前端视频流：深入探讨 HLS 和 DASH 协议

在当今的数字环境中，视频流已成为我们生活中不可或缺的一部分。从娱乐到教育，以及其他领域，对无缝且高质量视频体验的需求持续增长。驱动大部分流媒体的两种主要协议是 HLS（HTTP Live Streaming）和 DASH（通过 HTTP 的动态自适应流）。本综合指南从前端角度探讨了这些协议，涵盖了它们的架构、实现、优势和劣势，为您提供了向全球受众提供卓越视频体验的知识。

什么是 HLS 和 DASH？

HLS 和 DASH 都是自适应比特率流媒体协议，允许视频播放器根据用户的网络状况动态调整视频流的质量。这确保了流畅的播放体验，即使网络带宽波动。它们通过将视频内容分割成小块并提供不同比特率和分辨率的多个版本的视频来实现这一点。

• HLS (HTTP Live Streaming): 由 Apple 开发，HLS 最初设计用于流式传输到 iOS 设备，但此后已成为各种平台广泛采用的标准。它依赖于 HTTP 进行传输，使其与现有的 Web 基础设施兼容。
• DASH (Dynamic Adaptive Streaming over HTTP): DASH 是由 MPEG（运动图像专家组）开发的开放标准。它在编解码器支持方面提供了更大的灵活性，并且旨在比 HLS 更具编解码器不可知性。

HLS 和 DASH 的架构

虽然 HLS 和 DASH 共享相同的基本原理，但它们的架构和实现略有不同。

HLS 架构

HLS 架构由以下组件组成：

1. 视频编码：原始视频内容被编码成不同比特率和分辨率的多个版本。H.264 和 H.265 (HEVC) 是常用的编解码器。
2. 分段：编码后的视频被分割成小的、固定时长的块（通常为 2-10 秒）。
3. 清单文件（播放列表）：创建一个 M3U8 播放列表文件，其中包含可用视频片段及其对应 URL 的列表。播放列表还包括有关不同视频质量（比特率和分辨率）的信息。
4. Web 服务器：视频片段和 M3U8 播放列表文件存储在 Web 服务器上，可通过 HTTP 访问。
5. 视频播放器：视频播放器检索 M3U8 播放列表文件并使用它来下载和播放视频片段。播放器根据用户的网络状况在不同的视频质量之间动态切换。

示例：HLS 工作流程

想象一下，东京的一位用户正在观看现场体育赛事。视频以多种质量进行编码。HLS 服务器创建一个指向 2 秒视频片段的 M3U8 播放列表。用户的视频播放器检测到强大的互联网连接，最初会下载高分辨率片段。如果网络变弱，播放器会自动切换到较低分辨率的片段以保持流畅播放。

DASH 架构

DASH 架构与 HLS 类似，但它使用不同的清单文件格式：

1. 视频编码：与 HLS 类似，视频内容被编码成不同比特率和分辨率的多个版本。DASH 支持更广泛的编解码器，包括 VP9 和 AV1。
2. 分段：编码后的视频被分割成小块。
3. 清单文件 (MPD)：创建一个 MPD（媒体呈现描述）文件，其中包含有关可用视频片段、其 URL 和其他元数据的信息。MPD 文件使用基于 XML 的格式。
4. Web 服务器：视频片段和 MPD 文件存储在 Web 服务器上，可通过 HTTP 访问。
5. 视频播放器：视频播放器检索 MPD 文件并使用它来下载和播放视频片段。播放器根据用户的网络状况在不同的视频质量之间动态切换。

示例：DASH 工作流程

一位在圣保罗的用户开始观看点播电影。DASH 服务器提供一个 MPD 文件，描述各种质量级别。最初，播放器选择中等质量。当用户移动到 Wi-Fi 信号较弱的不同位置时，播放器无缝切换到较低质量以防止缓冲，然后在连接改善时返回到较高质量。

在前端实现 HLS 和 DASH

要在前端实现 HLS 和 DASH，您需要一个支持这些协议的视频播放器。有几个基于 JavaScript 的视频播放器可用，包括：

• hls.js：一个流行的 JavaScript 库，用于在原生不支持 HLS 的浏览器中播放 HLS 流。
• dash.js：一个用于在浏览器中播放 DASH 流的 JavaScript 库。
• Video.js：一个多功能的 HTML5 视频播放器，通过插件支持 HLS 和 DASH。
• Shaka Player：一个由 Google 开发的开源 JavaScript 库，用于自适应媒体，支持 DASH 和 HLS。
• JW Player：一个商业视频播放器，提供对 HLS 和 DASH 的全面支持，以及各种其他功能。

以下是使用 hls.js 播放 HLS 流的基本示例：

            
<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>

            

              
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同样，以下是使用 dash.js 播放 DASH 流的示例：

            
<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>

            

              
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HLS 和 DASH 的优缺点

HLS 优点：

• 广泛的兼容性：HLS 受到广泛的设备和浏览器支持，包括 iOS、Android、macOS、Windows 和 Linux。
• 简单的实现：HLS 相对容易实现，因为它依赖于标准的 HTTP 进行传输。
• 防火墙友好：HLS 使用标准 HTTP 端口（80 和 443），因此不太可能被防火墙阻止。
• 良好的 CDN 支持：内容分发网络 (CDN) 广泛支持 HLS，从而能够有效地将视频内容传输给全球用户。
• 加密支持：HLS 支持各种加密方法，包括 AES-128，以保护视频内容免受未经授权的访问。
• 分段 MP4 (fMP4) 支持：现代 HLS 实现利用 fMP4 提高效率并与 DASH 兼容。

HLS 缺点：

• 较高的延迟：由于使用较长的视频片段，HLS 通常比其他流媒体协议具有更高的延迟。对于低延迟至关重要的直播应用程序来说，这可能是一个问题。
• Apple 生态系统关注：虽然被广泛采用，但其在 Apple 生态系统中的起源有时会导致非 Apple 平台上的兼容性细微差别。

DASH 优点：

• 编解码器不可知：DASH 是编解码器不可知的，这意味着它可以支持广泛的视频和音频编解码器，包括 VP9 和 AV1。
• 灵活性：DASH 在清单文件结构和分段方面提供了更大的灵活性。
• 较低的延迟：与 HLS 相比，DASH 可以实现较低的延迟，尤其是在使用较短的视频片段时。
• 标准化加密：DASH 支持通用加密 (CENC)，从而可以在不同的 DRM 系统之间进行互操作。

DASH 缺点：

• 复杂性：由于 DASH 的灵活性更大以及 MPD 文件格式的复杂性，因此与 HLS 相比，DASH 的实现可能更复杂。
• 浏览器支持：虽然浏览器支持正在增长，但原生 DASH 支持不如 HLS 广泛。通常需要 dash.js 等 JavaScript 库。

HLS 与 DASH：您应该选择哪个协议？

• 为了实现广泛的兼容性和易于实现，HLS 通常是一个不错的选择。它在各种平台和设备上都得到很好的支持，因此是接触广泛受众的可靠选择。
• 为了获得更大的灵活性、编解码器支持和更低的延迟，DASH 可能是更好的选择。但是，请准备好应对更复杂的实现以及与旧版浏览器可能出现的兼容性问题。
• 考虑同时使用这两个协议以最大限度地提高兼容性。这可以通过使用 HLS 和 DASH 两种格式对视频内容进行编码，并使用支持这两种协议的视频播放器来实现。这种方法可确保您的视频内容几乎可以在任何设备或浏览器上播放。

实际示例：全球流媒体服务

想象一下 Netflix 或 Amazon Prime Video 等全球流媒体服务。它们可能同时使用 HLS 和 DASH。对于较新的内容和平台，它们可能更喜欢 DASH，因为它具有编解码器灵活性（AV1、VP9）和 DRM 功能 (CENC)。对于旧设备和浏览器，它们可能会回退到 HLS。这种双重方法可确保在全球范围内广泛的设备上无缝观看。

内容分发网络 (CDN) 和视频流

内容分发网络 (CDN) 在向世界各地的用户有效传输视频内容方面发挥着至关重要的作用。CDN 是服务器的分布式网络，用于将视频内容缓存在更靠近用户的位置，从而减少延迟并提高播放性能。HLS 和 DASH 都受到 CDN 的良好支持。

选择用于视频流的 CDN 时，请考虑以下因素：

• 全球覆盖范围：选择具有全球服务器网络的 CDN，以确保您的视频内容能够快速可靠地传输给所有地区的用户。
• HLS 和 DASH 支持：确保 CDN 支持 HLS 和 DASH 协议。
• 缓存功能：寻找具有高级缓存功能的 CDN，例如对象缓存和 HTTP/2 支持。
• 安全功能：选择具有强大安全功能的 CDN，例如 DDoS 保护和 SSL 加密。
• 分析和报告：选择提供详细的视频性能分析和报告的 CDN，例如带宽使用、延迟和错误率。

用于视频流的流行 CDN 提供商包括：

• Akamai：领先的 CDN 提供商，拥有全球服务器网络，并全面支持 HLS 和 DASH。
• Cloudflare：一个流行的 CDN 提供商，提供免费套餐和具有高级功能的付费套餐。
• Amazon CloudFront：亚马逊网络服务 (AWS) 提供的 CDN 服务。
• Google Cloud CDN：Google Cloud Platform (GCP) 提供的 CDN 服务。
• Fastly：CDN 提供商，专注于低延迟传输和高级缓存。

数字版权管理 (DRM)

数字版权管理 (DRM) 是一组用于保护视频内容免受未经授权的访问和复制的技术。DRM 对于保护高级内容（例如电影和电视节目）免受盗版至关重要。

HLS 和 DASH 都支持各种 DRM 系统，包括：

• Widevine：由 Google 开发的 DRM 系统。
• PlayReady：由 Microsoft 开发的 DRM 系统。
• FairPlay 流媒体：由 Apple 开发的 DRM 系统。

要在您的视频流应用程序中实现 DRM，您需要：

1. 使用 DRM 支持的加密算法对视频内容进行加密。
2. 从 DRM 提供商处获得许可证。
3. 将 DRM 许可证服务器集成到您的视频播放器中。

然后，视频播放器将从 DRM 许可证服务器请求许可证，然后再播放视频。许可证将包含解密视频内容所需的解密密钥。

具有通用加密 (CENC) 的 DASH 提供了一种使用单个加密内容集使用多个 DRM 系统的标准化方法。这降低了复杂性并提高了互操作性。

通用媒体应用格式 (CMAF)

通用媒体应用格式 (CMAF) 是一种用于打包媒体内容的标准，旨在通过对 HLS 和 DASH 使用单个分段 MP4 (fMP4) 格式来简化视频流工作流程。这消除了为每个协议创建单独视频片段的需要，从而降低了存储成本并简化了内容管理。

CMAF 变得越来越流行，并且受到许多视频播放器和 CDN 的支持。使用 CMAF 可以显着简化您的视频流工作流程，并提高不同平台之间的兼容性。

优化前端视频流性能

为了确保为您的用户提供流畅且高质量的视频流体验，优化前端性能至关重要。以下是一些优化前端视频流性能的提示：

• 使用 CDN：如前所述，使用 CDN 可以通过将视频内容缓存在更靠近用户的位置来显着提高视频播放性能。
• 优化视频编码：使用适当的视频编码设置来平衡视频质量和文件大小。考虑使用可变比特率编码 (VBR) 以根据内容复杂性优化视频质量。
• 使用自适应比特率流媒体：实施自适应比特率流媒体（HLS 或 DASH）以根据用户的网络状况动态调整视频质量。
• 预加载视频片段：预加载视频片段以减少启动延迟并提高播放流畅度。
• 使用 HTTP/2：HTTP/2 可以通过允许并行下载多个视频片段来显着提高视频流性能。
• 优化视频播放器设置：配置您的视频播放器设置以优化播放性能，例如缓冲区大小和最大比特率。
• 监控视频性能：使用分析工具来监控视频性能并确定需要改进的领域。

示例：移动优化

对于孟买的一位用户，通过移动设备访问您的视频服务，并且数据流量有限，针对移动设备进行优化至关重要。这涉及使用较低比特率的流、优化视频播放器设置以延长电池寿命，以及实施数据节省模式，让用户控制数据消耗。

前端视频流中的挑战

尽管视频流技术取得了进步，但在前端提供无缝且高质量的视频体验方面仍然存在一些挑战：

• 网络可变性：用户的网络状况和位置之间可能存在很大差异，这使得确保一致的播放性能具有挑战性。
• 设备碎片化：各种各样的设备和浏览器具有不同的功能和限制，这使得为所有用户优化视频流变得困难。
• DRM 复杂性：实施 DRM 可能会很复杂，需要仔细考虑不同的 DRM 系统和许可要求。
• 延迟：对于直播应用来说，实现低延迟仍然是一个挑战，尤其是在使用 HLS 的情况下。
• 可访问性：确保视频内容可供残疾用户访问，需要仔细规划和实施功能，例如字幕、副标题和音频描述。

结论

HLS 和 DASH 是强大的协议，支持自适应比特率流媒体，让您可以向全球受众提供高质量的视频体验。通过了解这些协议的架构、实现、优势和劣势，您可以就哪些协议最适合您的特定需求做出明智的决定。通过使用 CDN、DRM 和优化前端性能，您可以进一步增强视频流体验，并确保您的视频内容能够以高效安全的方式传输给全球用户。 紧跟 CMAF 等最新趋势，并考虑全球受众的特定需求，以提供最佳观看体验。