音视频学习（二十八）：websocket-flv

FLV视频流格式

FLV (Flash Video) 是一种轻量化的视频封装格式，适合实时流媒体传输，主要特点包括：

  • 轻量级封装：封装开销低，适合在网络上传输。
  • 流式播放：支持边下载边播放，特别适合直播场景。
  • 适配性强：虽然 Flash 逐渐被淘汰，但 FLV 数据仍可以通过现代播放器（如 flv.js）播放。

http-flv：https://blog.csdn.net/www_dong/article/details/144571432

flv协议：https://blog.csdn.net/www_dong/article/details/128166528

WebSocket 协议

特点

  • 全双工通信：客户端和服务器可以随时发送消息，无需等待请求。

  • 基于 TCP 的协议：通过 TCP 连接提供高效的数据传输。

  • 长连接：建立连接后，保持持久连接，无需多次握手。

  • 低延迟：相比于 HTTP 请求/响应，WebSocket 消除额外的 HTTP 报文开销。

  • 轻量级协议头：消息头非常小，减少了带宽消耗。

  • 事件驱动：通过事件监听机制处理消息和连接状态。

连接过程

WebSocket 连接建立需要经过一个 HTTP 升级握手（Upgrade Handshake），步骤如下：

客户端请求升级

客户端通过 HTTP 发送升级请求：

GET /chat HTTP/1.1
Host: example.com:8080
Upgrade: websocket
Connection: Upgrade
Sec-WebSocket-Key: dGhlIHNhbXBsZSBub25jZQ==
Sec-WebSocket-Version: 13

关键头部：

  • Upgrade: websocket：请求将 HTTP 升级为 WebSocket。
  • Connection: Upgrade：指定连接为升级类型。
  • Sec-WebSocket-Key：一个 Base64 编码的随机字符串，用于验证连接有效性。
  • Sec-WebSocket-Version：指定 WebSocket 协议的版本（常见为 13）。

服务器响应

服务器收到请求后验证头部信息，返回以下响应：

HTTP/1.1 101 Switching Protocols
Upgrade: websocket
Connection: Upgrade
Sec-WebSocket-Accept: s3pPLMBiTxaQ9kYGzzhZRbK+xOo=

关键头部：

  • Sec-WebSocket-Accept：基于客户端的 Sec-WebSocket-Key 和特定算法生成的值，用于确认握手。

握手完成

连接建立后，双方切换到 WebSocket 协议，开始通过 TCP 通道进行数据交换。

特点

优点

  1. 实时性强：支持低延迟双向通信。
  2. 节省带宽：帧头较小，减少了网络开销。
  3. 轻量化：在 TCP 层之上直接操作，避免了 HTTP 的冗余数据。

缺点

  1. 复杂性：实现握手和协议需要更多开发和调试。
  2. 网络环境要求：依赖于 TCP 长连接，在某些防火墙或代理下可能不支持。
  3. 安全性：需要特别注意对传输数据的加密和校验（如 WSS）。

数据帧格式

WebSocket 数据通过帧（Frame）进行传输。每个帧包含以下字段：

字段名称长度描述
FIN1 位表示消息是否结束（1 表示结束）。
RSV1, RSV2, RSV3各 1 位保留位，通常为 0。
Opcode4 位指定帧类型（如文本、二进制）。
Mask1 位指示是否对数据进行掩码。
Payload Length7 位或更多数据负载的长度。
Masking-Key4 字节（可选）掩码密钥，用于客户端到服务器的数据。
Payload Data可变长度实际传输的数据。

Opcode 的取值

  • 0x1：文本帧
  • 0x2：二进制帧
  • 0x8：连接关闭帧
  • 0x9：Ping 帧
  • 0xA：Pong 帧

示例

  • 客户端
// 创建 WebSocket 连接
const socket = new WebSocket("ws://example.com/socket");

// 连接打开事件
socket.onopen = () => {
    console.log("WebSocket connection established.");
    socket.send("Hello, Server!");
};

// 接收消息事件
socket.onmessage = (event) => {
    console.log("Message from server:", event.data);
};

// 错误事件
socket.onerror = (error) => {
    console.error("WebSocket error:", error);
};

// 关闭事件
socket.onclose = () => {
    console.log("WebSocket connection closed.");
};
  • 服务端
const WebSocket = require('ws');

// 创建 WebSocket 服务器
const wss = new WebSocket.Server({ port: 8080 });

wss.on('connection', (ws) => {
    console.log("Client connected.");

    // 接收客户端消息
    ws.on('message', (message) => {
        console.log("Received:", message);
        ws.send("Hello, Client!");
    });

    // 处理关闭事件
    ws.on('close', () => {
        console.log("Client disconnected.");
    });
});

技术对比

特性WebSocketHTTP/2SSE (Server-Sent Events)
双向通信是否否
连接类型长连接多路复用的长连接长连接
协议复杂性中等高低
消息方向双向单向（服务器推送为主）单向（服务器推送）
适用场景实时聊天、游戏、股票推送HTTP 优化（如 REST API）实时通知、新闻推送

ws-flv

WebSocket-FLV 是指使用 WebSocket 协议传输 FLV 格式视频流的技术组合。它主要用于实时直播场景，结合了 WebSocket 的实时性和 FLV 的轻量特点。

工作流程

服务器端：

  • 将音视频流编码为 FLV 格式（可使用 FFmpeg 或其他编码工具）。
  • 通过 WebSocket 推送 FLV 数据到客户端。

客户端：

  • 使用 WebSocket 接收 FLV 数据流。
  • 利用播放工具（如 flv.js）解析并渲染 FLV 数据。

优点

  • 延迟极低，通常低于 1 秒。
  • 数据传输高效，FLV 格式进一步减小了数据量。
  • 实现较为简单，适合实时直播。

示例（c++）

  • 服务端
#include <uwebsockets/App.h>
#include <fstream>
#include <iostream>
#include <vector>
#include <thread>

class WebSocketFLVServer {
public:
    WebSocketFLVServer(const std::string &flvFilePath, int port)
        : flvFilePath(flvFilePath), port(port) {}

    void start() {
        // 加载 FLV 文件
        if (!loadFLVFile()) {
            std::cerr << "Failed to load FLV file: " << flvFilePath << std::endl;
            return;
        }

        // 创建 WebSocket 服务器
        uWS::App()
            .ws<ConnectionData>("/*", {
                .open = [this](auto *ws) {
                    std::cout << "Client connected!" << std::endl;
                    ws->send(reinterpret_cast<char *>(flvData.data()), flvData.size(), uWS::BINARY);
                },
                .message = [](auto *ws, std::string_view message, uWS::OpCode opCode) {
                    // 处理客户端消息（可选）
                    std::cout << "Received message: " << message << std::endl;
                },
                .close = [](auto *ws, int code, std::string_view message) {
                    std::cout << "Client disconnected!" << std::endl;
                }
            })
            .listen(port, [this](auto *token) {
                if (token) {
                    std::cout << "WebSocket server listening on port " << port << std::endl;
                } else {
                    std::cerr << "Failed to listen on port " << port << std::endl;
                }
            })
            .run();
    }

private:
    struct ConnectionData {};
    std::string flvFilePath;
    int port;
    std::vector<uint8_t> flvData;

    bool loadFLVFile() {
        std::ifstream file(flvFilePath, std::ios::binary);
        if (!file.is_open()) {
            return false;
        }

        file.seekg(0, std::ios::end);
        size_t fileSize = file.tellg();
        file.seekg(0, std::ios::beg);

        flvData.resize(fileSize);
        file.read(reinterpret_cast<char *>(flvData.data()), fileSize);
        file.close();
        return true;
    }
};

int main() {
    const std::string flvFilePath = "live.flv"; // 替换为实际的 FLV 文件路径
    const int port = 9001;

    WebSocketFLVServer server(flvFilePath, port);
    server.start();

    return 0;
}

wss-flv

WSS-FLV 是指通过 WebSocket Secure（WSS） 协议传输 FLV（Flash Video） 视频流的技术组合。WSS 是 WebSocket 协议的安全版本，类似于 HTTPS，相较于普通 WebSocket（WS），WSS 在传输层使用了 TLS/SSL 加密，保障了数据的安全性。

特点

  • 加密通信：通过 TLS/SSL 加密，防止数据被篡改或窃听。

  • 与 HTTPS 兼容：可以在 HTTPS 环境中无缝工作，特别适合前端页面通过 WebSocket 通信的场景。

  • 适用高安全场景：如支付视频流、医疗直播、敏感监控视频传输等。

应用

直播平台：

  • 提供安全的低延迟直播传输，避免流媒体数据被拦截或劫持。

实时监控：

  • 安全传输监控视频流，保障用户隐私。

教育和会议系统：

  • 在线教育或实时会议中，确保音视频数据加密传输。

远程医疗：

  • 保障医疗数据和视频流的传输安全性。

示例（c++）

#include <uwebsockets/App.h>
#include <fstream>
#include <iostream>
#include <vector>
#include <thread>

class WSSFLVServer {
public:
    WSSFLVServer(const std::string &flvFilePath, int port, const std::string &certPath, const std::string &keyPath)
        : flvFilePath(flvFilePath), port(port), certPath(certPath), keyPath(keyPath) {}

    void start() {
        // 加载 FLV 文件
        if (!loadFLVFile()) {
            std::cerr << "Failed to load FLV file: " << flvFilePath << std::endl;
            return;
        }

        // 启动 WSS 服务
        uWS::SSLApp({
            .key_file_name = keyPath.c_str(),
            .cert_file_name = certPath.c_str(),
            .passphrase = ""
        })
            .ws<ConnectionData>("/*", {
                .open = [this](auto *ws) {
                    std::cout << "Client connected (secure)!" << std::endl;
                    ws->send(reinterpret_cast<char *>(flvData.data()), flvData.size(), uWS::BINARY);
                },
                .message = [](auto *ws, std::string_view message, uWS::OpCode opCode) {
                    // 可选的客户端消息处理
                    std::cout << "Received message: " << message << std::endl;
                },
                .close = [](auto *ws, int code, std::string_view message) {
                    std::cout << "Client disconnected!" << std::endl;
                }
            })
            .listen(port, [this](auto *token) {
                if (token) {
                    std::cout << "WSS server listening on port " << port << std::endl;
                } else {
                    std::cerr << "Failed to listen on port " << port << std::endl;
                }
            })
            .run();
    }

private:
    struct ConnectionData {};
    std::string flvFilePath;
    int port;
    std::string certPath;
    std::string keyPath;
    std::vector<uint8_t> flvData;

    bool loadFLVFile() {
        std::ifstream file(flvFilePath, std::ios::binary);
        if (!file.is_open()) {
            return false;
        }

        file.seekg(0, std::ios::end);
        size_t fileSize = file.tellg();
        file.seekg(0, std::ios::beg);

        flvData.resize(fileSize);
        file.read(reinterpret_cast<char *>(flvData.data()), fileSize);
        file.close();
        return true;
    }
};

int main() {
    const std::string flvFilePath = "live.flv"; // 替换为实际 FLV 文件路径
    const int port = 9001;
    const std::string certPath = "certificate.crt"; // SSL 证书文件路径
    const std::string keyPath = "private.key";      // SSL 私钥文件路径

    WSSFLVServer server(flvFilePath, port, certPath, keyPath);
    server.start();

    return 0;
}

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