深入浅出移动直播技术(一)

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2016年被誉为“移动直播元年”，中国的网络直播用户已经超过3亿，百度，腾讯，淘宝，网易等都有自己的直播平台。本文主要分享一些移动直播的相关技术点。

 

一、什么是视频

 

任何一个视频文件，从结构上讲，都是这样一种组成方式：

 

-由图像和音频构成最基本的内容元素；

-图像经过视频编码压缩格式处理（通常是 H.264）；

-音频经过音频编码压缩格式处理（例如 AAC）；

-注明相应的元信息（Metadata）；

-最后经过一遍容器（Container）封装打包（例如 MP4），构成一个完整的视频文件。

 

 二、什么是视频直播

 

简而言之，直播就是将每一帧数据 ( Video / Audio / Data Frame )，打上时序标签 ( Timestamp ) 后进行流式传输的过程。发送端源源不断的采集音视频数据，经过编码、封包、推流，再经过中继分发网络进行扩散传播，播放端再源源不断地下载数据并按时序进行解码播放。如此就实现了 “边生产、边传输、边消费” 的直播过程。

 

三、GOP ( Group of Pictures )

 

为了便于视频内容的存储和传输，通常需要减少视频内容的体积，也就是需要将原始的内容元素(图像和音频)经过压缩，压缩算法也简称编码格式。例如视频里边的原始图像数据会采用 H.264 编码格式进行压缩，音频采样数据会采用 AAC 编码格式进行压缩。当要观看播放时，相应地也需要解码过程。因此编码和解码之间，需要约定一种编码器和解码器都可以理解的约定。就视频图像编码和解码而言，这种约定很简单：

 

编码器将多张图像进行编码后生产成一段一段的 GOP ( Group of Pictures ) ， 解码器在播放时则是读取一段一段的 GOP 进行解码后读取画面再渲染显示。GOP 是一组连续的画面，由一张 I 帧和数张 B / P 帧组成，是视频图像编码器和解码器存取的基本单位，它的排列顺序将会一直重复到影像结束。I 帧是内部编码帧（也称为关键帧），P 帧是前向预测帧（前向参考帧），B 帧是双向内插帧（双向参考帧）。简单地讲，I 帧是一个完整的画面，而 P 帧和 B 帧记录的是相对于 I 帧的变化。如果没有 I 帧，P 帧和 B 帧就无法解码。因此，一个视频，其图像部分的数据是一组 GOP 的集合, 而单个 GOP 则是一组 I / P / B 帧图像的集合。

 

四、推流和拉流的概念以及RTMP和HLS协议

 

推流，指的是把采集阶段封包好的内容传输到服务器的过程；拉流，是服务器已有直播内容，用指定地址进行拉取的过程。

 

RTMP

 

RTMP是Real Time Messaging Protocol（实时消息传输协议）的缩写，是Adobe公司为Flash/AIR平台和服务器之间音、视频及数据传输开发的实时消息传送协议。RTMP协议基于TCP，包括RTMP基本协议及RTMPT/RTMPS/RTMPE等多种变种。RTMP协议中，视频必须是H264编码，音频必须是AAC或MP3编码，且多以flv格式封包。RTMP是目前最主流的流媒体传输协议，对CDN支持良好，实现难度较低，是大多数的直播平台的选择。不过RTMP有着一个最大的不足——不支持浏览器，且Adobe已不再更新。因此直播服务要支持浏览器的话，需要另外的推送协议支持。

 

HLS

 

HTTP Live Streaming（缩写是HLS）是一个由苹果公司提出的基于HTTP的流媒体网络传输协议，是苹果公司QuickTime X和iPhone软件系统的一部分。它的工作原理是把整个流分成一个个小的基于HTTP的文件来下载，每次只下载一些。基本可以认为，HLS是以点播的技术方式来实现直播。由于数据通过HTTP协议传输，所以完全不用考虑防火墙或者代理的问题，而且分段文件的时长很短，客户端可以很快的选择和切换码率，以适应不同带宽条件下的播放。不过HLS的这种技术特点，决定了它的延迟一般总是会高于普通的流媒体直播协议。HLS传输内容包括两部分：一是M3U8描述文件，二是TS媒体文件。TS媒体文件中的视频必须是H264编码，音频必须是AAC或MP3编码。

 

每一个 .m3u8 文件，分别对应若干个 ts 文件，这些 ts 文件才是真正存放视频的数据，m3u8 文件只是存放了一些 ts 文件的配置信息和相关路径，当视频播放时，.m3u8 是动态改变的。一般为了加快速度，.m3u8 放在 Web 服务器上，ts 文件放在 CDN 上。.m3u8 文件，其实就是以 UTF-8 编码的 m3u 文件，这个文件本身不能播放，只是存放了播放信息的文本文件。

 

HLS请求流程：HTTP 请求 m3u8 的url；服务端返回一个 m3u8 的播放列表，这个播放列表是实时更新的，一般一次给出5段数据的 url；客户端解析 m3u8 的播放列表，再按序请求每一段的 url，获取 ts 数据流。

 

HLS延时：假设列表里包含5个 ts 文件，每个 TS 文件包含5秒的视频内容，那么整体的延迟就是25秒。因为当用户看到这些视频时，主播已经将视频录制好上传上去了。当然可以缩短列表的长度和单个 ts 文件的大小来降低延迟，极致来说可以缩减列表长度为1，并且 ts 的时长为1s，但是这样会造成请求次数增加，增大服务器压力，当网速慢时会造成更多的缓冲，所以苹果官方推荐的 ts 时长为10s，所以这样就会大概有30s的延迟。

 

	协议	原理	延时	优点	使用场景
RTMP	长链接 tcp	每个时刻的数据收到后立刻发送	2s	延时低	即时互动
HLS	短链接 http	集合一段时间数据生成ts切片文件更新m3u8文件	10-30s	跨平台	H5直播