WebRTC ICE 状态与提名处理

大家都知道奥斯卡有提名，其实在 WebRTC 的 ICE 中也有提名，有常规的提名，也有激进的提名，而且提名的候选人不一定是最优秀的候选人喔，本文就带你一探其中玄妙。文章内容主要描述 RFC 5245 中 ICE 相关的状态和 ICE 提名机制，并结合 libnice(0.14) 版本进行分析。

作者：阵图，阿里云开发工程师
审校：泰一，阿里云高级开发工程师

Scene

分析一个问题时候遇到这样的场景：服务端一个 Candidate，客户端三个不同优先级的 Candidate，但是最后居然选择了一个优先级最低的 Pair。

服务端有一个 Relay Candidate，端口 50217。

a=candidate:3 1 udp 503316991 11.135.171.187 50217 typ relay raddr 10.101.107.25 rport 40821

客户端有三个 Candidate，端口 50218（中间优先级），50219（最低优先级），50220（最高优先级）。

Candidate 1:
candidate:592388294 1 udp 47563391 11.135.171.187 50219 typ relay raddr 0.0.0.0 rport 0 generation 0 ufrag fO75 network-cost 50

Candidate 2:
candidate:592388294 1 udp 48562623 11.135.171.187 50218 typ relay raddr 0.0.0.0 rport 0 generation 0 ufrag fO75 network-cost 50

Candidate 3:
candidate:592388294 1 udp 49562879 11.135.171.187 50220 typ relay raddr 0.0.0.0 rport 0 generation 0 ufrag fO75 network-cost 50

但是最后选择的却是最低优先级的 Pair，50219。

Remote selected pair: 1:1 592388294 UDP 11.135.171.187:50219 RELAYED

Candidate's Foundation

Candidate 的 Foundation: 这里先提一下 Foundation，会涉及到 Frozen 状态。

对于一条相同的信道，可能有不同的 Candidate，比如 Relay Candidate 被发现的时候，就可以生成一个新的 Server Reflexive 类型的 Candidate，但是他们都是基于相同的本地地址（IP，端口）和协议，则可以认为这些网络是相似的，则他们就会有相同的 Foundation。其中 Foundation 在 SDP 中为第一个字段，即下面例子中的 '7'。

a=candidate:7 1 udp 503316991 11.178.68.36 51571 typ relay raddr 30.40.198.7 rport 55896

ICE States

ICE 主要有以下五种状态，其中前四种是正常的状态，第五种状态 Frozen 涉及到 ICE Frozen Algorithm。

ICE 的五种状态：

• Waiting: 当连通性检查还没有开始执行的时候（Binding Request 还没发送）。
• In Progress: 当连通性检查发送了，但是相应检查的事务仍在执行中（Binding Request 已发送）。
• Successed: 连通性检查执行完成且返回结果成功（Binding Request 已完成）。
• Failed: 连通性检查执行完成且结果失败（Binding Request 已完成）。
• Frozen: ，所有 Candidate Pair 初始化完成以后就在这个状态，对于相同的 Foundation（相似的 Candidate），会按照优先级依次选取一个 Pair，Unfreeze，并设置为 Waiting 状态，其他则保持 Frozen。直到选取的 Pair 完成，才会继续 Unfreeze 另一个 Pair。

ICE Nomination

ICE 有两种提名方式：

1.Regular Nomination

对于常规提名，主要工作流程如下：

L                        R
-                        -
STUN request ->             \  L's
<- STUN response  /  check

<- STUN request  \  R's
STUN response ->            /  check

STUN request + flag ->      \  L's
<- STUN response  /  check

Regular Nomination  

Controlling 模式下的 Agent 发起 Binding Request，并且收到对端的 Response，同时对端发起的 Connective Check 完成，Controling 一端会再次发出一个携带 USE_CANDIDATE 标志位的 Binding Request，当 Controlled 一端收到了，就接受这次提名。

2.Aggressive nomination

除了常规提名，还有一种比较激进的提名，常规提名中会新增一次握手。

L                        R
-                        -
STUN request + flag ->      \  L's

<- STUN response  /  check
<- STUN request  \  R's
STUN response ->            /  check

Figure 5: Aggressive Nomination

Controlling 模式下的 Agent 发起 Binding Request，但是在这个 Binding Request 中会直接携带 USE_CANDIDATE 的标志位，Controlled 模式下的 Agent 收到了以后就接受这次提名。在激进提名模式下，能节约一次握手过程，但是当多个 Pair 同时接受提名时，会根据这些 Pair 各自的优先级进行选择，选择出优先级最高的 Pair 作为实际的信道。

真实案例：

Updating States When Nomination

原文参考

当一个新的提名产生时，会对 ICE 内部状态进行对应的变化。

当一端的 Binding Request 携带了 Use Candidate 的标志位时，则会产生一次提名（Nomination）。

不管 Controlling 或者 Controlled 模式下的 Agent，处理提名的状态更新规则建议如下：

• 如果没有提名的 Pair，则继续进行连通性检查的过程。

• 如果至少有一个有效的提名:

  • Agent 必须删除该 Component 下的所有 Waiting 状态和 Frozen 状态的 Pair。
  • 对于 In Progress 状态下的 Pair，优先级低于当前提名 Pair 优先级的，停止重传（取消）。

• 当某一个 Stream 的所有 Compont 都至少拥有一个提名时，且检查仍然在进行时：

  • Agent 必须将该 Stream 标记为已完成。
  • Agent 可以开始传输媒体流。
  • Agent 必须持续响应收到的消息。
  • Agent 必须重传当前仍然在 In Progress 的 Pair（优先级高于当前提名的，不然已经被删除或者取消）。

• 当检查列表中的所有 Pair 都完成时:

  • ICE 完成。
  • Controlling Agent 根据优先级更新 Offer（貌似 WebRTC 没有这一步）。

• 当检查列表检查有失败时:

  • 所有 Pair 都失败时，关闭 ICE。
  • 当有某个流的检查成功时，Controlling Agent 移出失败的 Pair，并更新 Offer。
  • 如果有些检查没有完成，则 ICE 继续。

Scheduling Checks

在描述提名时，还会涉及 ICE 对 Pair 的调度（当有效 Candidate 还在 In Progress 的时候但是其他 Candidate 的 Pair 已经收到 Binding Request）。

这里只讨论 Full，先不描述 Lite 模式。

ICE 的 Checks 分成两种，Ordinary Checks And Triggered Checks。

• Ordinary Checks 是常规的 Pair 的检查，表示这些 Pair 的检查是从正常流程中切换过来的状态的检查。
• Triggered Check 是被动触发的检查，当这些 Pair 虽然还处在不可以开始检查的状态，但是这时候收到了对端的连通性检查，这时候会对这个 Pair 进行提速，将其直接放入调度列表。

当 ICE 建立一个 Check List （每个 Stream 一个）后，会对每个 Check List 添加一个定时器，当定时器到来时，会进行如下调度：

注：这里有点不能理解，整个流程看起来是串行的，激活速度有点慢。

• 首先调度 Triggered Check 并执行。
• 若无，调度优先级最高的 Waiting 状态的 Pair，发送 Request，同时将状态置为 In Progress。
• 若无，则从 Check List 中找出优先级最高的 Frozen 状态的 Pair，Unfreeze 之，并发送 Request，状态设置为 In Progress。
• 若无，终止调度。

Case Analyzed

简单了解了 ICE 的流程后，我们回归最开始的 Case。

首先看 Add Candidate，三个 Remote Candidate 添加顺序不同，依次为 50219，50218，50220，注意，此时 50219 收到了对端的 Binding Request，激进提名，携带 USE_CANDIDATE，因此很快执行 Create Permission 并完成，这时候可以开始发送 Binding Request 了，属于 Triggered Checks 优先调度，发送 Binding Request，并进入 In Progress 状态。

注：这里除了本地 Relay 的 Pair，还有和 Turn 通信的本地 Host 类型的 Candidate。

接着在 50219 在其他两个 Create Permission 还没完成时候以迅雷不及掩耳之势完成了 Check，根据 rfc 8.1.2 中的描述，对于不是在 In Progress 状态的 Pair，都删除，并不参考其优先级，故最后选择了 50219 这个优先级最低的 Pair。

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