网络协议趣谈流媒体协议的编码和传输

Posted 2021-09-01 sysu_lluozh

最近直播比较火，很多人都喜欢看直播，那一个直播系统里面都有哪些组成部分，都使用了什么协议呢？

无论是直播还是点播，其实都是对于视频数据的传输。一提到视频，大家都爱看，但是一提到视频技术，大家都头疼，因为名词实在是太多了

一、名词系列

1.1 三个名词系列

这里列三个名词系列，首先大致有个印象

• 名词系列一：AVI、MPEG、RMVB、MP4、MOV、FLV、WebM、WMV、ASF、MKV
  例如RMVB和MP4，看着是不是很熟悉？

• 名词系列二：H.261、 H.262、H.263、H.264、H.265
  记住要重点关注H.264

• 名词系列三：MPEG-1、MPEG-2、MPEG-4、MPEG-7
  MPEG听说过，但是后面的数字是怎么回事？

1.2 视频是什么

这里想问个问题，视频是什么？视频其实就是快速播放一连串连续的图片

1.3 帧率

每一张图片，称之为一帧。只要每秒钟帧的数据足够多，也即播放得足够快。比如每秒30帧，以人的眼睛的敏感程度，是看不出这是一张张独立的图片，这就是常说的帧率(FPS)

1.3 像素

每一张图片，都是由像素组成的，假设为1024*768，而每个像素由RGB组成，每个8位，共24位

1.4 视频大小计算

来算一下，每秒钟的视频有多大？

30帧 × 1024 × 768 × 24 = 566,231,040Bits = 70,778,880Bytes

如果一分钟呢？4,246,732,800Bytes，已经是4个G

这个数据量实在是太大，根本没办法存储和传输。如果这样存储硬盘很快就满了，如果这样传输，那多少带宽也不够用

1.5 编码

怎么办呢？人们想到了编码，就是看如何用尽量少的Bit数保存视频，使播放的时候画面看起来仍然很精美。编码是一个压缩的过程

二、视频和图片压缩过程的特点

之所以能够对视频流中的图片进行压缩，因为视频和图片有这样一些特点

2.1 视频和图片的特点

2.1.1 空间冗余

图像的相邻像素之间有较强的相关性
一张图片相邻像素往往是渐变的，不是突变的，没必要每个像素都完整地保存，可以隔几个保存一个，中间的用算法计算出来

2.1.2 时间冗余

视频序列的相邻图像之间内容相似
一个视频中连续出现的图片也不是突变的，可以根据已有的图片进行预测和推断

2.1.3 视觉冗余

人的视觉系统对某些细节不敏感，因此不会每一个细节都注意到，可以允许丢失一些数据

2.1.4 编码冗余

不同像素值出现的概率不同，概率高的用的字节少，概率低的用的字节多，类似霍夫曼编码(Huffman Coding)的思路

2.2 编码过程

总之，用于编码的算法非常复杂，而且多种多样，但是编码过程其实都是类似的

三、视频编码的两大流派

能不能形成一定的标准呢？当然能，这里介绍视频编码的两大流派

流派一
ITU(International Telecommunications Union)的VCEG(Video Coding Experts Group)，这个称为国际电联下的VCEG。既然是电信，可想而知他们最初做视频编码，主要侧重传输
名词系列二，就是这个组织制定的标准

流派二
ISO(International Standards Organization)的MPEG(Moving Picture Experts Group)，这个是ISO旗下的MPEG，本来是做视频存储的。例如，编码后保存在VCD和DVD中，当然后来也慢慢侧重视频传输
名词系列三，就是这个组织制定的标准

后来，ITU-T(国际电信联盟电信标准化部门，ITU Telecommunication Standardization Sector)与MPEG联合制定了H.264/MPEG-4 AVC，这才是这一节要重点关注的

经过编码之后，生动活泼的一帧一帧的图像，就变成了一串串让人看不懂的二进制，这个二进制可以放在一个文件里面，按照一定的格式保存起来，这就是名词系列一

其实这些就是视频保存成文件的格式。例如，前几个字节是什么意义，后几个字节是什么意 义，然后是数据，数据中保存的就是编码好的结果

四、如何在直播里看到帅哥美女

当然，这个二进制也可以通过某种网络协议进行封装，放在互联网上传输，这个时候就可以进行网络直播了

4.1 接流

网络协议将编码好的视频流，从主播端推送到服务器，在服务器上有个运行了同样协议的服务端来接收这些网络包，从而得到里面的视频流，这个过程称为接流

4.2 转码

服务端接到视频流之后，可以对视频流进行一定的处理，例如转码，也即从一个编码格式，转成另一种格式。因为观众使用的客户端千差万别，要保证他们都能看到直播

4.3 拉流

流处理完毕之后，就可以等待观众的客户端来请求这些视频流。观众的客户端请求的过程称
为拉流

4.4 分发

如果有非常多的观众，同时看一个视频直播，那都从一个服务器上拉流，压力太大了，因而需要一个视频的分发网络，将视频预先加载到就近的边缘节点，这样大部分观众看的视频是从边缘节点拉取的，就能降低服务器的压力

4.5 解码

当观众的客户端将视频流拉下来之后，就需要进行解码，也即通过上述过程的逆过程，将一串串看不懂的二进制，再转变成一帧帧生动的图片，在客户端播放出来，这样就能看到美女帅哥啦

4.6 直播过程

整个直播过程，可以用这个的图来描述

接下来，依次来看一下每个过程

六、编码：如何将丰富多彩的图片变成二进制流？

6.1 三种视频帧

虽然视频是一张张图片的序列，但是如果每张图片都完整就太大了，因而会将视频序列分成三种帧

• I帧，也称关键帧

里面是完整的图片，只需要本帧数据，就可以完成解码

• P帧，前向预测编码帧

P帧表示的是这一帧跟之前的一个关键帧(或P帧)的差别，解码时需要用之前缓存的画面，叠加上和本帧定义的差别，生成最终画面

• B帧，双向预测内插编码帧

B帧记录的是本帧与前后帧的差别。要解码B帧，不仅要取得之前的缓存画面，还要解码之后的画面，通过前后画面的数据与本帧数据的叠加，取得最终的画面

6.2 压缩编码

6.2.1 时序编码

可以看出，I帧最完整，B帧压缩率最高，而压缩后帧的序列应该是在IBBP的间隔出现的。 这就是通过时序进行编码

6.2.2 空间编码

在一帧中，分成多个片，每个片中分成多个宏块，每个宏块分成多个子块，这样将一张大的图分解成一个个小块，可以方便进行空间上的编码

6.3 网络提取层单元NALU

尽管时空非常立体的组成了一个序列，但是总归还是要压缩成一个二进制流。这个流是有结构的，是一个个的网络提取层单元(NALU，Network Abstraction Layer Unit)。变成这种格式是为了传输，因为网络上的传输默认的是一个个的包，因而这里也就分成了一个个的单元

6.3.1 NALU的内容

1. 每一个NALU首先是一个起始标识符，用于标识NALU之间的间隔
2. 然后是NALU的头，里面主要配置了NALU的类型
3. 最终Payload里面是NALU承载的数据

6.3.2 NALU头信息

在NALU头里面，主要的内容是类型NAL Type

• 0x07表示SPS，是序列参数集，包括一个图像序列的所有信息，如图像尺寸、视频格式等
• 0x08表示PPS，是图像参数集，包括一个图像所有分片的所有相关信息，包括图像类型、序列号等

在传输视频流之前，必须要传输这两类参数，不然无法解码。为了保证容错性，每一个I帧前面都会传一遍这两个参数集合

如果NALU Header里面的表示类型是SPS或者PPS，则Payload中就是真正的参数集的内容

6.3.3 类型是帧NALU的格式

如果类型是帧，则Payload中才是正的视频数据，当然也是一帧一帧存放的，而且一帧的内容还是挺多的，因而每一个NALU里面保存的是一片。对于每一片，到底是I帧，还是P帧，还是B帧，在片结构里面也有个Header，这里面有个类型，然后是片的内容

这样，整个格式就是：

1. 一个视频，可以拆分成一系列的帧
2. 每一帧拆分成一系列的片
3. 每一片都放在一个NALU里面，NALU之间都是通过特殊的起始标识符分隔
4. 在每一个I帧的第一片前面，要插入单独保存SPS和PPS的NALU，最终形成一个长长的NALU序列

七、推流：如何把数据流打包传输到对端

那这个格式是不是就能够直接在网上传输到对端，开始直播了呢？其实还不是，还需要将这个二进制的流打包成网络包进行发送，这里使用RTMP协议。这就进入了第二个过程，推流

7.1 RTMP连接传输的内容

RTMP是基于TCP的，因而肯定需要双方建立一个TCP的连接。在有TCP的连接的基础上，还需要建立一个RTMP的连接，也即在程序里面需要调用RTMP类库的Connect函数，显示创建一个连接

RTMP为什么需要建立一个单独的连接呢？

因为它们需要商量一些事情，保证以后的传输能正常进行。主要就是两个事情：

1. 一个是版本号，如果客户端、服务器的版本号不一致，则不能工作
2. 一个就是时间戳，视频播放中时间是很重要的，后面的数据流互通的时候经常要带上时间戳的差值，因而一开始双方就要知道对方的时间戳

7.2 RTMP创建连接

未来沟通这些事情需要发送六条消息：客户端发送C0、C1、 C2，服务器发送S0、 S1、 S2

• 首先，客户端发送C0表示自己的版本号，不必等对方的回复，然后发送C1表示自己的时间戳
• 服务器只有在收到C0的时候，才能返回S0，表明自己的版本号，如果版本不匹配可以断开 连接
• 服务器发送完S0后，也不用等什么，就直接发送自己的时间戳S1
• 客户端收到S1时，发一个知道了对方时间戳的ACK C2。同理服务器收到C1的时候，发一个知道了对方时间戳的ACK S2

于是，握手完成

握手之后，双方需要互相传递一些控制信息，例如Chunk块的大小、窗口大小等

7.3 Stream流传输数据

真正传输数据的时候，还是需要创建一个流Stream，然后通过这个Stream来推流publish

7.3.1 Message的格式

推流的过程，就是将NALU放在Message里面发送，这个也称为RTMP Packet包。Message的格式就像这样

发送的时候，去掉NALU的起始标识符。因为这部分对于RTMP协议来讲没有用。接下来，将SPS和PPS参数集封装成一个RTMP包发送，然后发送一个个片的NALU

7.3.2 Chunk

RTMP在收发数据的时候并不是以Message为单位的，而是把Message拆分成Chunk发送， 而且必须在一个Chunk发送完成之后，才能开始发送下一个Chunk。每个Chunk中都带有Message ID，表示属于哪个Message，接收端也会按照这个ID将Chunk组装成Message

前面连接的时候，设置的Chunk块大小就是指这个Chunk。将大的消息变为小的块再发送，可 以在低带宽的情况下，减少网络拥塞

7.3.3 栗子

再看一个分块的例子：

假设一个视频的消息长度为307，但是Chunk大小约定为128，于是会拆分为三个Chunk

1. 第一个Chunk的Type＝0，表示Chunk头是完整的，头里面Timestamp为1000，总长度Length 为307，类型为9，是个视频，Stream ID为12346，正文部分承担128个字节的Data

2. 第二个Chunk也要发送128个字节，Chunk头由于和第一个Chunk一样，因此采用Chunk Type ＝3，表示头一样就不再发送了

3. 第三个Chunk要发送的Data的长度为307-128-128=51个字节，还是采用Type＝3

7.3.4 数据流过程

就这样数据就源源不断到达流媒体服务器，整个过程就像这样

7.4 分发网络

这个时候，大量观看直播的观众就可以通过RTMP协议从流媒体服务器上拉取，但是这么多的 用户量，如果都去同一个地方拉取服务器压力会很大，而且用户分布在全国甚至全球，如果都 去统一的一个地方下载，时延也会比较长，需要有分发网络

分发网络分为中心和边缘两层。边缘层服务器部署在全国各地及横跨各大运营商里，和用户距离很近。中心层是流媒体服务集群，负责内容的转发
智能负载均衡系统，根据用户的地理位置信息，就近选择边缘服务器，为用户提供推/拉流服务。中心层也负责转码服务，例如，把RTMP协议的码流转换为HLS码流

八、拉流：观众的客户端如何看到视频

接下来，再来看观众的客户端通过RTMP拉流的过程

先读到的是H.264的解码参数，例如SPS和PPS，然后对收到的NALU组成的一个个帧，进行 解码，交给播发器播放，一个绚丽多彩的视频画面就出来了

九、小结

关于流媒体协议的内容总结一下：

• 视频名词比较多，编码两大流派达成了一致，都是通过时间、空间的各种算法来压缩数据
• 压缩好的数据，为了传输组成一系列NALU，按照帧和片依次排列
• 排列好的NALU，在网络传输的时候，要按照RTMP包的格式进行包装，RTMP的包会拆分成Chunk进行传输
• 推送到流媒体集群的视频流经过转码和分发，可以被客户端通过RTMP协议拉取，然后组合 为NALU，解码成视频格式进行播放