Frontend Video Streaming: A Deep Dive into HLS and DASH Protocols

Nykypäivän digitaalisessa ympäristössä videoiden suoratoistosta on tullut olennainen osa elämäämme. Viihdeestä koulutukseen ja sen ulkopuolelle, saumattomien ja korkealaatuisten videokokemusten kysyntä kasvaa jatkuvasti. Kaksi hallitsevaa protokollaa, jotka tehostavat suurta osaa tästä suoratoistosta, ovat HLS (HTTP Live Streaming) ja DASH (Dynamic Adaptive Streaming over HTTP). Tämä kattava opas tutkii näitä protokollia frontend-näkökulmasta, kattaen niiden arkkitehtuurin, toteutuksen, edut ja haitat, tarjoten sinulle tiedot poikkeuksellisten videokokemusten toimittamiseen maailmanlaajuiselle yleisölle.

What are HLS and DASH?

Sekä HLS että DASH ovat mukautuvan bittinopeuden suoratoistoprotokollia, joiden avulla videosoittimet voivat säätää videovirran laatua dynaamisesti käyttäjän verkkoyhteyden mukaan. Tämä varmistaa sujuvan toistokokemuksen, vaikka verkon kaistanleveys vaihtelisi. Ne saavuttavat tämän segmentoimalla videosisällön pieniksi paloiksi ja tarjoamalla useita versioita videosta eri bittinopeuksilla ja resoluutioilla.

• HLS (HTTP Live Streaming): Applen kehittämä HLS suunniteltiin alun perin suoratoistoon iOS-laitteille, mutta siitä on sittemmin tullut laajalti hyväksytty standardi eri alustoilla. Se perustuu HTTP:hen toimituksessa, mikä tekee siitä yhteensopivan olemassa olevan verkkoinfrastruktuurin kanssa.
• DASH (Dynamic Adaptive Streaming over HTTP): DASH on avoin standardi, jonka on kehittänyt MPEG (Moving Picture Experts Group). Se tarjoaa enemmän joustavuutta koodekkien tuen suhteen ja on suunniteltu koodekkiriippumattomammaksi kuin HLS.

The Architecture of HLS and DASH

Vaikka HLS ja DASH jakavat samat perusperiaatteet, niiden arkkitehtuuri ja toteutus eroavat hieman.

HLS Architecture

HLS-arkkitehtuuri koostuu seuraavista komponenteista:

1. Video Encoding: Alkuperäinen videosisältö koodataan useisiin versioihin eri bittinopeuksilla ja resoluutioilla. H.264 ja H.265 (HEVC) ovat yleisesti käytettyjä koodekkeja.
2. Segmentation: Koodattu video segmentoidaan sitten pieniksi, kiinteäkestoisiksi paloiksi (tyypillisesti 2-10 sekuntia).
3. Manifest File (Playlist): Luodaan M3U8-soittolistatiedosto, joka sisältää luettelon käytettävissä olevista videosegmenteistä ja niiden vastaavista URL-osoitteista. Soittolista sisältää myös tietoja eri videolaaduista (bittinopeudet ja resoluutiot).
4. Web Server: Videosegmentit ja M3U8-soittolistatiedosto tallennetaan verkkopalvelimelle, joka on käytettävissä HTTP:n kautta.
5. Video Player: Videosoitin hakee M3U8-soittolistatiedoston ja käyttää sitä videosegmenttien lataamiseen ja toistamiseen. Soitin vaihtaa dynaamisesti eri videolaatujen välillä käyttäjän verkkoyhteyden mukaan.

Example: HLS Workflow

Kuvittele Tokiossa oleva käyttäjä, joka katsoo suoraa urheilutapahtumaa. Video on koodattu useissa laaduissa. HLS-palvelin luo M3U8-soittolistan, joka osoittaa 2 sekunnin videosegmentteihin. Käyttäjän videosoitin, joka havaitsee vahvan internet-yhteyden, lataa aluksi korkearesoluutioisia segmenttejä. Jos verkko heikkenee, soitin vaihtaa automaattisesti pienempiin resoluutioihin sujuvan toiston ylläpitämiseksi.

DASH Architecture

DASH-arkkitehtuuri on samanlainen kuin HLS, mutta se käyttää erilaista manifestitiedostomuotoa:

1. Video Encoding: Samoin kuin HLS, videosisältö koodataan useisiin versioihin eri bittinopeuksilla ja resoluutioilla. DASH tukee laajempaa valikoimaa koodekkeja, mukaan lukien VP9 ja AV1.
2. Segmentation: Koodattu video segmentoidaan pieniksi paloiksi.
3. Manifest File (MPD): Luodaan MPD (Media Presentation Description) -tiedosto, joka sisältää tietoja käytettävissä olevista videosegmenteistä, niiden URL-osoitteista ja muista metatiedoista. MPD-tiedosto käyttää XML-pohjaista muotoa.
4. Web Server: Videosegmentit ja MPD-tiedosto tallennetaan verkkopalvelimelle, joka on käytettävissä HTTP:n kautta.
5. Video Player: Videosoitin hakee MPD-tiedoston ja käyttää sitä videosegmenttien lataamiseen ja toistamiseen. Soitin vaihtaa dynaamisesti eri videolaatujen välillä käyttäjän verkkoyhteyden mukaan.

Example: DASH Workflow

Käyttäjä São Paulossa alkaa katsoa on-demand-elokuvaa. DASH-palvelin tarjoaa MPD-tiedoston, joka kuvaa erilaisia laatutasoja. Aluksi soitin valitsee keskitason laadun. Kun käyttäjä siirtyy toiseen paikkaan, jossa on heikompi Wi-Fi-signaali, soitin vaihtaa saumattomasti alhaisempaan laatuun puskuroinnin estämiseksi ja palaa sitten korkeampaan laatuun, kun yhteys paranee.

Implementing HLS and DASH on the Frontend

HLS:n ja DASH:n toteuttamiseksi frontendissä tarvitset videosoittimen, joka tukee näitä protokollia. Saatavilla on useita JavaScript-pohjaisia videosoittimia, mukaan lukien:

• hls.js: Suosittu JavaScript-kirjasto HLS-virtojen toistamiseen selaimissa, jotka eivät natiivisti tue HLS:ää.
• dash.js: JavaScript-kirjasto DASH-virtojen toistamiseen selaimissa.
• Video.js: Monipuolinen HTML5-videosoitin, joka tukee HLS:ää ja DASHia laajennusten avulla.
• Shaka Player: Googlen kehittämä avoimen lähdekoodin JavaScript-kirjasto mukautuvaan mediaan, joka tukee sekä DASHia että HLS:ää.
• JW Player: Kaupallinen videosoitin, joka tarjoaa kattavan tuen HLS:lle ja DASHille sekä useita muita ominaisuuksia.

Tässä on perusesimerkki hls.js:n käytöstä HLS-virran toistamiseen:

            
<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
              
            
          

Samoin tässä on esimerkki dash.js:n käytöstä DASH-virran toistamiseen:

            
<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
              
            
          

Advantages and Disadvantages of HLS and DASH

HLS Advantages:

• Wide Compatibility: HLS:ää tukee laaja valikoima laitteita ja selaimia, mukaan lukien iOS, Android, macOS, Windows ja Linux.
• Simple Implementation: HLS on suhteellisen helppo toteuttaa, koska se perustuu tavalliseen HTTP:hen toimituksessa.
• Firewall Friendly: HLS käyttää tavallisia HTTP-portteja (80 ja 443), mikä tekee sen estämisestä palomuurien avulla epätodennäköisempää.
• Good CDN Support: Sisällönjakeluverkot (CDN) tukevat laajasti HLS:ää, mikä mahdollistaa videosisällön tehokkaan toimittamisen käyttäjille maailmanlaajuisesti.
• Encryption Support: HLS tukee erilaisia salaustapoja, mukaan lukien AES-128, videosisällön suojaamiseksi luvattomalta käytöltä.
• Fragmented MP4 (fMP4) Support: Nykyaikaiset HLS-toteutukset hyödyntävät fMP4:ää parantaakseen tehokkuutta ja yhteensopivuutta DASHin kanssa.

HLS Disadvantages:

• Higher Latency: HLS:llä on tyypillisesti korkeampi latenssi verrattuna muihin suoratoistoprotokolliin, koska käytetään pidempiä videosegmenttejä. Tämä voi olla huolenaihe suorissa suoratoistosovelluksissa, joissa alhainen latenssi on kriittinen.
• Apple Ecosystem Focus: Vaikka se on laajalti hyväksytty, sen alkuperä Applen ekosysteemissä voi joskus johtaa yhteensopivuuden vivahteisiin muilla kuin Applen alustoilla.

DASH Advantages:

• Codec Agnostic: DASH on koodekkiriippumaton, mikä tarkoittaa, että se voi tukea laajaa valikoimaa video- ja äänikoodekkeja, mukaan lukien VP9 ja AV1.
• Flexibility: DASH tarjoaa enemmän joustavuutta manifestitiedostojen rakenteessa ja segmentoinnissa.
• Lower Latency: DASH voi saavuttaa pienemmän latenssin verrattuna HLS:ään, erityisesti käytettäessä lyhyempiä videosegmenttejä.
• Standardized Encryption: DASH tukee Common Encryption (CENC) -salausta, mikä mahdollistaa yhteentoimivuuden eri DRM-järjestelmien välillä.

DASH Disadvantages:

• Complexity: DASH voi olla monimutkaisempi toteuttaa kuin HLS, koska sen joustavuus on suurempi ja MPD-tiedostomuodon monimutkaisuus.
• Browser Support: Vaikka selainten tuki kasvaa, natiivi DASH-tuki ei ole yhtä laajaa kuin HLS. JavaScript-kirjastoja, kuten dash.js, vaaditaan usein.

HLS vs. DASH: Which Protocol Should You Choose?

• For broad compatibility and ease of implementation, HLS is often a good choice. It's well-supported across various platforms and devices, making it a safe bet for reaching a wide audience.
• For greater flexibility, codec support, and lower latency, DASH may be a better option. However, be prepared for a more complex implementation and potential compatibility issues with older browsers.
• Consider using both protocols to maximize compatibility. This can be achieved by encoding your video content in both HLS and DASH formats and using a video player that supports both protocols. This approach ensures that your video content can be played on virtually any device or browser.

Practical Example: Global Streaming Service

Kuvittele maailmanlaajuinen suoratoistopalvelu, kuten Netflix tai Amazon Prime Video. Ne käyttävät todennäköisesti HLS:n ja DASHin yhdistelmää. Uudemmalle sisällölle ja alustoille ne saattavat suosia DASHia sen koodekkijoustavuuden (AV1, VP9) ja DRM-ominaisuuksien (CENC) vuoksi. Vanhemmille laitteille ja selaimille ne saattavat palata HLS:ään. Tämä kaksoisstrategia varmistaa saumattoman katselun laajalla laitevalikoimalla maailmanlaajuisesti.

Content Delivery Networks (CDNs) and Video Streaming

Sisällönjakeluverkoilla (CDN) on ratkaiseva rooli videosisällön tehokkaassa toimittamisessa käyttäjille ympäri maailmaa. CDN:t ovat hajautettuja palvelinverkkoja, jotka tallentavat videosisältöä välimuistiin lähemmäksi käyttäjiä, mikä vähentää latenssia ja parantaa toiston suorituskykyä. Sekä HLS että DASH ovat hyvin tuettuja CDN:ien toimesta.

Kun valitset CDN:ää videoiden suoratoistoon, ota huomioon seuraavat tekijät:

• Global Reach: Valitse CDN, jolla on maailmanlaajuinen palvelinverkko varmistaaksesi, että videosisältösi toimitetaan nopeasti ja luotettavasti käyttäjille kaikilla alueilla.
• HLS and DASH Support: Varmista, että CDN tukee sekä HLS- että DASH-protokollia.
• Caching Capabilities: Etsi CDN, jossa on edistyneet välimuistitoiminnot, kuten objektien välimuisti ja HTTP/2-tuki.
• Security Features: Valitse CDN, jossa on vankat suojausominaisuudet, kuten DDoS-suojaus ja SSL-salaus.
• Analytics and Reporting: Valitse CDN, joka tarjoaa yksityiskohtaisen analytiikan ja raportoinnin videon suorituskyvystä, kuten kaistanleveyden käyttö, latenssi ja virheprosentit.

Suosittuja CDN-palveluntarjoajia videoiden suoratoistoon ovat:

• Akamai: Johtava CDN-palveluntarjoaja, jolla on maailmanlaajuinen palvelinverkko ja kattava tuki HLS:lle ja DASHille.
• Cloudflare: Suosittu CDN-palveluntarjoaja, joka tarjoaa ilmaisen tason ja maksullisia paketteja edistyneillä ominaisuuksilla.
• Amazon CloudFront: Amazon Web Servicesin (AWS) tarjoama CDN-palvelu.
• Google Cloud CDN: Google Cloud Platformin (GCP) tarjoama CDN-palvelu.
• Fastly: CDN-palveluntarjoaja, joka keskittyy alhaisen latenssin toimitukseen ja edistyneeseen välimuistiin.

Digital Rights Management (DRM)

Digitaalisten oikeuksien hallinta (DRM) on joukko teknologioita, joita käytetään videosisällön suojaamiseen luvattomalta käytöltä ja kopioinnilta. DRM on välttämätön premium-sisällön, kuten elokuvien ja TV-ohjelmien, suojaamiseksi piraattitoiminnalta.

Sekä HLS että DASH tukevat erilaisia DRM-järjestelmiä, mukaan lukien:

• Widevine: Googlen kehittämä DRM-järjestelmä.
• PlayReady: Microsoftin kehittämä DRM-järjestelmä.
• FairPlay Streaming: Applen kehittämä DRM-järjestelmä.

DRM:n toteuttamiseksi videoiden suoratoistosovelluksessasi sinun on:

1. Salaa videosisältö käyttämällä DRM-tuettua salausalgoritmia.
2. Hanki lisenssi DRM-palveluntarjoajalta.
3. Integroi DRM-lisenssipalvelin videosoittimeesi.

Videosoitin pyytää sitten lisenssin DRM-lisenssipalvelimelta ennen videon toistamista. Lisenssi sisältää salauksen purkuavaimet, joita tarvitaan videosisällön salauksen purkamiseen.

DASH Common Encryption (CENC) -salauksella tarjoaa standardoidun tavan käyttää useita DRM-järjestelmiä yhdellä salatulla sisällöllä. Tämä vähentää monimutkaisuutta ja parantaa yhteentoimivuutta.

Common Media Application Format (CMAF)

Common Media Application Format (CMAF) on standardi mediasisällön pakkaamiseen, jonka tavoitteena on yksinkertaistaa videoiden suoratoiston työnkulkua käyttämällä yhtä fragmentoitua MP4 (fMP4) -muotoa sekä HLS:lle että DASHille. Tämä eliminoi tarpeen luoda erillisiä videosegmenttejä kullekin protokollalle, mikä vähentää tallennuskustannuksia ja yksinkertaistaa sisällönhallintaa.

CMAF on tulossa yhä suositummaksi, ja monet videosoittimet ja CDN:t tukevat sitä. CMAF:n käyttäminen voi virtaviivaistaa videoiden suoratoiston työnkulkua merkittävästi ja parantaa yhteensopivuutta eri alustoilla.

Optimizing Frontend Video Streaming Performance

Varmistaaksesi sujuvan ja korkealaatuisen videoiden suoratoistokokemuksen käyttäjillesi, on tärkeää optimoida frontend-suorituskyky. Tässä on joitain vinkkejä frontend-videoiden suoratoiston suorituskyvyn optimointiin:

• Use a CDN: Kuten aiemmin mainittiin, CDN:n käyttäminen voi parantaa videon toiston suorituskykyä huomattavasti tallentamalla videosisältöä välimuistiin lähemmäksi käyttäjiä.
• Optimize Video Encoding: Käytä sopivia videon koodausasetuksia tasapainottaaksesi videon laadun ja tiedostokoon. Harkitse vaihtelevan bittinopeuden koodauksen (VBR) käyttöä videon laadun optimoimiseksi sisällön monimutkaisuuden perusteella.
• Use Adaptive Bitrate Streaming: Ota käyttöön mukautuva bittinopeuden suoratoisto (HLS tai DASH) videon laadun säätämiseksi dynaamisesti käyttäjän verkkoyhteyden mukaan.
• Preload Video Segments: Esilataa videosegmenttejä käynnistysviiveen vähentämiseksi ja toiston sujuvuuden parantamiseksi.
• Use HTTP/2: HTTP/2 voi parantaa videoiden suoratoiston suorituskykyä huomattavasti sallimalla useiden videosegmenttien lataamisen rinnakkain.
• Optimize Video Player Settings: Määritä videosoittimen asetukset toiston suorituskyvyn optimoimiseksi, kuten puskurin koko ja suurin bittinopeus.
• Monitor Video Performance: Käytä analytiikkatyökaluja videon suorituskyvyn seuraamiseen ja kehityskohteiden tunnistamiseen.

Example: Mobile Optimization

Mumbaissa olevalle käyttäjälle, joka käyttää videopalveluasi mobiililaitteella, jossa on rajoitettu datapaketti, mobiilioptimointi on avainasemassa. Tähän sisältyy pienempien bittinopeusvirtojen käyttö, videosoittimen asetusten optimointi akun keston optimoimiseksi ja datansäästötilojen toteuttaminen, joiden avulla käyttäjä voi hallita tiedonkulutusta.

Challenges in Frontend Video Streaming

Vaikka videoiden suoratoistotekniikka on kehittynyt, useita haasteita on edelleen saumattoman ja korkealaatuisen videokokemuksen toimittamisessa frontendissä:

• Network Variability: Verkkoyhteydet voivat vaihdella merkittävästi käyttäjien ja paikkojen välillä, mikä tekee johdonmukaisen toiston suorituskyvyn varmistamisesta haastavaa.
• Device Fragmentation: Laaja valikoima laitteita ja selaimia, joilla on erilaiset ominaisuudet ja rajoitukset, voi vaikeuttaa videoiden suoratoiston optimoimista kaikille käyttäjille.
• DRM Complexity: DRM:n toteuttaminen voi olla monimutkaista, ja se edellyttää eri DRM-järjestelmien ja lisensointivaatimusten huolellista harkintaa.
• Latency: Alhainen latenssin saavuttaminen suorissa suoratoistosovelluksissa on edelleen haaste, erityisesti HLS:n kanssa.
• Accessibility: Sen varmistaminen, että videosisältö on vammaisten käyttäjien saatavilla, edellyttää huolellista suunnittelua ja ominaisuuksien, kuten kuvatekstien, tekstitysten ja äänikuvailujen, toteuttamista.

Conclusion

HLS ja DASH ovat tehokkaita protokollia, jotka mahdollistavat mukautuvan bittinopeuden suoratoiston, jonka avulla voit toimittaa korkealaatuisia videokokemuksia maailmanlaajuiselle yleisölle. Ymmärtämällä näiden protokollien arkkitehtuurin, toteutuksen, edut ja haitat, voit tehdä tietoon perustuvia päätöksiä siitä, mitä protokollaa käytät omiin erityistarpeisiisi. Käyttämällä CDN:itä, DRM:ää ja optimoimalla frontend-suorituskykyä voit edelleen parantaa videoiden suoratoistokokemusta ja varmistaa, että videosisältösi toimitetaan tehokkaasti ja turvallisesti käyttäjille maailmanlaajuisesti. Pysy ajan tasalla uusimmista trendeistä, kuten CMAF, ja ota huomioon maailmanlaajuisen yleisösi erityistarpeet tarjotaksesi parhaan mahdollisen katselukokemuksen.