Frontend-трансляція відео: глибоке занурення в протоколи HLS та DASH

У сучасному цифровому світі потокове відео стало невід'ємною частиною нашого життя. Від розваг до освіти та не тільки, попит на безперебійний та високоякісний перегляд відео продовжує зростати. Два домінуючі протоколи, що забезпечують більшу частину цих трансляцій, — це HLS (HTTP Live Streaming) та DASH (Dynamic Adaptive Streaming over HTTP). Цей вичерпний посібник розглядає ці протоколи з точки зору frontend-розробки, охоплюючи їхню архітектуру, реалізацію, переваги та недоліки, надаючи вам знання для створення виняткових відео-вражень для глобальної аудиторії.

Що таке HLS та DASH?

Як HLS, так і DASH є протоколами потокової передачі з адаптивним бітрейтом, які дозволяють відеоплеєрам динамічно регулювати якість відеопотоку залежно від мережевих умов користувача. Це забезпечує плавне відтворення навіть при коливаннях пропускної здатності мережі. Вони досягають цього шляхом сегментування відеовмісту на невеликі фрагменти та надання кількох версій відео з різними бітрейтами та роздільною здатністю.

• HLS (HTTP Live Streaming): Розроблений Apple, HLS спочатку призначався для трансляції на пристрої iOS, але згодом став широко поширеним стандартом на різних платформах. Він використовує HTTP для доставки, що робить його сумісним з існуючою веб-інфраструктурою.
• DASH (Dynamic Adaptive Streaming over HTTP): DASH є відкритим стандартом, розробленим MPEG (Moving Picture Experts Group). Він пропонує більшу гнучкість щодо підтримки кодеків і розроблений так, щоб бути більш незалежним від кодеків, ніж HLS.

Архітектура HLS та DASH

Хоча HLS та DASH мають однакові фундаментальні принципи, їхня архітектура та реалізація дещо відрізняються.

Архітектура HLS

Архітектура HLS складається з наступних компонентів:

1. Кодування відео: Оригінальний відеовміст кодується в кілька версій з різними бітрейтами та роздільною здатністю. Зазвичай використовуються кодеки H.264 та H.265 (HEVC).
2. Сегментація: Закодоване відео потім сегментується на невеликі фрагменти фіксованої тривалості (зазвичай 2-10 секунд).
3. Файл маніфесту (плейлист): Створюється файл плейлиста M3U8, який містить список доступних відеосегментів та їхні відповідні URL-адреси. Плейлист також містить інформацію про різні якості відео (бітрейти та роздільну здатність).
4. Веб-сервер: Відеосегменти та файл плейлиста M3U8 зберігаються на веб-сервері, доступному через HTTP.
5. Відеоплеєр: Відеоплеєр отримує файл плейлиста M3U8 і використовує його для завантаження та відтворення відеосегментів. Плеєр динамічно перемикається між різними якостями відео залежно від мережевих умов користувача.

Приклад: Робочий процес HLS

Уявіть, що користувач у Токіо дивиться пряму трансляцію спортивної події. Відео кодується в кількох якостях. Сервер HLS створює плейлист M3U8, що вказує на 2-секундні відеосегменти. Відеоплеєр користувача, виявивши сильне інтернет-з'єднання, спочатку завантажує сегменти високої роздільної здатності. Якщо мережа слабшає, плеєр автоматично перемикається на сегменти з нижчою роздільною здатністю для підтримки плавного відтворення.

Архітектура DASH

Архітектура DASH схожа на HLS, але використовує інший формат файлу маніфесту:

1. Кодування відео: Подібно до HLS, відеовміст кодується в кілька версій з різними бітрейтами та роздільною здатністю. DASH підтримує ширший спектр кодеків, включаючи VP9 та AV1.
2. Сегментація: Закодоване відео сегментується на невеликі фрагменти.
3. Файл маніфесту (MPD): Створюється файл MPD (Media Presentation Description), який містить інформацію про доступні відеосегменти, їхні URL-адреси та інші метадані. Файл MPD використовує формат на основі XML.
4. Веб-сервер: Відеосегменти та файл MPD зберігаються на веб-сервері, доступному через HTTP.
5. Відеоплеєр: Відеоплеєр отримує файл MPD і використовує його для завантаження та відтворення відеосегментів. Плеєр динамічно перемикається між різними якостями відео залежно від мережевих умов користувача.

Приклад: Робочий процес DASH

Користувач у Сан-Паулу починає дивитися фільм на замовлення. Сервер DASH надає файл MPD, що описує різні рівні якості. Спочатку плеєр вибирає середню якість. Коли користувач переміщається в інше місце зі слабшим сигналом Wi-Fi, плеєр плавно перемикається на нижчу якість, щоб запобігти буферизації, а потім повертається до вищої якості, коли з'єднання покращується.

Реалізація HLS та DASH на Frontend

Для реалізації HLS та DASH на frontend вам знадобиться відеоплеєр, що підтримує ці протоколи. Існує кілька відеоплеєрів на основі JavaScript, зокрема:

• hls.js: Популярна JavaScript-бібліотека для відтворення потоків HLS у браузерах, які не підтримують HLS нативно.
• dash.js: JavaScript-бібліотека для відтворення потоків DASH у браузерах.
• Video.js: Універсальний HTML5-відеоплеєр, що підтримує HLS та DASH через плагіни.
• Shaka Player: JavaScript-бібліотека з відкритим кодом для адаптивних медіа, розроблена Google, що підтримує як DASH, так і HLS.
• JW Player: Комерційний відеоплеєр, що пропонує комплексну підтримку HLS та DASH, а також різноманітні інші функції.

Ось базовий приклад використання hls.js для відтворення потоку HLS:

            
<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
              
            
          

Аналогічно, ось приклад використання dash.js для відтворення потоку DASH:

            
<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
              
            
          

Переваги та недоліки HLS та DASH

Переваги HLS:

• Широка сумісність: HLS підтримується широким спектром пристроїв і браузерів, включаючи iOS, Android, macOS, Windows та Linux.
• Проста реалізація: HLS відносно легко реалізувати, оскільки він покладається на стандартний HTTP для доставки.
• Дружній до брандмауерів: HLS використовує стандартні HTTP-порти (80 та 443), що зменшує ймовірність його блокування брандмауерами.
• Хороша підтримка CDN: Мережі доставки контенту (CDN) широко підтримують HLS, що забезпечує ефективну доставку відеоконтенту користувачам у всьому світі.
• Підтримка шифрування: HLS підтримує різні методи шифрування, включаючи AES-128, для захисту відеоконтенту від несанкціонованого доступу.
• Підтримка фрагментованого MP4 (fMP4): Сучасні реалізації HLS використовують fMP4 для підвищення ефективності та сумісності з DASH.

Недоліки HLS:

• Вища затримка: HLS зазвичай має вищу затримку порівняно з іншими протоколами потокової передачі через використання довших відеосегментів. Це може бути проблемою для додатків прямої трансляції, де низька затримка є критичною.
• Орієнтація на екосистему Apple: Хоча протокол широко поширений, його походження в екосистемі Apple іноді може призводити до нюансів сумісності на платформах, що не належать Apple.

Переваги DASH:

• Незалежність від кодеків: DASH не залежить від кодеків, що означає, що він може підтримувати широкий спектр відео- та аудіокодеків, включаючи VP9 та AV1.
• Гнучкість: DASH пропонує більшу гнучкість щодо структури файлу маніфесту та сегментації.
• Нижча затримка: DASH може досягати нижчої затримки порівняно з HLS, особливо при використанні коротших відеосегментів.
• Стандартизоване шифрування: DASH підтримує Common Encryption (CENC), що забезпечує взаємодію між різними DRM-системами.

Недоліки DASH:

• Складність: DASH може бути складнішим у реалізації, ніж HLS, через його більшу гнучкість та складність формату файлу MPD.
• Підтримка браузерами: Хоча підтримка браузерами зростає, нативна підтримка DASH не така поширена, як HLS. Часто потрібні JavaScript-бібліотеки, такі як dash.js.

HLS проти DASH: Який протокол обрати?

Вибір між HLS та DASH залежить від ваших конкретних вимог та пріоритетів.

• Для широкої сумісності та простоти реалізації HLS часто є хорошим вибором. Він добре підтримується на різних платформах та пристроях, що робить його надійним варіантом для охоплення широкої аудиторії.
• Для більшої гнучкості, підтримки кодеків та меншої затримки DASH може бути кращим варіантом. Однак будьте готові до складнішої реалізації та потенційних проблем сумісності зі старими браузерами.
• Розгляньте можливість використання обох протоколів для максимальної сумісності. Цього можна досягти, закодувавши ваш відеоконтент у форматах HLS та DASH і використовуючи відеоплеєр, що підтримує обидва протоколи. Такий підхід гарантує, що ваш відеоконтент можна буде відтворити практично на будь-якому пристрої чи браузері.

Практичний приклад: Глобальний стрімінговий сервіс

Уявіть собі глобальний стрімінговий сервіс, як Netflix або Amazon Prime Video. Вони, ймовірно, використовують комбінацію HLS та DASH. Для нового контенту та платформ вони можуть віддавати перевагу DASH через його гнучкість кодеків (AV1, VP9) та можливості DRM (CENC). Для старих пристроїв та браузерів вони можуть використовувати HLS як запасний варіант. Такий подвійний підхід забезпечує безперебійний перегляд на величезному спектрі пристроїв по всьому світу.

Мережі доставки контенту (CDN) та потокове відео

Мережі доставки контенту (CDN) відіграють вирішальну роль в ефективній доставці відеоконтенту користувачам по всьому світу. CDN — це розподілені мережі серверів, які кешують відеоконтент ближче до користувачів, зменшуючи затримку та покращуючи продуктивність відтворення. Як HLS, так і DASH добре підтримуються CDN.

При виборі CDN для потокового відео враховуйте наступні фактори:

• Глобальне охоплення: Вибирайте CDN з глобальною мережею серверів, щоб забезпечити швидку та надійну доставку вашого відеоконтенту користувачам у всіх регіонах.
• Підтримка HLS та DASH: Переконайтеся, що CDN підтримує обидва протоколи — HLS та DASH.
• Можливості кешування: Шукайте CDN з розширеними можливостями кешування, такими як кешування об'єктів та підтримка HTTP/2.
• Функції безпеки: Вибирайте CDN з надійними функціями безпеки, такими як захист від DDoS-атак та SSL-шифрування.
• Аналітика та звітність: Обирайте CDN, що надає детальну аналітику та звіти про продуктивність відео, такі як використання пропускної здатності, затримка та частота помилок.

Популярні провайдери CDN для потокового відео включають:

• Akamai: Провідний провайдер CDN з глобальною мережею серверів та всебічною підтримкою HLS та DASH.
• Cloudflare: Популярний провайдер CDN, що пропонує безкоштовний тарифний план та платні плани з розширеними функціями.
• Amazon CloudFront: Сервіс CDN, що пропонується Amazon Web Services (AWS).
• Google Cloud CDN: Сервіс CDN, що пропонується Google Cloud Platform (GCP).
• Fastly: Провайдер CDN, що фокусується на доставці з низькою затримкою та розширеному кешуванні.

Управління цифровими правами (DRM)

Управління цифровими правами (DRM) — це набір технологій, що використовуються для захисту відеоконтенту від несанкціонованого доступу та копіювання. DRM є важливим для захисту преміум-контенту, такого як фільми та телешоу, від піратства.

Як HLS, так і DASH підтримують різні системи DRM, зокрема:

• Widevine: Система DRM, розроблена Google.
• PlayReady: Система DRM, розроблена Microsoft.
• FairPlay Streaming: Система DRM, розроблена Apple.

Щоб реалізувати DRM у вашому додатку для потокового відео, вам потрібно:

1. Зашифрувати відеоконтент за допомогою алгоритму шифрування, що підтримується DRM.
2. Отримати ліцензію від провайдера DRM.
3. Інтегрувати сервер ліцензій DRM у ваш відеоплеєр.

Відеоплеєр потім запитає ліцензію у сервера ліцензій DRM перед відтворенням відео. Ліцензія міститиме ключі дешифрування, необхідні для розшифровки відеоконтенту.

DASH з Common Encryption (CENC) надає стандартизований спосіб використання кількох систем DRM з єдиним набором зашифрованого контенту. Це зменшує складність та покращує взаємодію.

Загальний формат медіа-додатків (CMAF)

Загальний формат медіа-додатків (CMAF) — це стандарт для пакування медіаконтенту, який має на меті спростити робочий процес потокового відео, використовуючи єдиний формат фрагментованого MP4 (fMP4) як для HLS, так і для DASH. Це усуває необхідність створювати окремі відеосегменти для кожного протоколу, зменшуючи витрати на зберігання та спрощуючи управління контентом.

CMAF стає все більш популярним і підтримується багатьма відеоплеєрами та CDN. Використання CMAF може значно оптимізувати ваш робочий процес потокового відео та покращити сумісність на різних платформах.

Оптимізація продуктивності frontend-трансляції відео

Щоб забезпечити плавний та високоякісний перегляд відео для ваших користувачів, важливо оптимізувати продуктивність на frontend. Ось кілька порад щодо оптимізації продуктивності frontend-трансляції відео:

• Використовуйте CDN: Як згадувалося раніше, використання CDN може значно покращити продуктивність відтворення відео, кешуючи відеоконтент ближче до користувачів.
• Оптимізуйте кодування відео: Використовуйте відповідні налаштування кодування відео для збалансування якості відео та розміру файлу. Розгляньте можливість використання кодування зі змінним бітрейтом (VBR) для оптимізації якості відео залежно від складності контенту.
• Використовуйте потокову передачу з адаптивним бітрейтом: Реалізуйте потокову передачу з адаптивним бітрейтом (HLS або DASH) для динамічного регулювання якості відео залежно від мережевих умов користувача.
• Попередньо завантажуйте відеосегменти: Попередньо завантажуйте відеосегменти, щоб зменшити затримку запуску та покращити плавність відтворення.
• Використовуйте HTTP/2: HTTP/2 може значно покращити продуктивність потокового відео, дозволяючи завантажувати кілька відеосегментів паралельно.
• Оптимізуйте налаштування відеоплеєра: Налаштуйте параметри вашого відеоплеєра для оптимізації продуктивності відтворення, такі як розмір буфера та максимальний бітрейт.
• Моніторте продуктивність відео: Використовуйте інструменти аналітики для моніторингу продуктивності відео та виявлення областей для покращення.

Приклад: Оптимізація для мобільних пристроїв

Для користувача в Мумбаї, який отримує доступ до вашого відеосервісу на мобільному пристрої з обмеженим тарифним планом, оптимізація для мобільних пристроїв є ключовою. Це включає використання потоків з нижчим бітрейтом, оптимізацію налаштувань відеоплеєра для економії заряду батареї та реалізацію режимів економії даних, що дозволяють користувачеві контролювати споживання даних.

Виклики у frontend-трансляції відео

Незважаючи на досягнення в технології потокового відео, залишається кілька викликів у забезпеченні безперебійного та високоякісного відеоперегляду на frontend:

• Мінливість мережі: Мережеві умови можуть значно відрізнятися між користувачами та локаціями, що ускладнює забезпечення стабільної продуктивності відтворення.
• Фрагментація пристроїв: Широкий спектр пристроїв та браузерів з різними можливостями та обмеженнями може ускладнити оптимізацію потокового відео для всіх користувачів.
• Складність DRM: Впровадження DRM може бути складним і вимагає ретельного розгляду різних систем DRM та вимог ліцензування.
• Затримка: Досягнення низької затримки для додатків прямої трансляції залишається проблемою, особливо з HLS.
• Доступність: Забезпечення доступності відеоконтенту для користувачів з обмеженими можливостями вимагає ретельного планування та впровадження таких функцій, як титри, субтитри та аудіоописи.

Висновок

HLS та DASH — це потужні протоколи, що забезпечують потокову передачу з адаптивним бітрейтом, дозволяючи вам надавати високоякісні відео-враження глобальній аудиторії. Розуміючи архітектуру, реалізацію, переваги та недоліки цих протоколів, ви можете приймати обґрунтовані рішення про те, який протокол використовувати для ваших конкретних потреб. Використовуючи CDN, DRM та оптимізуючи продуктивність frontend, ви можете ще більше покращити досвід потокового відео та забезпечити ефективну та безпечну доставку вашого відеоконтенту користувачам по всьому світу. Слідкуйте за останніми тенденціями, такими як CMAF, та враховуйте конкретні потреби вашої глобальної аудиторії, щоб забезпечити найкращий можливий досвід перегляду.