HLS流媒體技術(shù)在Twitch直播平臺(tái)中的實(shí)踐與優(yōu)化

蔣夢(mèng)云

關(guān)鍵詞：HLS；流媒體技術(shù)；Twitch；自適應(yīng)碼率

0 引言

隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展，流媒體傳輸已成為各類多媒體應(yīng)用的核心需求。其中，HLS（HTTP LiveStreaming） 是一種由Apple公司開發(fā)的基于HTTP的流媒體傳輸技術(shù)，具有簡(jiǎn)單、靈活、自適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于在線直播、廣播電視、車載娛樂等領(lǐng)域[1]。本文將介紹HLS流媒體技術(shù)在Twitch直播平臺(tái)中的應(yīng)用與實(shí)踐。

1 HLS 流媒體技術(shù)的工作原理

HLS流媒體技術(shù)是一種基于HTTP協(xié)議的流媒體傳輸技術(shù)。它將直播流媒體分割為多個(gè)小的HTTP文件，每個(gè)文件包含一小段時(shí)間的直播數(shù)據(jù)。客戶端根據(jù)需要請(qǐng)求這些文件，并按照文件的時(shí)間戳重新組裝成完整的直播流媒體，技術(shù)框架如圖1所示[2]。

2 HLS 流媒體技術(shù)的主要特點(diǎn)

1） 簡(jiǎn)單易用：HLS基于標(biāo)準(zhǔn)的HTTP協(xié)議，無需復(fù)雜的配置即可實(shí)現(xiàn)流媒體傳輸。客戶端只須支持標(biāo)準(zhǔn)的HTTP請(qǐng)求即可獲取直播流媒體數(shù)據(jù)。

2） 靈活性強(qiáng)：HLS支持對(duì)直播流媒體進(jìn)行任意時(shí)間粒度的分割，可以滿足不同網(wǎng)絡(luò)環(huán)境和設(shè)備性能的需求。同時(shí)，客戶端可以根據(jù)需要選擇不同的時(shí)間粒度，以實(shí)現(xiàn)最佳的播放效果。

3） 自適應(yīng)性好：HLS可以通過動(dòng)態(tài)調(diào)整碼率等方式，自適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境和設(shè)備性能的變化，保證直播流媒體的穩(wěn)定性和流暢性[3]。

4） 可擴(kuò)展性強(qiáng)：HLS可以與CDN（內(nèi)容分發(fā)網(wǎng)絡(luò)）結(jié)合使用，實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的直播流媒體分發(fā)和播放，滿足更多用戶的需求。

3 HLS 流媒體技術(shù)在Twitch 平臺(tái)中的實(shí)踐

Twitch 是全球最大的游戲直播平臺(tái)之一，使用HLS流媒體技術(shù)進(jìn)行直播內(nèi)容的傳輸。具有以下的應(yīng)用需求。1） 滿足大規(guī)模并發(fā)訪問需求：Twitch平臺(tái)每天吸引了數(shù)百萬用戶觀看直播內(nèi)容，其中不乏一些熱門直播間的并發(fā)訪問量高達(dá)數(shù)百萬。HLS流媒體技術(shù)通過將直播內(nèi)容分割為多個(gè)HTTP文件，并使用CDN 進(jìn)行分發(fā)，成功滿足了Twitch 平臺(tái)大規(guī)模并發(fā)訪問的需求[4]。2） 提供穩(wěn)定流暢的播放體驗(yàn)：HLS流媒體技術(shù)的自適應(yīng)性強(qiáng)，可以根據(jù)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境和設(shè)備性能的變化自適應(yīng)調(diào)整碼率和清晰度，保證了Twitch 平臺(tái)直播流媒體的穩(wěn)定性和流暢性。無論用戶處于何種網(wǎng)絡(luò)環(huán)境或使用何種設(shè)備，都可以獲得清晰、流暢的觀看體驗(yàn)。

3.1 HLS流媒體技術(shù)中自適應(yīng)算法的設(shè)計(jì)

針對(duì)直播實(shí)踐，本文設(shè)計(jì)出一種自適應(yīng)算法（ABR） 用來根據(jù)緩沖區(qū)狀態(tài)來做出碼率調(diào)整決策。當(dāng)緩沖區(qū)處于過度填充或者空閑狀態(tài)時(shí)，該算法會(huì)相應(yīng)地調(diào)整碼率，以平衡播放的流暢性和視頻質(zhì)量，以下是核心代碼：

首先，初始化了 ABRAlgorithm類，并定義了緩沖區(qū)大小、高閾值、低閾值和可選的視頻碼率等參數(shù)。然后，在monitor_buffer方法中，根據(jù)下載的數(shù)據(jù)量和時(shí)長(zhǎng)更新緩沖區(qū)狀態(tài)。接著，通過adjust_bitrate方法根據(jù)當(dāng)前的緩沖區(qū)狀態(tài)來動(dòng)態(tài)調(diào)整視頻碼率。最后，通過 playback方法模擬視頻的播放過程，根據(jù)緩沖區(qū)狀態(tài)來進(jìn)行相應(yīng)的處理。

3.2 HLS 流媒體技術(shù)中自適應(yīng)算法遇到的問題

1） 碼率切換時(shí)的延遲問題：在進(jìn)行碼率切換時(shí)，由于需要獲取新的碼率對(duì)應(yīng)的視頻片段，可能會(huì)導(dǎo)致一定的延遲，從而影響用戶觀看體驗(yàn)[5]。

2） 流暢性和畫質(zhì)平衡：自適應(yīng)算法需要在保證視頻流暢播放的同時(shí)，盡可能提供高質(zhì)量的視頻畫面。因此需要在不同網(wǎng)絡(luò)條件下找到合適的平衡點(diǎn)，以避免頻繁的碼率切換和畫質(zhì)下降。

3） 網(wǎng)絡(luò)狀況變化引起的抖動(dòng)：當(dāng)網(wǎng)絡(luò)狀況頻繁變化時(shí)，自適應(yīng)算法可能會(huì)出現(xiàn)頻繁的碼率切換，導(dǎo)致視頻播放的抖動(dòng)現(xiàn)象，影響用戶體驗(yàn)。

4） 跨平臺(tái)和設(shè)備兼容性：不同設(shè)備和平臺(tái)可能具有不同的網(wǎng)絡(luò)條件和性能特點(diǎn)，自適應(yīng)算法需要在各種設(shè)備上表現(xiàn)良好 ，包括移動(dòng)設(shè)備、智能電視、桌面電腦等。

5） 用戶體驗(yàn)個(gè)性化：由于不同用戶的觀看環(huán)境和偏好不同，自適應(yīng)算法需要考慮如何根據(jù)用戶的個(gè)性化需求來調(diào)整碼率選擇，以提供更好的用戶體驗(yàn)。

6） 實(shí)時(shí)性能優(yōu)化：自適應(yīng)算法需要在實(shí)時(shí)性和穩(wěn)定性之間尋找平衡，確保及時(shí)響應(yīng)網(wǎng)絡(luò)狀況的變化，同時(shí)避免過于頻繁地進(jìn)行調(diào)整。

3.3 HLS 流媒體技術(shù)中自適應(yīng)算法的優(yōu)化策略

1） 延遲問題的優(yōu)化策略

①使用HTTP/2或HTTP/3協(xié)議，以減少連接建立和認(rèn)證的延遲。HTTP/2引入了頭信息壓縮和多路復(fù)用等技術(shù)，可以減少請(qǐng)求的大小和數(shù)量，提高傳輸效率。HTTP/3則基于QUIC協(xié)議，通過在TCP上建立連接并使用UDP 進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，進(jìn)一步提高了傳輸效率。

②引入CDN（內(nèi)容分發(fā)網(wǎng)絡(luò)）和多級(jí)緩存策略，將直播流媒體內(nèi)容分發(fā)到全球各地的服務(wù)器，使用戶可以從最近的服務(wù)器獲取數(shù)據(jù)，減少延遲。

③優(yōu)化直播流媒體的分片大小和時(shí)間粒度，以減少請(qǐng)求的數(shù)量和大小，從而減少延遲。

2） 自適應(yīng)碼率問題的優(yōu)化策略

①動(dòng)態(tài)調(diào)整碼率時(shí)，需要在保證流暢度和清晰度之間進(jìn)行權(quán)衡。通過合理地調(diào)整碼率，避免頻繁的碼率變化引起的卡頓。

②采用智能碼率調(diào)整算法，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境和設(shè)備性能的變化，自適應(yīng)調(diào)整碼率。例如，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境較差時(shí)，可以自動(dòng)降低碼率以確保流暢性；當(dāng)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境較好且設(shè)備性能較高時(shí)，可以自動(dòng)提高碼率以提供更好的清晰度[6]。

③引入緩存策略，緩存已經(jīng)請(qǐng)求過的直播片段，以減少重復(fù)請(qǐng)求和碼率調(diào)整引起的卡頓。

3） 跨平臺(tái)和跨設(shè)備兼容性問題的優(yōu)化策略

①與設(shè)備制造商和操作系統(tǒng)開發(fā)商合作，針對(duì)不同設(shè)備和操作系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，確保最佳的播放效果。

②提供適用于不同設(shè)備和操作系統(tǒng)的播放器界面和插件，使用戶可以在不同的設(shè)備和平臺(tái)上順暢地觀看直播內(nèi)容。

③引入自適應(yīng)播放器，根據(jù)用戶的設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)環(huán)境自動(dòng)選擇最佳的播放模式和清晰度。

4） 廣告與訂閱模式的集成問題的優(yōu)化策略

①與廣告投放系統(tǒng)集成，確保廣告的正確播放和計(jì)費(fèi)。例如，通過在直播流媒體中插入廣告片段或在直播界面上展示廣告，同時(shí)保證廣告的播放不會(huì)影響觀眾的觀看體驗(yàn)。

②與訂閱管理系統(tǒng)集成，實(shí)現(xiàn)觀眾的付費(fèi)訂閱和權(quán)限管理。例如，通過與支付平臺(tái)合作，實(shí)現(xiàn)觀眾的支付和訂閱管理，同時(shí)保證訂閱用戶的權(quán)益和特權(quán)。

5） 高并發(fā)訪問問題的優(yōu)化策略

①使用負(fù)載均衡技術(shù)，將用戶請(qǐng)求分配到多個(gè)服務(wù)器上進(jìn)行處理，提高平臺(tái)的并發(fā)處理能力[6]。

②引入分布式緩存和數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，以減輕數(shù)據(jù)庫的負(fù)載并提高數(shù)據(jù)的訪問速度。例如，使用Redis等內(nèi)存數(shù)據(jù)庫作為緩存層，加速數(shù)據(jù)的讀取速度并減輕數(shù)據(jù)庫的負(fù)載。

③使用CDN和多級(jí)緩存策略，將直播流媒體內(nèi)容分發(fā)到全球各地的服務(wù)器，使用戶可以從最近的服務(wù)器獲取數(shù)據(jù)，提高并發(fā)訪問的處理能力。

3.4 HLS 流媒體技術(shù)中自適應(yīng)算法的優(yōu)化實(shí)現(xiàn)

針對(duì)上述問題，本文采用基于機(jī)器學(xué)習(xí)和深度學(xué)習(xí)的方法進(jìn)行了優(yōu)化，詳細(xì)步驟如下：

1） 數(shù)據(jù)準(zhǔn)備

設(shè)置監(jiān)控系統(tǒng)來實(shí)時(shí)記錄用戶觀看視頻時(shí)的網(wǎng)絡(luò)帶寬、延遲、丟包率等網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)信息，以及視頻質(zhì)量指標(biāo)如卡頓率、清晰度評(píng)分等。收集每個(gè)用戶的設(shè)備信息，設(shè)備型號(hào)、屏幕分辨率等，以及用戶的地理位置信息和觀看時(shí)間等。利用日志文件和事件跟蹤來記錄用戶觀看視頻時(shí)的各種行為和交互信息，以便后續(xù)分析用戶行為模式和偏好選擇模型。

2） 數(shù)據(jù)處理

清洗數(shù)據(jù)：收集的用戶觀看視頻時(shí)的網(wǎng)絡(luò)帶寬數(shù)據(jù)，可能會(huì)出現(xiàn)一些異常值，比如網(wǎng)絡(luò)帶寬突然飆升或驟降的情況，需要識(shí)別并移除這些異常值。特征工程：在視頻流媒體服務(wù)中，用戶的設(shè)備類型和屏幕分辨率可能多種多樣。需對(duì)這些特征進(jìn)行縮放。例如，計(jì)算網(wǎng)絡(luò)帶寬的平均值、最大值、標(biāo)準(zhǔn)差等統(tǒng)計(jì)特征，或者從時(shí)間戳中提取小時(shí)、星期幾等時(shí)間特征。數(shù)據(jù)平滑：對(duì)網(wǎng)絡(luò)帶寬數(shù)據(jù)進(jìn)行移動(dòng)平均，以減少瞬時(shí)波動(dòng)對(duì)最佳碼率選擇的影響。特征選擇：某些設(shè)備信息可能對(duì)最佳碼率選擇的影響較小，在特征選擇階段可以考慮將其移除。

3） 模型訓(xùn)練

對(duì)于最佳碼率選擇問題，可以考慮使用監(jiān)督學(xué)習(xí)方法，比如回歸模型或者分類模型。針對(duì)連續(xù)數(shù)值型的最佳碼率選擇，可以選擇回歸模型，比如線性回歸、決策樹回歸、集成回歸模型等；而如果將最佳碼率選擇離散化為幾個(gè)檔次，也可以考慮使用分類模型，比如邏輯回歸、隨機(jī)森林分類器等。

4） 模型評(píng)估

針對(duì)最佳碼率選擇模型。

4 總結(jié)與技術(shù)展望

隨著流媒體技術(shù)的不斷發(fā)展和創(chuàng)新，HLS流媒體技術(shù)將在未來的直播行業(yè)中繼續(xù)發(fā)揮重要作用。展望未來，HLS流媒體技術(shù)將面臨更多挑戰(zhàn)和機(jī)遇。以下是一些未來可能的研究方向。

1） 新型編碼和壓縮技術(shù)：隨著視頻編碼和壓縮技術(shù)的不斷發(fā)展，未來可能會(huì)出現(xiàn)更高效的編碼和壓縮算法，進(jìn)一步提高視頻質(zhì)量和壓縮比，減少存儲(chǔ)和傳輸成本。

2） 智能優(yōu)化技術(shù)：未來將有更多的智能優(yōu)化技術(shù)應(yīng)用于HLS流媒體領(lǐng)域，如深度學(xué)習(xí)、人工智能等。這些技術(shù)可以幫助系統(tǒng)自動(dòng)識(shí)別和調(diào)整直播流媒體的質(zhì)量，以更好地適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境和設(shè)備性能的變化。

3） 混合流媒體技術(shù)：HLS流媒體技術(shù)可以與其他流媒體技術(shù)相結(jié)合，如DASH、WebRTC等，形成混合流媒體技術(shù)，以提供更豐富的功能和更好的用戶體驗(yàn)。

綜上所述，HLS流媒體技術(shù)在未來的直播行業(yè)中將繼續(xù)發(fā)揮重要作用，并面臨更多挑戰(zhàn)和機(jī)遇。未來研究方向?qū)⒑w新型編碼和壓縮技術(shù)、智能優(yōu)化技術(shù)、混合流媒體技術(shù)、5G網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用以及隱私和安全保護(hù)等方面，以推動(dòng)流媒體技術(shù)的創(chuàng)新和發(fā)展，提高整個(gè)行業(yè)的效率和用戶體驗(yàn)。