Frontend Videostreaming: Een Diepe Duik in HLS- en DASH-protocollen

In het digitale landschap van vandaag is videostreaming een integraal onderdeel van ons leven geworden. Van entertainment tot educatie en daarbuiten, de vraag naar naadloze en hoogwaardige video-ervaringen blijft groeien. Twee dominante protocollen die een groot deel van deze streaming mogelijk maken, zijn HLS (HTTP Live Streaming) en DASH (Dynamic Adaptive Streaming over HTTP). Deze uitgebreide gids verkent deze protocollen vanuit een frontend perspectief, waarbij de architectuur, implementatie, voordelen en nadelen aan bod komen, zodat u de kennis opdoet om uitzonderlijke video-ervaringen aan een wereldwijd publiek te leveren.

Wat zijn HLS en DASH?

Zowel HLS als DASH zijn adaptieve bitrate streamingprotocollen waarmee videospelers de kwaliteit van de videostream dynamisch kunnen aanpassen op basis van de netwerkomstandigheden van de gebruiker. Dit zorgt voor een soepele afspeelervaring, zelfs als de netwerkbandbreedte fluctueert. Ze bereiken dit door de video-inhoud in kleine segmenten te verdelen en meerdere versies van de video aan te bieden met verschillende bitrates en resoluties.

• HLS (HTTP Live Streaming): HLS, ontwikkeld door Apple, was oorspronkelijk bedoeld voor streaming naar iOS-apparaten, maar is sindsdien een veelgebruikte standaard geworden op verschillende platforms. Het is afhankelijk van HTTP voor levering, waardoor het compatibel is met de bestaande webinfrastructuur.
• DASH (Dynamic Adaptive Streaming over HTTP): DASH is een open standaard ontwikkeld door MPEG (Moving Picture Experts Group). Het biedt meer flexibiliteit op het gebied van codec-ondersteuning en is ontworpen om codec-onafhankelijker te zijn dan HLS.

De Architectuur van HLS en DASH

Hoewel HLS en DASH dezelfde fundamentele principes delen, verschillen hun architectuur en implementatie enigszins.

HLS-architectuur

De HLS-architectuur bestaat uit de volgende componenten:

1. Video-codering: De originele video-inhoud wordt gecodeerd in meerdere versies met verschillende bitrates en resoluties. H.264 en H.265 (HEVC) zijn veelgebruikte codecs.
2. Segmentatie: De gecodeerde video wordt vervolgens verdeeld in kleine segmenten met een vaste duur (meestal 2-10 seconden).
3. Manifestbestand (afspeellijst): Er wordt een M3U8-afspeellijstbestand gemaakt, dat een lijst bevat met beschikbare videosegmenten en hun bijbehorende URL's. De afspeellijst bevat ook informatie over de verschillende videokwaliteiten (bitrates en resoluties).
4. Webserver: De videosegmenten en het M3U8-afspeellijstbestand worden op een webserver opgeslagen, toegankelijk via HTTP.
5. Videospeler: De videospeler haalt het M3U8-afspeellijstbestand op en gebruikt het om de videosegmenten te downloaden en af te spelen. De speler schakelt dynamisch tussen verschillende videokwaliteiten op basis van de netwerkomstandigheden van de gebruiker.

Voorbeeld: HLS-werkstroom

Stel je een gebruiker in Tokio voor die een live sportevenement bekijkt. De video wordt gecodeerd in meerdere kwaliteiten. De HLS-server maakt een M3U8-afspeellijst die verwijst naar videosegmenten van 2 seconden. De videospeler van de gebruiker, die een sterke internetverbinding detecteert, downloadt in eerste instantie segmenten met een hoge resolutie. Als het netwerk zwakker wordt, schakelt de speler automatisch over naar segmenten met een lagere resolutie om een soepele weergave te behouden.

DASH-architectuur

De DASH-architectuur lijkt op HLS, maar gebruikt een ander manifestbestandsformaat:

1. Video-codering: Net als HLS wordt de video-inhoud gecodeerd in meerdere versies met verschillende bitrates en resoluties. DASH ondersteunt een breder scala aan codecs, waaronder VP9 en AV1.
2. Segmentatie: De gecodeerde video wordt in kleine segmenten verdeeld.
3. Manifestbestand (MPD): Er wordt een MPD-bestand (Media Presentation Description) gemaakt, dat informatie bevat over de beschikbare videosegmenten, hun URL's en andere metadata. Het MPD-bestand gebruikt een XML-gebaseerd formaat.
4. Webserver: De videosegmenten en het MPD-bestand worden op een webserver opgeslagen, toegankelijk via HTTP.
5. Videospeler: De videospeler haalt het MPD-bestand op en gebruikt het om de videosegmenten te downloaden en af te spelen. De speler schakelt dynamisch tussen verschillende videokwaliteiten op basis van de netwerkomstandigheden van de gebruiker.

Voorbeeld: DASH-werkstroom

Een gebruiker in São Paulo begint met het bekijken van een on-demand film. De DASH-server serveert een MPD-bestand dat verschillende kwaliteitsniveaus beschrijft. Aanvankelijk kiest de speler een gemiddelde kwaliteit. Terwijl de gebruiker naar een andere locatie verhuist met een zwakker wifi-signaal, schakelt de speler naadloos over naar een lagere kwaliteit om bufferen te voorkomen en keert vervolgens terug naar een hogere kwaliteit wanneer de verbinding verbetert.

HLS en DASH implementeren op de frontend

Om HLS en DASH op de frontend te implementeren, heb je een videospeler nodig die deze protocollen ondersteunt. Er zijn verschillende op JavaScript gebaseerde videospelers beschikbaar, waaronder:

• hls.js: Een populaire JavaScript-bibliotheek voor het afspelen van HLS-streams in browsers die HLS niet native ondersteunen.
• dash.js: Een JavaScript-bibliotheek voor het afspelen van DASH-streams in browsers.
• Video.js: Een veelzijdige HTML5-videospeler die HLS en DASH ondersteunt via plugins.
• Shaka Player: Een open-source JavaScript-bibliotheek voor adaptieve media, ontwikkeld door Google, die zowel DASH als HLS ondersteunt.
• JW Player: Een commerciële videospeler die uitgebreide ondersteuning biedt voor HLS en DASH, samen met verschillende andere functies.

Hier is een basisvoorbeeld van hoe je hls.js kunt gebruiken om een HLS-stream af te spelen:

            
<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
              
            
          

Evenzo is hier een voorbeeld van het gebruik van dash.js om een DASH-stream af te spelen:

            
<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
              
            
          

Voordelen en nadelen van HLS en DASH

HLS Voordelen:

• Brede compatibiliteit: HLS wordt ondersteund door een breed scala aan apparaten en browsers, waaronder iOS, Android, macOS, Windows en Linux.
• Eenvoudige implementatie: HLS is relatief eenvoudig te implementeren, omdat het afhankelijk is van standaard HTTP voor levering.
• Firewallvriendelijk: HLS gebruikt standaard HTTP-poorten (80 en 443), waardoor het minder waarschijnlijk wordt geblokkeerd door firewalls.
• Goede CDN-ondersteuning: Content Delivery Networks (CDN's) ondersteunen HLS op grote schaal, waardoor efficiënte levering van video-inhoud aan gebruikers wereldwijd mogelijk is.
• Encryptieondersteuning: HLS ondersteunt verschillende encryptiemethoden, waaronder AES-128, om video-inhoud te beschermen tegen ongeoorloofde toegang.
• Gefragmenteerde MP4 (fMP4)-ondersteuning: Moderne HLS-implementaties maken gebruik van fMP4 voor verbeterde efficiëntie en compatibiliteit met DASH.

HLS Nadelen:

• Hogere latentie: HLS heeft doorgaans een hogere latentie in vergelijking met andere streamingprotocollen, vanwege het gebruik van langere videosegmenten. Dit kan een probleem zijn voor live streaming-toepassingen waarbij lage latentie cruciaal is.
• Focus op het Apple-ecosysteem: Hoewel het op grote schaal wordt gebruikt, kan de oorsprong binnen het Apple-ecosysteem soms leiden tot compatibiliteitsnuances op niet-Apple-platforms.

DASH Voordelen:

• Codec-agnostisch: DASH is codec-agnostisch, wat betekent dat het een breed scala aan video- en audiocodecs kan ondersteunen, waaronder VP9 en AV1.
• Flexibiliteit: DASH biedt meer flexibiliteit op het gebied van manifestbestandsstructuur en segmentatie.
• Lagere latentie: DASH kan een lagere latentie bereiken in vergelijking met HLS, vooral bij gebruik van kortere videosegmenten.
• Gestandaardiseerde encryptie: DASH ondersteunt Common Encryption (CENC), waardoor interoperabiliteit tussen verschillende DRM-systemen mogelijk is.

DASH Nadelen:

• Complexiteit: DASH kan complexer zijn om te implementeren dan HLS, vanwege de grotere flexibiliteit en de complexiteit van het MPD-bestandsformaat.
• Browserondersteuning: Hoewel de browserondersteuning groeit, is de native DASH-ondersteuning niet zo wijdverspreid als HLS. JavaScript-bibliotheken zoals dash.js zijn vaak vereist.

HLS versus DASH: Welk protocol moet je kiezen?

• Voor brede compatibiliteit en eenvoudige implementatie is HLS vaak een goede keuze. Het wordt goed ondersteund op verschillende platforms en apparaten, waardoor het een veilige keuze is om een breed publiek te bereiken.
• Voor meer flexibiliteit, codec-ondersteuning en lagere latentie is DASH mogelijk een betere optie. Wees echter voorbereid op een complexere implementatie en mogelijke compatibiliteitsproblemen met oudere browsers.
• Overweeg om beide protocollen te gebruiken om de compatibiliteit te maximaliseren. Dit kan worden bereikt door je video-inhoud te coderen in zowel HLS- als DASH-formaten en een videospeler te gebruiken die beide protocollen ondersteunt. Deze aanpak zorgt ervoor dat je video-inhoud op vrijwel elk apparaat of browser kan worden afgespeeld.

Praktijkvoorbeeld: Wereldwijde streamingdienst

Stel je een wereldwijde streamingdienst voor zoals Netflix of Amazon Prime Video voor. Ze gebruiken waarschijnlijk een combinatie van HLS en DASH. Voor nieuwere inhoud en platforms geven ze mogelijk de voorkeur aan DASH vanwege de codec-flexibiliteit (AV1, VP9) en DRM-mogelijkheden (CENC). Voor oudere apparaten en browsers zouden ze mogelijk terugvallen op HLS. Deze dubbele aanpak zorgt voor naadloos kijken op een breed scala aan apparaten wereldwijd.

Content Delivery Networks (CDN's) en Videostreaming

Content Delivery Networks (CDN's) spelen een cruciale rol bij het efficiënt leveren van video-inhoud aan gebruikers over de hele wereld. CDN's zijn gedistribueerde netwerken van servers die video-inhoud dichter bij gebruikers cachen, waardoor de latentie wordt verminderd en de afspeelprestaties worden verbeterd. Zowel HLS als DASH worden goed ondersteund door CDN's.

Bij het kiezen van een CDN voor videostreaming, moet je rekening houden met de volgende factoren:

• Wereldwijde dekking: Kies een CDN met een wereldwijd netwerk van servers om ervoor te zorgen dat je video-inhoud snel en betrouwbaar wordt geleverd aan gebruikers in alle regio's.
• HLS- en DASH-ondersteuning: Zorg ervoor dat de CDN zowel HLS- als DASH-protocollen ondersteunt.
• Cachingmogelijkheden: Zoek naar een CDN met geavanceerde cachingmogelijkheden, zoals objectcaching en HTTP/2-ondersteuning.
• Beveiligingsfuncties: Kies een CDN met robuuste beveiligingsfuncties, zoals DDoS-bescherming en SSL-encryptie.
• Analyses en rapportage: Selecteer een CDN dat gedetailleerde analyses en rapportage biedt over videoprestaties, zoals bandbreedtegebruik, latentie en foutpercentages.

Populaire CDN-providers voor videostreaming zijn onder meer:

• Akamai: Een toonaangevende CDN-provider met een wereldwijd netwerk van servers en uitgebreide ondersteuning voor HLS en DASH.
• Cloudflare: Een populaire CDN-provider die een gratis laag en betaalde abonnementen met geavanceerde functies aanbiedt.
• Amazon CloudFront: Een CDN-service aangeboden door Amazon Web Services (AWS).
• Google Cloud CDN: Een CDN-service aangeboden door Google Cloud Platform (GCP).
• Fastly: Een CDN-provider die zich richt op levering met lage latentie en geavanceerde caching.

Digital Rights Management (DRM)

Digital Rights Management (DRM) is een reeks technologieën die wordt gebruikt om video-inhoud te beschermen tegen ongeoorloofde toegang en kopiëren. DRM is essentieel voor het beschermen van premium content, zoals films en tv-programma's, tegen piraterij.

Zowel HLS als DASH ondersteunen verschillende DRM-systemen, waaronder:

• Widevine: Een DRM-systeem ontwikkeld door Google.
• PlayReady: Een DRM-systeem ontwikkeld door Microsoft.
• FairPlay Streaming: Een DRM-systeem ontwikkeld door Apple.

Om DRM in je videostreamingtoepassing te implementeren, moet je:

1. De video-inhoud coderen met behulp van een DRM-ondersteund encryptie-algoritme.
2. Een licentie verkrijgen van een DRM-provider.
3. De DRM-licentieserver integreren in je videospeler.

De videospeler vraagt dan een licentie aan bij de DRM-licentieserver voordat de video wordt afgespeeld. De licentie bevat de decryptiesleutels die nodig zijn om de video-inhoud te decoderen.

DASH met Common Encryption (CENC) biedt een gestandaardiseerde manier om meerdere DRM-systemen te gebruiken met één set gecodeerde inhoud. Dit vermindert de complexiteit en verbetert de interoperabiliteit.

Common Media Application Format (CMAF)

Common Media Application Format (CMAF) is een standaard voor het verpakken van media-inhoud die tot doel heeft de workflow voor videostreaming te vereenvoudigen door één gefragmenteerd MP4 (fMP4)-formaat te gebruiken voor zowel HLS als DASH. Dit elimineert de noodzaak om afzonderlijke videosegmenten voor elk protocol te maken, waardoor de opslagkosten worden verlaagd en het contentbeheer wordt vereenvoudigd.

CMAF wordt steeds populairder en wordt door veel videospelers en CDN's ondersteund. Het gebruik van CMAF kan je workflow voor videostreaming aanzienlijk stroomlijnen en de compatibiliteit tussen verschillende platforms verbeteren.

Frontend Videostreaming Prestaties Optimaliseren

Om een soepele en hoogwaardige videostreaming-ervaring voor je gebruikers te garanderen, is het essentieel om de frontend-prestaties te optimaliseren. Hier zijn enkele tips voor het optimaliseren van frontend videostreamingprestaties:

• Gebruik een CDN: Zoals eerder vermeld, kan het gebruik van een CDN de afspeelprestaties van video aanzienlijk verbeteren door video-inhoud dichter bij gebruikers te cachen.
• Optimaliseer videocodering: Gebruik de juiste videocoderingsinstellingen om een evenwicht te vinden tussen videokwaliteit en bestandsgrootte. Overweeg om variabele bitrate-codering (VBR) te gebruiken om de videokwaliteit te optimaliseren op basis van de complexiteit van de inhoud.
• Gebruik adaptieve bitrate streaming: Implementeer adaptieve bitrate streaming (HLS of DASH) om de videokwaliteit dynamisch aan te passen op basis van de netwerkomstandigheden van de gebruiker.
• Preload videosegmenten: Laad videosegmenten vooraf om de opstartlatentie te verminderen en de afspeelsmoothness te verbeteren.
• Gebruik HTTP/2: HTTP/2 kan de videostreamingprestaties aanzienlijk verbeteren door meerdere videosegmenten parallel te downloaden.
• Optimaliseer videospelerinstellingen: Configureer je videospelerinstellingen om de afspeelprestaties te optimaliseren, zoals buffergrootte en maximale bitrate.
• Controleer videoprestaties: Gebruik analysetools om de videoprestaties te bewaken en verbeterpunten te identificeren.

Voorbeeld: Mobiele optimalisatie

Voor een gebruiker in Mumbai die via een mobiel apparaat met een beperkt data-abonnement toegang heeft tot je videoservice, is optimaliseren voor mobiel essentieel. Dit omvat het gebruik van streams met een lagere bitrate, het optimaliseren van de instellingen van de videospeler voor de levensduur van de batterij en het implementeren van databesparingsmodi waarmee de gebruiker het dataverbruik kan beheren.

Uitdagingen bij Frontend Videostreaming

Ondanks de ontwikkelingen in videostreamingtechnologie blijven er verschillende uitdagingen bestaan bij het leveren van een naadloze en hoogwaardige video-ervaring op de frontend:

• Netwerkvariabiliteit: Netwerkomstandigheden kunnen aanzienlijk variëren tussen gebruikers en locaties, waardoor het een uitdaging is om consistente afspeelprestaties te garanderen.
• Apparaatfragmentatie: De brede reeks apparaten en browsers met verschillende mogelijkheden en beperkingen kan het moeilijk maken om videostreaming voor alle gebruikers te optimaliseren.
• DRM-complexiteit: Het implementeren van DRM kan complex zijn en vereist een zorgvuldige afweging van verschillende DRM-systemen en licentievereisten.
• Latentie: Het bereiken van lage latentie voor live streaming-toepassingen blijft een uitdaging, vooral met HLS.
• Toegankelijkheid: Zorgen dat video-inhoud toegankelijk is voor gebruikers met een handicap vereist een zorgvuldige planning en implementatie van functies zoals bijschriften, ondertitels en audiobeschrijvingen.

Conclusie

HLS en DASH zijn krachtige protocollen die adaptieve bitrate streaming mogelijk maken, waardoor je hoogwaardige video-ervaringen aan een wereldwijd publiek kunt leveren. Door de architectuur, implementatie, voordelen en nadelen van deze protocollen te begrijpen, kun je weloverwogen beslissingen nemen over welk protocol je voor je specifieke behoeften moet gebruiken. Door CDN's, DRM te gebruiken en de frontend-prestaties te optimaliseren, kun je de videostreamingervaring verder verbeteren en ervoor zorgen dat je video-inhoud efficiënt en veilig wordt geleverd aan gebruikers over de hele wereld. Blijf op de hoogte van de laatste trends zoals CMAF en houd rekening met de specifieke behoeften van je wereldwijde publiek om de best mogelijke kijkervaring te bieden.