HLS协议解析

1. 综述

HLS（HTTP Live Streaming） 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。HLS 协议由三部分组成：HTTP、M3U8、TS。这三部分中，HTTP 是传输协议，M3U8 是索引文件，TS 是音视频的媒体信息。

关于 HLS 的详细介绍可参考： HTTP Live Streaming draft-pantos-http-live-streaming-18

HLS 是提供一个 m3u8 地址，Apple 的 Safari 浏览器直接就能打开 m3u8 地址，譬如：

http://demo.srs.com/live/livestream.m3u8

Android 不能直接打开，需要使用 html5 的 video 标签，然后在浏览器中打开这个页面即可，譬如：

<!-- livestream.html -->
<video width="640" height="360"
        autoplay controls autobuffer 
        src="http://demo.srs.com/live/livestream.m3u8"
        type="application/vnd.apple.mpegurl">
</video>

HLS 的 m3u8，是一个 ts 的列表，也就是告诉浏览器可以播放这些 ts 文件，譬如：

#EXTM3U
#EXT-X-VERSION:3
#EXT-X-MEDIA-SEQUENCE:64
#EXT-X-TARGETDURATION:12
#EXTINF:11.550
livestream-64.ts
#EXTINF:5.250
livestream-65.ts
#EXTINF:7.700
livestream-66.ts
#EXTINF:6.850
livestream-67.ts

有几个关键的参数，这些参数在 SRS 的配置文件中都有配置项：

  • EXT-X-TARGETDURATION：所有切片的最大时长。有些 Apple 设备这个参数不正确会无法播放。SRS 会自动计算出 ts 文件的最大时长，然后更新 m3u8 时会自动更新这个值。用户不必自己配置。
  • EXTINF：ts 切片的实际时长，SRS 提供配置项 hls_fragment，但实际上的 ts 时长还受 gop 影响。
  • ts 文件的数目：SRS 可配置 hls_window，指定 m3u8 中保存多少个切片，SRS 会自动清理旧的切片。
  • livestream-67.ts：SRS 会自动维护 ts 切片的文件名，在编码器重推之后，这个编号会继续增长，保证流的连续性。直到 SRS 重启，这个编号才重置为 0。

譬如，每个 ts 切片为 10 秒，窗口为 60 秒，那么 m3u8 中会保存 6 个 ts 切片。

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，video 标签会解析这个文件，并找到对应的 ts 文件来播放，所以一般为了加快速度，.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 整体框架图：Server、CDN 和 Client

HLS 协议编码格式要求

  • 视频的编码格式：H264
  • 音频的编码格式：AAC、MP3、AC-3
  • 视频的封装格式：ts
  • 保存 ts 索引的 m3u8 文件

HLS 协议优势

  • HLS 相对于 RTMP 来讲使用了标准的 HTTP 协议来传输数据，可以避免在一些特殊的网络环境下被屏蔽。
  • HLS 相比 RTMP 在服务器端做负载均衡要简单得多。因为 HLS 是基于无状态协议 HTTP 实现的，客户端只需要按照顺序使用下载存储在服务器的普通 ts 文件进行播放就可以。而 RTMP 是一种有状态协议，很难对视频服务器进行平滑扩展，因为需要为每一个播放视频流的客户端维护状态。
  • HLS 协议本身实现了码率自适应，在不同带宽情况下，设备可以自动切换到最适合自己码率的视频播放。

HLS 协议缺点

  • HLS 协议在直播的视频延迟时间很难做到 10 s 以下延时，而 RTMP 协议的延时可以降到 3s-4s 左右。

HLS 相关文章

HLS 协议详解

2. HLS 之 M3U8

m3u8 文件是用文件方式对媒体文件进行描述，由一些列标签组成。

m3u8 文件示例 1：单码率适配流

#EXTM3U
#EXT-X-VERSION:3
#EXT-X-ALLOW-CACHE:YES
#EXT-X-MEDIA-SEQUENCE:2
#EXT-X-TARGETDURATION:16
#EXTINF:14.357, no desc
livestream-2.ts
#EXTINF:15.617, no desc
livestream-3.ts
#EXTINF:14.358, no desc
livestream-4.ts
#EXTINF:15.618, no desc
livestream-5.ts
#EXTINF:11.130, no desc
livestream-6.ts

该 m3u8 文件只是一个简单的 Media Playlist。

m3u8 文件示例 2：多码率适配流

#EXTM3U
#EXT-X-STREAM-INF:PROGRAM-ID=1,BANDWIDTH=1280000
http://example.com/low.m3u8
#EXT-X-STREAM-INF:PROGRAM-ID=1,BANDWIDTH=2560000
http://example.com/mid.m3u8
#EXT-X-STREAM-INF:PROGRAM-ID=1,BANDWIDTH=7680000
http://example.com/hi.m3u8
#EXT-X-STREAM-INF:PROGRAM-ID=1,BANDWIDTH=65000,CODECS="mp4a.40.5"
http://example.com/audio-only.m3u8

包含多种比特率的 Master Playlist。该文件是一个实际使用中的顶级 m3u8 文件，该文件中又定义了 http://example.com/low.m3u8、http://example.com/mid.m3u8等几个二级文件。顶级 m3u8 文件主要是做码率适配的，二级 m3u8 才是真正的切片文件，客户端会默认选择码率最高的请求，如果发现码率达不到，会请求降低码率的流。客户端拿到二级 m3u8 文件后，会继续请求里面的文件，这时就可以进行播放了。

2.1 基础概念

2.1.1 Playlist file

一个 m3u 的 Playlist 就是一个由多个独立行组成的文本文件，每行由回车/换行区分。每一行可以是一个 URI、空白行或是一个 以 "#" 号开头的字符串，并且空格只能存在于一行中不同元素间的分隔。

一个 URI 表示一个媒体段或是 "variant Playlist file"（最多支持一层嵌套，即一个 m3u8 文件中嵌套另一个 m3u8），以 "EXT" 开头的表示一个 "tag"，否则表示注释，直接忽略。

2.1.2 Tags

  1. #EXTM3U：
    每个 m3u8 文件第一行必须是这个 tag，如上面的两个示例。
  2. #EXTINF：
    指定每个媒体段（ts）的持续时间，这个仅对其后面的 URI 有效，每两个媒体段 URI 间被这个 tag 分隔开
    其格式为：#EXTINF:<duration>,<title>
    • duration：表示持续的时间（秒），"Durations MUST be integers if the protocol version of the Playlist file is
      less than 3"，否则可以是浮点数。
  3. #EXT-X-BYTERANGE：
    表示媒体段是一个媒体 URI 资源中的一段，只对其后的 media URI 有效，
    格式为：#EXT-X-BYTERANGE:<n>[@o]
    • n：表示这个区间的大小
    • o：表示在 URI 中的 offset
    • The EXT-X-BYTERANGE tag appeared in version 4 of the protocol
  4. #EXT-X-TARGETDURATION：
    指定当前视频流中的单个切片（即 ts）文件的最大时长（秒）。所以 #EXTINF 中指定的时间长度必须小于或是等于这个最大值。这个 tag 在整个 Playlist 文件中只能出现一次（在嵌套的情况下，一般有真正
    ts url 的 m3u8 才会出现该 tag）。格式为：#EXT-X-TARGETDURATION:<s>
    • s：表示最大的秒数。
  5. #EXT-X-MEDIA-SEQUENCE：
    每一个 media URI 在 Playlist 中只有唯一的序号，相邻之间序号 +1。
    格式为：#EXT-X-MEDIA-SEQUENCE:<number>。一个 media URI 并不是必须要包含的，如果没有，默认为 0.
  6. #EXT-X-KEY：
    表示怎么对 media segments 进行解码。其作用范围是下次该 tag 出现前的所有 media URI。
    格式为：#EXT-X-KEY:<attribute-list>
    • NONE 或者 AES-128。如果是 NONE，则 URI 以及 IV 属性必须不存在，如果是 AES-128(Advanced Encryption Standard)，则 URI 必须存在，IV 可以不存在。
    • 对于 AES-128 的情况，keytag 和 URI 属性共同表示了一个 key 文件，通过 URI 可以获得这个 key，如果没有 IV（Initialization Vector），则使用序列号作为 IV 进行编解码，将序列号的高位赋到 16 个字节的 buffer 中，左边补 0；如果有 IV，则将该值当成 16 个字节的 16 进制数。
  7. #EXT-X-PROGRAM-DATE-TIME：
    将一个绝对时间或是日期和一个媒体段中的第一个 sample 相关联，只对下一个 media URI 有效，格式如下：#EXT-X-PROGRAM-DATE-TIME:<YYYY-MM-DDThh:mm:ssZ>
    • 例如：#EXT-X-PROGRAM-DATE-TIME:2010-02-19T14:54:23.031+08:00
  8. #EXT-X-ALLOW-CACHE：
    是否允许做 cache，这个可以在 Playlist 文件中任意地方出现，并且最多只出现一次，作用效果是所有的媒体段。格式如下：#EXT-X-ALLOW-CACHE:<YES|NO>
  9. #EXT-X-PLAYLIST-TYPE：
    提供关于 Playlist 的可变性的信息，这个对整个 Playlist 文件有效，是可选的，格式如下： #EXT-X-PLAYLIST-TYPE:<EVENT|VOD>
    • VOD，即为点播视频，服务器不能改变 Playlist 文件，换句话说就是该视频全部的 ts 文件已经被生成好了
    • EVENT，就是实时生成 m3u8 和 ts 文件。服务器不能改变或是删除 Playlist 文件中的任何部分，但是可以向该文件中增加新的一行内容。它的索引文件一直处于动态变化中，播放的时候需要不断下载二级 index 文件
  10. #EXT-X-ENDLIST：
    表示 m3u8 文件的结束，live m3u8 没有该 tag。它可以在 Playlist 中任意位置出现，但是只能出现一个，格式如下： #EXT-X-ENDLIST
  11. #EXT-X-MEDIA：
    被用来在 Playlist 中表示相同内容的不同语种/译文的版本，比如可以通过使用 3 个这种 tag 表示 3 种不同语音的音频，或者用 2 个这个 tag 表示不同角度的 video。在 Playlist 中，这个标签是独立存在的，其格式如下：#EXT-X-MEDIA:<attribute-list>
    • 该属性列表中包含：URI、TYPE、GROUP-ID、LANGUAGE、NAME、DEFAULT、AUTOSELECT。
    • URI：如果没有，则表示这个 tag 描述的可选择版本在主 PlayList 的 EXT-X-STREAM-INF 中存在
    • TYPE：AUDIO and VIDEO
    • GROUP-ID：具有相同 ID 的 MEDIAtag，组成一组样式
    • LANGUAGE：identifies the primary language used in the rendition
    • NAME：The value is a quoted-string containing a human-readable description of the rendition. If the LANGUAGE attribute is present then this description SHOULD be in that language
    • DEFAULT：YES 或是 NO，默认是 No，如果是 YES，则客户端会以这种选项来播放，除非用户自己进行选择
    • AUTOSELECT：YES 或是 NO，默认是 No，如果是 YES，则客户端会根据当前播放环境来进行选择（用户没有根据自己偏好进行选择的前提下）
    • The EXT-X-MEDIA tag appeared in version 4 of the protocol。
  12. #EXT-X-STREAM-INF：
    指定一个包含多媒体信息的 media URI 作为 Playlist，一般做 m3u8 的嵌套使用，它只对紧跟后面的 URI 有效，格式如下：#EXT-X-STREAM-INF:<attribute-list>
    • 常用的属性如下：
    • BANDWIDTH：带宽，必须有
    • PROGRAM-ID：该值是一个十进制整数，唯一地标识一个在 Playlist 文件范围内的特定的描述。一个 Playlist 文件中可能包含多个有相同 ID 的此 tag
    • CODECS：指定流的编码类型，不是必须的
    • RESOLUTION：分辨率
    • AUDIO：这个值必须和 AUDIO 类别的 "EXT-X-MEDIA" 标签中 "GROUP-ID" 属性值相匹配
    • VIDEO：同上
  13. #EXT-X-DISCONTINUITY：
    当遇到该 tag 的时候说明以下属性发生了变化：
    • file format
    • number and type of tracks
    • encoding parameters
    • encoding sequence
    • timestamp sequence
  14. #ZEN-TOTAL-DURATION：
    表示这个 m3u8 所含 ts 的总时间长度

3. HLS 之 TS

来自： hls之m3u8、ts流格式详解

ts 文件为传输流文件，视频编码主要格式为 H264/MPEG4，音频为 AAC/MP3。

ts 文件分为三层：

  • ts 层：Transport Stream，是在 pes 层的基础上加入数据流的识别和传输必须的信息。
  • pes 层： Packet Elemental Stream，是在音视频数据上加了时间戳等对数据帧的说明信息。
  • es 层：Elementary Stream，即音视频数据。

3.1 ts 层：Transport Stream

ts 包大小固定为 188 字节，ts 层分为三个部分：ts header、adaptation field、payload。ts header 固定 4 个字节；adaptation field 可能存在也可能不存在，主要作用是给不足 188 字节的数据做填充；payload 是 pes 数据。

3.1.1 ts header


ts 层的内容是通过 PID 值来标识的，主要内容包括：PAT 表、PMT 表、音频流、视频流。解析 ts 流要先找到 PAT 表，只要找到 PAT 就可以找到 PMT，然后就可以找到音视频流了。PAT 表的和 PMT 表需要定期插入 ts 流，因为用户随时可能加入 ts 流，这个间隔比较小，通常每隔几个视频帧就要加入 PAT 和 PMT。PAT 和 PMT 表是必须的，还可以加入其它表如 SDT（业务描述表）等，不过 hls 流只要有 PAT 和 PMT 就可以播放了。

  • PAT 表：主要的作用就是指明了 PMT 表的 PID 值。
  • PMT 表：主要的作用就是指明了音视频流的 PID 值。
  • 音频流/视频流：承载音视频内容。

3.1.2 adaptation field


自适应区的长度要包含传输错误指示符标识的一个字节。pcr 是节目时钟参考，pcr、dts、pts 都是对同一个系统时钟的采样值，pcr 是递增的，因此可以将其设置为 dts 值，音频数据不需要 pcr。如果没有字段，ipad 是可以播放的，但 vlc 无法播放。打包 ts 流时 PAT 和 PMT 表是没有 adaptation field 的，不够的长度直接补 0xff 即可。视频流和音频流都需要加 adaptation field，通常加在一个帧的第一个 ts 包和最后一个 ts 包里，中间的 ts 包不加。如下图所示：

PAT 格式如下图

PMT 格式如下图

3.2 pes 层：Packet Elemental Stream

pes 层是在每一个视频/音频帧上加入了时间戳等信息，pes 包内容很多，这里只留下最常用的。

pes 层格式如下图：

pes 层内容如下图：


pts 是显示时间戳、dts 是解码时间戳，视频数据两种时间戳都需要，音频数据的 pts 和 dts 相同，所以只需要 pts。有 pts 和 dts 两种时间戳是 B 帧引起的，I 帧 和 P 帧的 pts 等于 dts。如果一个视频没有 B 帧，则 pts 永远和 dts 相同。从文件中顺序读取视频帧，取出的帧顺序和 dts 顺序相同。dts 算法比较简单，初始值 + 增量即可，pts 计算比较复杂，需要在 dts 的基础上加偏移量。

音频的 pes 中只有 pts（同 dts），视频的 I、P 帧两种时间戳都要有，视频 B 帧只要 pts（同 dts）。打包 pts 和 dts 就需要知道视频帧类型，但是通过容器格式我们是无法判断帧类型的，必须解析 h.264 内容才可以获取帧类型。

举例说明：

.           I    P    B    B    B    P
读取顺序：   1    2    3    4    5    6
dts 顺序：   1    2    3    4    5    6
pts 顺序：   1    5    3    2    4    6
点播视频 dts 算法：

dts = 初始值 + 90000 / video_frame_rate，初始值可以随便指定，但是最好不要取 0，video_frame_rate 就是帧率，比如 23、30。

pts 和 dts 是以 timestamp 为单位的，1s = 90000 time scale，一帧就应该是 90000/video_frame_rate 个 timescale。

用一帧的 timescale 除以采样频率就可以转换为一帧的播放时长。

点播音频 dts 算法：

dts = 初始值 + (90000 * audio_samples_per_frame) / audio_sample_rate，audio_samples_per_frame 这个值与编解码相关，aac 取值 1024，mp3 取值 1158，audio_sample_rate 是采样率，比如 24000、41000. AAC 一般解码出来是每声道 1024 个 sample，也就是说一帧的时长为 1024/sample_rate 秒。所以每一帧时间戳依次0,1024/sample_rate, ..., 1024*n/sample_rate 秒。

注：直播视频的 dts 和 pts 应该直接用直播数据流中的时间，不应该按公式计算。

3.3 es 层：Elementary Stream

es 层指的就是音视频数据。这里只介绍 h.264 视频和 aac 音频。

3.3.1 h.264 视频

打包 h.264 数据时必须给视频数据加上一个 nalu（Network Abstraction Layer Unit），nalu 包括 nalu header 和 nalu type，nalu header 固定为 0x00000001（帧开始）或 0x000001（帧中）。h.264 的数据是由 slice 组成的，slice 的内容包括：视频、sps、pps 等。nalu type 决定了后面的 h.264 数据内容。

.    
      0 1 2 3 4 5 6 7 
     +-+-+-+-+-+-+-+-+
     |F|NRI|  TYPE   |  
     +-+-+-+-+-+-+-+-+
  • F：1bit，forbidden_zero_bit，h.264 规定必须取 0。
  • NRI：2bits，nal_ref_idc，取值为 0~3，指示这个 nalu 的重要性，I 帧、sps、pps 通常取 3，P 帧常取 2，B 帧通常取 0
  • Type：5bits，取值如下表所示：
    image

打包 es 层数据时 pes 头和 es 数据之间要加入一个 type=9 的 nalu，关键帧 slice 前必须要加入 type=7 和 type=8 的 nalu，而且是紧邻的。如下图所示：

posted @ 2018-06-04 22:27  季末的天堂  阅读(35456)  评论(0)  编辑  收藏  举报