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WebRTC getStats详解 - 从标准、调用到实现

前言

getStats是WebRTC一个非常重要的API,用来向开发者和用户导出WebRTC运行时状态信息,包括网络数据接收和发送状态、P2P客户端媒体数据采集和渲染状态等[1]。这些信息对于监控WebRTC运行状态、排除程序错误等非常重要。

本文首先描述W3C定义的getStats标准,然后展示如何在JS层调用getStats,最后深入分析WebRTC源代码中getStats的实现。全文从标准到实现,全方位透彻展示getStats的细节。

一 getStats标准

getStats的标准由W3C定义,其接口很简单,但是却返回丰富的WebRTC运行时信息。其返回信息的主要内容如下[2]:

  1. 发送端采集统计:对应于媒体数据的产生,包括帧率,帧大小,媒体数据源的时钟频率,编解码器名称,等等。
  2. 发送端RTP统计:对应于媒体数据的发送,包括发送数据包数,发送字节数,往返时间RTT,等等。
  3. 接收端RTP统计:对应于媒体数据的接收,包括接收数据包数,接收字节数,丢弃数据包数,丢失数据包数,网络抖动jitter,等等。
  4. 接收端渲染统计:对应于媒体数据的渲染,包括丢弃帧数,丢失帧数,渲染帧数,渲染延迟,等等。

另外还有一些杂项统计,如DataChannel度量,网络接口度量,证书统计等等。在众多信息中,有一些反映WebRTC运行状态的核心度量,包括往返时间RTT,丢包率和接收端延迟等,分别表述如下:

  • 往返时间RTT:表示数据在网络上传输所用的时间,一般通过RTCP 的SR/RR数据包中的相关域进行计算。该度量直接反映网络状况的好坏。
  • 丢包率影响接收端音视频质量,在严重的情况下可能导致声音跳变或者视频马赛克,从侧面反映网络状况的好坏。
  • 音视频数据到达接收端之后,要经历收包、解码、渲染等过程,该过程会带来延迟。接收端延迟是数据从采集到渲染单向延迟的重要组成部分。

通过以上分析可知,getStats的返回信息包含WebRTC数据管线的各个阶段的统计信息,从数据采集、编码到发送,再到数据接收、解码和渲染。这为监控WebRTC应用的运行状态提供第一手数据。

二 使用JS调用getStats

getStats的JS API很简单, W3C规定getStats的JS API函数PTCPeerConnection.getStats需要三个参数:一个可为空的MediaStreamTrack对象,一个调用成功时的回调函数和一个调用失败时的回调函数。成功回调函数的参数为getStats得到的RTCStatsReport,主要工作就发生在解析RTCStatsReport上,拿到我们感兴趣的参数,进而分析应用的运行状态。

下面我们选取W3C标准上给出的例子作简单讲解[1]。假设当前会话的通话质量很差,我们想知道是不是由于丢包率过大引起的。因此,我们可以通过getStats返回结果的outbound-rtp中的丢包数和收包数计算丢包率,然后进行判断。具体代码实现如下:

var baselineReport, currentReport; var selector = pc.getRemoteStreams()[0].getAudioTracks()[0]; pc.getStats(selector, function (report) {     baselineReport = report; }, logError);  setTimeout(function () {     pc.getStats(selector, function (report) {         currentReport = report;         processStats();     }, logError); }, aBit);  function processStats() {     for (var i in currentReport) {         var now = currentReport[i];         if (now.type != "outbund-rtp")             continue;          base = baselineReport[now.id];         if (base) {             remoteNow = currentReport[now.associateStatsId];             remoteBase = baselineReport[base.associateStatsId];             var packetsSent = now.packetsSent - base.packetsSent;             var packetsReceived = remoteNow.packetsReceived –                     remoteBase.packetsReceived;              // if fractionLost is > 0.3, we have probably found the culprit             var fractionLost = (packetsSent - packetsReceived) / packetsSent;         }     } } function logError(error) { log(error.name + ": " + error.message); }

通过上述例子,我们可以体会到从JS层调用getStats分析应用运行状态的基本流程。值得注意的是,Chrome和Firefox两款浏览器在调用方面有稍微差别,具体请参考文档[3]。

三 getStats在WebRTC内部的实现

JS层的getStats调用如何传递到到WebRTC内部的实现函数,涉及到浏览器的内部工作原理,具体到Chrome浏览器来讲,是由WebKit,V8,Content,libjingle等模块一起协同工作实现。本节我们不讨论这里面的细节,我们只关注getStats在WebRTC内部的实现。

WebRTC模块对外提供两个重要对象:PeerConnectionFactory和PeerConnection,前者负责一系列重要对象的创建,如MediaStream,MediaSource,MediaTrack等等,后者则负责P2P连接的建立和维护,包括CreateOffer/Answer,AddStream等操作。监控P2P连接运行状态GetStats函数,自然在PeerConnection对象中实现,而该对象把任务委托给成员变量StatsCollector对象的UpdateStats函数来实现:

void StatsCollector::UpdateStats(PeerConnectionInterface::StatsOutputLevel level) {   RTC_DCHECK(pc_->session()->signaling_thread()->IsCurrent());  // 由signal线程调用;   double time_now = GetTimeNow();   const double kMinGatherStatsPeriod = 50;   if (stats_gathering_started_ != 0 &&       stats_gathering_started_ + kMinGatherStatsPeriod > time_now) {     return;  // 调用间隔不低于50ms;   }    stats_gathering_started_ = time_now;   if (pc_->session()) {     ExtractSessionInfo();      // 收集传输信息;     ExtractVoiceInfo();       // 收集VoiceChannel信息;     ExtractVideoInfo(level);   // 收集VideoChannel信息;     ExtractSenderInfo();      // 收集PeerConnection的sender信息;     ExtractDataInfo();        // 收集DataChannel信息;     UpdateTrackReports();    // 更新Track报告;   } }

由该函数我们可以看到,信息的收集是分模块进行的,其中最重要的是四个模块的信息:Transport,VoiceChannel,VideoChannel,DataChannel。顾名思义,Transport是和网络相关的统计信息,而其余三个是和各自MediaChannel相关的统计信息。

Extract系列函数从相应模块收集到信息后,执行后处理操作,把不同类型的信息重新组织为类型相同的StatsReport对象,存储到StatsCollector的列表中。StatsReport对象结构基本定义如下:

struct StatsReport {   const Id id_;       // 包括类型,唯一标示符等信息;   double timestamp_;  // 本次信息收集的开始时间;   Values values_;     // 信息集合,可存储int, int64, string, bool, double等类型 };

下面以ExtractVideoInfo为例分析信息收集过程:

void StatsCollector::ExtractVideoInfo(PeerConnectionInterface::StatsOutputLevel level) {   cricket::VideoMediaInfo video_info;   // 从video channel收集信息,包括发送端,接收端和带宽估计信息;   if (!pc_->session()->video_channel()->GetStats(&video_info)) {     return;   }   // 收集到的信息归一化为StatsReport对象;   ExtractStatsFromList(video_info.receivers, transport_id, this,       StatsReport::kReceive);   ExtractStatsFromList(video_info.senders, transport_id, this,       StatsReport::kSend);     ExtractStats(video_info.bw_estimations[0], stats_gathering_started_, level, report); }

从videochannel收集到的数据来自三个模块:VideoSendStream,VideoReceiveStream 和Call,这三个模块分别从自己的信息统计对象中获得统计数据,最后汇总为VideoMediaInfo对象,由ExtractStatsFromXX系列函数归一化为StatsReport对象。

以上分析的即为getStats函数的内部实现细节。需要注意的是,getStats只负责拉取统计数据,而统计数据本身则由WebRTC内部各个模块周期性更新,这个过程是异步的。例如,传输层的RTT是由网络线程收到数据包后实时更新,而带宽估计信息则是在受到RTCP报文后解析计算得到。下面以VideoReceiveStream统计信息的更新过程为例,深入分析这部分是如何协同工作的:

WebRTC getStats详解 - 从标准、调用到实现
VideoReceiveStream的数据更新和拉取.png

在Video接收端,network/decoder/render三个线程在各自工作完成后,都会更新相应的统计数据到timing对象中。而module process线程则周期性更新Stats proxy对象,该对象从timing对象中拉取数据,保存在自己的stats成员变量中。最后,getstats线程调用流程到达stats proxy对象,获取stats数据而返。工作线程、更新线程和拉取线程共同协同工作完成统计数据的产生、更新和拉取。

四 总结

本文从标准、使用和实现三个方面全方位分析了WebRTC的getStats API,这对WebRTC应用的运行时监控和状态分析排错具有重要意义,我们从另一角度对WebRTC有了更深入的理解。

参考文献

[1] Identifiers for WebRTC’s Statistics API:
   https://www.w3.org/TR/webrtc-stats/
[2] Basics of WebRTC getStats() API:
   https://www.callstats.io/2015/07/06/basics-webrtc-getstats-api/
[3] RTCPeerConnection.getStats: Chrome VS Firefox:
http://blog.telenor.io/webrtc/2015/06/11/getstats-chrome-vs-firefox.html

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