视频秒开的秘密の为什么HLS能吊打MP4

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作者简介

刘继刚

一个前端&客户端“两栖”开发工程师

背景

我司项目会在直播时进行视频录制（MP4格式），并在个人店铺页提供给录制视频回放功能。项目上线后发现，回放视频时能明显感觉到要loading很长时间才开始播放，依据视频大小不同，最长情况可能达到30秒，给用户的感觉就是“好卡”。

视频首播为什么那么卡

说卡顿之前，要先了解一些MP4文件的一些基本格式（本文以H.264-MP4为例）。

MP4 文件由许多个 原子 （也叫box）的数据块组成，大box中存放小box，一级嵌套一级来存放媒体信息。这些原子用以存储字幕和章节等内容， 当然也包括视频和音频等显而易见的数据。而视频和音频原子的元数据，以及有关如何播放视频的信息，如尺寸和每秒的帧数，则存储在叫做 moov 的特殊原子中。如果把MP4文件比喻成一本书的话，你可以认为 moov 是某种意义上的 MP4 文件目录。

基本结构

ftyp：File Type Box，处于文件的开始位置，描述的MP4文件的版本、兼容协议等

free：Free Space Box，预留字段、可省略，常被忽略。

mdat：Media Data Box，媒体数据内容，是实际的视频的内容存储区域。该区域通常占整个文件99%+大小的（音视频）。

moov：Movie Box，视频文件的必要区域，该区域包含了视频文件的metedata信息的mvhd（eg.存储视频的时长，创建、修改信息，时间刻度，速率）区域和 媒体数据引用、描述的track区（对于媒体数据来说，track表示一个视频或音频序列，hint-track 除外）。trak区域至少存在一个，大部分情况是两个（音频和视频），因trak内容知识点较多，这里不在过多概述，可以参考下图。

形象点来说，moov可以比如成是整个视频的目录，想要播放视频的话，必须要先加载moov区域拿到视频文件目录才能播放视频内容。

图：moov-box的第一个子box: mvhd区域

图：MP4视频文件的结构概述

图：通过moov-box中的trak去mdat区域视频

延迟问题定位

打开具体的某个回放页面，先会通过接口根据record_id去获取到页面的基本信息、视频的播放地址(videoUrl)、视频封面（poster）；然后把videoUrl，poster赋值给video标签，后续浏览器根据标签参数就会开始获取视频信息，下载视频chunk，开始播放视频，由浏览器内部实现，js无法去过多干涉(暂停、播放等除外)。通过抓包能够大致了解浏览加载视频过程：

从network 面板中可以看到为了播放视频，浏览器先后发送了三次请求，来回耗时17s。来具体看下这三个请求（默认服务端支持range）：

第一次：

浏览器第一次请求时尝试通过 HTTP range request（0-∞）尝试下载整个视频。但是实际只下载了47.2KB（ps.31.4KB为传输中经压缩后的传输流量）整个请求就完成了。来分析一下具体流程：

• 浏览器通过Range: bytes=0- 首先获取到了ftyp信息，box大小 [ftyp] size=8+24 字节（这个大小组成会在下面提到）；

• 接下来继续尝试查找free区域（如果没有就跳过），box大小 [free] size=8+0 字节；

• 接着尝试查找下一个区域（moov或mdat），结果不幸匹配到的区域是mdat区域；这时浏览器就会主动终止请求，尝试从尾部查找视频的moov区域（ps.在上面MP4基本结构中，已经说明moov的重要性了：不解析moov就无法播放视频），就紧接着开始了第二次请求的发起了。

第二次：

在第一次请求中已经知道了整个视频文件的大小了，如何去确定请求的尾部的大小呢？就是 HTTP range request中的range值要从何值开始。由于MP4是个由box组成，标准的box开头的4个字节（32位）为box size，该大小包括box header和box body表面的整个box的大小，这样浏览器在第一次请求后就可以确定文件中剩下未解析到的box的开始的range值了。

计算过程（单位字节）：

视频文件大小 - ftyp大小 - free大小 - mdat大小 =》（Content-Length: 219157707）- （ftyp-size: 8+24）- （free-size: 8+0）- （mdat-size: 217910682）= 1246985

也就是，这一次请求的range的开始值最大值不能高于219157707-1246985=217910722。

可以看到发出去的请求 Range: bytes=217907200-∞ ，上面我们计算的217910722-∞ 包含在内 （为什么不从217910722 开始，而是多向前了3.45KB，猜测是为了更安全的box查找范围，具体的原因未在深究）。请求到数据后，接下来就是解析moov box了，然后根据视频”目录“然后第三次请求。

第三次：

根据第二次请求的moov解析后，开始下载”真正“的视频的内容准备播放。

通过上面的分析，不必要的两次请求或许是导致首播卡顿元凶之一，因此我们对视频文件进行了优化（三次请求变成一次），实际的效果是有提升但是依然很不理想。

那么还有没有其他的问题到导致播放卡顿呢？

分析&解决

在上面的第三次请求中，抓包中能够明显观察到视频要缓存到5M左右才能开始播放。那如何降低这个视频首播缓冲的chunk大小呢，首先想到的就是降低视频的分辨率。通过服务端后台录制的视频是高清的（720p），如果把分辨率降低到标清（360p）如何呢？实际把视频文件进行转码成标清后，下图是同一个视频 标清 首次播放请求结果对比：

数据上看，首播效果有略微提升，但差距并不大。目前看来，在格式已定前提下能优化的已经尽力了，只能另辟他经了。

接下来看下视频播放过程中浏览器是如何对视频数据处理的（图片来源：雷霄骅的博客）：

图中可以看到在播放前需要先解协议，解封装，解码音视频，同步，另外MP4的协议相对来说比较复杂，需要下载文件头比较大，而且要下载完才能解析（参考上面抓包的结果，头文件[ftyp+moov]大小将近1.19MB），解析后才去下载视频播放的内容。

有没有其他针对直播/点播的流协议呢？

答案是肯定（这里先不讨论FLV了），移动端苹果系统（iOS 3.0及更高版本的设备均支持）也给出了HTTP实时流的解决方案-HLS，安卓迫于iOS的淫威也开始系统层兼容HLS了，Can I use 上来看移动端兼容性相当不错。

关于HLS的介绍可以查看官方文档 developer.apple.com 。

首先服务端要根据源视频文件转换成HLS格式（m3u8和ts两种后缀）的文件，这个转换需要先把码源视频转码到目标编码格式（eg.H264），在进行 Stream segmenter（流分割）对视频切片后生成一个文本类型的xxx.m3u8索引文件和一组 xxxx.ts的分片文件，剩下的客户端获取.m3u8和.ts文件就交给HTTP服务器了（eg.nginx 、 apache）。整个从生成流到拉流的过程如下图：

客户端（H5端）首先会拉取到索引文件xxx.m3u8，解析后根据索引的中播放列表的顺序依序拉取ts文件，如果当前客户端不支持HLS，就需要通过js去手动下载解析这些ts文件，然后解析重组成视频流保存到SourceBuffer 中，在媒体源扩展 API（MSE） 进行播放（现有方案hls.js）。这里的注意的H.264视频解码能力是系统本身提供的，如果系统本身不支持那就gg了。

m3u8 文件实质是一个播放列表（playlist），其可能是一个媒体播放列表（Media Playlist），或者是一个主列表（Master Playlist）。但无论是哪种播放列表，其内部文字使用的都是 utf-8 编码。格式示例：

具体的的某个码流(eg.voide.m3u8)

更多m3u8的格式信息可以点 ietf.org 查看，目前HLS还是草案，并不是国际标准。

其实关于自适性流技术的有个国际标准，是MPEG-DASH，不过这货在2011年11月才成为国际标准，相对较晚，也不好推，各浏览器基本上都未在系统层支持，总的来说位置比较尴尬。

整体上来对比下这三种流格式的优缺点：

协议格式	播放体验	流量占用情况
DASH	对视频进行切片，按切片播放，缓存小起播快；拖动时间轴到任意时间播放时，可以快速定位到对应的切片进行播放，响应快。	小
HLS	对视频进行切片，按切片播放，缓存小起播快；拖动时间轴到任意时间播放时，可以快速定位到对应的切片进行播放，响应快。	整体占用小，播放一个切片只下载一个切片内容；对于低码率的视频场景，因封装代价高导致流量占用相对较高
MP4	头文件较大，边下边缓存，起播相对HLS和DASH慢一些；拖动时间轴播放时，需要一定的时间缓存；市场上大多数的浏览器客户端均能够播放，播放成功率高。	拖动时间轴播放时，仍然需要下载整个头文件，耗费流量大；因流量占用较大，建议用在短视频处理的场景。
HTTP-FLV	缓存小起播快	小

从兼容性、性能、体验上来看，HLS是不错的选择（ps.最主要的是服务端转码不支持MPEG-DASH）。

同样的一段视频，转码成hls的后的实际播放效果非常不错，首播延迟缩短的很明显（1-2s内播放）。

整体概括下，录制的原始MP4视频，由于moov区域靠后，需要多请求两次才能获取到播放的“目录”，并且由于MP4格式播放的“目录”很大（上面例子中近1.19MB），导致首播卡顿很大。为了解决问题，使用了专门的实时流格式--HLS。

前端流水式接入

后端转码

由于我们直播使用的是腾讯云的服务，只需要在每次视频录制结束后，后端会自动创建一个转码任务，会生成一份hls的格式的录制视频。并在前端访问时，返回hls格式的播放地址给前端。

如果是自家平台的话，就需要后端借助FFmpeg这个很牛的库了，利用其提供的转码API进行操作。毕竟转码会很耗费性能的，任务一多起来就要排长队，这就需要考虑下是否需要动态扩容了。

前端接入（基于hls.js）

• 安装

npm install hls.js

• 绑定video标签&播放

更多API可以参考doc

ps.其他三方的一些播放器（eg. vidoe.js，TcPlayer.js 等等），其内部针对的hls的处理大部分页都引用的hls.js。

多码率适配

如果要实现这个功能，前提是服务端在转码时需要输出有多个分辨率的视频。然后只需要创建一个主的索引问题来定义不同的分辨率。

mastertplaylist.m3u8示例文件：

这里面索引了各个分类的m3u8的地址。

整体的结构如下如所示：

文中使用的测试视频信息

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