Nuo serverio iki ekrano: išsamus vaizdo įrašų perdavimo srautinio transliavimo platformoms vadovas

Atsisiunčiamo turinio amžiuje mes laikome nepriekaištingą vaizdo įrašų srautinį transliavimą savaime suprantamu dalyku. Paprastas paspaudimas ant tokios paslaugos kaip „Netflix“, „YouTube“ ar „Disney+“ ir didelės raiškos filmas ar laida pradedama leisti iškart. Tačiau už šios sklandžios patirties slypi sudėtinga, rafinuota ir visame pasaulyje paskirstyta infrastruktūra, skirta vienai misijai: perduoti vaizdo įrašą iš serverio į jūsų ekraną užtikrinant maksimalią kokybę ir minimalų vėlavimą. Šis procesas, žinomas kaip vaizdo įrašų perdavimas, yra nematomas variklis, maitinantis daugelio milijardų dolerių vertės srautinio transliavimo pramonę.

Nesvarbu, ar esate produktų vadovas, programinės įrangos inžinierius, verslo lyderis ar tiesiog smalsus entuziastas, vaizdo įrašų perdavimo architektūros supratimas yra labai svarbus norint įvertinti techninius stebuklus, su kuriais kasdien bendraujame. Šis išsamus vadovas padės iššifruoti visą vaizdo įrašų perdavimo procesą, suskirstant kiekvieną svarbų komponentą nuo momento, kai vaizdo įrašas sukuriamas, iki sekundės, kai jis pasirodo žiūrovo įrenginyje. Mes išnagrinėsime kodavimą, srautinio transliavimo protokolus, turinio pristatymo tinklus (CDN), grotuvo technologiją ir saugumo priemones, kurios visa tai apsaugo.

Pagrindinis iššūkis: vaizdo įrašo kadro kelionė

Iš esmės vaizdo įrašų perdavimo iššūkis yra mastelis ir fizika. Vienas neapdorotas, nesuglaudintas 4K filmas gali būti terabaitų dydžio. Perduoti šį didžiulį failą viešuoju internetu milijonams vienu metu prisijungusių žiūrovų – kiekvienas su skirtingais įrenginiais, tinklo spartomis ir geografinėmis vietovėmis – yra neįmanoma užduotis. Visas vaizdo įrašų perdavimo darbo srautas sukurtas tam, kad išspręstų šią problemą, sumažinant vaizdo įrašų failus, padarant juos išmanesnius ir arčiau galutinio vartotojo.

Ši kelionė apima daugiapakopį procesą, dažnai vadinamą vaizdo įrašų perdavimo kanalu:

• Įvedimas ir kodavimas: neapdorotas vaizdo įrašo failas paruošiamas ir suspaudžiamas į įvairius formatus ir kokybės lygius.
• Pakavimas ir saugojimas: suspausti failai supakuojami srautiniam transliavimui ir saugomi, paruošti platinimui.
• Platinimas: vaizdo įrašas platinamas visame pasauliniame tinkle, kad būtų fiziškai arčiau žiūrovų.
• Atkūrimas: vaizdo įrašų grotuvas vartotojo įrenginyje prašo, atsisiunčia ir rodo vaizdo įrašą.

Panagrinėkime kiekvieną iš šių etapų, kad suprastume, kaip jie veikia kartu, kad sukurtų sklandžią žiūrėjimo patirtį.

Pagrindas: vaizdo įrašų kodavimas ir glaudinimas

Pirmasis ir svarbiausias žingsnis yra drastiškai sumažinti vaizdo įrašo failo dydį be pastebimo suvokimo kokybės praradimo. Tai yra kodavimo ir glaudinimo magija. Kodavimo įrenginys yra sudėtinga programinės įrangos (arba aparatinės įrangos) dalis, kuri analizuoja kiekvieną vaizdo įrašo kadrą ir naudoja sudėtingus algoritmus, kad pašalintų nereikalingus duomenis.

Kas yra kodekai ir talpyklos?

Konkretus glaudinimo algoritmas vadinamas kodeku (trumpinys iš koduotojo-dekoderio). Įsivaizduokite kodeką kaip vaizdo įrašo glaudinimo ir iškodavimo kalbą. Vaizdo įrašų grotuvas jūsų įrenginyje turi kalbėti ta pačia kalba (turėti atitinkamą dekoderį), kad galėtų leisti failą. Skirtingi kodekai siūlo skirtingus kompromisus tarp glaudinimo efektyvumo, kokybės ir skaičiavimo sąnaudų.

• H.264 (AVC – Advanced Video Coding): ilgalaikis kodekų karalius. Jis palaikomas praktiškai kiekviename įrenginyje planetoje, nuo išmaniųjų telefonų iki išmaniųjų televizorių. Nors jis nebėra efektyviausias, jo universalus suderinamumas daro jį privaloma atramine linija bet kuriai srautinio transliavimo paslaugai.
• H.265 (HEVC – High Efficiency Video Coding): H.264 įpėdinis. Jis siūlo maždaug 50 % geresnį glaudinimo efektyvumą, o tai reiškia, kad gali tiekti tokios pat kokybės vaizdo įrašą perpus mažesne bitų sparta (failo dydžiu). Dėl to jis idealiai tinka 4K ir HDR turiniui. Tačiau jo įdiegimą sulėtino sudėtingi ir brangūs licencijavimo mokesčiai.
• AV1 (AOMedia Video 1): modernus, atvirojo kodo ir nemokamas kodekas, sukurtas Alliance for Open Media, konsorciumo, į kurį įeina „Google“, „Netflix“, „Amazon“, „Apple“ ir „Microsoft“. AV1 siūlo apie 30 % geresnį glaudinimą nei HEVC. Jo nemokamas pobūdis paskatino greitą įdiegimą pagrindinėse platformose, tokiose kaip „YouTube“ ir „Netflix“, jų populiariausiam turiniui, sutaupant joms didžiulius pralaidumo kaštus.
• VP9: Google pirmtakas AV1, dar vienas galingas ir nemokamas kodekas. Tai pagrindinis kodekas, naudojamas visame „YouTube“ tinkle, ir jis plačiai palaikomas „Android“ įrenginiuose ir šiuolaikinėse žiniatinklio naršyklėse.

Kai vaizdo įrašas užkoduojamas kodeku, jis patalpinamas į talpyklos failą. Talpykloje yra suspaustas vaizdo įrašas, suspaustas garsas ir kiti metaduomenys, tokie kaip subtitrai ir skyrių žymekliai. Dažniausias talpyklos formatas srautiniam transliavimui internetu yra MP4, kuris yra suderinamas su beveik visais šiuolaikiniais srautinio transliavimo protokolais.

Pristatymo arterija: šiuolaikiniai srautinio transliavimo protokolai

Užkodavus vaizdo įrašą, negalite tiesiog nusiųsti viso MP4 failo vartotojui. Kas būtų, jei jų tinklo ryšys sulėtėtų pusiaukelėje? Visas atsisiuntimas sustotų. Vietoj to, šiuolaikinis srautinis transliavimas naudoja techniką, kai vaizdo įrašas suskaidomas į mažus gabalus, paprastai nuo 2 iki 10 sekundžių ilgio. Taisyklės, reglamentuojančios, kaip šie gabalai prašomi ir pristatomi, apibrėžiamos srautinio transliavimo protokolu.

Adaptyviosios bitų spartos srautinio transliavimo (ABS) magija

Vienintelė svarbiausia naujovė šiuolaikiniame srautiniame transliavime yra Adaptyviosios bitų spartos srautinis transliavimas (ABS). Prieš padarant vaizdo įrašą prieinamą, kodavimo procesas sukuria ne tik vieną vaizdo įrašo versiją; jis sukuria kelias versijas, vadinamas atvaizdavimais, su skirtingomis bitų spartomis ir raiškos gebomis. Pavyzdžiui, filmas gali būti užkoduotas taip:

• 480p (maža raiškos geba, mažas failo dydis)
• 720p (HD, vidutinis failo dydis)
• 1080p (Full HD, didelis failo dydis)
• 2160p (4K, labai didelis failo dydis)

Vaizdo įrašų grotuvas vartotojo įrenginyje yra išmanus. Jis nuolat stebi dabartines tinklo sąlygas (galimą pralaidumą). Jis pradeda prašydamas gabalų iš žemesnės kokybės atvaizdavimo. Jei tinklas yra greitas ir stabilus, jis sklandžiai persijungs į gabalų prašymą iš aukštesnės kokybės atvaizdavimo. Jei tinklas staiga užsikimš (pvz., kažkas kitas namuose pradeda didelį atsisiuntimą), grotuvas persijungs atgal į žemesnės kokybės srautą. Visa tai vyksta automatiškai, užtikrinant geriausią įmanomą kokybę esamoms tinklo sąlygoms ir sumažinant buferizavimą. Štai kodėl vaizdo įrašas jūsų telefone gali atrodyti ryškus naudojant „Wi-Fi“, bet šiek tiek neryškus, kai pereinate prie silpno mobiliojo ryšio signalo.

Pagrindiniai protokolai šiuolaikiniame žiniatinklyje

Beveik visas šiuolaikinis atsisiunčiamas ir tiesioginis srautinis transliavimas yra sukurtas remiantis HTTP pagrįstais ABS protokolais. Tai reiškia, kad jie naudoja tą pačią standartinę žiniatinklio technologiją kaip jūsų naršyklė, kad atsisiųstų vaizdo įrašo gabalus, o tai leidžia juos lengvai išplėsti ir jie yra draugiški ugniasienėms.

• HLS (HTTP Live Streaming): sukurtas „Apple“, HLS yra plačiausiai palaikomas srautinio transliavimo protokolas pasaulyje. Tai gimtasis formatas visiems „Apple“ įrenginiams („iPhone“, „iPad“, „Apple TV“) ir gerai palaikomas „Android“, žiniatinklio naršyklėse ir išmaniuosiuose televizoriuose. Jis veikia naudodamas grojaraščio failą (su .m3u8 plėtiniu), kuris nurodo grotuvui, kur rasti vaizdo įrašo gabalus.
• MPEG-DASH (Dynamic Adaptive Streaming over HTTP): DASH yra tarptautinis standartas, sukurtas kaip nuo kodeko nepriklausoma ir pramonės vadovaujama alternatyva patentuotiems protokolams. Jis veikia panašiai kaip HLS, naudodamas manifesto failą (su .mpd plėtiniu), kad nukreiptų grotuvą. Nors techniškai jis yra pranašesnis kai kuriais atžvilgiais, jo įdiegimas buvo šiek tiek mažiau universalus nei HLS, tačiau jis yra daugelio didelio masto srautinio transliavimo paslaugų, ypač ne „Apple“ platformose, pagrindas.

Programoms, kurioms reikia beveik momentinio pristatymo, pvz., tiesioginių sporto lažybų ar interaktyvaus žaidimų srautinio transliavimo, naujesni protokolai, tokie kaip SRT (Secure Reliable Transport) ir WebRTC (Web Real-Time Communication), naudojami itin mažam delsos laikui pasiekti, dažnai mažesniam nei sekundė.

Pasaulinis pagrindas: turinio pristatymo tinklai (CDN)

Puikiai užkoduotas ir supakuotas vaizdo įrašas yra nenaudingas, jei jis saugomas viename serveryje vienoje vietoje. Tokijuje esantis vartotojas, bandantis transliuoti iš Niujorke esančio serverio, patirtų žalojančią delsą (vėlavimą). Čia į pagalbą ateina Turinio pristatymo tinklas (CDN).

CDN yra didžiulis, geografiškai paskirstytas serverių tinklas. Kai srautinio transliavimo platforma bendradarbiauja su CDN teikėju (tokiu kaip „Akamai“, „AWS CloudFront“, „Cloudflare“ arba „Fastly“), ji įkelia savo vaizdo įrašų turinį ne į vieną centrinį serverį, o į CDN. Tada CDN automatiškai kopijuoja ir kaupia šį turinį tūkstančiuose savo serverių, žinomų kaip Kraštiniai serveriai arba Buvimo vietos (PoPs), esančių duomenų centruose visame pasaulyje.

Kaip CDN iš esmės keičia vaizdo įrašų perdavimą

Kai Tokijuje esantis vartotojas spustelėja paleidimo mygtuką, užklausa dėl vaizdo įrašo gabalo nesiunčiama iki pat Niujorko. Vietoj to, CDN išmanioji maršruto parinkimo sistema nukreipia užklausą į artimiausią kraštinį serverį – galbūt į tą, kuris yra pačiame Tokijuje arba netoliese Osakoje. Turinio pristatymas iš serverio, esančio vos už kelių kilometrų, o ne už tūkstančių kilometrų, drastiškai sumažina delsą ir pagerina atsisiuntimo greitį.

Nematomos CDN naudos

CDN yra nepakeičiamos bet kuriai rimtai srautinio transliavimo paslaugai dėl trijų pagrindinių priežasčių:

• Greitis ir našumas: pateikdami turinį iš serverio, esančio netoli vartotojo, CDN sumažina delsą, todėl pagreitėja vaizdo įrašo paleidimo laikas ir sumažėja buferizavimo įvykių.
• Mastelio keitimas ir prieinamumas: kai pradedama populiari laida, milijonai žmonių gali bandyti ją žiūrėti vienu metu. Vienas serveris sugestų. CDN paskirsto šią apkrovą visame savo pasauliniame tinkle, be vargo tvarkydamas didelius srauto šuolius. Jei sugenda vienas kraštinis serveris, srautas automatiškai peradresuojamas į kitą artimiausią serverį, užtikrinant didelį prieinamumą.
• Sumažintos išlaidos: perkeldami srautą iš pagrindinio serverio, CDN žymiai sumažina srautinio transliavimo paslaugos pralaidumo sąnaudas, kurios dažnai yra didžiausios veiklos išlaidos.

Paskutinė mylia: vaizdo įrašų grotuvo vaidmuo

Vaizdo įrašų grotuvas yra paskutinis ir, galbūt, labiausiai nuvertintas komponentas pristatymo grandinėje. Tai ne tik langas, rodantis pikselius; tai aktyvi, išmani programa, atsakinga už tai, kad visi ankstesni veiksmai būtų sujungti į nuoseklią žiūrėjimo patirtį.

Daugiau nei tik paleidimo mygtukas

Šiuolaikinis vaizdo įrašų grotuvas turi keletą svarbių pareigų:

• Manifesto analizavimas: jis pirmiausia atsisiunčia ir interpretuoja manifesto failą (HLS arba DASH), kad suprastų, kurios bitų spartos, garso takeliai ir subtitrai yra prieinami.
• Adaptyvi bitų spartos logika: jame yra pagrindinis algoritmas, skirtas stebėti tinklo sąlygas ir nuspręsti, kokios kokybės lygio prašyti toliau. Šios logikos sudėtingumas yra pagrindinis grotuvų skirtumas.
• Iššifravimas: jis sąveikauja su įrenginio aparatinės arba programinės įrangos dekoderiais, kad suspaustus vaizdo įrašo duomenis (H.264, HEVC ir kt.) vėl paverstų matomais vaizdais.
• DRM tvarkymas: jis valdo sudėtingą saugaus šifravimo raktų gavimo ir naudojimo procesą, kad galėtų leisti apsaugotą turinį (apie tai daugiau toliau).
• Analizės ataskaitų teikimas: jis nuolat renka duomenis apie savo našumą – paleidimo laiką, buferizavimo įvykius, bitų spartas, klaidas – ir siunčia juos atgal į srautinio transliavimo paslaugą analizei.

Srautinio transliavimo paslaugos gali naudoti gimtąjį įrenginio grotuvą (pvz., AVPlayer iOS sistemoje) arba, dažniau, naudoti patikimus atvirojo kodo arba komercinius žiniatinklio grotuvus, tokius kaip Video.js, Shaka Player arba THEOplayer, kad užtikrintų nuoseklią patirtį visose platformose.

Turto apsauga: skaitmeninių teisių valdymas (DRM)

Turinys yra vertingiausias srautinio transliavimo platformos turtas. Siekiant užkirsti kelią piratavimui ir neteisėtam platinimui, šis turinys turi būti apsaugotas. Tai pasiekiama naudojant Skaitmeninių teisių valdymą (DRM).

Kodėl DRM yra verslo būtinybė

DRM yra technologija, kuri šifruoja vaizdo įrašų turinį, kad jį galėtų leisti tik įgalioti vartotojai įgaliotuose įrenginiuose. Be DRM bet kas galėtų atsisiųsti vaizdo įrašo failą ir laisvai juo dalytis, pakirstų srautinio transliavimo paslaugos prenumeratos arba skelbimų pagrindu sukurtą verslo modelį. Turinio savininkai (filmų studijos, sporto lygos) beveik visada reikalauja naudoti patikimą DRM kaip turinio licencijavimo sąlygą.

Kelių DRM požiūris

DRM problema yra ta, kad nėra vienos universalios sistemos. Skirtingos platformos ir naršyklės palaiko skirtingas DRM technologijas. Norėdama pasiekti pasaulinę auditoriją, srautinio transliavimo paslauga turi naudoti Kelių DRM strategiją, vieną kartą užšifruodama turinį, bet palaikydama kelias DRM sistemas.

• Google Widevine: dominuojanti DRM Android, Chrome, Firefox ir daugelyje išmaniųjų televizorių.
• Apple FairPlay: reikalinga DRM Apple ekosistemai (iOS, macOS, tvOS ir Safari).
• Microsoft PlayReady: DRM Microsoft Edge, Xbox ir daugeliui kitų buitinės elektronikos įrenginių.

Įprastame DRM darbo sraute užšifruotas turinys pristatomas per CDN, o vaizdo įrašų grotuvas bendrauja su saugiu licencijų serveriu, kad gautų iššifravimo raktą. Šis raktas leidžia grotuvui iššifruoti ir leisti vaizdo įrašą, bet neleidžia kopijuoti pagrindinio failo.

Sėkmės matavimas: analizė ir patirties kokybė (QoE)

Kaip srautinio transliavimo platforma žino, ar jos sudėtinga pristatymo sistema iš tikrųjų veikia gerai savo vartotojams? Atsakymas slypi kruopščiame duomenų rinkime ir analizėje, sutelkiant dėmesį į Patirties kokybę (QoE). QoE peržengia paprastas technines metrikas (Paslaugų kokybė, QoS), kad išmatuotų, kaip žiūrovas iš tikrųjų suvokia paslaugos našumą.

Pagrindinės metrikos, apibrėžiančios žiūrovų pasitenkinimą

Vaizdo įrašų grotuvai nuolat praneša daugybę duomenų, leidžiančių platformoms stebėti našumą realiuoju laiku. Svarbiausios QoE metrikos apima:

• Vaizdo įrašo paleidimo laikas: laikas nuo vartotojo paspaudimo paleidimo iki pirmojo vaizdo įrašo kadro pasirodymo. Bet kas, kas viršija kelias sekundes, sukelia žiūrovų nusivylimą ir atsisakymą.
• Pakartotinio buferizavimo santykis: žiūrėjimo laiko procentas, praleistas žiūrint į besisukantį ratą, kol grotuvas buferizuoja. Tai yra didžiausias žiūrovų pasitenkinimo žudikas. Tikslas yra kuo arčiau nulio pakartotinio buferizavimo santykis.
• Vidutinė bitų sparta: vidutinis vartotojams perduodamas kokybės lygis. Kuo didesnis, tuo geriau, nes tai rodo, kad sistema sėkmingai perduoda aukštos kokybės vaizdo įrašą.
• Atkūrimo gedimai: atkūrimo bandymų, kurie baigiasi klaida ir neleidžia atkurti vaizdo įrašo, procentas.

Analizuodamos šiuos duomenis įvairiuose regionuose, interneto paslaugų teikėjai (IPT), įrenginiuose ir turinio pavadinimuose, platformos gali greitai nustatyti ir pašalinti kliūtis savo pristatymo kanale, nuolat optimizuodamos, kad žiūrovai patirtų kuo geresnę patirtį.

Vaizdo įrašų perdavimo ateitis

Vaizdo įrašų perdavimo pasaulis niekada nebūna statiškas. Inžinieriai nuolat plečia ribas, kad galėtų tiekti aukštesnės kokybės, interaktyvesnius ir patikimesnius srautus. Pagrindinės tendencijos, formuojančios ateitį, apima:

• Mažas delsos laikas dideliu mastu: tiesioginių srautų vėlavimo (arba „delsos“) sumažinimas nuo įprastų 30–45 sekundžių iki vos kelių sekundžių, sudarant sąlygas interaktyvesnei patirčiai, pvz., sporto lažyboms žaidime ir socialiniam žiūrėjimui realiuoju laiku.
• AI ir mašininis mokymasis: dirbtinio intelekto naudojimas, siekiant padaryti kodavimą išmanesnį (pvz., vieno pavadinimo kodavimas, kuris optimizuoja kiekvieno atskiro filmo ar laidos kodavimo nustatymus) ir nuspėjamai talpinti turinį CDN, dar prieš jam paprašant.
• Nuolatinis AV1 augimas: kadangi daugiau įrenginių įgis aparatinį AV1 iššifravimo palaikymą, jo įdiegimas paspartės, o tai leis sutaupyti didelį pralaidumą ir padidinti srautų kokybę visiems.
• 5G poveikis: visur esantys, greiti, mažos delsos mobilieji tinklai atvers naujų galimybių įtraukiančiai, didelės bitų spartos patirčiai, pvz., papildytos realybės (AR) ir virtualios realybės (VR) srautiniam transliavimui keliaujant.

Išvada: vaizdo įrašų perdavimo simfonija

Kitą kartą, kai įsitaisysite žiūrėti savo mėgstamą laidą, skirkite šiek tiek laiko įvertinti neįtikėtiną technologinę simfoniją, grojančią fone. Nuo efektyvaus kodeko, suspaudžiančio vaizdo įrašą, iki adaptyvaus bitų spartos protokolo, skaidančio jį į gabalus, iki pasaulinio CDN, lenktyniaujančio su tais gabalais į netoliese esantį serverį, iki išmanaus grotuvo, kuris vėl surenka juos jūsų ekrane, saugiai tvarkydamas iššifravimą – kiekvienas komponentas turi veikti tobulai harmoningai.

Šiuolaikinis vaizdo įrašų perdavimas yra nuostabios inžinerijos, kuri išsprendė vieną didžiausių interneto iššūkių, įrodymas. Jis pakeitė tai, kaip vartojame žiniasklaidą, jungiames prie informacijos ir patiriame pramogas. Technologijoms toliau tobulėjant, šis nematomas variklis taps tik galingesnis, efektyvesnis ir neatsiejamas nuo mūsų skaitmeninio gyvenimo.