Frontend видео стрийминг: Задълбочен преглед на HLS и DASH протоколите

В днешния дигитален пейзаж видео стриймингът се превърна в неразделна част от живота ни. От забавление до образование и отвъд, търсенето на безпроблемни и висококачествени видео изживявания продължава да расте. Два доминиращи протокола, които захранват голяма част от този стрийминг, са HLS (HTTP Live Streaming) и DASH (Dynamic Adaptive Streaming over HTTP). Това изчерпателно ръководство разглежда тези протоколи от фронтенд перспектива, обхващайки тяхната архитектура, имплементация, предимства и недостатъци, като ви предоставя знанията да предоставяте изключителни видео изживявания на глобална аудитория.

Какво са HLS и DASH?

И HLS, и DASH са протоколи за стрийминг с адаптивна битрейт, които позволяват на видео плейърите динамично да регулират качеството на видео потока въз основа на мрежовите условия на потребителя. Това осигурява гладко възпроизвеждане, дори когато честотната лента на мрежата варира. Те постигат това, като сегментират видео съдържанието на малки части и предоставят множество версии на видеото при различни битрейтове и резолюции.

• HLS (HTTP Live Streaming): Разработен от Apple, HLS първоначално е проектиран за стрийминг към iOS устройства, но оттогава се превръща в широко приет стандарт в различни платформи. Той разчита на HTTP за доставка, което го прави съвместим със съществуващата уеб инфраструктура.
• DASH (Dynamic Adaptive Streaming over HTTP): DASH е отворен стандарт, разработен от MPEG (Moving Picture Experts Group). Той предлага по-голяма гъвкавост по отношение на поддръжката на кодеци и е проектиран да бъде по-независим от кодеци от HLS.

Архитектурата на HLS и DASH

Въпреки че HLS и DASH споделят едни и същи основни принципи, тяхната архитектура и имплементация се различават леко.

HLS Архитектура

HLS архитектурата се състои от следните компоненти:

1. Видео кодиране: Оригиналното видео съдържание се кодира в множество версии при различни битрейтове и резолюции. H.264 и H.265 (HEVC) са често използвани кодеци.
2. Сегментиране: Кодираното видео след това се сегментира на малки части с фиксирана продължителност (обикновено 2-10 секунди).
3. Манифестен файл (Playlist): Създава се M3U8 плейлист файл, който съдържа списък с наличните видео сегменти и техните съответни URL адреси. Плейлистът също включва информация за различните видео качества (битрейтове и резолюции).
4. Уеб сървър: Видео сегментите и M3U8 плейлист файлът се съхраняват на уеб сървър, достъпен чрез HTTP.
5. Видео плейър: Видео плейърът извлича M3U8 плейлист файла и го използва за изтегляне и възпроизвеждане на видео сегментите. Плейърът динамично превключва между различни видео качества въз основа на мрежовите условия на потребителя.

Пример: HLS Работен процес

Представете си потребител в Токио, който гледа спортно събитие на живо. Видеото е кодирано в множество качества. HLS сървърът създава M3U8 плейлист, който сочи към 2-секундни видео сегменти. Видео плейърът на потребителя, откривайки силна интернет връзка, първоначално изтегля сегменти с висока резолюция. Ако мрежата отслабне, плейърът автоматично превключва към сегменти с по-ниска резолюция, за да поддържа гладко възпроизвеждане.

DASH Архитектура

DASH архитектурата е подобна на HLS, но използва различен формат на манифестния файл:

1. Видео кодиране: Подобно на HLS, видео съдържанието се кодира в множество версии при различни битрейтове и резолюции. DASH поддържа по-широк набор от кодеци, включително VP9 и AV1.
2. Сегментиране: Кодираното видео се сегментира на малки части.
3. Манифестен файл (MPD): Създава се MPD (Media Presentation Description) файл, който съдържа информация за наличните видео сегменти, техните URL адреси и други метаданни. MPD файлът използва формат, базиран на XML.
4. Уеб сървър: Видео сегментите и MPD файлът се съхраняват на уеб сървър, достъпен чрез HTTP.
5. Видео плейър: Видео плейърът извлича MPD файла и го използва за изтегляне и възпроизвеждане на видео сегментите. Плейърът динамично превключва между различни видео качества въз основа на мрежовите условия на потребителя.

Пример: DASH Работен процес

Потребител в Сао Пауло започва да гледа филм по заявка. DASH сървърът предоставя MPD файл, описващ различни нива на качество. Първоначално плейърът избира средно качество. Когато потребителят се премести на друго място с по-слаб Wi-Fi сигнал, плейърът безпроблемно превключва към по-ниско качество, за да предотврати буфериране, след което се връща към по-високо качество, когато връзката се подобри.

Имплементиране на HLS и DASH на фронтенда

За да имплементирате HLS и DASH на фронтенда, ще ви е необходим видео плейър, който поддържа тези протоколи. На разположение са няколко видео плейъра, базирани на JavaScript, включително:

• hls.js: Популярна JavaScript библиотека за възпроизвеждане на HLS потоци в браузъри, които не поддържат HLS нативно.
• dash.js: JavaScript библиотека за възпроизвеждане на DASH потоци в браузъри.
• Video.js: Гъвкав HTML5 видео плейър, който поддържа HLS и DASH чрез плъгини.
• Shaka Player: Open-source JavaScript библиотека за адаптивни медии, разработена от Google, поддържаща както DASH, така и HLS.
• JW Player: Търговски видео плейър, който предлага цялостна поддръжка за HLS и DASH, заедно с различни други функции.

Ето основен пример как да използвате hls.js за възпроизвеждане на HLS поток:

            
<video id="video" controls></video>
<script src="https://cdn.jsdelivr.net/npm/hls.js@latest"></script>
<script>
  if (Hls.isSupported()) {
    var video = document.getElementById('video');
    var hls = new Hls();
    hls.loadSource('your_hls_playlist.m3u8');
    hls.attachMedia(video);
    hls.on(Hls.Events.MANIFEST_PARSED, function() {
      video.play();
    });
  }
</script>

            

              
                Copy
              
            
          

Подобно, ето пример за използване на dash.js за възпроизвеждане на DASH поток:

            
<video id="video" controls></video>
<script src="https://cdn.jsdelivr.net/npm/dashjs@latest/dist/dash.all.min.js"></script>
<script>
  var video = document.getElementById('video');
  var player = dashjs.MediaPlayer().create();
  player.initialize(video, 'your_dash_manifest.mpd', true);
  player.on(dashjs.MediaPlayer.events.STREAM_INITIALIZED, function() {
    video.play();
  });
</script>

            

              
                Copy
              
            
          

Предимства и недостатъци на HLS и DASH

HLS Предимства:

• Широка съвместимост: HLS се поддържа от широк набор от устройства и браузъри, включително iOS, Android, macOS, Windows и Linux.
• Проста имплементация: HLS е сравнително лесен за имплементиране, тъй като разчита на стандартен HTTP за доставка.
• Приятелски настроен към защитни стени: HLS използва стандартни HTTP портове (80 и 443), което го прави по-малко вероятно да бъде блокиран от защитни стени.
• Добра CDN поддръжка: Мрежите за доставка на съдържание (CDN) широко поддържат HLS, което позволява ефективна доставка на видео съдържание до потребителите по целия свят.
• Поддръжка за криптиране: HLS поддържа различни методи за криптиране, включително AES-128, за защита на видео съдържанието от неоторизиран достъп.
• Поддръжка на Fragmented MP4 (fMP4): Модерните HLS имплементации използват fMP4 за подобрена ефективност и съвместимост с DASH.

HLS Недостатъци:

• По-висока латентност: HLS обикновено има по-висока латентност в сравнение с други стрийминг протоколи, поради използването на по-дълги видео сегменти. Това може да бъде проблем за приложения за стрийминг на живо, където ниската латентност е от решаващо значение.
• Фокус върху екосистемата на Apple: Въпреки че е широко приет, произходът му в рамките на екосистемата на Apple понякога може да доведе до нюанси в съвместимостта на не-Apple платформи.

DASH Предимства:

• Независим от кодеци: DASH е независим от кодеци, което означава, че може да поддържа широк набор от видео и аудио кодеци, включително VP9 и AV1.
• Гъвкавост: DASH предлага по-голяма гъвкавост по отношение на структурата на манифестния файл и сегментирането.
• По-ниска латентност: DASH може да постигне по-ниска латентност в сравнение с HLS, особено когато се използват по-кратки видео сегменти.
• Стандартизирано криптиране: DASH поддържа Common Encryption (CENC), което позволява оперативна съвместимост между различни DRM системи.

DASH Недостатъци:

• Сложност: DASH може да бъде по-сложен за имплементиране от HLS, поради по-голямата гъвкавост и сложността на MPD форматния файл.
• Поддръжка на браузъри: Въпреки че поддръжката на браузъри расте, нативната DASH поддръжка не е толкова широко разпространена, колкото HLS. Често се изискват JavaScript библиотеки като dash.js.

HLS срещу DASH: Кой протокол трябва да изберете?

• За широка съвместимост и лекота на имплементиране, HLS често е добър избор. Той е добре поддържан на различни платформи и устройства, което го прави сигурен за достигане до широка аудитория.
• За по-голяма гъвкавост, поддръжка на кодеци и по-ниска латентност, DASH може да бъде по-добър вариант. Въпреки това, бъдете готови за по-сложна имплементация и потенциални проблеми със съвместимостта с по-стари браузъри.
• Обмислете използването на двата протокола, за да увеличите максимално съвместимостта. Това може да се постигне чрез кодиране на видео съдържанието ви както във формат HLS, така и в DASH и използване на видео плейър, който поддържа и двата протокола. Този подход гарантира, че вашето видео съдържание може да бъде възпроизвеждано на почти всяко устройство или браузър.

Практически пример: Глобална стрийминг услуга

Представете си глобална стрийминг услуга като Netflix или Amazon Prime Video. Те вероятно използват комбинация от HLS и DASH. За по-ново съдържание и платформи, те може да предпочитат DASH за гъвкавостта на кодеците (AV1, VP9) и DRM възможностите (CENC). За по-стари устройства и браузъри, те може да се върнат към HLS. Този двоен подход осигурява безпроблемно гледане на огромен набор от устройства по целия свят.

Мрежи за доставка на съдържание (CDN) и видео стрийминг

Мрежите за доставка на съдържание (CDN) играят решаваща роля в ефективната доставка на видео съдържание до потребители по целия свят. CDN са разпределени мрежи от сървъри, които кешират видео съдържание по-близо до потребителите, намалявайки латентността и подобрявайки производителността на възпроизвеждане. И HLS, и DASH се поддържат добре от CDN.

Когато избирате CDN за видео стрийминг, обмислете следните фактори:

• Глобален обхват: Изберете CDN с глобална мрежа от сървъри, за да гарантирате, че вашето видео съдържание се доставя бързо и надеждно на потребителите във всички региони.
• HLS и DASH Поддръжка: Уверете се, че CDN поддържа както HLS, така и DASH протоколи.
• Възможности за кеширане: Потърсете CDN с разширени възможности за кеширане, като кеширане на обекти и поддръжка на HTTP/2.
• Функции за сигурност: Изберете CDN с надеждни функции за сигурност, като DDoS защита и SSL криптиране.
• Анализи и отчети: Изберете CDN, който предоставя подробни анализи и отчети за производителността на видеото, като използване на честотна лента, латентност и нива на грешки.

Популярни CDN доставчици за видео стрийминг включват:

• Akamai: Водещ CDN доставчик с глобална мрежа от сървъри и цялостна поддръжка за HLS и DASH.
• Cloudflare: Популярен CDN доставчик, който предлага безплатен план и платени планове с разширени функции.
• Amazon CloudFront: CDN услуга, предлагана от Amazon Web Services (AWS).
• Google Cloud CDN: CDN услуга, предлагана от Google Cloud Platform (GCP).
• Fastly: CDN доставчик, който се фокусира върху доставка с ниска латентност и разширено кеширане.

Управление на цифровите права (DRM)

Управлението на цифровите права (DRM) е набор от технологии, използвани за защита на видео съдържанието от неоторизиран достъп и копиране. DRM е от съществено значение за защитата на премиум съдържание, като филми и телевизионни предавания, от пиратство.

И HLS, и DASH поддържат различни DRM системи, включително:

• Widevine: DRM система, разработена от Google.
• PlayReady: DRM система, разработена от Microsoft.
• FairPlay Streaming: DRM система, разработена от Apple.

За да имплементирате DRM във вашето видео стрийминг приложение, ще трябва:

1. Криптирайте видео съдържанието, използвайки алгоритъм за криптиране, поддържан от DRM.
2. Получете лиценз от DRM доставчик.
3. Интегрирайте DRM лиценз сървъра във вашия видео плейър.

След това видео плейърът ще поиска лиценз от DRM лиценз сървъра, преди да възпроизведе видеото. Лицензът ще съдържа ключовете за декриптиране, необходими за декриптиране на видео съдържанието.

DASH с Common Encryption (CENC) предоставя стандартизиран начин за използване на множество DRM системи с един набор от криптирано съдържание. Това намалява сложността и подобрява оперативната съвместимост.

Common Media Application Format (CMAF)

Common Media Application Format (CMAF) е стандарт за пакетиране на медийно съдържание, който цели да опрости работния процес на видео стрийминг чрез използване на един формат fragmented MP4 (fMP4) както за HLS, така и за DASH. Това елиминира необходимостта от създаване на отделни видео сегменти за всеки протокол, намалявайки разходите за съхранение и опростявайки управлението на съдържанието.

CMAF става все по-популярен и се поддържа от много видео плейъри и CDN. Използването на CMAF може значително да оптимизира вашия работен процес за видео стрийминг и да подобри съвместимостта между различни платформи.

Оптимизиране на производителността на фронтенд видео стрийминг

За да осигурите гладко и висококачествено видео стрийминг изживяване за вашите потребители, е важно да оптимизирате производителността на фронтенда. Ето няколко съвета за оптимизиране на производителността на фронтенд видео стрийминг:

• Използвайте CDN: Както споменахме по-рано, използването на CDN може значително да подобри производителността на видео възпроизвеждането, като кешира видео съдържанието по-близо до потребителите.
• Оптимизирайте видео кодирането: Използвайте подходящи настройки за видео кодиране, за да балансирате качеството на видеото и размера на файла. Обмислете използването на кодиране с променлива битрейт (VBR), за да оптимизирате качеството на видеото въз основа на сложността на съдържанието.
• Използвайте адаптивен битрейт стрийминг: Имплементирайте адаптивен битрейт стрийминг (HLS или DASH), за да регулирате динамично качеството на видеото въз основа на мрежовите условия на потребителя.
• Предварително зареждане на видео сегменти: Предварително заредете видео сегменти, за да намалите латентността при стартиране и да подобрите гладкостта на възпроизвеждане.
• Използвайте HTTP/2: HTTP/2 може значително да подобри производителността на видео стрийминг, като позволява паралелно изтегляне на множество видео сегменти.
• Оптимизирайте настройките на видео плейъра: Конфигурирайте настройките на вашия видео плейър, за да оптимизирате производителността на възпроизвеждане, като размер на буфера и максимален битрейт.
• Наблюдавайте видео производителността: Използвайте инструменти за анализ, за да наблюдавате видео производителността и да идентифицирате области за подобрение.

Пример: Оптимизация за мобилни устройства

За потребител в Мумбай, който има достъп до вашата видео услуга на мобилно устройство с ограничен план за данни, оптимизацията за мобилни устройства е ключова. Това включва използване на по-ниски битрейтове, оптимизиране на настройките на видео плейъра за живот на батерията и имплементиране на режими за пестене на данни, които позволяват на потребителя да контролира консумацията на данни.

Предизвикателства във фронтенд видео стрийминг

Въпреки напредъка във видео стрийминг технологиите, все още остават редица предизвикателства при предоставянето на безпроблемно и висококачествено видео изживяване на фронтенда:

• Мрежова вариабилност: Мрежовите условия могат да варират значително между потребителите и местоположенията, което затруднява осигуряването на постоянна производителност на възпроизвеждане.
• Фрагментация на устройствата: Широкият набор от устройства и браузъри с различни възможности и ограничения може да затрудни оптимизирането на видео стрийминг за всички потребители.
• DRM сложност: Имплементирането на DRM може да бъде сложно и изисква внимателно разглеждане на различни DRM системи и лицензионни изисквания.
• Латентност: Постигането на ниска латентност за приложения за стрийминг на живо остава предизвикателство, особено с HLS.
• Достъпност: Осигуряването, че видео съдържанието е достъпно за потребители с увреждания, изисква внимателно планиране и имплементиране на функции като субтитри, заглавия и аудио описания.

Заключение

HLS и DASH са мощни протоколи, които позволяват адаптивен битрейт стрийминг, като ви дават възможност да предоставяте висококачествени видео изживявания на глобална аудитория. Като разбирате архитектурата, имплементацията, предимствата и недостатъците на тези протоколи, можете да вземате информирани решения относно това кой протокол да използвате за вашите специфични нужди. Като използвате CDN, DRM и оптимизирате производителността на фронтенда, можете допълнително да подобрите видео стрийминг изживяването и да гарантирате, че вашето видео съдържание се доставя ефективно и сигурно на потребителите по целия свят. Бъдете в крак с най-новите тенденции като CMAF и обмислете специфичните нужди на вашата глобална аудитория, за да предоставите възможно най-доброто изживяване при гледане.