CDN在直播中的运用

Posted 2022-06-03 HugoforAndroid

CDN技术原理

CDN的全称为Content Delivery Network，即内容分发网络，是一个策略性部署的整体系统，主要用来解决由于网络带宽小、用户访问量大、网点分布不均匀等导致用户访问网站速度慢的问题。这中间就有了很多的CDN节点，简单一点理解就相当于我们开始学习计算机选择网络。具体实现是通过在现有的网络中，增加一层新的网络架构，将网站的内容发布到离用户最近的网络节点上，这样用户可以就近获取所需的内容，解决之前网络拥塞、访问延迟高的问题，提高用户体验。

上图中，不同的流媒体走的节点和协议做了区分，网络拥塞减少，访问延迟降低，带宽得到良好的控制等等。 CDN直播中常用的流媒体协议包括RTMP，HLS，HTTP FLV等。

RTMP（Real Time Messaging Protocol）是基于TCP的，由Adobe公司为Flash播放器和服务器之间音频、视频传输开发的开放协议。 HLS（HTTP Live Streaming）是基于HTTP的，是Apple公司开放的音视频传输协议。 HTTP FLV则是将RTMP封装在HTTP协议之上的，可以更好的穿透防火墙等。

CDN的常用架构

CDN架构设计比较复杂。不同的CDN厂商，也在对其架构进行不断的优化，所以架构不能统一而论。这里只是对一些基本的架构进行简单的剖析。
CDN主要包含：源站、缓存服务器、智能DNS、客户端等几个主要组成部分。

源站：是指发布内容的原始站点。添加、删除和更改网站的文件，都是在源站上进行的；另外缓存服务器所抓取的对象也全部来自于源站。对于直播来说，源站为主播客户端。

缓存服务器：是直接提供给用户访问的站点资源，由一台或数台服务器组成；当用户发起访问时，他的访问请求被智能DNS定位到离他较近的缓存服务器。如果用户所请求的内容刚好在缓存里面，则直接把内容返还给用户；如果访问所需的内容没有被缓存，则缓存服务器向邻近的缓存服务器或直接向源站抓取内容，然后再返还给用户。

智能DNS：是整个CDN技术的核心，它主要根据用户的来源，以及当前缓存服务器的负载情况等，将其访问请求指向离用户比较近且负载较小的缓存服务器。通过智能DNS解析，让用户访问同服务商下、负载较小的服务器，可以消除网络访问慢的问题，达到加速作用。

客户端：即发起访问的普通用户。对于直播来说，就是观众客户端，例如手机客户端，PC客户端。

用图表示如下：

整个流程描述如下：

主播开始进行直播，向智能DNS发送解析请求； 智能DNS返回最优CDN节点IP地址； 主播端采集音视频数据，发送给CDN节点，CDN节点进行缓存等处理； 观众端要观看此主播的视频，向智能DNS发送解析请求； 智能DNS返回最优CDN节点IP地址； 观众端向CDN节点请求音视频数据； CDN节点同步其他节点的音视频数据； CDN节点将音视频数据发送给观众端；

采用CDN的缺点

大概了解了CDN的技术原理后，我们在做直播选型时，还需要了解一个方案优缺点。接下来，我们来分析一下CDN的短板。
总结一下主要有如下短板:

播放延时（网络延时）

网络延时这里指的是从主播端采集，到观众端播放，这之间的时间差。这里不考虑主播段采集对视频进行编码的时间，以及观众端观看对视频进行解码的时间，仅考虑网络传输中的延时。例如说下图中的网络延时：

网络抖动

网络抖动，是指数据包的到达顺序、间隔和发出时不一致。比如说，发送100个数据包，每个包间隔1s发出。结果第27个包在传输过程中遇到网络拥塞，造成包27不是紧跟着26到达的，而是延迟到87后面才达。在直播中，这种抖动的效果实际上跟丢包是一样的。因为你不能依照接收顺序把内容播放出来，否则会造成失真。网络抖动，会造成播放延时对应增大。如果网络中抖动较大，会造成播放卡顿等现象。这个之前在云计算上都不是什么难事。

网络丢包

CDN直播中用到的RTMP、HLS、HTTP FLV等协议都是在TCP的基础之上。TCP一个很重要的特性是可靠性，即不会发生数据丢失的问题。为了保证可靠性，TCP在传输过程中有3次握手，见下图。首先客户端会向服务端发送连接请求，服务端同意后，客户端会确认这次连接。这就是3次握手。接着，客户端就开始发送数据，每次发送一批数据，得到服务端的“收到“确认后，继续发送下一批。TCP为了保证传到，会有自动重传机制。如果传输中发生了丢包，没有收到对端发出的“收到”信号，那么就会自动重传丢失的包，一直到超时。
由于互联网的网络状况是变化的，以及主播端的网络状况是无法控制的。所以当网络中丢包率开始升高时，重传会导致延时会不断增大，甚至导致不断尝试重连等情况，这样不能有效的缓存，严重情况下会导致观众端视频无法观看。