HTTP Live Streaming 详解

HTTP Live Streaming 是 Apple 实现的基于 HTTP 的自适应比特率流通信协议，使用 HLS 可以直播（live）和点播（on-demand）音、视频。由于 HLS 采用了 HTTP 协议，使用普通 web 服务器和内容分发网络（Content Delivery Network，简写 CDN）即可。HLS 专为可靠性而设计，可以根据网络状况动态播放当前可播放最佳质量音视频。

目前，iOS、macOS、tvOS、PC、Android 等均支持 HLS 协议，HLS 是应用最为广泛的流协议。

HLS.png

HLS 支持以下功能：

直播（Live broadcasts）和点播（video on demand，简写 VOD，即预录内容）。
具有不同比特率的多个备用流。
根据网络变化对流进行智能切换。
数据加密和用户身份验证。

下图显示了 HTTP Live Stream 的组成部分：

HLSComponents.png

Apple 提供了几个支持 HTTP Live Streaming 的框架，包括AVKit、AVFoundation、WebKit。

1. 术语

在学习 HLS 之前，需要先了解几个相关概念。

1.1 MPEG

动态图像专家组（Moving Picture Experts Group，简称 MPEG）原本是一个研究视频、音频编码标准的组织，成立于1988年，致力于开发视频、音频压缩编码技术。现在我们所说的MPEG泛指该小组制定的一系列视频编码标准正式审核程序。至今已制定了MPEG-1、MPEG-2、MPEG-3、MPEG-4、MPEG-7、MPEG-21、MPEG-H、MEPG-DASH等标准。

1.2 MPEG-2

MPEG-2 由 ITU 定义，也称为 H.222 / H.262，是运动图像和相关音频信息的通用编码标准，它描述了视频、音频有损压缩的组合方法，该方法允许使用当前可用的存储媒体和传输宽带来存储、传输电影。常用在数字卫星电视、数字有线电视，以及 DVD 视频光盘中。

MPEG-2 标准作为 ISO / IEC 12818 的一部分发布。MPEG-2 包含多个标准，每个部分涵盖整个规范的某个方面。例如，Part 1 系统描述音视频同步和多路复用；Part 7 部分描述了有损数字音频压缩的音频编码标准，称为高级音频编码（Advanced Audio Coding，简称 AAC）。AAC 被设计为 MP3 格式的后继产品，在相同的比特率下，其声音质量通常比 MP3 更好。

1.3 MPEG-4

MPEG-4 定义了音视频数字数据的压缩方法。于1998年推出，并指定了一组音频、视频编码格式的标准和相关技术。MPEG-4 由 ISO/IEC MEPG 组织在 ISO / IEC 14496 标准发布。MPEG-4 标准压缩的数据可用于网络流媒体、CD 分发、电话、可视电话和广播电视。

与 MPEG-2 类似，MPEG-4 也包含多个部分，每个部分涵盖整个规范的某个方面。例如，Part 2 描述了视觉数据的压缩格式；Part 10 描述了视频信号的压缩格式，在技术上与 ITU-T H.264 标准相同。

1.4 H.264

H.264 被称为高级视频编码（Advanced Video Coding，简称 AVC，也称为 H.264、MPEG-4 Part 10、MPEG-4 AVC），是一种面向块、基于运动补偿的视频编码标准。在2004年时 H.264 已成为高精度视频录制、压缩、发布最常用格式之一。第一版标准的最终草案于2003年5月完成。

H.264 / MPEG-4 AVC 项目的目的是为了创建一个更佳的视频压缩标准，在更低的比特率下依然能提供良好视频质量，同时不会大幅度增加设计的复杂性。广泛用于网络流媒体、各种高清晰度电和卫星。

1.5 H.265

H.265 被称为高效率视频编码（High Efficiency Video Coding，简称 HEVC），是 MPEG-H 规范的第二部分。H.265 是一种视频压缩标准，被视为 H.264 标准的继任者。与AVC相比，HEVC 在相同视频质量下数据可以压缩 25% 至 50%，或相同比特率下可显著提高视频质量。HEVC 支持高达 8192*4320 的分辨率，HEVC 的高保真 Main10 配置文件已经集成到几乎所有支持的硬件中。HEVC 正在与 IETF 的 AV1 编码格式竞争。

1.6 AC-3

AC-3 是音频编码（Audio Coding）的缩写，是杜比数字音频编码器（Dolby Digital audio codec）的同义词。除 Dolby TrueHD 外，音频均为有损压缩。通常，AC-3 几乎只用于视频，并且通常需要特殊许可的软件或硬件才能进行编码、解码。除非用于电影、DVD和蓝光项目，否则没有理由使用AC-3。

1.7 AAC

AAC 被称为高级音频编码（Advanced Audio Coding），用于有损数字音频压缩的音频编码标准，被设计为 MP3 格式的继任者。在相同比特率下，AAC 通常比 MP3 可以获得更好的声音质量。AAC 是 iOS、Android 等系统的默认或标准音频格式。

2. HLS 架构

这一部分介绍 HLS 主要组件如何协同工作以传递流媒体。从概念上讲，HTTP Live Streaming 包含三部分：服务器组件、分发组件和客户端软件。

在常见配置中，硬件编码器接受输入的音视频，将其编码为 HEVC 视频、AC-3 音频，输出片段化（fragmented）MPEG-4 文件或 MPEG-2 传输流，分段器（segmenter）软件将 stream 分割成系列短媒体文件，然后将短媒体文件放在 web 服务器上。segmenter 还会创建并维护一个包含媒体文件列表的索引文件（index file）。索引文件的 URL 在 web 服务器上发布，客户端读取索引文件，按顺序读取列出的媒体文件并播放，各片段间没有任何暂停或间隔。

2.1 服务器组件

服务器组件负责获取媒体输入流并对其进行数字编码，将其封装成适合传输的格式，并为分发做准备。

对于直播，服务器需要媒体编码器（可以是现有的硬件），以及一种将编码的媒体分割成片段并保存为文件的方法，该方法可以是由 Apple 提供的 media stream segmented，也可以是第三方解决方案。

2.2 分发组件

分发系统是 web 服务器或 web 缓存系统，通过 HTTP 将媒体文件和索引文件传输到客户端。HTTP Live Streaming 协议不需要对服务器模块进行任何自定义即可用于传输内容，且 web 服务器只需要很少的配置。要实际使用 HTTP Live Streaming，需要将 HTML 页面或 app 作为接收器，还需要使用 web 服务器，以及将实时流编码为 HEVC 或 H.264视频、 ACC 或 AC-3 音频的分段 MPEG-4 媒体文件。

2.3 客户端软件

客户端软件使用标志流媒体位置的 URL 获取 index file，index file 指定可用媒体文件位置、解密密钥和可选流。选定流后，客户端按顺序下载可用媒体文件，每个文件包含一段连续的 stream。当拥有足够数据后，客户端播放重组的 stream。

客户端负责获取解密密钥、身份认证，根据需要解密媒体文件。

这些过程会一直持续，直到在 index file 遇到 EXT-X-ENDLIST tag。如果没有 EXT-X-ENDLIST tag，则 index file 是直播的一部分。在直播期间，客户端会定期拉去 index file 的新版本，并在新版本的 index file 中查找新的媒体文件和加密密钥，并将这些 URL 添加到队列。

3. 部署基础的 HTTP Live Stream

部署 HTTP Live Stream 需要满足以下三点：

HTML 网页或客户端作为接收者。
Web 服务器或 CDN 作为主机。
一种将媒体文件或直播流编码为包含 HEVC 或 H.264 视频、 AAC 或 AC-3 音频的 MPEG-4 片段文件的方式。尽管也可以将 MP3 音频或 MPEG-2 用于传输 H.264 视频，但通常不推荐使用这些格式。

3.1 创建 HLS 媒体接收器

分发 HTTP Live Streaming 媒体最简单的方法是使用 M3U8 播放列表文件作为视频源，创建包含 HTML5 <video> 标签的网页，对于不支持 HTML5 视频元素的浏览器，或不支持 HTTP Live Streaming 的浏览器，可以在 <video> 和</video> 标签之间添加降级代码。例如，可以使用 QuickTime 插件回退到渐进式下载或 RTSP 流。以下示例显示了常见 HTML 网页代码：

<html>
    <head>
        <title>HTTP Live Streaming Example</title>
    </head>
    <body>
        <video controls="controls" autoplay=""  type="video/x-m4v">
        </video>
    </body
></html>

如果你在开发 iOS app，则可以使用AVKit框架直接播放：

    func playHLSVideo() {
        guard let videoURL = URL(string:  else {
            return
        }
        let player = AVPlayer(url: videoURL )
        let playerViewController = AVPlayerViewController()
        playerViewController.player = player
        present(playerViewController,
                animated: true) {
                    playerViewController.player?.play()
        }
    }

3.2 配置服务器

普通的 web 服务器即可提供 HTTP Live Streaming。对服务器进行常规配置，然后将要提供文件的 MIME 类型与文件扩展名相关联。下表显示了 HTTP Live Streaming 的 MIME 类型：

扩展名	MIME 类型
.m3u8	vnd.apple.mpegURL
.ts	video/MP2T
.mp4	video/mp4

如果 web 服务器需要遵守 MIME 类型约束，则可以提供以 .m3u 结尾 MIME 类型为 audio/mpegURL 的文件，以实现兼容性。

索引文件通常很长，经常被重新下载，但由于他们是文本文件，因此可以非常高效地进行压缩。通过启用 M3U8 索引文件的实时 gzip 压缩来减少服务器开销。HTTP Live Streaming 客户端会自动进行解压缩。

对于点播类型视频，索引文件格式如下：

#EXTM3U
#EXT-X-PLAYLIST-TYPE:VOD
#EXT-X-TARGETDURATION:10
#EXT-X-VERSION:4
#EXT-X-MEDIA-SEQUENCE:0
#EXTINF:10.0,

#EXTINF:10.0,

#EXTINF:10.0,

#EXTINF:9.0,

#EXT-X-ENDLIST

各标记用途如下：

EXTM3U：表示此播放列表是扩展为 M3U 的文件列表。通过将第一行标记改为 EXTM3U，可以将这种类型的文件与基本的 M3U 文件区分开。所有 HLS 播放列表都必须以此标签开头。

EXT-X-PLAYLIST-TYPE：提供使用于整个播放列表的文件是否可变信息。此标签内容为 EVENT 或 VOD。如果标签为 EVENT，则服务器不能改变、删除索引文件的任何部分，但可以向尾部拼接。如果标记为 VOD，则播放列表不可更改。

EXT-X-TARGETDURATION：指定媒体文件最大时长。

EXT-X-VERSION：表示播放列表文件的兼容版本。播放列表媒体和服务器必须符合该版本协议的 IETF Internet-Draft 最新规定。

EXT-X-MEDIA-SEQUENCE：要播放的第一个媒体文件序列号。播放列表中的每个媒体文件 URL 都有一个唯一的整数序列号，URL 的序列号是其前面的 URL 序列号加一，序列号与文件名无关。

EXTINF：记录标记，描述紧随其后的 URL 所标识媒体文件。每个媒体文件 URL 之前都必须有一个 EXTINF 标记。该标记包含一个 duration 属性。duration 属性是一个整数或浮点数，指定媒体段的持续时间（以秒为单位），该值必须小于等于目标持续时间。

始终使用浮点 EXTINF 时长（协议版本 3 中增加的），这将使客户端在流中搜素时减少出现错误。

EXT-X-ENDLIST：标记媒体文件结束，不会再添加新的媒体文件到播放列表。

上面的 VOD 播放列表使用完整路径描述媒体文件。尽管可以使用绝对路径，但更推荐使用相对路径。相对路径是相对于播放列表文件的位置，使用绝对路径会导致更多文本，且相对路径比绝对路径更可移植。下面是使用相对路径的同一播放列表：

#EXTM3U
#EXT-X-PLAYLIST-TYPE:VOD
#EXT-X-TARGETDURATION:10
#EXT-X-VERSION:4
#EXT-X-MEDIA-SEQUENCE:0
#EXTINF:10.0,
fileSequenceA.ts
#EXTINF:10.0,
fileSequenceB.ts
#EXTINF:10.0,
fileSequenceC.ts
#EXTINF:9.0,
fileSequenceD.ts
#EXT-X-ENDLIST

对于点播来说，整个媒体文件已经存在。因此，索引文件是静态的，只会被下载一次。对于直播来说，索引文件不断更新，当新媒体资源可用时，会替换掉原来媒体资源。对于 event session 来说，新媒体文件可用时会拼接到索引文件结尾，与点播不同的是，不能移除索引文件任何内容，只能向文件尾部拼接新的媒体片段，event session 允许用户跳转到已经播放过片段任一时刻，即等效于点播+直播，常用于演唱会、运动会。

3.3 验证流

Media Stream Validator 工具模拟 HTTP Live Streaming 会话，并验证索引文件和媒体片段是否符合 HTTP Live Streaming 规范。其会执行多次检查以确保流传输可靠，如果发现错误、问题，会在诊断报告中列出。在提供流服务前，请始终运行验证程序。

mediastreamvalidator 命令如下：

$ mediastreamvalidator

上述命令执行完毕后，会产生一个 validation_data.json 的诊断报告，但其内容并不方便阅读，可以使用下面的 python script 将其转换为 html 格式：

$ hlsreport.py validation_data.json

生成的 validation_data.html 如下图所示：

HLSReport.png

mediastreamvalidator 命令即可以验证 HTTP URLs 的资源，也可以验证本地资源。

使用 mediastreamvalidator 命令时如需帮助，输入mediastreamvalidator -h命令即可查看文档。

参考资料：

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