Tipos de redes WebRTC

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Respecto a arquitecturas WebRTC, no hay una bala de plata. Dependendiendo de cual sea el caso de uso, la arquitectura óptima puede variar de un proyecto a otro. Por este motivo, voy a explicar las principales arquitecturas de red que suelen aplicarse en proyectos basados en WebRTC (y principalmente aplicadas al streaming de video), y cuales son los pros y contras de cada uno de ellos.

Arquitecturas descentralizadas

P2P

Este es el más básico de todos ellos, y el único caso de uso para el que realmente se diseño WebRTC. En esta arquitectura se establece una conexión entre los dos clientes, generalmente llamados peers, y es la mas optima en cuanto a consumo de ancho de banda, calidad y de latencia, ya que ambos peers se conectan directamente, así que los únicos límites son los de la conexión y la CPU de ambos peers. Esta es la arquitectura más sencilla de implementar y hay multitud de aplicaciones de ejemplo y de demos... el problema está, en que ésta arquitectura está limitada a conexiones uno-a-uno.

Mesh

La solución trivial y obvia al problema de la arquitectura P2P cuando quieres que haya más de dos participantes, es simplemente crear conexiones con los nuevos participantes. Es la arquitectura que usan aplicaciones como appear.in... pero el problema es que debido a su simplicidad, es también la solución menos óptima de todas: el número de conexiones crece respecto al número de participantes en la red mesh, llegando a crecer el número de conexiones exponencialmente en casos de redes mesh completamente conectadas (todos con todos). Además, esto implica que puede que se tenga que hacer la codificación de los vídeos múltiples veces, por lo que el consumo de CPU y de memoria de los peers es también alto. Es por esto que esta arquitectura solo es práctica en proyectos simples y con un número de peers muy bajo (generalmente 3-4 peers, según la calidad de los videos y el tipo de red hasta 10, aunque en la práctica no se suele usar para más de 6), o en redes muy dispersas donde el número de conexiones de cada peer con los demás es igualmente bajo.

Arquitecturas basadas en servidor

Para solventar los problemas de escalabilidad de red de los clientes en la arquitectura mesh, la solución pasa por centralizar las conexiones en un servidor, de forma que este se encargue de optimizar el ancho de banda. Para ello se utilizan Media Servers y librerías que implementan compatibilidad con WebRTC (realmente las APIs de WebRTC son un wrapper que internamente trabajan con RTP), actuando el servidor como si fuera otro peer. Esto tiene además la ventaja de que dichos Media Servers pueden tener funcionalidad extra, como por ejemplo grabar las sesiones en un archivo.

A pesar de que por diseño todas las comunicaciones basadas en WebRTC están cifradas, el hecho que el servidor tenga que descifrarlas para procesarlas y redirigirlas puede representar un problema de seguridad en caso de que quede comprometido, por ese motivo no se pueden usar en algunos sectores como son las aplicaciones bancarias, aunque se esta trabajando en una especificacion para añadir soporte de encriptacion end-to-end para solucionar este problema.

MCU

Las arquitecturas basadas en Multipoint Conferencing Unit fueron las primeras en tratar de solucionar el problema del ancho de banda en las videoconferencias múltiples. Desde el punto de vista de los peers, es como si estuvieran conectados contra otro único peer (un stream de subida y uno de bajada)... solo que en este caso el otro peer realmente es un servidor, el cual se encarga de combinar los streams que recibe de todos los peers y crear uno nuevo con todos ellos, que es el que enviará a todos los peers de vuelta (y donde los emisores también se verían a si mismos junto con los videos de los demás). Esta es la arquitectura que usa Blue Jeans o servidores como Medooze o Kurento, este último usado internamente por Skype y en las llamadas grupales de Whatsapp y Facebook.

Obviamente, las principales ventajas de usar un MCU son la simplicidad de uso y el consumo de ancho de banda desde el punto de vista de los peers (al fin y al cabo, es una conexión uno-a-uno como en el caso de la arquitectura P2P), pero el precio a pagar es un consumo elevado de memoria y de CPU en el servidor, puesto que tiene que decodificar, mezclar y volver a codificar todos los videos de todos los peers, además de tener los videos un layout fijo. Esto impide que esta arquitectura pueda escalar mas alla de unas decenas de peers conectados a una sola máquina, aparte de proporcionar menos flexibilidad, pero puede ser útil en situaciones donde el número de receptores es muy alto o se quiera mostrar a todos los participantes simultáneamente, como por ejemplo en un videowall o si se va a grabar y luego retransmitir la reunión, o si el ancho de banda o CPU de los peers es reducida.

Selective MCU

La solución al problema de la flexibilidad es obvia: generar un stream personalizado para cada uno de ellos, y que estos controlen cómo quieren que se les muestre. El principal problema que acarrea esta arquitectura también es obvio: a más streams combinados y generados, mayor consumo de CPU, ya que es como si cada peer estuviera en su propia reunión con todos los demás. Es por este motivo por el que es una arquitectura que no se usa mucho, ya que el número de conexiones que puede soportar un único servidor se reduce drásticamente y por tanto es más teórica que práctica, aunque quizas pueda tener sentido usarlo cuando el número peers es muy bajo (al menos emisores, si el número de receptores es muy alto quizas podrían agruparse entre si los que hayan definido el mismo layout) o donde el ancho de banda de los peers receptores sea muy limitado.

SFU

Desde que empezó a desarrollarse WebRTC como estándar en 2011, el ancho de banda disponible en las casas y oficinas, y la potencia y memoria de los ordenadores domésticos han aumentado considerablemente. Además, se ha visto que la mayoría de casos de uso han sido aplicaciones de videoconferencia, sin necesidad de un procesamiento de los streams en el lado del servidor más allá de grabar las sesiones. Todo esto junto con la búsqueda de reducir costes de servidor ha hecho que hayan ido adquirido popularidad los Selective Forwarding Unit, los cuales reciben un único stream desde los peers pero envían varios streams de vuelta, correspondientes a los demás peers. Esto obviamente implica un mayor consumo de ancho de banda y de CPU de los clientes, pero tiene la ventaja de que estos pueden mostrarlos como quieran, o incluso indicarle al servidor que solo les manden algunos de ellos desconectando los demás o enviandolos a menor resolución, por ejemplo si se está mostrando uno de ellos a pantalla completa. Esta es la arquitectura de aplicaciones como Google Meet o talky, o servidores como MediaSoup.

Arquitecturas híbridas

Para casos de uso más complejos o para optimizar los mismos, generalmente se combinan las arquitecturas anteriores según cada caso para explotar las ventajas de cada. Por ejemplo, sería factible usar un SFU para interconectar a los participantes de una sesión, y al mismo tiempo que el SFU envíe los streams también a un MCU para que los combine en uno solo, o que los reenvíe a otros servidores para propagar la señal y distribuir el procesamiento, como ofrecía Kurento tree. Otro ejemplo muy habitual consiste en combinar conexiones P2P con un servidor centralizado, de forma que se alternen entre unas y otro dinámicamente según el número de peers que haya en sesión, usando una conexión P2P cuando solo haya dos peers y migrando a un MCU o SFU cuando haya 3 o más.

Written on December 30, 2020

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