Frontend vaizdo transliacija: Išsami HLS ir DASH protokolų analizė

Šiuolaikiniame skaitmeniniame pasaulyje vaizdo transliacijos tapo neatsiejama mūsų gyvenimo dalimi. Nuo pramogų iki švietimo ir dar daugiau, sklandžios ir aukštos kokybės vaizdo patirties poreikis nuolat auga. Du dominuojantys protokolai, kurie palaiko didžiąją dalį šių transliacijų, yra HLS (HTTP Live Streaming) ir DASH (Dynamic Adaptive Streaming over HTTP). Šiame išsamiame vadove nagrinėjami šie protokolai iš frontend perspektyvos, apimant jų architektūrą, diegimą, privalumus ir trūkumus, suteikiant jums žinių, reikalingų norint teikti išskirtinę vaizdo patirtį pasaulinei auditorijai.

Kas yra HLS ir DASH?

Tiek HLS, tiek DASH yra adaptyvaus bitų srauto transliacijos protokolai, kurie leidžia vaizdo grotuvams dinamiškai koreguoti vaizdo srauto kokybę atsižvelgiant į vartotojo tinklo sąlygas. Tai užtikrina sklandų atkūrimo patirtį net ir svyruojant tinklo pralaidumui. Tai pasiekiama segmentuojant vaizdo turinį į mažus gabalėlius ir pateikiant kelias vaizdo versijas su skirtingais bitų srautais ir raiškomis.

• HLS (HTTP Live Streaming): Sukurtas „Apple“, HLS iš pradžių buvo skirtas transliacijoms į „iOS“ įrenginius, tačiau vėliau tapo plačiai priimtu standartu įvairiose platformose. Jis remiasi HTTP pristatymu, todėl yra suderinamas su esama žiniatinklio infrastruktūra.
• DASH (Dynamic Adaptive Streaming over HTTP): DASH yra atviras standartas, sukurtas MPEG (Moving Picture Experts Group). Jis siūlo didesnį lankstumą kodekų palaikymo atžvilgiu ir yra sukurtas taip, kad būtų labiau kodekams agnostiškas nei HLS.

HLS ir DASH architektūra

Nors HLS ir DASH turi tuos pačius pagrindinius principus, jų architektūra ir diegimas šiek tiek skiriasi.

HLS architektūra

HLS architektūrą sudaro šie komponentai:

1. Vaizdo kodavimas: Originalus vaizdo turinys yra koduojamas į kelias versijas su skirtingais bitų srautais ir raiškomis. Dažniausiai naudojami H.264 ir H.265 (HEVC) kodekai.
2. Segmentavimas: Koduotas vaizdo įrašas yra segmentuojamas į mažus, fiksuotos trukmės gabalėlius (paprastai 2-10 sekundžių).
3. Manifesto failas (grojaraštis): Sukuriamas M3U8 grojaraščio failas, kuriame yra prieinamų vaizdo segmentų sąrašas ir atitinkami jų URL. Grojaraštyje taip pat yra informacijos apie skirtingas vaizdo kokybes (bitų srautus ir raiškas).
4. Žiniatinklio serveris: Vaizdo segmentai ir M3U8 grojaraščio failas yra saugomi žiniatinklio serveryje, pasiekiamame per HTTP.
5. Vaizdo grotuvas: Vaizdo grotuvas nuskaito M3U8 grojaraščio failą ir naudoja jį vaizdo segmentams atsisiųsti ir atkurti. Grotuvas dinamiškai perjungia skirtingas vaizdo kokybes, atsižvelgdamas į vartotojo tinklo sąlygas.

Pavyzdys: HLS darbo eiga

Įsivaizduokite, kad vartotojas Tokijuje žiūri tiesioginį sporto renginį. Vaizdo įrašas koduojamas keliomis kokybėmis. HLS serveris sukuria M3U8 grojaraštį, nukreipiantį į 2 sekundžių vaizdo segmentus. Vartotojo vaizdo grotuvas, aptikęs stiprų interneto ryšį, iš pradžių atsisiunčia aukštos raiškos segmentus. Jei tinklas susilpnėja, grotuvas automatiškai persijungia į žemesnės raiškos segmentus, kad išlaikytų sklandų atkūrimą.

DASH architektūra

DASH architektūra yra panaši į HLS, tačiau ji naudoja kitokį manifesto failo formatą:

1. Vaizdo kodavimas: Panašiai kaip HLS, vaizdo turinys yra koduojamas į kelias versijas su skirtingais bitų srautais ir raiškomis. DASH palaiko platesnį kodekų spektrą, įskaitant VP9 ir AV1.
2. Segmentavimas: Koduotas vaizdo įrašas yra segmentuojamas į mažus gabalėlius.
3. Manifesto failas (MPD): Sukuriamas MPD (Media Presentation Description) failas, kuriame yra informacijos apie prieinamus vaizdo segmentus, jų URL ir kitus metaduomenis. MPD failas naudoja XML pagrįstą formatą.
4. Žiniatinklio serveris: Vaizdo segmentai ir MPD failas yra saugomi žiniatinklio serveryje, pasiekiamame per HTTP.
5. Vaizdo grotuvas: Vaizdo grotuvas nuskaito MPD failą ir naudoja jį vaizdo segmentams atsisiųsti ir atkurti. Grotuvas dinamiškai perjungia skirtingas vaizdo kokybes, atsižvelgdamas į vartotojo tinklo sąlygas.

Pavyzdys: DASH darbo eiga

Vartotojas San Paule pradeda žiūrėti filmą pagal pareikalavimą. DASH serveris pateikia MPD failą, apibūdinantį įvairius kokybės lygius. Iš pradžių grotuvas pasirenka vidutinės kokybės lygį. Vartotojui persikėlus į kitą vietą su silpnesniu Wi-Fi signalu, grotuvas sklandžiai persijungia į žemesnę kokybę, kad išvengtų buferizacijos, o tada grįžta į aukštesnę kokybę, kai ryšys pagerėja.

HLS ir DASH diegimas Frontend'e

Norėdami įdiegti HLS ir DASH frontend'e, jums reikės vaizdo grotuvo, kuris palaiko šiuos protokolus. Yra keletas JavaScript pagrindu veikiančių vaizdo grotuvų, įskaitant:

• hls.js: Populiari JavaScript biblioteka, skirta HLS srautams atkurti naršyklėse, kurios natūraliai nepalaiko HLS.
• dash.js: JavaScript biblioteka, skirta DASH srautams atkurti naršyklėse.
• Video.js: Universalus HTML5 vaizdo grotuvas, kuris palaiko HLS ir DASH per įskiepius.
• Shaka Player: Atvirojo kodo JavaScript biblioteka adaptyviai medijai, sukurta „Google“, palaikanti tiek DASH, tiek HLS.
• JW Player: Komercinis vaizdo grotuvas, siūlantis visapusišką HLS ir DASH palaikymą kartu su įvairiomis kitomis funkcijomis.

Štai pagrindinis pavyzdys, kaip naudoti hls.js HLS srautui atkurti:

            
<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
              
            
          

Panašiai, štai pavyzdys, kaip naudoti dash.js DASH srautui atkurti:

            
<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
              
            
          

HLS ir DASH privalumai bei trūkumai

HLS privalumai:

• Platus suderinamumas: HLS palaiko daugybė įrenginių ir naršyklių, įskaitant iOS, Android, macOS, Windows ir Linux.
• Paprastas diegimas: HLS yra santykinai lengva įdiegti, nes jis remiasi standartiniu HTTP pristatymu.
• Draugiškas ugniasienėms: HLS naudoja standartinius HTTP prievadus (80 ir 443), todėl yra mažesnė tikimybė, kad jį blokuos ugniasienės.
• Geras CDN palaikymas: Turinio pristatymo tinklai (CDN) plačiai palaiko HLS, leidžiant efektyviai pristatyti vaizdo turinį vartotojams visame pasaulyje.
• Šifravimo palaikymas: HLS palaiko įvairius šifravimo metodus, įskaitant AES-128, siekiant apsaugoti vaizdo turinį nuo neteisėtos prieigos.
• Fragmentuoto MP4 (fMP4) palaikymas: Šiuolaikinės HLS implementacijos naudoja fMP4, kad pagerintų efektyvumą ir suderinamumą su DASH.

HLS trūkumai:

• Didesnis vėlavimas: HLS paprastai turi didesnį vėlavimą, palyginti su kitais transliacijos protokolais, dėl ilgesnių vaizdo segmentų naudojimo. Tai gali kelti susirūpinimą tiesioginių transliacijų programose, kur mažas vėlavimas yra kritiškai svarbus.
• Sutelktis į „Apple“ ekosistemą: Nors plačiai priimtas, jo ištakos „Apple“ ekosistemoje kartais gali sukelti suderinamumo niuansų ne „Apple“ platformose.

DASH privalumai:

• Kodekams agnostiškas: DASH yra kodekams agnostiškas, o tai reiškia, kad jis gali palaikyti platų vaizdo ir garso kodekų spektrą, įskaitant VP9 ir AV1.
• Lankstumas: DASH siūlo didesnį lankstumą manifesto failo struktūros ir segmentavimo atžvilgiu.
• Mažesnis vėlavimas: DASH gali pasiekti mažesnį vėlavimą, palyginti su HLS, ypač naudojant trumpesnius vaizdo segmentus.
• Standartizuotas šifravimas: DASH palaiko bendrąjį šifravimą (CENC), leidžiantį sąveikauti tarp skirtingų DRM sistemų.

DASH trūkumai:

• Sudėtingumas: DASH gali būti sudėtingiau įdiegti nei HLS dėl didesnio lankstumo ir MPD failo formato sudėtingumo.
• Naršyklių palaikymas: Nors naršyklių palaikymas auga, natūralus DASH palaikymas nėra toks paplitęs kaip HLS. Dažnai reikalingos JavaScript bibliotekos, tokios kaip dash.js.

HLS prieš DASH: kurį protokolą pasirinkti?

Pasirinkimas tarp HLS ir DASH priklauso nuo jūsų konkrečių reikalavimų ir prioritetų.

• Siekiant plataus suderinamumo ir diegimo paprastumo, HLS dažnai yra geras pasirinkimas. Jis gerai palaikomas įvairiose platformose ir įrenginiuose, todėl tai yra saugus pasirinkimas norint pasiekti plačią auditoriją.
• Didesniam lankstumui, kodekų palaikymui ir mažesniam vėlavimui DASH gali būti geresnis pasirinkimas. Tačiau būkite pasirengę sudėtingesniam diegimui ir galimoms suderinamumo problemoms su senesnėmis naršyklėmis.
• Apsvarstykite galimybę naudoti abu protokolus, kad maksimaliai padidintumėte suderinamumą. Tai galima pasiekti koduojant vaizdo turinį tiek HLS, tiek DASH formatais ir naudojant vaizdo grotuvą, kuris palaiko abu protokolus. Šis požiūris užtikrina, kad jūsų vaizdo turinys gali būti atkuriamas praktiškai bet kuriame įrenginyje ar naršyklėje.

Praktinis pavyzdys: Pasaulinė transliacijų paslauga

Įsivaizduokite pasaulinę transliacijų paslaugą, tokią kaip „Netflix“ ar „Amazon Prime Video“. Tikėtina, kad jie naudoja HLS ir DASH derinį. Naujesniam turiniui ir platformoms jie gali teikti pirmenybę DASH dėl jo kodekų lankstumo (AV1, VP9) ir DRM galimybių (CENC). Senesniems įrenginiams ir naršyklėms jie gali grįžti prie HLS. Šis dvejopas požiūris užtikrina sklandų žiūrėjimą didžiuliame įrenginių asortimente visame pasaulyje.

Turinio pristatymo tinklai (CDN) ir vaizdo transliacija

Turinio pristatymo tinklai (CDN) atlieka lemiamą vaidmenį efektyviai pristatant vaizdo turinį vartotojams visame pasaulyje. CDN yra paskirstytų serverių tinklai, kurie kaupia vaizdo turinį arčiau vartotojų, mažindami vėlavimą ir gerindami atkūrimo našumą. Tiek HLS, tiek DASH yra gerai palaikomi CDN tinklų.

Renkantis CDN vaizdo transliacijai, atsižvelkite į šiuos veiksnius:

• Pasaulinis pasiekiamumas: Pasirinkite CDN su pasauliniu serverių tinklu, kad užtikrintumėte, jog jūsų vaizdo turinys bus greitai ir patikimai pristatytas vartotojams visuose regionuose.
• HLS ir DASH palaikymas: Užtikrinkite, kad CDN palaiko tiek HLS, tiek DASH protokolus.
• Kaupimo (caching) galimybės: Ieškokite CDN su pažangiomis kaupimo galimybėmis, tokiomis kaip objektų kaupimas ir HTTP/2 palaikymas.
• Saugumo funkcijos: Pasirinkite CDN su tvirtomis saugumo funkcijomis, tokiomis kaip DDoS apsauga ir SSL šifravimas.
• Analitika ir ataskaitos: Pasirinkite CDN, kuris teikia išsamią analitiką ir ataskaitas apie vaizdo našumą, pvz., pralaidumo naudojimą, vėlavimą ir klaidų dažnį.

Populiarūs CDN teikėjai vaizdo transliacijai:

• Akamai: Pirmaujantis CDN teikėjas su pasauliniu serverių tinklu ir visapusišku HLS ir DASH palaikymu.
• Cloudflare: Populiarus CDN teikėjas, siūlantis nemokamą planą ir mokamus planus su pažangiomis funkcijomis.
• Amazon CloudFront: CDN paslauga, kurią siūlo „Amazon Web Services“ (AWS).
• Google Cloud CDN: CDN paslauga, kurią siūlo „Google Cloud Platform“ (GCP).
• Fastly: CDN teikėjas, orientuotas į mažo vėlavimo pristatymą ir pažangų kaupimą.

Skaitmeninių teisių valdymas (DRM)

Skaitmeninių teisių valdymas (DRM) yra technologijų rinkinys, naudojamas apsaugoti vaizdo turinį nuo neteisėtos prieigos ir kopijavimo. DRM yra būtinas norint apsaugoti aukščiausios kokybės turinį, pvz., filmus ir TV laidas, nuo piratavimo.

Tiek HLS, tiek DASH palaiko įvairias DRM sistemas, įskaitant:

• Widevine: DRM sistema, sukurta „Google“.
• PlayReady: DRM sistema, sukurta „Microsoft“.
• FairPlay Streaming: DRM sistema, sukurta „Apple“.

Norėdami įdiegti DRM savo vaizdo transliacijos programoje, jums reikės:

1. Užšifruoti vaizdo turinį naudojant DRM palaikomą šifravimo algoritmą.
2. Gauti licenciją iš DRM teikėjo.
3. Integruoti DRM licencijų serverį į savo vaizdo grotuvą.

Tada vaizdo grotuvas paprašys licencijos iš DRM licencijų serverio prieš pradėdamas atkurti vaizdo įrašą. Licencijoje bus iššifravimo raktai, reikalingi vaizdo turiniui iššifruoti.

DASH su bendruoju šifravimu (CENC) suteikia standartizuotą būdą naudoti kelias DRM sistemas su vienu užšifruoto turinio rinkiniu. Tai sumažina sudėtingumą ir pagerina sąveikumą.

Bendrasis medijos taikomosios programos formatas (CMAF)

Bendrasis medijos taikomosios programos formatas (CMAF) yra standartas medijos turinio pakavimui, kurio tikslas yra supaprastinti vaizdo transliacijos darbo eigą, naudojant vieną fragmentuotą MP4 (fMP4) formatą tiek HLS, tiek DASH. Tai pašalina poreikį kurti atskirus vaizdo segmentus kiekvienam protokolui, sumažinant saugojimo išlaidas ir supaprastinant turinio valdymą.

CMAF tampa vis populiaresnis ir jį palaiko daugelis vaizdo grotuvų bei CDN tinklų. Naudojant CMAF galima žymiai supaprastinti vaizdo transliacijos darbo eigą ir pagerinti suderinamumą įvairiose platformose.

Frontend vaizdo transliacijos našumo optimizavimas

Norint užtikrinti sklandžią ir aukštos kokybės vaizdo transliacijos patirtį savo vartotojams, būtina optimizuoti frontend našumą. Štai keletas patarimų, kaip optimizuoti frontend vaizdo transliacijos našumą:

• Naudokite CDN: Kaip minėta anksčiau, naudojant CDN galima žymiai pagerinti vaizdo atkūrimo našumą, kaupiant vaizdo turinį arčiau vartotojų.
• Optimizuokite vaizdo kodavimą: Naudokite tinkamus vaizdo kodavimo nustatymus, kad subalansuotumėte vaizdo kokybę ir failo dydį. Apsvarstykite galimybę naudoti kintamo bitų srauto kodavimą (VBR), kad optimizuotumėte vaizdo kokybę atsižvelgiant į turinio sudėtingumą.
• Naudokite adaptyvaus bitų srauto transliaciją: Įdiekite adaptyvaus bitų srauto transliaciją (HLS arba DASH), kad dinamiškai koreguotumėte vaizdo kokybę atsižvelgiant į vartotojo tinklo sąlygas.
• Iš anksto įkelkite vaizdo segmentus: Iš anksto įkelkite vaizdo segmentus, kad sumažintumėte paleidimo vėlavimą ir pagerintumėte atkūrimo sklandumą.
• Naudokite HTTP/2: HTTP/2 gali žymiai pagerinti vaizdo transliacijos našumą, leisdamas lygiagrečiai atsisiųsti kelis vaizdo segmentus.
• Optimizuokite vaizdo grotuvo nustatymus: Konfigūruokite vaizdo grotuvo nustatymus, kad optimizuotumėte atkūrimo našumą, pvz., buferio dydį ir maksimalų bitų srautą.
• Stebėkite vaizdo našumą: Naudokite analitikos įrankius, kad stebėtumėte vaizdo našumą ir nustatytumėte tobulinimo sritis.

Pavyzdys: Optimizavimas mobiliesiems įrenginiams

Vartotojui Mumbajuje, kuris naudojasi jūsų vaizdo paslauga mobiliuoju įrenginiu su ribotu duomenų planu, optimizavimas mobiliesiems įrenginiams yra pagrindinis dalykas. Tai apima žemesnio bitų srauto srautų naudojimą, vaizdo grotuvo nustatymų optimizavimą baterijos veikimo laikui ir duomenų taupymo režimų įdiegimą, kurie leidžia vartotojui valdyti duomenų suvartojimą.

Iššūkiai frontend vaizdo transliacijoje

Nepaisant vaizdo transliacijos technologijų pažangos, išlieka keletas iššūkių teikiant sklandžią ir aukštos kokybės vaizdo patirtį frontend'e:

• Tinklo kintamumas: Tinklo sąlygos gali labai skirtis tarp vartotojų ir vietovių, todėl sunku užtikrinti nuoseklų atkūrimo našumą.
• Įrenginių fragmentacija: Platus įrenginių ir naršyklių asortimentas su skirtingomis galimybėmis ir apribojimais gali apsunkinti vaizdo transliacijos optimizavimą visiems vartotojams.
• DRM sudėtingumas: DRM diegimas gali būti sudėtingas ir reikalauja kruopštaus skirtingų DRM sistemų ir licencijavimo reikalavimų apsvarstymo.
• Vėlavimas: Pasiekti mažą vėlavimą tiesioginių transliacijų programose išlieka iššūkiu, ypač su HLS.
• Prieinamumas: Užtikrinti, kad vaizdo turinys būtų prieinamas vartotojams su negalia, reikalauja kruopštaus planavimo ir tokių funkcijų kaip titrai, subtitrai ir garso aprašymai įgyvendinimo.

Išvada

HLS ir DASH yra galingi protokolai, kurie įgalina adaptyvaus bitų srauto transliaciją, leidžiančią teikti aukštos kokybės vaizdo patirtį pasaulinei auditorijai. Suprasdami šių protokolų architektūrą, diegimą, privalumus ir trūkumus, galite priimti pagrįstus sprendimus, kurį protokolą naudoti savo specifiniams poreikiams. Naudodami CDN, DRM ir optimizuodami frontend našumą, galite dar labiau pagerinti vaizdo transliacijos patirtį ir užtikrinti, kad jūsų vaizdo turinys būtų efektyviai ir saugiai pristatytas vartotojams visame pasaulyje. Sekite naujausias tendencijas, tokias kaip CMAF, ir atsižvelkite į specifinius savo pasaulinės auditorijos poreikius, kad suteiktumėte geriausią įmanomą žiūrėjimo patirtį.