H5 的直播协议和视频监控方案

亦凉 2023-02-16 14:28 42阅读 0赞

### H5 的直播协议和视频监控方案 ###

*  一、流媒体主要实现方式
 *  二、流媒体技术
 *   *  2.1 流媒体
     *  2.2 直播
     *  2.3 流协议
     *   *  2.3.1 HLS 协议
         *  2.3.2 RTMP 协议
         *  2.3.3 RTSP 协议
         *  2.3.4 MPEG-DASH
         *  2.3.5 WebRTC 协议
     *  2.4 服务器端技术
     *   *  2.4.1 GStreamer
         *  2.4.2 Live555
         *  2.4.3 其它
 *  三、HTML5媒体标签
 *   *  3.1 <audio>
     *  3.2 <video>
     *  3.3 <canvas>
 *  四、MSE
 *   *  4.1基于 MSE 的框架
     *   *  4.1.1 wfs
         *  4.1.2 flv.js
         *  4.1.3 Streamedian
 *  五、WebRTC
 *   *  5.1 架构图
     *  5.2 流捕获
     *   *  5.2.1 捕获视频
         *  5.2.2 捕获音频
         *  5.2.3 MediaStream
         *  5.2.4 Camera.js
     *  5.3 信号处理
     *   *  5.3.1 示例代码
     *  5.4 流转发
     *  5.5 任意数据交换
     *  5.6 WebRTC框架

[知乎：chapin：基于 H5 的直播协议和视频监控方案][chapin_ H5]

# 一、流媒体主要实现方式 #

![format_png][]  
对上图的说明如下：

1.  在设备层，需要以某种方式获得码流，以流协议的方式发送出去。最常用的方式是RTSP/RTP。流的可能获取路径为：  
    1). 设备直接暴露 RTSP 协议端点，并且发送标准码流  
    2). 设备 SDK 允许获取标准码流，需要自己以 RTSP 协议发送  
    3). 设备 SDK 允许获得解码后的逐帧，需要直接编码为 H264，然后以 RTSP 发送
2.  流媒体层通常需要引入专门的流媒体服务器，这类服务器能够在内部进行各种流协议的转换，可以解除客户端对特定流协议的依赖
3.  客户端和服务器端的传输方式，可以有 TCP、HTTP、P2P（WebRTC）、WebSocket 等多种。其中  
    1). 直接的 TCP 协议浏览器是不支持的，这意味着 RTSP/RTMP 等协议，在浏览器端必须要有插件才可以使用  
    2). WebSocket 通常配合 JSMpeg 或者 MSE 使用，由程序向 JSMpeg/MSE 不断 Feed 视频帧
4.  客户端解码展示的技术主要有三类：  
    1). 浏览器内置的解码能力，主要通过 video 标签，MSE 属于此类  
    2). JavaScript 软解码，主要是 JSMpeg、Broadway  
    3). 插件机制，例如 Chrome 的 NaCl

# 二、流媒体技术 #

## 2.1 流媒体 ##

所谓多媒体（Multimedia）是指多种内容形式 —— 文本、音频、视频、图片、动画等的组合。

所谓流媒体，就是指源源不断的由提供者产生，并持续的被终端用户接收、展示的多媒体，就像水流一样。现实世界中的媒体，有些天生就是流式的，例如电视、广播，另外一些则不是，例如书籍、CD。

流媒体技术（从传递媒体角度来看）可以作为文件下载的替代品。

流媒体技术关注的是如何传递媒体，而不是如何编码媒体，具体的实现就是各种流媒体协议。封装后的媒体比特流（容器格式）由流媒体服务器递送到流媒体客户端。流媒体协议可能对底层容器格式、编码格式有要求，也可能没有任何要求。

## 2.2 直播 ##

直播流（Live streaming）和静态文件播放的关键差异：

1.  点播的目标文件通常位于服务器上，具有一定的播放时长、文件大小。浏览器可以使用渐进式下载，一边下载一边播放
2.  直播不存在播放起点、终点。它表现为一种流的形式，源源不断的从视频采集源通过服务器，传递到客户端
3.  直播流通常是自适应的（adaptive），其码率随着客户端可用带宽的变化，可能变大、变小，以尽可能消除延迟

流媒体技术不但可以用于监控画面预览，也可以改善录像播放的用户体验，比起简单的静态文件回放，流式回放具有以下优势：

1.  延迟相对较低，播放能够尽快开始
2.  自适应流可以避免卡顿

## 2.3 流协议 ##

主流的用于承载视频流的流媒体协议包括：

### 2.3.1 HLS 协议 ###

HTTP 实时流（HTTP Live Streaming），由苹果开发，基于 HTTP 协议

HLS 的工作原理是，把整个流划分成一个个较小的文件，客户端在建立流媒体会话后，基于HTTP 协议下载流片段并播放。客户端可以从多个服务器（源）下载流。

在建立会话时，客户端需要下载 Extended M3U (m3u8) 播放列表文件，其中包含了 MPEG-2 TS（Transport Stream）容器格式的视频的列表。在播放完列表中的文件后，需要再次下载m3u8，如此循环

此协议在移动平台上支持较好，目前的 Android、iOS 版本都支持

此协议的重要缺点是高延迟（5s以上通常），要做到低延迟会导致频繁的缓冲（下载新片段）并对服务器造成压力，不适合视频监控

播放 HLS 流的 HTML 代码片段：

### 2.3.2 RTMP 协议 ###

实时消息协议（Real Time Messaging Protocol），由 Macromedia（Adobe）开发。此协议实时性很好，需要 Flash 插件才能在客户端使用，但是Adobe已经打算在不久的将来放弃对Flash的支持了

有一个开源项目 HTML5 FLV Player ，它支持在没有Flash插件的情况下，播放 Flash 的视频格式 FLV。此项目依赖于 MSE，支持以下特性：

1.  支持 H.264 + AAC/MP3 编码的FLV容器格式的播放
2.  分段（segmented）视频播放
3.  基于 HTTP 的 FLV 低延迟实时流播放
4.  兼容主流浏览器
5.  资源占用低，可以使用客户端的硬件加速

### 2.3.3 RTSP 协议 ###

RTSP是一个实时传输流协议，是一个应用层的协议

通常说的RTSP包括RTSP协议、RTP协议、RTCP协议

对于这些协议的作用简单的理解如下

*  RTSP协议：负责服务器与客户端之间的请求与响应
 *  RTP协议：负责传输媒体数据
 *  RTCP协议：在RTP传输过程中提供传输信息

rtsp承载与rtp和rtcp之上，rtsp并不会发送媒体数据，而是使用rtp协议传输  
rtp并没有规定发送方式，可以选择udp发送或者tcp发送

实时流协议（Real Time Streaming Protocol），由 RealNetworks 等公司开发。此协议负责控制通信端点（Endpoint）之间的媒体会话（media sessions） —— 例如播放、暂停、录制。通常需要结合：实时传输协议（Real-time Transport Protocol）、实时控制协议（Real-time Control Protocol）来实现视频流本身的传递

大部分浏览器没有对 RTSP 提供原生的支持

### 2.3.4 MPEG-DASH ###

基于HTTP的动态自适应流（Dynamic Adaptive Streaming over HTTP），它类似于 HLS，也是把流切分为很小的片段。DASH 为支持为每个片段提供多种码率的版本，以满足不同客户带宽

协议的客户端根据自己的可用带宽，选择尽可能高（避免卡顿、重新缓冲）的码率进行播放，并根据网络状况实时调整码率

DASH 不限制编码方式，你可以使用 H.265, H.264, VP9 等视频编码算法

Chrome 24+、Firefox 32+、Chrome for Android、IE 10+支持此格式

类似于 HLS 的高延迟问题也存在。

### 2.3.5 WebRTC 协议 ###

WebRTC 是一整套 API，为浏览器、移动应用提供实时通信（RealTime Communications）能力。它包含了流媒体协议的功能，但是不是以协议的方式暴露给开发者的

WebRTC 支持 Chrome 23+、Firefox 22+、Chrome for Android，提供 Java / Objective-C 绑定

WebRTC 主要有三个职责：

1.  捕获客户端音视频，对应接口 MediaStream（也就是 getUserMedia）
2.  音视频传输，对应接口 RTCPeerConnection
3.  任意数据传输，对应接口 RTCDataChannel

WebRTC 内置了点对点的支持，也就是说流不一定需要经过服务器中转

## 2.4 服务器端技术 ##

视频监控通常都是 CS 模式（而非P2P），在服务器端，你需要部署流媒体服务。

### 2.4.1 GStreamer ###

这是一个开源的跨平台多媒体框架。通过它你可以构建各种各样的媒体处理组件，包括流媒体组件。通过插件机制，GStreamer 支持上百种编码格式，包括 MPEG-1, MPEG-2, MPEG-4, H.261, H.263, H.264, RealVideo, MP3, WMV, FLV

Kurento、Flumotion 都是基于 GStreamer 构建的流媒体服务器软件。

### 2.4.2 Live555 ###

Live555 是流媒体服务开发的基础库，支持 RTP/RTCP/RTSP/SIP 等协议，适合在硬件资源受限的情况下使用（例如嵌入式设备）。

基于 Live555 的软件包括：

1.  Live555媒体服务器，完整的RTSP服务器
2.  openRTSP，一个命令行程序，支持提供RTSP流、接收RTSP流、把RTSP流中的媒体录像到磁盘
3.  playSIP，可以进行V oIP 通话
4.  liveCaster，支持组播的 MP3 流媒体服务

### 2.4.3 其它 ###

流媒体服务实现有很多，它们中的一些在最初针对特定的流协议，大部分都走向多元化。例如，Red5是一个RTMP流媒体服务器，Wowza是一个综合的流媒体服务器，WebRTC的流媒体服务。

# 三、HTML5媒体标签 #

HTML5支持<audio>和 <video>标签（两者都对应了HTMLMediaElement的子类型）以实现视频、音频的播放。

## 3.1 <audio> ##

此标签用于在浏览器中创建一个纯音频播放器。播放静态文件的示例：

<audio controls preload="auto">
     <source src="song.mp3" type="audio/mpeg">
     
     <source src="song.ogg" type="audio/ogg">
     
     <a href="audiofile.mp3">download audio</a>
    </audio>

## 3.2 <video> ##

此标签用于在浏览器中创建一个视频播放器。播放静态文件的示例：

<video controls width="640" height="480" poster="movie.png" autoplay muted>
     <source src="movie.mp4" type="video/mp4">
     
     <source src="movie.webm" type="video/webm">
     
     <track src="subtitles_en.vtt" kind="subtitles" srclang="en" label="English">
     
     <a href="videofile.mp4">download video</a>
    </video>

## 3.3 <canvas> ##

在画布中，你可以进行任意的图形绘制，当然可以去逐帧渲染视频内容。

编程方式创建

音频、视频播放器标签也可以利用JavaScript编程式的创建，示例代码：

var video = document.createElement('video');
    if (video.canPlayType('video/mp4')) {
     video.setAttribute('src', 'movie.mp4' );
    } else if (video.canPlayType('video/webm')) {
     video.setAttribute('src', 'movie.webm');
    }
    video.width = 640;
    video.height = 480;

# 四、MSE #

媒体源扩展（Media Source Extensions，MSE）是一个 W3C 草案，桌面浏览器对MSE的支持较好。MSE扩展流 video/audio 元素的能力，允许你通过 JavaScript 来生成（例如从服务器抓取）媒体流供 video/audio 元素播放。使用MSE你可以：

1.  通过JavaScript 来构建媒体流，不管媒体是如何捕获的
2.  处理自适应码流、广告插入、时间平移（time-shifting，回看）、视频编辑等应用场景
3.  最小化 JavaScript 中处理媒体解析的代码

MSE 定义支持的（你生成的）媒体格式，只有符合要求的容器格式、编码格式才能被 MSE 处理。通常容器格式是 ISO BMFF（MP4），也就是说你需要生成 MP4 的片断，然后 Feed 给MSE 进行播放。

MediaSource 对象作为 video/audio 元素的媒体来源，它可以具有多个 SourceBuffer 对象。应用程序把数据片段（segment）附加到 SourceBuffer 中，并可以根据系统性能对数据片段的质量进行适配。SourceBuffer 中包含多个 track buffer —— 分别对应音频、视频、文本等可播放数据。这些数据被音频、视频解码器解码，然后在屏幕上显示、在扬声器中播放：  
![format_png 1][]

要把 MediaSource 提供给 video/audio 播放，调用：`video.src = URL.createObjectURL(mediaSource);`

## 4.1基于 MSE 的框架 ##

### 4.1.1 wfs ###

wfs 是一个播放原始 H.264 帧的 HTML5 播放器，它的工作方式是把 H.264 NAL 单元封装为 ISO BMFF（MP4）片，然后Feed给 MSE 处理。

### 4.1.2 flv.js ###

flv.js是一个 HTML5 Flash 视频播放器，基于纯 JS，不需要 Flash 插件的支持。此播放器将FLV 流转换为 ISO BMFF（MP4）片断，然后把 MP4 片断提供给 video 元素使用。

flv.js 支持 Chrome 43+, FireFox 42+, Edge 15.15048+ 以上版本的直播流 。

### 4.1.3 Streamedian ###

Streamedian 是一个 HTML5 的 RTSP 播放器。实现了 RTSP 客户端功能，你可以利用此框架直接播放 RTSP 直播流。此播放器把RTP协议下的 H264/AAC 在转换为 ISO BMFF 供 video 元素使用。Streamedian 支持 Chrome 23+, FireFox 42+, Edge 13+，以及 Android 5.0+。不支持 iOS 和 IE。

在服务器端，你需要安装 Streamedian 提供的代理（此代理收费），此代理将 RTSP转换为WebSocket。Streamedian 处理视频流的流程如下：  
![format_png 2][]

# 五、WebRTC #

WebRTC 是一整套 API，其中一部分供 Web 开发者使用，另外一部分属于要求浏览器厂商实现的接口规范。WebRTC 解决诸如客户端流媒体发送、点对点通信、视频编码等问题。桌面浏览器对WebRTC的支持较好，WebRTC 也很容易和 Native 应用集成。

使用 MSE 时，你需要自己构建视频流。使用 WebRTC 时则可以直接捕获客户端视频流。

使用 WebRTC 时，大部分情况下流量不需要依赖于服务器中转，服务器的作用主要是：

1.  在信号处理时，转发客户端的数据
2.  配合实现 NAT/防火墙 穿透
3.  在点对点通信失败时，作为中继器使用

## 5.1 架构图 ##

![format_png 3][]

## 5.2 流捕获 ##

### 5.2.1 捕获视频 ###

主要是捕获客户端摄像头、麦克风。在视频监控领域用处不大，这里大概了解一下。流捕获通过 navigator.getUserMedia 调用实现：

三个调用参数分别是：

1.  约束条件，你可以指定媒体类型、分辨率、帧率
2.  成功后的回调，你可以在回调中解析出 URL 提供给 video 元素播放
3.  失败后的回调

### 5.2.2 捕获音频 ###

捕获音频类似：

navigator.getUserMedia( {  audio: true }, function ( stream ) { 
        var audioContext = new AudioContext();
    
        // 从捕获的音频流创建一个媒体源管理
        var streamSource = audioContext.createMediaStreamSource( stream );
    
        // 把媒体源连接到目标（默认是扬声器）
        streamSource.connect( audioContext.destination );
    }, error );

### 5.2.3 MediaStream ###

MediaStream对象提供以下方法：

1.  getAudioTracks()，音轨列表
2.  getVideoTracks()，视轨列表

每个音轨、视轨都有个label属性，对应其设备名称。

### 5.2.4 Camera.js ###

Camera.js 是对 getUserMedia 的简单封装，简化了API 并提供了跨浏览器支持：

camera.init( { 
        width: 640,
        height: 480,
        fps: 30, // 帧率
        mirror: false,  // 是否显示为镜像
        targetCanvas: document.getElementById( 'webcam' ), // 默认null，如果设置了则在画布中渲染
    
        onFrame: function ( canvas ) { 
            // 每当新的帧被捕获，调用此回调
        },
    
        onSuccess: function () { 
            // 流成功获取后
        },
    
        onError: function ( error ) { 
            // 如果初始化失败
        },
    
        onNotSupported: function () { 
            // 当浏览器不支持camera.js时
        }
    } );
    // 暂停
    camera.pause();
    // 恢复
    camera.start();

## 5.3 信号处理 ##

在端点之间（Peer）发送流之前，需要进行通信协调、发送控制消息，即所谓信号处理（Signaling），信号处理牵涉到三类信息：

会话控制信息：初始化、关闭通信，报告错误  
网络配置：对于其它端点来说，本机的 IP 和 port 是什么  
媒体特性：本机能够处理什么音视频编码、多高的分辨率。本机发送什么样的音视频编码  
WebRTC 没有对信号处理规定太多，我们可以通过 Ajax/WebSocket 通信，以 SIP、Jingle、ISUP 等协议完成信号处理。点对点连接设立后，流的传输并不需要服务器介入。信号处理的示意图如下：  
![format_png 4][]

### 5.3.1 示例代码 ###

下面的代表片段包含了一个视频电话的信号处理过程：

// 信号处理通道，底层传输方式和协议自定义
    var signalingChannel = createSignalingChannel();
    var conn;
    
    // 信号通过此回调送达本地，可能分多次送达
    signalingChannel.onmessage = function ( evt ) { 
        if ( !conn ) start( false );
    
        var signal = JSON.parse( evt.data );
        // 会话描述协议（Session Description Protocol），用于交换媒体配置信息（分辨率、编解码能力）
        if ( signal.sdp )
        // 设置Peer的RTCSessionDescription
            conn.setRemoteDescription( new RTCSessionDescription( signal.sdp ) );
        else
        // 添加Peer的Candidate信息
            conn.addIceCandidate( new RTCIceCandidate( signal.candidate ) );
    };
    
    // 调用此方法启动WebRTC，获取本地流并显示，侦听连接上的事件并处理
    function start( isCaller ) { 
        conn = new RTCPeerConnection( {  /**/ } );
    
        // 把地址/端口信息发送给其它Peer。所谓Candidate就是基于ICE框架获得的本机可用地址/端口
        conn.onicecandidate = function ( evt ) { 
            signalingChannel.send( JSON.stringify( {  "candidate": evt.candidate } ) );
        };
    
        // 当远程流到达后，在remoteView元素中显示
        conn.onaddstream = function ( evt ) { 
            remoteView.src = URL.createObjectURL( evt.stream );
        };
    
        // 获得本地流
        navigator.getUserMedia( {  "audio": true, "video": true }, function ( stream ) { 
            // 在remoteView元素中显示
            localView.src = URL.createObjectURL( stream );
            // 添加本地流，Peer将接收到onaddstream事件
            conn.addStream( stream );
    
            if ( isCaller )
            // 获得本地的RTCSessionDescription
                conn.createOffer( gotDescription );
            else
            // 针对Peer的RTCSessionDescription生成兼容的本地SDP
                conn.createAnswer( conn.remoteDescription, gotDescription );
    
            function gotDescription( desc ) { 
                // 设置自己的RTCSessionDescription
                conn.setLocalDescription( desc );
                // 把自己的RTCSessionDescription发送给Peer
                signalingChannel.send( JSON.stringify( {  "sdp": desc } ) );
            }
        } );
    }
    
    // 通信发起方调用：
    start( true );

## 5.4 流转发 ##

主要牵涉到的接口是RTCPeerConnection，上面的例子中已经包含了此接口的用法。WebRTC在底层做很多复杂的工作，这些工作对于JavaScript来说是透明的：

1.  执行解码
2.  屏蔽丢包的影响
3.  点对点通信：WebRTC 引入流交互式连接建立（Interactive Connectivity Establishment，ICE）框架。ICE 负责建立点对点链路的建立：
    
     *  首先尝试直接
     *  不行的话尝试 STUN（Session Traversal Utilities for NAT）协议。此协议通过一个简单的保活机制确保NAT端口映射在会话期间有效
     *  仍然不行尝试 TURN（Traversal Using Relays around NAT）协议。此协议依赖于部署在公网上的中继服务器。只要端点可以访问TURN服务器就可以建立连接
4.  通信安全
5.  带宽适配
6.  噪声抑制
7.  动态抖动缓冲（Dynamic jitter buffering），抖动是由于网络状况的变化，缓冲用于收集、存储数据，定期发送

## 5.5 任意数据交换 ##

通过 RTCDataChannel 完成，允许点对点之间任意的数据交换。RTCPeerConnection 连接创建后，不但可以传输音视频流，还可以打开多个信道（RTCDataChannel）进行任意数据的交换。RTCDataChanel 的特点是：

1.  类似于 WebSocket 的API
2.  支持带优先级的多通道
3.  超低延迟，因为不需要通过服务器中转
4.  支持可靠/不可靠传输语义。支持 SCTP、DTLS、UDP 几种传输协议
5.  内置安全传输（DTLS）
6.  内置拥塞控制  
    使用 RTCDataChannel 可以很好的支持游戏、远程桌面、实时文本聊天、文件传输、去中心化网络等业务场景。

## 5.6 WebRTC框架 ##

1.  PeerJS ：简化 WebRTC 的点对点通信、视频、音频调用，提供云端的 PeerServer，你也可以自己搭建服务器
2.  Sharefest：基于 Web 的 P2P 文件共享
3.  webRTC.io：WebRTC 的一个抽象层，同时提供了客户端、服务器端 Node.js 组件。服务器端组件抽象了 STUN。类似的框架还有 SimpleWebRTC、easyrtc
4.  OpenWebRTC：允许你构建能够和遵循 WebRTC 标准的浏览器进行通信的 Native 应用程序，支持Java绑定
5.  NextRTC：基于 Java 实现的 WebRTC 信号处理服务器
6.  Janus：这是一个 WebRTC 网关，纯服务器端组件，目前仅仅支持 Linux 环境下安装。Janus本身实现了到浏览器的 WebRTC 连接机制，支持以JSON格式交换数据，支持在服务器端应用逻辑 - 浏览器之间中继 RTP/RTCP 和消息。特殊化的功能有服务器端插件完成。官网地址：https://janus.conf.meetecho.com
7.  Kurento：这是一个开源的 WebRTC 媒体服务器

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