭证：建议短时密钥与 HMAC 派发，避免长期凭证泄漏风险。
成本考量：TURN 需转发全量媒体，带宽成本高；优先直连，失败再回退 TURN。

七、信令设计：消息模型与可靠性

基本消息：join/leave/offer/answer/ice-candidate/renegotiate/bye。
路由字段：roomId/from/to，可扩展 sessionId/traceId 便于观测。
可靠性：消息按序与去重；候选批量与背压控制；断线重连与重试策略。

八、代码骨架：含 Trickle ICE 与 TURN 回退

三、信令：你定义的“消息高速路”

目的：交换协商所需的文本数据（SDP）与网络候选（ICE candidate），并承载会话控制（房间、加入、离开、重协商等）。
载体：常见选择为 WebSocket，也可用 HTTP(S) 轮询/SSE、MQTT 等。WebRTC 不规定协议与格式。
消息模型示例

{
  "type": "offer",
  "roomId": "r1",
  "from": "uA",
  "to": "uB",
  "sdp": "v=0\no=- 46117326 2 IN IP4 127.0.0.1\ns=-\nt=0 0\nm=audio 9 UDP/TLS/RTP/SAVPF 111\na=rtpmap:111 opus/48000/2\na=sendrecv\n..."
}

设计要点
- 明确路由字段：roomId/from/to。
- 允许 Trickle ICE：候选一产生就发送，缩短建链时间。
- 保留 renegotiate/bye 等会话指令，支持后续增删轨与重启 ICE。

四、SDP：文本会话描述与 Offer/Answer

定义：SDP（RFC 8866）是纯文本，描述会话、媒体、编解码与扩展属性。浏览器遵循 JSEP（RFC 8829）。
典型结构

v=0
o=- 46117326 2 IN IP4 127.0.0.1
s=-
t=0 0
m=audio 9 UDP/TLS/RTP/SAVPF 111
c=IN IP4 0.0.0.0
a=rtpmap:111 opus/48000/2
a=fmtp:111 minptime=10;useinbandfec=1
a=setup:actpass
a=ice-ufrag:abc123
a=ice-pwd:def456
a=fingerprint:sha-256 8A:...:FF
m=video 9 UDP/TLS/RTP/SAVPF 96 97
c=IN IP4 0.0.0.0
a=rtpmap:96 VP8/90000
a=rtpmap:97 H264/90000
a=sendrecv

Offer/Answer 流程
- 主叫：createOffer → setLocalDescription(offer) → 通过信令发送 offer.sdp
- 被叫：setRemoteDescription(offer) → createAnswer → setLocalDescription(answer) → 发送 answer.sdp
- 双方：setRemoteDescription 完成后，开始 ICE 候选收集与连通性检查。

五、ICE：候选收集、交换与连通性检测

候选类型
- host：本机网卡地址。
- srflx：STUN 反射出的公网可达地址。
- relay：TURN 中继分配的地址，连通性最好、成本/时延较高。
Trickle ICE
- 候选边收集边发送，不等待全部候选收集完成；显著缩短首包时间。
连通性检测（Connectivity Checks）
- 双方对候选对进行 STUN binding 检测，选择最佳路径并进行提名（nomination）。
候选示例

candidate:842163049 1 udp 1677729535 192.168.1.10 54321 typ host
candidate:123456789 1 udp 1677724415 203.0.113.5 62344 typ srflx raddr 192.168.1.10 rport 54321
candidate:22334455 1 udp 1677716351 198.51.100.7 3478 typ relay raddr 0.0.0.0 rport 0

六、STUN：拿到“我在公网的样子”

作用：向 STUN 服务器发送 binding request，得到返回源地址/端口，即 server-reflexive 候选（srflx）。
要点：仅提供地址反射，不转发媒体；通常使用 UDP 3478。公网可达性受 NAT 类型与出口策略影响。

七、TURN：必要时走“中继快车道”

作用：当直连不可用或质量差时，向 TURN 服务器申请分配 relay 候选，由其转发数据。
交互（简化）：Allocate → CreatePermission → ChannelBind/Connect；支持 UDP/TCP/TLS，常见端口 3478/5349。
凭证策略：生产建议短时密钥（如 turn:username@timestamp + HMAC），避免长期明文凭证泄露。
成本与策略：尽量优先直连，失败再回退 TURN；必要时可设置 iceTransportPolicy: 'relay' 验证链路。

八、代码骨架：含 Trickle ICE 与 TURN 回退

const ws = new WebSocket("wss://example.com/signal");
const pc = new RTCPeerConnection({
  iceServers: [
    { urls: "stun:stun.l.google.com:19302" },
    {
      urls: ["turn:turn.example.com:3478", "turns:turn.example.com:5349"],
      username: "u",
      credential: "p",
    },
  ],
  iceCandidatePoolSize: 4,
});
function send(m) {
  if (ws.readyState === 1) ws.send(JSON.stringify(m));
}
ws.onmessage = async (e) => {
  const m = JSON.parse(e.data);
  if (m.type === "offer") {
    await pc.setRemoteDescription({ type: "offer", sdp: m.sdp });
    const ans = await pc.createAnswer();
    await pc.setLocalDescription(ans);
    send({
      type: "answer",
      roomId: m.roomId,
      from: m.to,
      to: m.from,
      sdp: ans.sdp,
    });
  }
  if (m.type === "answer") {
    await pc.setRemoteDescription({ type: "answer", sdp: m.sdp });
  }
  if (m.type === "ice-candidate") {
    await pc.addIceCandidate(m.candidate);
  }
};
pc.onicecandidate = (e) => {
  if (e.candidate)
    send({
      type: "ice-candidate",
      roomId: "r1",
      from: "uA",
      to: "uB",
      candidate: e.candidate,
    });
};
(async () => {
  const stream = await navigator.mediaDevices.getUserMedia({
    audio: true,
    video: true,
  });
  stream.getTracks().forEach((t) => pc.addTrack(t, stream));
  const offer = await pc.createOffer();
  await pc.setLocalDescription(offer);
  send({ type: "offer", roomId: "r1", from: "uA", to: "uB", sdp: offer.sdp });
})();

九、重协商与 ICE restart

何时需要：网络切换（Wi‑Fi/蜂窝）、长期弱网、路径质量显著劣化。
流程要点：
- 触发 pc.restartIce() 或重新生成 Offer 携带新 ICE 参数。
- 通过信令交换新的 SDP，双方同步更新。
与增删轨：更改媒体布局时使用重协商，保持 Transceiver 与订阅一致。

示例（触发 ICE 重启）

await pc.setLocalDescription(await pc.createOffer({ iceRestart: true }));
send({ type: "offer", sdp: pc.localDescription.sdp });

十、NAT 类型与连接策略

常见 NAT：Full-cone、Restricted、Port-restricted、Symmetric；越“对称”越难直连。
策略建议
- 总是配置 STUN 与可用的 TURN（含 TCP/TLS）。
- 启用 Trickle ICE 与合理的 iceCandidatePoolSize。
- 网络切换或不稳定时执行 ICE restart（需交换新 SDP）。

十一、状态机、观测与排障清单

指标采集

const stats = await pc.getStats();
stats.forEach((r) => {
  if (r.type === "candidate-pair" && r.nominated) {
    const rtt = r.currentRoundTripTime;
    const bitrate = r.availableOutgoingBitrate;
  }
});

常见问题
- 只有 host 候选：检查 STUN 可达性与代理配置。
- ICE failed：补 TURN 并验证出口策略（3478/5349）；必要时 TCP/TLS。
- DTLS failed：校验证书与系统时间，排除中间设备拦截。
- 单向媒体或无声画：检查轨道添加、direction 与订阅策略。
- 候选收敛过慢：启用 Trickle、优化候选优先级与并行拨号。
- 仅 relay 候选：评估 TURN 成本，检查直连被阻原因（NAT/防火墙/代理）。

状态机速览

signalingState：stable/have-local-offer/have-remote-offer 等。
iceConnectionState：new → checking → connected/completed → disconnected/failed。
connectionState：new → connecting → connected → disconnected/failed/closed。

十二、最佳实践清单

信令采用 WebSocket，消息结构简洁清晰，保留重协商指令。
iceServers 同时配置 STUN 与 TURN，凭证短时化与按需申请。
启用 Trickle ICE，并在弱网或变更时及时 ICE restart。
使用 webrtc-internals 与 getStats 做连通性与质量观测。