Frontend video straumēšana: HLS un DASH protokolu dziļāka analīze

Mūsdienu digitālajā vidē video straumēšana ir kļuvusi par neatņemamu mūsu dzīves sastāvdaļu. No izklaides līdz izglītībai un tālāk, pieprasījums pēc nevainojamas un augstas kvalitātes video pieredzes turpina pieaugt. Divi dominējošie protokoli, kas nodrošina lielu daļu šīs straumēšanas, ir HLS (HTTP Live Streaming) un DASH (Dynamic Adaptive Streaming over HTTP). Šī visaptverošā rokasgrāmata pēta šos protokolus no frontend perspektīvas, aptverot to arhitektūru, ieviešanu, priekšrocības un trūkumus, sniedzot jums zināšanas, lai nodrošinātu izcilu video pieredzi globālai auditorijai.

Kas ir HLS un DASH?

Gan HLS, gan DASH ir adaptīvā bitreita straumēšanas protokoli, kas ļauj video atskaņotājiem dinamiski pielāgot video straumes kvalitāti atbilstoši lietotāja tīkla apstākļiem. Tas nodrošina vienmērīgu atskaņošanas pieredzi pat tad, ja tīkla joslas platums svārstās. To viņi panāk, sadalot video saturu mazos gabalos un nodrošinot vairākas video versijas ar dažādiem bitreitiem un izšķirtspējām.

• HLS (HTTP Live Streaming): Izstrādājis Apple, HLS sākotnēji bija paredzēts straumēšanai uz iOS ierīcēm, bet kopš tā laika ir kļuvis par plaši pieņemtu standartu dažādās platformās. Tas balstās uz HTTP piegādi, padarot to saderīgu ar esošo tīmekļa infrastruktūru.
• DASH (Dynamic Adaptive Streaming over HTTP): DASH ir atvērts standarts, ko izstrādājusi MPEG (Moving Picture Experts Group). Tas piedāvā lielāku elastību attiecībā uz kodeku atbalstu un ir izstrādāts, lai būtu vairāk kodeku neatkarīgs nekā HLS.

HLS un DASH arhitektūra

Lai gan HLS un DASH ir kopīgi pamatprincipi, to arhitektūra un ieviešana nedaudz atšķiras.

HLS arhitektūra

HLS arhitektūra sastāv no šādiem komponentiem:

1. Video kodēšana: Sākotnējais video saturs tiek kodēts vairākās versijās ar dažādiem bitreitiem un izšķirtspējām. Parasti tiek izmantoti H.264 un H.265 (HEVC) kodeki.
2. Segmentēšana: Pēc tam kodētais video tiek sadalīts mazos, fiksēta ilguma gabalos (parasti 2-10 sekundes).
3. Manifesta fails (atskaņošanas saraksts): Tiek izveidots M3U8 atskaņošanas saraksta fails, kurā ir saraksts ar pieejamajiem video segmentiem un to atbilstošajiem URL. Atskaņošanas sarakstā ir arī informācija par dažādām video kvalitātēm (bitreitiem un izšķirtspējām).
4. Tīmekļa serveris: Video segmenti un M3U8 atskaņošanas saraksta fails tiek glabāti tīmekļa serverī, pieejami caur HTTP.
5. Video atskaņotājs: Video atskaņotājs saņem M3U8 atskaņošanas saraksta failu un izmanto to, lai lejupielādētu un atskaņotu video segmentus. Atskaņotājs dinamiski pārslēdzas starp dažādām video kvalitātēm, pamatojoties uz lietotāja tīkla apstākļiem.

Piemērs: HLS darbplūsma

Iedomājieties lietotāju Tokijā, kurš skatās sporta tiešraidi. Video tiek kodēts vairākās kvalitātēs. HLS serveris izveido M3U8 atskaņošanas sarakstu, kas norāda uz 2 sekunžu video segmentiem. Lietotāja video atskaņotājs, konstatējot spēcīgu interneta savienojumu, sākotnēji lejupielādē augstas izšķirtspējas segmentus. Ja tīkls kļūst vājāks, atskaņotājs automātiski pārslēdzas uz zemākas izšķirtspējas segmentiem, lai saglabātu vienmērīgu atskaņošanu.

DASH arhitektūra

DASH arhitektūra ir līdzīga HLS, bet tā izmanto atšķirīgu manifesta faila formātu:

1. Video kodēšana: Līdzīgi kā HLS, video saturs tiek kodēts vairākās versijās ar dažādiem bitreitiem un izšķirtspējām. DASH atbalsta plašāku kodeku klāstu, ieskaitot VP9 un AV1.
2. Segmentēšana: Kodētais video tiek sadalīts mazos gabalos.
3. Manifesta fails (MPD): Tiek izveidots MPD (Media Presentation Description) fails, kurā ir informācija par pieejamajiem video segmentiem, to URL un citi metadati. MPD fails izmanto uz XML balstītu formātu.
4. Tīmekļa serveris: Video segmenti un MPD fails tiek glabāti tīmekļa serverī, pieejami caur HTTP.
5. Video atskaņotājs: Video atskaņotājs saņem MPD failu un izmanto to, lai lejupielādētu un atskaņotu video segmentus. Atskaņotājs dinamiski pārslēdzas starp dažādām video kvalitātēm, pamatojoties uz lietotāja tīkla apstākļiem.

Piemērs: DASH darbplūsma

Lietotājs Sanpaulu sāk skatīties filmu pēc pieprasījuma. DASH serveris nodrošina MPD failu, kas apraksta dažādus kvalitātes līmeņus. Sākotnēji atskaņotājs izvēlas vidējas klases kvalitāti. Lietotājam pārvietojoties uz citu vietu ar vājāku Wi-Fi signālu, atskaņotājs nemanāmi pārslēdzas uz zemāku kvalitāti, lai novērstu buferizāciju, un pēc tam atgriežas pie augstākas kvalitātes, kad savienojums uzlabojas.

HLS un DASH ieviešana frontend pusē

Lai ieviestu HLS un DASH frontend pusē, jums būs nepieciešams video atskaņotājs, kas atbalsta šos protokolus. Ir pieejami vairāki uz JavaScript balstīti video atskaņotāji, tostarp:

• hls.js: Populāra JavaScript bibliotēka HLS straumju atskaņošanai pārlūkprogrammās, kuras dabiski neatbalsta HLS.
• dash.js: JavaScript bibliotēka DASH straumju atskaņošanai pārlūkprogrammās.
• Video.js: Daudzpusīgs HTML5 video atskaņotājs, kas atbalsta HLS un DASH, izmantojot spraudņus.
• Shaka Player: Google izstrādāta atvērtā koda JavaScript bibliotēka adaptīvajiem medijiem, kas atbalsta gan DASH, gan HLS.
• JW Player: Komerciāls video atskaņotājs, kas piedāvā visaptverošu atbalstu HLS un DASH, kā arī dažādas citas funkcijas.

Šeit ir pamata piemērs, kā izmantot hls.js, lai atskaņotu HLS straumi:

            
<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
              
            
          

Līdzīgi, šeit ir piemērs, kā izmantot dash.js, lai atskaņotu DASH straumi:

            
<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 un DASH priekšrocības un trūkumi

HLS priekšrocības:

• Plaša saderība: HLS atbalsta plašs ierīču un pārlūkprogrammu klāsts, tostarp iOS, Android, macOS, Windows un Linux.
• Vienkārša ieviešana: HLS ir salīdzinoši viegli ieviest, jo tas balstās uz standarta HTTP piegādi.
• Draudzīgs ugunsmūriem: HLS izmanto standarta HTTP portus (80 un 443), tāpēc ir mazāka iespējamība, ka to bloķēs ugunsmūri.
• Labs CDN atbalsts: Satura piegādes tīkli (CDN) plaši atbalsta HLS, nodrošinot efektīvu video satura piegādi lietotājiem visā pasaulē.
• Šifrēšanas atbalsts: HLS atbalsta dažādas šifrēšanas metodes, tostarp AES-128, lai aizsargātu video saturu no neatļautas piekļuves.
• Fragmentēta MP4 (fMP4) atbalsts: Mūsdienu HLS implementācijas izmanto fMP4, lai uzlabotu efektivitāti un saderību ar DASH.

HLS trūkumi:

• Augstāks latentums: HLS parasti ir augstāks latentums salīdzinājumā ar citiem straumēšanas protokoliem, jo tiek izmantoti garāki video segmenti. Tas var radīt bažas tiešraides straumēšanas lietojumprogrammām, kurās zems latentums ir kritiski svarīgs.
• Fokuss uz Apple ekosistēmu: Lai gan plaši pieņemts, tā izcelsme Apple ekosistēmā dažkārt var radīt saderības nianses platformās, kas nav Apple ražojumi.

DASH priekšrocības:

• Neatkarīgs no kodekiem: DASH ir neatkarīgs no kodekiem, kas nozīmē, ka tas var atbalstīt plašu video un audio kodeku klāstu, ieskaitot VP9 un AV1.
• Elastība: DASH piedāvā lielāku elastību attiecībā uz manifesta faila struktūru un segmentēšanu.
• Zemāks latentums: DASH var sasniegt zemāku latentumu salīdzinājumā ar HLS, īpaši izmantojot īsākus video segmentus.
• Standartizēta šifrēšana: DASH atbalsta Common Encryption (CENC), kas nodrošina sadarbspēju starp dažādām DRM sistēmām.

DASH trūkumi:

• Sarežģītība: DASH var būt sarežģītāk ieviest nekā HLS, jo tam ir lielāka elastība un sarežģītāks MPD faila formāts.
• Pārlūkprogrammu atbalsts: Lai gan pārlūkprogrammu atbalsts pieaug, dabisks DASH atbalsts nav tik plaši izplatīts kā HLS. Bieži ir nepieciešamas JavaScript bibliotēkas, piemēram, dash.js.

HLS pret DASH: kuru protokolu izvēlēties?

Izvēle starp HLS un DASH ir atkarīga no jūsu konkrētajām prasībām un prioritātēm.

• Plašai saderībai un ieviešanas vienkāršībai HLS bieži ir laba izvēle. Tas ir labi atbalstīts dažādās platformās un ierīcēs, padarot to par drošu izvēli, lai sasniegtu plašu auditoriju.
• Lielākai elastībai, kodeku atbalstam un zemākam latentumam DASH varētu būt labāka opcija. Tomēr esiet gatavi sarežģītākai ieviešanai un iespējamām saderības problēmām ar vecākām pārlūkprogrammām.
• Apsveriet abu protokolu izmantošanu, lai maksimizētu saderību. To var panākt, kodējot video saturu gan HLS, gan DASH formātos un izmantojot video atskaņotāju, kas atbalsta abus protokolus. Šī pieeja nodrošina, ka jūsu video saturu var atskaņot praktiski jebkurā ierīcē vai pārlūkprogrammā.

Praktisks piemērs: globāls straumēšanas pakalpojums

Iedomājieties globālu straumēšanas pakalpojumu, piemēram, Netflix vai Amazon Prime Video. Viņi, visticamāk, izmanto HLS un DASH kombināciju. Jaunākam saturam un platformām viņi varētu dot priekšroku DASH tā kodeku elastības (AV1, VP9) un DRM iespēju (CENC) dēļ. Vecākām ierīcēm un pārlūkprogrammām viņi varētu izmantot HLS. Šī duālā pieeja nodrošina nevainojamu skatīšanos plašā ierīču klāstā visā pasaulē.

Satura piegādes tīkli (CDN) un video straumēšana

Satura piegādes tīkliem (CDN) ir izšķiroša loma efektīvā video satura piegādē lietotājiem visā pasaulē. CDN ir izkliedēti serveru tīkli, kas kešo video saturu tuvāk lietotājiem, samazinot latentumu un uzlabojot atskaņošanas veiktspēju. Gan HLS, gan DASH ir labi atbalstīti CDN tīklos.

Izvēloties CDN video straumēšanai, ņemiet vērā šādus faktorus:

• Globālais pārklājums: Izvēlieties CDN ar globālu serveru tīklu, lai nodrošinātu, ka jūsu video saturs tiek piegādāts ātri un uzticami lietotājiem visos reģionos.
• HLS un DASH atbalsts: Pārliecinieties, ka CDN atbalsta gan HLS, gan DASH protokolus.
• Kešatmiņas iespējas: Meklējiet CDN ar progresīvām kešatmiņas iespējām, piemēram, objektu kešošanu un HTTP/2 atbalstu.
• Drošības funkcijas: Izvēlieties CDN ar robustām drošības funkcijām, piemēram, DDoS aizsardzību un SSL šifrēšanu.
• Analītika un pārskati: Izvēlieties CDN, kas nodrošina detalizētu analītiku un pārskatus par video veiktspēju, piemēram, joslas platuma izmantošanu, latentumu un kļūdu līmeni.

Populāri CDN nodrošinātāji video straumēšanai ietver:

• Akamai: Vadošais CDN nodrošinātājs ar globālu serveru tīklu un visaptverošu atbalstu HLS un DASH.
• Cloudflare: Populārs CDN nodrošinātājs, kas piedāvā bezmaksas līmeni un maksas plānus ar progresīvām funkcijām.
• Amazon CloudFront: CDN pakalpojums, ko piedāvā Amazon Web Services (AWS).
• Google Cloud CDN: CDN pakalpojums, ko piedāvā Google Cloud Platform (GCP).
• Fastly: CDN nodrošinātājs, kas koncentrējas uz zema latentuma piegādi un progresīvu kešošanu.

Digitālo tiesību pārvaldība (DRM)

Digitālo tiesību pārvaldība (DRM) ir tehnoloģiju kopums, ko izmanto, lai aizsargātu video saturu no neatļautas piekļuves un kopēšanas. DRM ir būtisks, lai aizsargātu premium saturu, piemēram, filmas un TV šovus, no pirātisma.

Gan HLS, gan DASH atbalsta dažādas DRM sistēmas, tostarp:

• Widevine: Google izstrādāta DRM sistēma.
• PlayReady: Microsoft izstrādāta DRM sistēma.
• FairPlay Streaming: Apple izstrādāta DRM sistēma.

Lai ieviestu DRM savā video straumēšanas lietojumprogrammā, jums būs nepieciešams:

1. Šifrēt video saturu, izmantojot DRM atbalstītu šifrēšanas algoritmu.
2. Iegūt licenci no DRM nodrošinātāja.
3. Integrēt DRM licenču serveri savā video atskaņotājā.

Pēc tam video atskaņotājs pirms video atskaņošanas pieprasīs licenci no DRM licenču servera. Licencē būs atšifrēšanas atslēgas, kas nepieciešamas video satura atšifrēšanai.

DASH ar Common Encryption (CENC) nodrošina standartizētu veidu, kā izmantot vairākas DRM sistēmas ar vienu šifrēta satura kopu. Tas samazina sarežģītību un uzlabo sadarbspēju.

Vienotais mediju lietojumprogrammu formāts (CMAF)

Vienotais mediju lietojumprogrammu formāts (CMAF) ir standarts mediju satura iepakošanai, kura mērķis ir vienkāršot video straumēšanas darbplūsmu, izmantojot vienu fragmentētu MP4 (fMP4) formātu gan HLS, gan DASH. Tas novērš nepieciešamību veidot atsevišķus video segmentus katram protokolam, samazinot uzglabāšanas izmaksas un vienkāršojot satura pārvaldību.

CMAF kļūst arvien populārāks, un to atbalsta daudzi video atskaņotāji un CDN. CMAF izmantošana var ievērojami racionalizēt jūsu video straumēšanas darbplūsmu un uzlabot saderību dažādās platformās.

Frontend video straumēšanas veiktspējas optimizēšana

Lai nodrošinātu lietotājiem vienmērīgu un augstas kvalitātes video straumēšanas pieredzi, ir būtiski optimizēt frontend veiktspēju. Šeit ir daži padomi frontend video straumēšanas veiktspējas optimizēšanai:

• Izmantojiet CDN: Kā minēts iepriekš, CDN izmantošana var ievērojami uzlabot video atskaņošanas veiktspēju, kešojot video saturu tuvāk lietotājiem.
• Optimizējiet video kodēšanu: Izmantojiet atbilstošus video kodēšanas iestatījumus, lai līdzsvarotu video kvalitāti un faila izmēru. Apsveriet mainīgā bitreita kodēšanas (VBR) izmantošanu, lai optimizētu video kvalitāti atbilstoši satura sarežģītībai.
• Izmantojiet adaptīvā bitreita straumēšanu: Ieviesiet adaptīvā bitreita straumēšanu (HLS vai DASH), lai dinamiski pielāgotu video kvalitāti atbilstoši lietotāja tīkla apstākļiem.
• Iepriekš ielādējiet video segmentus: Iepriekš ielādējiet video segmentus, lai samazinātu startēšanas latentumu un uzlabotu atskaņošanas vienmērīgumu.
• Izmantojiet HTTP/2: HTTP/2 var ievērojami uzlabot video straumēšanas veiktspēju, ļaujot lejupielādēt vairākus video segmentus paralēli.
• Optimizējiet video atskaņotāja iestatījumus: Konfigurējiet video atskaņotāja iestatījumus, lai optimizētu atskaņošanas veiktspēju, piemēram, bufera lielumu un maksimālo bitreitu.
• Pārraugiet video veiktspēju: Izmantojiet analītikas rīkus, lai pārraudzītu video veiktspēju un identificētu jomas uzlabojumiem.

Piemērs: optimizācija mobilajām ierīcēm

Lietotājam Mumbajā, kurš piekļūst jūsu video pakalpojumam mobilajā ierīcē ar ierobežotu datu plānu, optimizācija mobilajām ierīcēm ir galvenais. Tas ietver zemāku bitreitu straumju izmantošanu, video atskaņotāja iestatījumu optimizēšanu akumulatora darbības laikam un datu taupīšanas režīmu ieviešanu, kas ļauj lietotājam kontrolēt datu patēriņu.

Izaicinājumi frontend video straumēšanā

Neskatoties uz sasniegumiem video straumēšanas tehnoloģijā, joprojām pastāv vairāki izaicinājumi, lai nodrošinātu nevainojamu un augstas kvalitātes video pieredzi frontend pusē:

• Tīkla mainīgums: Tīkla apstākļi var ievērojami atšķirties starp lietotājiem un atrašanās vietām, padarot grūtu konsekventas atskaņošanas veiktspējas nodrošināšanu.
• Ierīču fragmentācija: Plašais ierīču un pārlūkprogrammu klāsts ar dažādām iespējām un ierobežojumiem var apgrūtināt video straumēšanas optimizēšanu visiem lietotājiem.
• DRM sarežģītība: DRM ieviešana var būt sarežģīta un prasa rūpīgu dažādu DRM sistēmu un licencēšanas prasību apsvēršanu.
• Latentums: Zema latentuma sasniegšana tiešraides straumēšanas lietojumprogrammām joprojām ir izaicinājums, īpaši ar HLS.
• Pieejamība: Lai nodrošinātu, ka video saturs ir pieejams lietotājiem ar invaliditāti, ir nepieciešama rūpīga plānošana un tādu funkciju kā slēgtie paraksti, subtitri un audio apraksti ieviešana.

Noslēgums

HLS un DASH ir spēcīgi protokoli, kas nodrošina adaptīvā bitreita straumēšanu, ļaujot jums piegādāt augstas kvalitātes video pieredzi globālai auditorijai. Izprotot šo protokolu arhitektūru, ieviešanu, priekšrocības un trūkumus, jūs varat pieņemt pamatotus lēmumus par to, kuru protokolu izmantot savām konkrētajām vajadzībām. Izmantojot CDN, DRM un optimizējot frontend veiktspēju, jūs varat vēl vairāk uzlabot video straumēšanas pieredzi un nodrošināt, ka jūsu video saturs tiek piegādāts efektīvi un droši lietotājiem visā pasaulē. Sekojiet līdzi jaunākajām tendencēm, piemēram, CMAF, un apsveriet savas globālās auditorijas specifiskās vajadzības, lai nodrošinātu vislabāko iespējamo skatīšanās pieredzi.