如何利用 Vue 结合 `WebTransport`，实现一个低延迟、高吞吐量的实时通信应用？ - 智猿学院-前后端，数据库，人工智能，云计算等领域前沿技术讲座

大家好，我是今天的讲师，很高兴能和大家一起聊聊 Vue 结合 WebTransport，搞一个低延迟、高吞吐的实时通信应用。准备好了吗？咱们这就开始！

开场白：传统的困境与 WebTransport 的曙光

在实时通信的世界里，我们老是碰到一些头疼的问题。比如，WebSocket 虽然普及，但它基于 TCP，队头阻塞（Head-of-Line Blocking）是硬伤，丢包重传也得磨蹭半天。HTTP/2 也好不到哪去，还是 TCP 的底子。UDP 呢，延迟低是低，但不可靠啊，丢包了就直接 say goodbye，应用层自己搞可靠性又麻烦。

这时候，WebTransport 就带着光环出现了。它基于 QUIC 协议，天生就带有多路复用、无队头阻塞、可靠传输（可选）等特性，简直就是为实时通信量身定做的。

第一部分：WebTransport 基础概念扫盲

先别急着敲代码，咱们得先把 WebTransport 的基本概念搞清楚。

QUIC 协议： WebTransport 的基石，Google 出品，旨在替代 TCP。QUIC 提供了可靠的、有序的连接，但又不会因为单个数据包的丢失而阻塞整个连接。它还内置了拥塞控制和前向纠错（FEC）等机制。
WebTransport API： 浏览器提供的 JavaScript API，用于建立和管理 WebTransport 连接。
Session： WebTransport 连接的抽象，一个 Session 代表一个客户端与服务器之间的连接。
Streams： WebTransport 的核心概念，类似于 HTTP/2 的 Streams。分为两种：
- Unidirectional Streams (单向流)： 只能由一方发送数据，另一方接收。就像单行道，要么只能发，要么只能收。
- Bidirectional Streams (双向流)： 双方都可以发送和接收数据。就像双行道，你来我往，好不热闹。
Datagrams (数据报)： 不保证可靠性和顺序，但延迟极低。适合对延迟敏感，但对少量丢包不敏感的场景，比如实时游戏。

用一个表格来总结一下：

特性	WebSocket	HTTP/2	UDP	WebTransport (QUIC)
协议	TCP	TCP	UDP	QUIC
可靠性	可靠	可靠	不可靠	可靠/不可靠可选
顺序	有序	有序	无序	有序/无序可选
队头阻塞	有	有	无	无
多路复用	无	有	无	有
延迟	高	高	低	较低
适用场景	一般通信	一般通信	实时游戏	实时通信、音视频传输

第二部分：服务端搭建 (Node.js + quictransport)

WebTransport 需要服务端支持，这里我们用 Node.js 加上 quictransport 库来搭建一个简单的服务端。

安装依赖：

npm install @fails-components/quictransport

服务端代码：

const { QuicTransport } = require('@fails-components/quictransport');
const fs = require('fs');

const options = {
    port: 4433, // 监听端口
    cert: fs.readFileSync('cert.pem'), // 证书文件
    key: fs.readFileSync('key.pem'), // 私钥文件
    verifyClient: false
};

const server = new QuicTransport(options);

server.ready.then(() => {
    console.log('WebTransport server listening on port 4433');
});

server.on('session', async (session) => {
    console.log('New session established!');

    session.on('stream', async (stream) => {
        console.log('New stream opened!');

        if (stream.direction === 'bidirectional') {
            // 处理双向流
            stream.readable
                .pipeTo(new WritableStream({
                    write(chunk) {
                        console.log(`Received from stream: ${new TextDecoder().decode(chunk)}`);
                        stream.writable.getWriter().write(`Server received: ${new TextDecoder().decode(chunk)}`); // 回复客户端
                    }
                }))
                .catch(err => {
                    console.error('Error handling stream:', err);
                });

        } else {
            // 处理单向流 (接收)
            stream.readable
                .pipeTo(new WritableStream({
                    write(chunk) {
                        console.log(`Received from unidirectional stream: ${new TextDecoder().decode(chunk)}`);
                    }
                }))
                .catch(err => {
                    console.error('Error handling unidirectional stream:', err);
                });
        }
    });

    session.datagrams.readable
        .pipeTo(new WritableStream({
            write(chunk) {
                console.log(`Received datagram: ${new TextDecoder().decode(chunk)}`);
                session.datagrams.writable.getWriter().write(new TextEncoder().encode(`Server received datagram: ${new TextDecoder().decode(chunk)}`)); // 回复客户端
            }
        }))
        .catch(err => {
            console.error('Error handling datagrams:', err);
        });

    session.on('close', () => {
        console.log('Session closed.');
    });

    session.on('error', (error) => {
        console.error('Session error:', error);
    });
});

server.on('close', () => {
    console.log('Server closed.');
});

server.on('error', (error) => {
    console.error('Server error:', error);
});

生成证书：

WebTransport 需要 HTTPS，所以我们需要生成证书。为了方便测试，我们可以用 openssl 生成自签名证书。
```
openssl req -newkey rsa:2048 -nodes -keyout key.pem -x509 -days 365 -out cert.pem
```
注意：在生产环境中，请使用受信任的 CA 颁发的证书。

第三部分：Vue 客户端实现

有了服务端，接下来就是 Vue 客户端了。

Vue 项目搭建：

用 Vue CLI 创建一个新的 Vue 项目。
```
vue create webtransport-vue-client
cd webtransport-vue-client
```
安装依赖：
```
npm install buffer
```
因为 WebTransport 需要 Buffer，浏览器原生没有，所以我们要引入 buffer 库。

客户端代码 (App.vue):

<template>
  <div>
    <h1>WebTransport Demo</h1>

    <button @click="connect">Connect</button>
    <p v-if="isConnected">Connected!</p>
    <p v-else>Not Connected</p>

    <h2>Streams</h2>
    <input type="text" v-model="streamMessage" placeholder="Stream Message" />
    <button @click="sendStreamMessage">Send Stream Message</button>
    <p>Stream Received: {{ streamReceived }}</p>

    <h2>Unidirectional Stream</h2>
    <input type="text" v-model="uniStreamMessage" placeholder="Unidirectional Stream Message" />
    <button @click="sendUniStreamMessage">Send Unidirectional Stream Message</button>

    <h2>Datagrams</h2>
    <input type="text" v-model="datagramMessage" placeholder="Datagram Message" />
    <button @click="sendDatagramMessage">Send Datagram Message</button>
    <p>Datagram Received: {{ datagramReceived }}</p>
  </div>
</template>

<script>
import { Buffer } from 'buffer';

export default {
  data() {
    return {
      transport: null,
      session: null,
      isConnected: false,
      streamMessage: '',
      uniStreamMessage: '',
      datagramMessage: '',
      streamReceived: '',
      datagramReceived: ''
    };
  },
  methods: {
    async connect() {
      try {
        this.transport = new WebTransport('https://localhost:4433/'); // 注意：这里要用 HTTPS
        await this.transport.ready;
        this.session = this.transport.session;

        this.isConnected = true;
        console.log('Connected to WebTransport server!');

        // 处理 session close 和 error
        this.session.addEventListener('close', () => {
          console.log('Session closed.');
          this.isConnected = false;
        });
        this.session.addEventListener('error', (error) => {
          console.error('Session error:', error);
          this.isConnected = false;
        });

        this.handleDatagrams();
      } catch (error) {
        console.error('Failed to connect to WebTransport server:', error);
        this.isConnected = false;
      }
    },
    async sendStreamMessage() {
      try {
        const stream = await this.session.createBidirectionalStream();
        const writer = stream.writable.getWriter();
        await writer.write(new TextEncoder().encode(this.streamMessage));
        await writer.close();

        const reader = stream.readable.getReader();
        const { value, done } = await reader.read();
        if (!done) {
          this.streamReceived = new TextDecoder().decode(value);
        }
        reader.releaseLock();

      } catch (error) {
        console.error('Failed to send stream message:', error);
      }
    },
    async sendUniStreamMessage() {
      try {
        const stream = await this.session.createUnidirectionalStream();
        const writer = stream.writable.getWriter();
        await writer.write(new TextEncoder().encode(this.uniStreamMessage));
        await writer.close();
      } catch (error) {
        console.error('Failed to send unidirectional stream message:', error);
      }
    },
    async sendDatagramMessage() {
      try {
        const writer = this.session.datagrams.writable.getWriter();
        await writer.write(new TextEncoder().encode(this.datagramMessage));
        await writer.close(); // Important to close the writer
      } catch (error) {
        console.error('Failed to send datagram message:', error);
      }
    },
    async handleDatagrams() {
      try {
        const reader = this.session.datagrams.readable.getReader();
        while (true) {
          const { value, done } = await reader.read();
          if (done) {
            console.log('Datagram stream completed');
            break;
          }
          this.datagramReceived = new TextDecoder().decode(value);
        }
      } catch (error) {
        console.error('Error reading datagrams:', error);
      }
    }
  }
};
</script>

配置 Vue CLI：

由于 WebTransport 需要 HTTPS，并且我们用的是自签名证书，所以需要在 Vue CLI 中配置允许不安全的 HTTPS 连接。在 vue.config.js 中添加以下配置：

module.exports = {
  devServer: {
    https: {
      key: require('fs').readFileSync('key.pem'),
      cert: require('fs').readFileSync('cert.pem')
    },
    proxy: {
      '^/': {
        target: 'https://localhost:4433',
        ws: false,
        changeOrigin: true,
        secure: false // Important: allow self-signed certificates
      }
    }
  }
};

注意： 在生产环境中，不要设置 secure: false，并且要使用受信任的 CA 颁发的证书。

运行项目：
```
npm run serve
```
打开浏览器，访问 https://localhost:8080（或者 Vue CLI 提示的地址），点击 "Connect" 按钮，就可以看到效果了。

第四部分：优化与注意事项

数据格式： 为了更高的效率，可以考虑使用二进制数据格式，比如 Protobuf 或者 MessagePack。
拥塞控制： QUIC 内置了拥塞控制，但可以根据应用场景进行调整。
错误处理： WebTransport API 提供了丰富的错误事件，要做好错误处理，保证应用的健壮性。
安全性： WebTransport 默认使用 TLS 1.3 进行加密，保证数据的安全性。
浏览器兼容性： WebTransport 还在发展中，目前 Chrome 和 Edge 支持比较好，其他浏览器还在积极开发中。可以利用 try...catch 语句来优雅地处理不支持 WebTransport 的情况。
服务器证书: 客户端连接WebTransport服务器时，可能会因为服务器证书不受信任而报错。在开发环境中，你可以选择忽略证书错误，但这在生产环境中是绝对不行的。
关闭连接: 在不再需要WebTransport会话时，务必关闭连接。忘记关闭连接会导致资源浪费，甚至可能导致性能问题。

第五部分：进阶应用场景

WebTransport 不仅仅可以用来做简单的消息传递，还可以应用到更复杂的场景中。

实时游戏： 利用 Datagrams 实现低延迟的游戏数据传输。
音视频流： 利用 Streams 传输音视频数据，可以实现更灵活的流媒体服务。
远程桌面： 将屏幕数据编码后，通过 WebTransport 传输到客户端，实现低延迟的远程桌面体验。
数据推送： 服务器主动向客户端推送数据，可以实现实时更新的功能。

总结

WebTransport 为实时通信带来了新的可能性。虽然还在发展中，但它的低延迟、高吞吐量等特性，已经让它在许多场景中展现出强大的潜力。希望今天的讲座能帮助大家入门 WebTransport，并将其应用到自己的项目中。

最后，记住一点：技术是死的，人是活的。要灵活运用 WebTransport，结合自己的实际需求，才能发挥出它的最大价值。

谢谢大家！

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