Frontend videó streamelés: Mélyreható elemzés az HLS és DASH protokollokról

A mai digitális világban a videó streamelés az életünk szerves részévé vált. A szórakoztatástól az oktatásig és azon túl, a zökkenőmentes és kiváló minőségű videóélmények iránti igény folyamatosan növekszik. Két domináns protokoll, amely ezt a streamelést hajtja, az HLS (HTTP Live Streaming) és a DASH (Dynamic Adaptive Streaming over HTTP). Ez az átfogó útmutató a frontend szemszögéből vizsgálja ezeket a protokollokat, kitérve a felépítésükre, megvalósításukra, előnyeikre és hátrányaikra, így Ön megkapja a tudást a kivételes videóélmények globális közönséghez való eljuttatásához.

Mik azok az HLS és DASH?

Mind az HLS, mind a DASH adaptív bitrátájú streaming protokollok, amelyek lehetővé teszik a videólejátszók számára a videófolyam minőségének dinamikus beállítását a felhasználó hálózati körülményei alapján. Ez biztosítja a zökkenőmentes lejátszási élményt, még akkor is, ha a hálózati sávszélesség ingadozik. Ezt úgy érik el, hogy a videotartalmat kis darabokra bontják, és a videó többféle változatát biztosítják különböző bitrátákkal és felbontásokkal.

• HLS (HTTP Live Streaming): Az Apple által fejlesztett HLS-t eredetileg iOS-eszközökhöz tervezték, de azóta széles körben elfogadott szabvánnyá vált a különböző platformokon. HTTP-t használ a kézbesítéshez, így kompatibilis a meglévő webes infrastruktúrával.
• DASH (Dynamic Adaptive Streaming over HTTP): A DASH egy nyílt szabvány, amelyet az MPEG (Moving Picture Experts Group) fejlesztett ki. Nagyobb rugalmasságot kínál a kodek támogatása terén, és a HLS-nél kodek-függetlenebbnek tervezték.

Az HLS és a DASH felépítése

Bár az HLS és a DASH ugyanazokat az alapelveket osztják meg, felépítésük és megvalósításuk kissé eltérő.

HLS felépítés

Az HLS felépítése a következő összetevőkből áll:

1. Videó kódolás: Az eredeti videotartalmat többféle verzióban kódolják különböző bitrátákkal és felbontásokkal. A H.264 és a H.265 (HEVC) gyakran használt kodekek.
2. Szeletelés: A kódolt videót kis, rögzített időtartamú darabokra (általában 2-10 másodperc) szeletelik.
3. Manifest fájl (lejátszási lista): Létrehoznak egy M3U8 lejátszási listát, amely a rendelkezésre álló videoszegmensek listáját és a megfelelő URL-jeiket tartalmazza. A lejátszási lista információkat tartalmaz a különböző videóminőségekről (bitráták és felbontások) is.
4. Webszerver: A videoszegmenseket és az M3U8 lejátszási listát egy webszerveren tárolják, amely HTTP-n keresztül érhető el.
5. Videólejátszó: A videólejátszó lekéri az M3U8 lejátszási listát, és a segítségével letölti és lejátssza a videoszegmenseket. A lejátszó dinamikusan vált a különböző videóminőségek között a felhasználó hálózati körülményei alapján.

Példa: HLS munkafolyamat

Képzeljünk el egy felhasználót Tokióban, aki egy élő sporteseményt néz. A videót többféle minőségben kódolják. Az HLS szerver egy M3U8 lejátszási listát hoz létre, amely 2 másodperces videoszegmensekre mutat. A felhasználó videólejátszója, miután erős internetkapcsolatot észlelt, kezdetben nagy felbontású szegmenseket tölt le. Ha a hálózat gyengül, a lejátszó automatikusan alacsonyabb felbontású szegmensekre vált, hogy fenntartsa a zökkenőmentes lejátszást.

DASH felépítés

A DASH felépítése hasonló az HLS-hez, de egy másik manifest fájlformátumot használ:

1. Videó kódolás: Az HLS-hez hasonlóan a videotartalmat többféle verzióban kódolják különböző bitrátákkal és felbontásokkal. A DASH kodekek szélesebb skáláját támogatja, beleértve a VP9 és az AV1-et is.
2. Szeletelés: A kódolt videót kis darabokra szeletelik.
3. Manifest fájl (MPD): Létrehoznak egy MPD (Media Presentation Description) fájlt, amely információkat tartalmaz a rendelkezésre álló videoszegmensekről, azok URL-jeiről és egyéb metaadatokról. Az MPD fájl XML-alapú formátumot használ.
4. Webszerver: A videoszegmenseket és az MPD fájlt egy webszerveren tárolják, amely HTTP-n keresztül érhető el.
5. Videólejátszó: A videólejátszó lekéri az MPD fájlt, és a segítségével letölti és lejátssza a videoszegmenseket. A lejátszó dinamikusan vált a különböző videóminőségek között a felhasználó hálózati körülményei alapján.

Példa: DASH munkafolyamat

Egy felhasználó São Paulóban egy igény szerinti filmet kezd el nézni. A DASH szerver egy MPD fájlt szolgál ki, amely a különböző minőségi szinteket írja le. Kezdetben a lejátszó egy közepes minőséget választ. Amikor a felhasználó egy másik helyre költözik, ahol gyengébb a Wi-Fi jel, a lejátszó zökkenőmentesen alacsonyabb minőségre vált a pufferelés elkerülése érdekében, majd visszatér a magasabb minőségre, amikor a kapcsolat javul.

Az HLS és DASH megvalósítása a Frontend-en

Az HLS és a DASH frontend-en való megvalósításához olyan videólejátszóra van szüksége, amely támogatja ezeket a protokollokat. Számos JavaScript-alapú videólejátszó érhető el, többek között:

• hls.js: Egy népszerű JavaScript könyvtár az HLS stream-ek lejátszásához olyan böngészőkben, amelyek natívan nem támogatják az HLS-t.
• dash.js: Egy JavaScript könyvtár a DASH stream-ek lejátszásához a böngészőkben.
• Video.js: Egy sokoldalú HTML5 videólejátszó, amely a pluginok segítségével támogatja az HLS-t és a DASH-t.
• Shaka Player: Egy nyílt forráskódú JavaScript könyvtár az adaptív médiához, amelyet a Google fejlesztett, és amely támogatja a DASH-t és az HLS-t is.
• JW Player: Egy kereskedelmi videólejátszó, amely átfogó támogatást nyújt az HLS és a DASH számára, valamint számos egyéb funkciót.

Íme egy egyszerű példa az hls.js használatára egy HLS stream lejátszásához:

            
<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
              
            
          

Hasonlóképpen, íme egy példa a dash.js használatára egy DASH stream lejátszásához:

            
<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
              
            
          

Az HLS és a DASH előnyei és hátrányai

HLS előnyei:

• Széles körű kompatibilitás: Az HLS-t számos eszköz és böngésző támogatja, beleértve az iOS-t, az Androidot, a macOS-t, a Windowst és a Linuxot.
• Egyszerű megvalósítás: Az HLS viszonylag könnyen megvalósítható, mivel a kézbesítéshez a szabványos HTTP-t használja.
• Tűzfalbarát: Az HLS szabványos HTTP-portokat (80 és 443) használ, így kisebb a valószínűsége, hogy a tűzfalak blokkolják.
• Jó CDN támogatás: A Content Delivery Networks (CDN-ek) széles körben támogatják az HLS-t, lehetővé téve a videótartalom hatékony eljuttatását a felhasználókhoz világszerte.
• Titkosítási támogatás: Az HLS különféle titkosítási módszereket támogat, beleértve az AES-128-at is, hogy megvédje a videotartalmat a jogosulatlan hozzáféréstől.
• Fragmentált MP4 (fMP4) támogatás: A modern HLS implementációk az fMP4-et használják a hatékonyság javítása és a DASH-val való kompatibilitás érdekében.

HLS hátrányai:

• Magasabb késleltetés: Az HLS-nek jellemzően magasabb a késleltetése, mint más streaming protokolloknak, a hosszabb videoszegmensek használata miatt. Ez aggodalomra adhat okot az élő streaming alkalmazásokban, ahol az alacsony késleltetés kritikus fontosságú.
• Apple ökoszisztéma fókusz: Bár széles körben elterjedt, az Apple ökoszisztémán belüli eredete néha kompatibilitási árnyalatokhoz vezethet nem Apple platformokon.

DASH előnyei:

• Kodek-független: A DASH kodek-független, ami azt jelenti, hogy videó- és audió kodekek széles skáláját támogatja, beleértve a VP9-et és az AV1-et is.
• Rugalmasság: A DASH nagyobb rugalmasságot kínál a manifest fájlstruktúra és a szegmentálás tekintetében.
• Alacsonyabb késleltetés: A DASH alacsonyabb késleltetést érhet el az HLS-hez képest, különösen a rövidebb videoszegmensek használatakor.
• Szabványosított titkosítás: A DASH támogatja a Common Encryption (CENC) funkciót, amely lehetővé teszi a különböző DRM rendszerek közötti interoperabilitást.

DASH hátrányai:

• Összetettség: A DASH megvalósítása összetettebb lehet, mint az HLS-é, a nagyobb rugalmassága és az MPD fájlformátum összetettsége miatt.
• Böngésző támogatás: Bár a böngésző támogatása egyre nő, a natív DASH támogatás nem olyan elterjedt, mint az HLS. Gyakran szükség van olyan JavaScript könyvtárakra, mint a dash.js.

HLS vs. DASH: Melyik protokollt válassza?

• A széles kompatibilitás és a könnyű megvalósítás érdekében az HLS gyakran jó választás. Jól támogatott a különböző platformokon és eszközökön, így biztosra veheti a széles közönség elérését.
• A nagyobb rugalmasság, a kodek támogatás és az alacsonyabb késleltetés érdekében a DASH jobb választás lehet. De készüljön fel egy összetettebb megvalósításra és a régebbi böngészőkkel való esetleges kompatibilitási problémákra.
• Fontolja meg mindkét protokoll használatát a kompatibilitás maximalizálása érdekében. Ez úgy érhető el, hogy a videotartalmat mind az HLS, mind a DASH formátumban kódolja, és olyan videólejátszót használ, amely mindkét protokollt támogatja. Ez a megközelítés biztosítja, hogy a videotartalom szinte bármilyen eszközön vagy böngészőben lejátszható legyen.

Gyakorlati példa: Globális streaming szolgáltatás

Képzeljünk el egy globális streaming szolgáltatást, mint például a Netflix vagy az Amazon Prime Video. Valószínűleg az HLS és a DASH kombinációját használják. Az újabb tartalmakhoz és platformokhoz a DASH-t részesíthetik előnyben a kodek rugalmassága (AV1, VP9) és a DRM képességek (CENC) miatt. A régebbi eszközökhöz és böngészőkhöz visszaválthatnak az HLS-re. Ez a kettős megközelítés zökkenőmentes megtekintést biztosít a világon a készülékek széles körén.

Content Delivery Networks (CDN-ek) és videó streamelés

A Content Delivery Networks (CDN-ek) kulcsszerepet játszanak a videotartalom hatékony eljuttatásában a felhasználókhoz szerte a világon. A CDN-ek szerverek elosztott hálózatai, amelyek a videótartalmat a felhasználókhoz közelebb gyorsítják, csökkentve a késleltetést és javítva a lejátszási teljesítményt. Mind az HLS-t, mind a DASH-t jól támogatják a CDN-ek.

A videó streameléshez való CDN kiválasztásakor vegye figyelembe a következő tényezőket:

• Globális elérés: Válasszon egy globális szerverhálózattal rendelkező CDN-t, hogy a videotartalom gyorsan és megbízhatóan eljusson a felhasználókhoz minden régióban.
• HLS és DASH támogatás: Győződjön meg arról, hogy a CDN támogatja az HLS és a DASH protokollt.
• Gyorsítótárazási képességek: Keressen olyan CDN-t, amely fejlett gyorsítótárazási képességekkel rendelkezik, mint például az objektum-gyorsítótárazás és a HTTP/2 támogatás.
• Biztonsági funkciók: Válasszon robusztus biztonsági funkciókkal rendelkező CDN-t, mint például a DDoS-védelem és az SSL-titkosítás.
• Elemzés és jelentéskészítés: Válasszon olyan CDN-t, amely részletes elemzést és jelentést nyújt a videó teljesítményéről, például a sávszélesség-használatról, a késleltetésről és a hibák arányáról.

A videó streameléshez népszerű CDN-szolgáltatók a következők:

• Akamai: Vezető CDN-szolgáltató globális szerverhálózattal és átfogó HLS és DASH támogatással.
• Cloudflare: Népszerű CDN-szolgáltató, amely ingyenes szintet és fizetős csomagokat kínál fejlett funkciókkal.
• Amazon CloudFront: Az Amazon Web Services (AWS) által kínált CDN szolgáltatás.
• Google Cloud CDN: A Google Cloud Platform (GCP) által kínált CDN szolgáltatás.
• Fastly: CDN-szolgáltató, amely az alacsony késleltetésű kézbesítésre és a fejlett gyorsítótárazásra összpontosít.

Digital Rights Management (DRM)

A Digital Rights Management (DRM) technológiák egy olyan készlete, amelyet a videotartalmak jogosulatlan hozzáférés és másolás elleni védelmére használnak. A DRM elengedhetetlen a prémium tartalmak, például a filmek és a TV-műsorok kalózkodás elleni védelméhez.

Mind az HLS, mind a DASH támogatja a különféle DRM rendszereket, beleértve a következőket:

• Widevine: A Google által fejlesztett DRM rendszer.
• PlayReady: A Microsoft által fejlesztett DRM rendszer.
• FairPlay Streaming: Az Apple által fejlesztett DRM rendszer.

A DRM videó streaming alkalmazásban való megvalósításához a következőkre lesz szüksége:

1. A videotartalom titkosítása egy DRM-t támogató titkosítási algoritmussal.
2. Licenc megszerzése egy DRM-szolgáltatótól.
3. A DRM licencszerver integrálása a videólejátszóba.

A videólejátszó ezután engedélyt kér a DRM licencszerverről a videó lejátszása előtt. A licenc tartalmazza a videotartalom visszafejtéséhez szükséges dekódolási kulcsokat.

A DASH a Common Encryption (CENC) segítségével szabványosított módot biztosít a többféle DRM rendszer használatára egyetlen titkosított tartalomkészlettel. Ez csökkenti az összetettséget és javítja az interoperabilitást.

Common Media Application Format (CMAF)

A Common Media Application Format (CMAF) egy szabvány a médiatartalmak csomagolására, amelynek célja a videó streamelési munkafolyamat egyszerűsítése egyetlen fragmentált MP4 (fMP4) formátum használatával mind az HLS, mind a DASH számára. Ez kiküszöböli a külön videószegmensek létrehozásának szükségességét minden protokollhoz, csökkentve a tárolási költségeket és egyszerűsítve a tartalomkezelést.

A frontend videó streamelés teljesítményének optimalizálása

A zökkenőmentes és kiváló minőségű videó streaming élmény biztosításához a felhasználók számára elengedhetetlen a frontend teljesítmény optimalizálása. Íme néhány tipp a frontend videó streamelés teljesítményének optimalizálásához:

• Használjon CDN-t: Mint korábban említettük, a CDN használata jelentősen javíthatja a videólejátszás teljesítményét a videótartalomnak a felhasználókhoz való közelebb helyezésével.
• Optimalizálja a videó kódolást: Használjon megfelelő videókódolási beállításokat a videó minősége és a fájlméret egyensúlyának megteremtéséhez. Fontolja meg a változó bitrátájú kódolás (VBR) használatát a videó minőségének a tartalom összetettsége alapján történő optimalizálásához.
• Használjon adaptív bitrátájú streaminget: Implementáljon adaptív bitrátájú streaminget (HLS vagy DASH) a videó minőségének dinamikus beállításához a felhasználó hálózati körülményei alapján.
• Töltse be előre a videoszegmenseket: Töltse be előre a videoszegmenseket a kezdési késleltetés csökkentése és a lejátszás zökkenőmentességének javítása érdekében.
• Használjon HTTP/2-t: A HTTP/2 jelentősen javíthatja a videó streamelés teljesítményét azáltal, hogy lehetővé teszi több videoszegmens párhuzamos letöltését.
• Optimalizálja a videólejátszó beállításait: Konfigurálja a videólejátszó beállításait a lejátszás teljesítményének optimalizálásához, például a puffer méretét és a maximális bitrátát.
• Monitorozza a videó teljesítményét: Használjon elemzőeszközöket a videó teljesítményének figyeléséhez, és azonosítsa a fejlesztési területeket.

Példa: Mobil optimalizálás

A Mumbai-ban (India) tartózkodó felhasználó számára, aki mobil eszközön korlátozott adatcsomaggal fér hozzá a videoszolgáltatáshoz, a mobilra való optimalizálás kulcsfontosságú. Ez magában foglalja az alacsonyabb bitrátájú stream-ek használatát, a videólejátszó beállításainak optimalizálását az akkumulátor élettartama érdekében, valamint az adatkímélő üzemmódok megvalósítását, amelyek lehetővé teszik a felhasználó számára az adatfogyasztás szabályozását.

Kihívások a frontend videó streamelésben

• Hálózati változékonyság: A hálózati körülmények nagymértékben változhatnak a felhasználók és a helyek között, ami megnehezíti az egységes lejátszási teljesítmény biztosítását.
• Eszköz-fragmentáció: A különböző képességekkel és korlátozásokkal rendelkező eszközök és böngészők széles köre megnehezítheti a videó streaming optimalizálását minden felhasználó számára.
• DRM összetettsége: A DRM megvalósítása összetett lehet, és a különböző DRM rendszerek és licencelési követelmények gondos mérlegelését igényli.
• Késleltetés: Az alacsony késleltetés elérése az élő streaming alkalmazásokban továbbra is kihívást jelent, különösen az HLS esetében.
• Hozzáférhetőség: Annak biztosítása, hogy a videotartalom hozzáférhető legyen a fogyatékossággal élő felhasználók számára, gondos tervezést és olyan funkciók megvalósítását igényli, mint a feliratok, a feliratozás és az audió leírások.

Következtetés