JS `WebTransport` (HTTP/3) 在游戏与实时协作中的应用

各位靓仔靓女们，晚上好！我是今晚的讲师，今天咱们聊聊一个贼有意思的技术：WebTransport，以及它在游戏和实时协作中的骚操作。

WebTransport：HTTP/3 加持的实时通信新星

想象一下，咱们以前用 WebSocket，就像在高速公路上跑一辆自行车，虽然也能到，但是跟开跑车比起来，速度和舒适度都差远了。WebTransport 就像一辆装了火箭引擎的跑车，它基于 HTTP/3，带来了更快的速度、更低的延迟和更可靠的连接。

为什么 WebTransport 这么牛？

这得益于 HTTP/3 的底层协议 QUIC。QUIC 解决了 HTTP/2 和 TCP 协议的一些痛点：

多路复用（Multiplexing）： 就像高速公路有多条车道，可以同时传输多个数据流，避免了队头阻塞（Head-of-Line Blocking）的问题。
用户空间拥塞控制（User-Space Congestion Control）： QUIC 的拥塞控制算法可以在用户空间实现，更容易更新和优化，从而更好地适应不同的网络环境。
前向纠错（Forward Error Correction, FEC）： 即使丢了一些数据包，也能通过 FEC 恢复，减少了重传的次数，提高了可靠性。
连接迁移（Connection Migration）： 即使你的 IP 地址变了（比如从 Wi-Fi 切换到移动网络），连接也能保持不断，这对移动应用来说简直是福音。

简单来说，WebTransport 就像给 WebSocket 穿上了 HTTP/3 的马甲，速度更快，更稳定，更智能。

WebTransport 的两种姿势：Datagrams 和 Streams

WebTransport 提供了两种数据传输方式：

Datagrams (不可靠数据报): 就像 UDP，数据包之间没有顺序保证，可能会丢失。但是速度快，适合对延迟敏感，但可以容忍少量数据丢失的场景，比如实时游戏中的位置同步。
Streams (可靠数据流): 就像 TCP，数据包之间有顺序保证，不会丢失。适合需要可靠传输数据的场景，比如文件传输、聊天消息等。

特性	Datagrams (不可靠数据报)	Streams (可靠数据流)
可靠性	不可靠	可靠
顺序保证	无	有
适用场景	实时游戏，视频流	文件传输，聊天消息
延迟	低	较高
开销	低	较高

WebTransport 在游戏中的应用

想象一下，你正在玩一个多人在线射击游戏，你的每一个操作，都需要快速地同步到服务器，然后服务器再把其他玩家的位置信息同步给你。如果延迟太高，你就会感觉卡顿，甚至无法正常游戏。

WebTransport 的 Datagrams 可以完美解决这个问题。我们可以用 Datagrams 来传输玩家的位置、动作等信息，即使丢了一些数据包，也不会影响游戏的整体体验，因为我们可以通过预测来弥补。

游戏同步示例代码 (JavaScript)

// 客户端代码
async function connectToGameServer() {
  const transport = new WebTransport('https://your-game-server.com/webtransport');

  transport.addEventListener('sessionestablished', () => {
    console.log('WebTransport session established!');
    startGame();
  });

  transport.addEventListener('connectionerror', (error) => {
    console.error('WebTransport connection error:', error);
  });

  await transport.ready;
}

function startGame() {
  // 游戏主循环
  setInterval(() => {
    // 获取玩家的输入
    const input = getInput();

    // 将输入数据打包成 Datagram
    const data = new Uint8Array(JSON.stringify(input));

    // 发送 Datagram
    transport.datagrams.writable.getWriter().then((writer) => {
      writer.write(data);
      writer.releaseLock();
    });

    // 接收其他玩家的位置信息
    transport.datagrams.readable.getReader().then(async (reader) => {
      try {
        while (true) {
          const { value, done } = await reader.read();
          if (done) break;

          // 解析其他玩家的位置信息
          const playerData = JSON.parse(new TextDecoder().decode(value));

          // 更新其他玩家的位置
          updatePlayerPositions(playerData);
        }
      } catch (error) {
        console.error('Error reading datagrams:', error);
      } finally {
        reader.releaseLock();
      }
    });
  }, 16); // 60 FPS
}

function getInput() {
  // 模拟玩家输入
  return {
    x: Math.random() * 10,
    y: Math.random() * 10,
    rotation: Math.random() * 360,
  };
}

function updatePlayerPositions(playerData) {
  // 更新其他玩家的位置
  console.log('Received player data:', playerData);
  // 在游戏世界中更新玩家的位置
}

connectToGameServer();

// 服务器端代码 (Node.js)
import { WebTransportServer } from '@failsafe/webtransport';
import { createServer } from 'http';

const httpServer = createServer();
const wtServer = new WebTransportServer({ server: httpServer });

wtServer.handleStream((stream) => {
  // 处理 Streams，比如聊天消息
  stream.readable.pipeTo(stream.writable); // Echo stream
});

wtServer.handleDatagram((datagram, session) => {
  // 处理 Datagrams，比如玩家位置信息
  // 将收到的数据广播给所有其他客户端
  wtServer.sessions.forEach((otherSession) => {
    if (otherSession !== session) {
      otherSession.datagrams.writable.getWriter().then((writer) => {
        writer.write(datagram);
        writer.releaseLock();
      });
    }
  });
});

httpServer.listen(3000, () => {
  console.log('WebTransport server listening on port 3000');
});

代码解释:

客户端:
- connectToGameServer(): 建立与服务器的 WebTransport 连接。
- startGame(): 游戏主循环，每 16 毫秒执行一次（约 60 FPS）。
  - getInput(): 模拟玩家的输入。
  - 将输入数据打包成 JSON 字符串，并转换为 Uint8Array。
  - 通过 transport.datagrams.writable.getWriter() 获取一个 WritableStreamDefaultWriter，用于发送 Datagram。
  - 使用 writer.write(data) 发送数据。
  - 通过 transport.datagrams.readable.getReader() 获取一个 ReadableStreamDefaultReader，用于接收 Datagram。
  - 循环读取接收到的数据，并解析成 JSON 对象。
  - updatePlayerPositions(): 更新其他玩家的位置。
服务器端:
- 使用 @failsafe/webtransport 库创建 WebTransport 服务器。
- wtServer.handleStream(): 处理 Streams，这里只是简单地将收到的数据回显给客户端。
- wtServer.handleDatagram(): 处理 Datagrams。
  - 将收到的数据广播给所有其他客户端。
注意: 这个例子只是一个简单的演示，实际游戏中还需要考虑更多的因素，比如状态同步、碰撞检测、作弊检测等等。

使用方法:

确保你已经安装了 Node.js 和 npm。
安装 @failsafe/webtransport: npm install @failsafe/webtransport
将客户端代码保存为 client.js，服务器端代码保存为 server.js。
运行服务器: node server.js
在浏览器中打开 client.html (需要一个包含 WebTransport API 的浏览器，比如 Chrome Canary)，或者使用 Node.js 运行客户端代码。

WebTransport 在游戏中的其他应用

语音聊天: 使用 Datagrams 可以实现低延迟的语音聊天，让玩家更好地沟通。
视频流: 可以使用 Streams 来传输高质量的视频流，比如游戏直播、回放等。
下载更新: 可以使用 Streams 来下载游戏更新，速度更快，更可靠。

WebTransport 在实时协作中的应用

除了游戏，WebTransport 在实时协作领域也有着广泛的应用，比如在线文档编辑、视频会议、远程控制等。

在线文档编辑

想象一下，你和你的同事正在一起编辑一份文档，你们的每一次修改，都需要实时同步到其他人的屏幕上。如果延迟太高，就会影响协作效率。

WebTransport 的 Streams 可以用来传输文档的修改内容，保证数据的可靠性和顺序性。

视频会议

WebTransport 可以用来传输视频和音频流，提供更清晰、更流畅的视频会议体验。

远程控制

WebTransport 可以用来传输控制指令和屏幕画面，实现低延迟的远程控制。

实时协作示例代码 (JavaScript)

// 客户端代码
async function connectToCollaborationServer() {
  const transport = new WebTransport('https://your-collaboration-server.com/webtransport');

  transport.addEventListener('sessionestablished', () => {
    console.log('WebTransport session established!');
    startCollaboration();
  });

  transport.addEventListener('connectionerror', (error) => {
    console.error('WebTransport connection error:', error);
  });

  await transport.ready;
}

async function startCollaboration() {
  // 创建一个双向流
  const stream = await transport.createBidirectionalStream();

  // 发送文档初始内容
  const initialContent = 'This is the initial document content.';
  const writer = stream.writable.getWriter();
  await writer.write(new TextEncoder().encode(initialContent));
  await writer.close();

  // 监听文档修改
  document.getElementById('editor').addEventListener('input', async (event) => {
    const changes = event.target.value;
    const writer = stream.writable.getWriter();
    await writer.write(new TextEncoder().encode(changes));
    await writer.close();
  });

  // 接收其他用户的修改
  const reader = stream.readable.getReader();
  try {
    while (true) {
      const { value, done } = await reader.read();
      if (done) break;

      const changes = new TextDecoder().decode(value);
      updateDocument(changes);
    }
  } catch (error) {
    console.error('Error reading stream:', error);
  } finally {
    reader.releaseLock();
  }
}

function updateDocument(changes) {
  // 更新文档内容
  document.getElementById('editor').value = changes;
}

connectToCollaborationServer();

// 服务器端代码 (Node.js)
import { WebTransportServer } from '@failsafe/webtransport';
import { createServer } from 'http';

const httpServer = createServer();
const wtServer = new WebTransportServer({ server: httpServer });

wtServer.handleStream(async (stream, session) => {
  // 处理 Streams，比如文档修改
  const reader = stream.readable.getReader();
  try {
    while (true) {
      const { value, done } = await reader.read();
      if (done) break;

      // 将收到的修改广播给所有其他客户端
      wtServer.sessions.forEach(async (otherSession) => {
        if (otherSession !== session) {
          //创建一个新的stream
          const newStream = await otherSession.createBidirectionalStream();
          const writer = newStream.writable.getWriter();
          await writer.write(value);
          await writer.close();
        }
      });
    }
  } catch (error) {
    console.error('Error reading stream:', error);
  } finally {
    reader.releaseLock();
  }
});

httpServer.listen(3000, () => {
  console.log('WebTransport server listening on port 3000');
});