Frontend video pretakanje: Poglobljen vpogled v protokola HLS in DASH

V današnjem digitalnem okolju je video pretakanje postalo neločljiv del naših življenj. Od zabave do izobraževanja in naprej, povpraševanje po brezhibnih in visokokakovostnih video izkušnjah nenehno raste. Dva prevladujoča protokola, ki poganjata večino tega pretakanja, sta HLS (HTTP Live Streaming) in DASH (Dynamic Adaptive Streaming over HTTP). Ta izčrpen vodnik raziskuje te protokole s frontend perspektive, zajema njihovo arhitekturo, implementacijo, prednosti in slabosti ter vam zagotavlja znanje za zagotavljanje izjemnih video izkušenj globalnemu občinstvu.

Kaj sta HLS in DASH?

Tako HLS kot DASH sta protokola za pretakanje z adaptivno bitno hitrostjo, ki predvajalnikom videa omogočata dinamično prilagajanje kakovosti video toka glede na omrežne pogoje uporabnika. To zagotavlja gladko izkušnjo predvajanja, tudi ko pasovna širina omrežja niha. To dosežejo s segmentiranjem video vsebine na majhne dele in zagotavljanjem več različic videa pri različnih bitnih hitrostih in ločljivostih.

• HLS (HTTP Live Streaming): Razvit s strani podjetja Apple, je bil HLS prvotno zasnovan za pretakanje na naprave iOS, vendar je od takrat postal široko sprejet standard na različnih platformah. Za dostavo se zanaša na HTTP, zaradi česar je združljiv z obstoječo spletno infrastrukturo.
• DASH (Dynamic Adaptive Streaming over HTTP): DASH je odprt standard, ki ga je razvila skupina MPEG (Moving Picture Experts Group). Ponuja večjo prilagodljivost glede podpore kodekov in je zasnovan tako, da je bolj neodvisen od kodekov kot HLS.

Arhitektura HLS in DASH

Čeprav si HLS in DASH delita enaka temeljna načela, se njuna arhitektura in implementacija nekoliko razlikujeta.

HLS arhitektura

Arhitektura HLS je sestavljena iz naslednjih komponent:

1. Video kodiranje: Originalna video vsebina je kodirana v več različic pri različnih bitnih hitrostih in ločljivostih. Običajno se uporabljajo kodeki H.264 in H.265 (HEVC).
2. Segmentacija: Kodirani video je nato segmentiran na majhne dele fiksnega trajanja (običajno 2-10 sekund).
3. Manifestna datoteka (seznam predvajanja): Ustvari se datoteka seznama predvajanja M3U8, ki vsebuje seznam razpoložljivih video segmentov in njihovih ustreznih URL-jev. Seznam predvajanja vključuje tudi informacije o različnih kakovostih videa (bitne hitrosti in ločljivosti).
4. Spletni strežnik: Video segmenti in datoteka seznama predvajanja M3U8 so shranjeni na spletnem strežniku, dostopni preko HTTP.
5. Video predvajalnik: Video predvajalnik pridobi datoteko seznama predvajanja M3U8 in jo uporabi za prenos in predvajanje video segmentov. Predvajalnik dinamično preklaplja med različnimi kakovostmi videa glede na omrežne pogoje uporabnika.

Primer: Potek dela HLS

Predstavljajte si uporabnika v Tokiu, ki gleda športni dogodek v živo. Video je kodiran v več kakovostih. Strežnik HLS ustvari seznam predvajanja M3U8, ki kaže na 2-sekundne video segmente. Uporabnikov video predvajalnik, ki zazna močno internetno povezavo, sprva prenese segmente visoke ločljivosti. Če omrežje oslabi, predvajalnik samodejno preklopi na segmente nižje ločljivosti, da ohrani gladko predvajanje.

DASH arhitektura

Arhitektura DASH je podobna HLS, vendar uporablja drugačen format manifestne datoteke:

1. Video kodiranje: Podobno kot pri HLS, je video vsebina kodirana v več različic pri različnih bitnih hitrostih in ločljivostih. DASH podpira širši nabor kodekov, vključno z VP9 in AV1.
2. Segmentacija: Kodirani video je segmentiran na majhne dele.
3. Manifestna datoteka (MPD): Ustvari se datoteka MPD (Media Presentation Description), ki vsebuje informacije o razpoložljivih video segmentih, njihovih URL-jih in drugih metapodatkih. Datoteka MPD uporablja format, ki temelji na XML.
4. Spletni strežnik: Video segmenti in datoteka MPD so shranjeni na spletnem strežniku, dostopni preko HTTP.
5. Video predvajalnik: Video predvajalnik pridobi datoteko MPD in jo uporabi za prenos in predvajanje video segmentov. Predvajalnik dinamično preklaplja med različnimi kakovostmi videa glede na omrežne pogoje uporabnika.

Primer: Potek dela DASH

Uporabnik v São Paulu začne gledati film na zahtevo. Strežnik DASH ponudi datoteko MPD, ki opisuje različne ravni kakovosti. Sprva predvajalnik izbere srednjo kakovost. Ko se uporabnik premakne na drugo lokacijo s šibkejšim signalom Wi-Fi, predvajalnik brezhibno preklopi na nižjo kakovost, da prepreči nalaganje, nato pa se vrne na višjo kakovost, ko se povezava izboljša.

Implementacija HLS in DASH na frontendu

Za implementacijo HLS in DASH na frontendu boste potrebovali video predvajalnik, ki podpira te protokole. Na voljo je več video predvajalnikov na osnovi JavaScripta, vključno z:

• hls.js: Priljubljena knjižnica JavaScript za predvajanje HLS tokov v brskalnikih, ki izvorno ne podpirajo HLS.
• dash.js: Knjižnica JavaScript za predvajanje DASH tokov v brskalnikih.
• Video.js: Vsestranski HTML5 video predvajalnik, ki podpira HLS in DASH preko vtičnikov.
• Shaka Player: Odprtokodna knjižnica JavaScript za adaptivne medije, razvita s strani podjetja Google, ki podpira tako DASH kot HLS.
• JW Player: Komercialni video predvajalnik, ki ponuja celovito podporo za HLS in DASH, skupaj z različnimi drugimi funkcijami.

Tukaj je osnovni primer, kako uporabiti hls.js za predvajanje HLS toka:

            
<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
              
            
          

Podobno je tukaj primer uporabe dash.js za predvajanje DASH toka:

            
<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
              
            
          

Prednosti in slabosti HLS in DASH

Prednosti HLS:

• Široka združljivost: HLS podpira širok nabor naprav in brskalnikov, vključno z iOS, Android, macOS, Windows in Linux.
• Enostavna implementacija: HLS je razmeroma enostaven za implementacijo, saj se za dostavo zanaša na standardni HTTP.
• Prijazen do požarnih zidov: HLS uporablja standardna HTTP vrata (80 in 443), zato je manj verjetno, da ga bodo blokirali požarni zidovi.
• Dobra podpora CDN: Omrežja za dostavo vsebine (CDN) široko podpirajo HLS, kar omogoča učinkovito dostavo video vsebine uporabnikom po vsem svetu.
• Podpora za šifriranje: HLS podpira različne metode šifriranja, vključno z AES-128, za zaščito video vsebine pred nepooblaščenim dostopom.
• Podpora za fragmentiran MP4 (fMP4): Sodobne implementacije HLS izkoriščajo fMP4 za izboljšano učinkovitost in združljivost z DASH.

Slabosti HLS:

• Višja latenca: HLS ima običajno višjo latenco v primerjavi z drugimi protokoli za pretakanje zaradi uporabe daljših video segmentov. To je lahko težava pri aplikacijah za pretakanje v živo, kjer je nizka latenca kritičnega pomena.
• Osredotočenost na ekosistem Apple: Čeprav je široko sprejet, lahko njegov izvor znotraj ekosistema Apple včasih povzroči nianse združljivosti na platformah, ki niso Apple.

Prednosti DASH:

• Neodvisen od kodekov: DASH je neodvisen od kodekov, kar pomeni, da lahko podpira širok nabor video in avdio kodekov, vključno z VP9 in AV1.
• Prilagodljivost: DASH ponuja večjo prilagodljivost glede strukture manifestne datoteke in segmentacije.
• Nižja latenca: DASH lahko doseže nižjo latenco v primerjavi z HLS, še posebej pri uporabi krajših video segmentov.
• Standardizirano šifriranje: DASH podpira skupno šifriranje (CENC), kar omogoča medsebojno delovanje med različnimi sistemi DRM.

Slabosti DASH:

• Kompleksnost: DASH je lahko bolj kompleksen za implementacijo kot HLS, zaradi večje prilagodljivosti in kompleksnosti formata datoteke MPD.
• Podpora brskalnika: Čeprav podpora brskalnikov raste, izvorna podpora za DASH ni tako razširjena kot HLS. Pogosto so potrebne knjižnice JavaScript, kot je dash.js.

HLS proti DASH: Kateri protokol izbrati?

• Za široko združljivost in enostavnost implementacije je HLS pogosto dobra izbira. Dobro je podprt na različnih platformah in napravah, kar ga dela varno izbiro za doseganje širokega občinstva.
• Za večjo prilagodljivost, podporo kodekov in nižjo latenco je DASH morda boljša možnost. Vendar bodite pripravljeni na kompleksnejšo implementacijo in morebitne težave z združljivostjo pri starejših brskalnikih.
• Razmislite o uporabi obeh protokolov za maksimiziranje združljivosti. To lahko dosežete tako, da kodirate svojo video vsebino v formatih HLS in DASH ter uporabite video predvajalnik, ki podpira oba protokola. Ta pristop zagotavlja, da se vaša video vsebina lahko predvaja na skoraj vsaki napravi ali brskalniku.

Praktični primer: Globalna storitev pretakanja

Predstavljajte si globalno storitev pretakanja, kot sta Netflix ali Amazon Prime Video. Verjetno uporabljajo kombinacijo HLS in DASH. Za novejše vsebine in platforme bi lahko dali prednost DASH-u zaradi njegove prilagodljivosti kodekov (AV1, VP9) in zmogljivosti DRM (CENC). Za starejše naprave in brskalnike pa bi se morda zatekli k HLS. Ta dvojni pristop zagotavlja brezhibno gledanje na širokem naboru naprav po vsem svetu.

Omrežja za dostavo vsebine (CDN) in video pretakanje

Omrežja za dostavo vsebine (CDN) igrajo ključno vlogo pri učinkoviti dostavi video vsebine uporabnikom po vsem svetu. CDN-ji so distribuirana omrežja strežnikov, ki predpomnijo video vsebino bližje uporabnikom, zmanjšujejo latenco in izboljšujejo zmogljivost predvajanja. Tako HLS kot DASH sta dobro podprta s strani CDN-jev.

Pri izbiri CDN-ja za video pretakanje upoštevajte naslednje dejavnike:

• Globalni doseg: Izberite CDN z globalnim omrežjem strežnikov, da zagotovite hitro in zanesljivo dostavo vaše video vsebine uporabnikom v vseh regijah.
• Podpora HLS in DASH: Prepričajte se, da CDN podpira protokola HLS in DASH.
• Zmogljivosti predpomnjenja: Poiščite CDN z naprednimi zmogljivostmi predpomnjenja, kot sta predpomnjenje objektov in podpora za HTTP/2.
• Varnostne funkcije: Izberite CDN z robustnimi varnostnimi funkcijami, kot sta zaščita pred DDoS napadi in SSL šifriranje.
• Analitika in poročanje: Izberite CDN, ki zagotavlja podrobno analitiko in poročanje o zmogljivosti videa, kot so poraba pasovne širine, latenca in stopnje napak.

Priljubljeni ponudniki CDN za video pretakanje vključujejo:

• Akamai: Vodilni ponudnik CDN z globalnim omrežjem strežnikov in celovito podporo za HLS in DASH.
• Cloudflare: Priljubljen ponudnik CDN, ki ponuja brezplačen paket in plačljive načrte z naprednimi funkcijami.
• Amazon CloudFront: Storitev CDN, ki jo ponuja Amazon Web Services (AWS).
• Google Cloud CDN: Storitev CDN, ki jo ponuja Google Cloud Platform (GCP).
• Fastly: Ponudnik CDN, ki se osredotoča na dostavo z nizko latenco in napredno predpomnjenje.

Upravljanje digitalnih pravic (DRM)

Upravljanje digitalnih pravic (DRM) je nabor tehnologij, ki se uporabljajo za zaščito video vsebine pred nepooblaščenim dostopom in kopiranjem. DRM je bistvenega pomena za zaščito premium vsebine, kot so filmi in TV-oddaje, pred piratstvom.

Tako HLS kot DASH podpirata različne sisteme DRM, vključno z:

• Widevine: Sistem DRM, ki ga je razvil Google.
• PlayReady: Sistem DRM, ki ga je razvil Microsoft.
• FairPlay Streaming: Sistem DRM, ki ga je razvil Apple.

Za implementacijo DRM v vaši aplikaciji za video pretakanje boste morali:

1. Šifrirajte video vsebino z uporabo šifrirnega algoritma, ki ga podpira DRM.
2. Pridobite licenco od ponudnika DRM.
3. Integrirajte licenčni strežnik DRM v vaš video predvajalnik.

Video predvajalnik bo nato zahteval licenco od licenčnega strežnika DRM, preden bo predvajal video. Licenca bo vsebovala dešifrirne ključe, potrebne za dešifriranje video vsebine.

DASH s skupnim šifriranjem (CENC) zagotavlja standardiziran način uporabe več sistemov DRM z enim samim naborom šifrirane vsebine. To zmanjšuje kompleksnost in izboljšuje medsebojno delovanje.

Splošni medijski format aplikacije (CMAF)

Splošni medijski format aplikacije (CMAF) je standard za pakiranje medijske vsebine, katerega cilj je poenostaviti potek dela video pretakanja z uporabo enega samega fragmentiranega formata MP4 (fMP4) za HLS in DASH. To odpravlja potrebo po ustvarjanju ločenih video segmentov za vsak protokol, zmanjšuje stroške shranjevanja in poenostavlja upravljanje vsebine.

CMAF postaja vse bolj priljubljen in ga podpirajo številni video predvajalniki in CDN-ji. Uporaba CMAF lahko znatno poenostavi vaš potek dela video pretakanja in izboljša združljivost med različnimi platformami.

Optimizacija zmogljivosti frontend video pretakanja

Za zagotovitev gladke in visokokakovostne izkušnje video pretakanja za vaše uporabnike je bistveno optimizirati frontend zmogljivost. Tukaj je nekaj nasvetov za optimizacijo zmogljivosti frontend video pretakanja:

• Uporabite CDN: Kot že omenjeno, lahko uporaba CDN-ja znatno izboljša zmogljivost predvajanja videa z predpomnjenjem video vsebine bližje uporabnikom.
• Optimizirajte video kodiranje: Uporabite ustrezne nastavitve video kodiranja za uravnoteženje kakovosti videa in velikosti datoteke. Razmislite o uporabi kodiranja s spremenljivo bitno hitrostjo (VBR) za optimizacijo kakovosti videa glede na kompleksnost vsebine.
• Uporabite adaptivno bitno pretakanje: Implementirajte adaptivno bitno pretakanje (HLS ali DASH) za dinamično prilagajanje kakovosti videa glede na omrežne pogoje uporabnika.
• Prednaložite video segmente: Prednaložite video segmente, da zmanjšate latenco zagona in izboljšate gladkost predvajanja.
• Uporabite HTTP/2: HTTP/2 lahko znatno izboljša zmogljivost video pretakanja z omogočanjem vzporednega prenosa več video segmentov.
• Optimizirajte nastavitve video predvajalnika: Konfigurirajte nastavitve vašega video predvajalnika za optimizacijo zmogljivosti predvajanja, kot sta velikost medpomnilnika in največja bitna hitrost.
• Spremljajte zmogljivost videa: Uporabite analitična orodja za spremljanje zmogljivosti videa in prepoznavanje področij za izboljšave.

Primer: Optimizacija za mobilne naprave

Za uporabnika v Mumbaju, ki dostopa do vaše video storitve na mobilni napravi z omejenim podatkovnim paketom, je optimizacija za mobilne naprave ključnega pomena. To vključuje uporabo tokov z nižjo bitno hitrostjo, optimizacijo nastavitev video predvajalnika za življenjsko dobo baterije in implementacijo načinov za varčevanje s podatki, ki uporabniku omogočajo nadzor nad porabo podatkov.

Izzivi pri frontend video pretakanju

Kljub napredku tehnologije video pretakanja, pri zagotavljanju brezhibne in visokokakovostne video izkušnje na frontendu ostaja več izzivov:

• Spremenljivost omrežja: Omrežni pogoji se lahko znatno razlikujejo med uporabniki in lokacijami, zaradi česar je težko zagotoviti dosledno zmogljivost predvajanja.
• Fragmentacija naprav: Širok nabor naprav in brskalnikov z različnimi zmogljivostmi in omejitvami lahko oteži optimizacijo video pretakanja za vse uporabnike.
• Kompleksnost DRM: Implementacija DRM je lahko kompleksna in zahteva skrbno upoštevanje različnih sistemov DRM in licenčnih zahtev.
• Latenca: Doseganje nizke latence za aplikacije za pretakanje v živo ostaja izziv, zlasti pri HLS.
• Dostopnost: Zagotavljanje dostopnosti video vsebine uporabnikom s posebnimi potrebami zahteva skrbno načrtovanje in implementacijo funkcij, kot so podnapisi, sinhronizacija in avdio opisi.

Zaključek

HLS in DASH sta zmogljiva protokola, ki omogočata pretakanje z adaptivno bitno hitrostjo, kar vam omogoča zagotavljanje visokokakovostnih video izkušenj globalnemu občinstvu. Z razumevanjem arhitekture, implementacije, prednosti in slabosti teh protokolov lahko sprejemate informirane odločitve o tem, kateri protokol uporabiti za vaše specifične potrebe. Z uporabo CDN-jev, DRM-ja in optimizacijo frontend zmogljivosti lahko še izboljšate izkušnjo video pretakanja in zagotovite, da bo vaša video vsebina učinkovito in varno dostavljena uporabnikom po vsem svetu. Bodite na tekočem z najnovejšimi trendi, kot je CMAF, in upoštevajte specifične potrebe vašega globalnega občinstva, da zagotovite najboljšo možno izkušnjo gledanja.