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about-multimedia

有关多媒体与直播

多媒体知识

基本概念

  • 媒体文件和编码的区别

    文件是既包括视频又包括音频、甚至还带有脚本的一个集合，也可以叫容器；文件当中的视频和音频的压缩算法才是具体的编码。

  • 常见的音频视频编码
    • MPEG 系列：（由ISO[国际标准组织机构]下属的MPEG[运动图象专家组]开发）
      • 视频编码方面主要是Mpeg1（vcd 用的就是它）、Mpeg2（DVD 使用）、Mpeg4（现在的DVDRIP 使用的都是它的变种，如：divx，xvid 等）、Mpeg4 AVC（现在正热门）；
      • 音频编码方面主要是MPEG Audio Layer 1/2、MPEG Audio Layer 3（大名鼎鼎的mp3）、MPEG-2 AAC 、MPEG-4 AAC等等。注意：DVD音频没有采用Mpeg
    • H.26X系列（由ITU[国际电传视讯联盟]主导，侧重网络传输，注意：只是视频编码）
      • 包括H261、H262、H263、H263+、H263++、H264（就是MPEG4 AVC-合作的结晶）
    • 微软windows media系列
      • 视频编码有Mpeg-4 v1/v2/v3（基于MPEG4）、Windows Media Video 7/8/9/10
      • 音频编码有Windows Media audeo v1/v2/7/8/9
    • Real Media系列
      • 视频编码有RealVideo G2（早期）、RealVideo 8/9/10
      • 音频编码有RealAudio cook/sipro（早期）、RealAudio AAC/AACPlus等
    • QuickTime系列
      • 视频编码有Sorenson Video 3（用于QT5，成标准了）、Apple MPEG-4、Apple H.264
      • 音频编码有QDesign Music 2、Apple MPEG-4 AAC
  • 常见的文件格式（容器）
    • AVI，音视频交互存储，最常见的音频视频容器。支持的视频音频编码也是最多的；
    • MPG，MPEG编码采用的音频视频容器，具有流的特性，里面又分为PS，TS 等，PS主要用于DVD存储，TS主要用于HDTV；
    • VOB，DVD采用的音频视频容器格式（即视频MPEG-2，音频用AC3 或者DTS），支持多视频多音轨多字幕章节等；
    • MP4，MPEG-4 编码采用的音频视频容器，基于QuickTime MOV开发，具有许多先进特性；
    • 3GP，3GPP 视频采用的格式，主要用于流媒体传送；
    • ASF，Windows Media 采用的音频视频容器，能够用于流传送，还能包容脚本等；
    • RM，RealMedia 采用的音频视频容器，用于流传送；RMVB，是视频编码部分采用可变码率压缩的文件格式（容器）；
    • MOV，QuickTime 的音频视频容器；
    • MKV，它能把Windows Media Video，RealVideo，MPEG-4 等视频音频融为一个文件，而且支持多音轨，支持章节字幕等；
    • WAV，一种音频容器（注意：只是音频），大家常说的WAV就是没有压缩的PCM编码，其实WAV里面还可以包括MP3等其他ACM压缩编码；
    • MP3，MPEG Audio Layer 3（Mpeg 1 的音频编码的一种）文件转换（实际上也是编码转换）；

  • IBP帧

    帧——就是影像动画中最小单位的单幅影像画面，相当于电影胶片上的每一格镜头。而在实际压缩时，会采取各种算法减少数据的容量，其中IPB就是最常见的。简单地说，I帧是关键帧，属于帧内压缩。P是向前搜索的意思。B是双向搜索。他们都是基于I帧来压缩数据。

    • I frame ：帧内编码帧 又称intra picture，关键帧。I 帧通常是每个 GOP（MPEG 所使用的一种视频压缩技术） 的第一个帧，视频序列中的第一个帧始终都是I帧。经过适度地压缩，I帧可以作为参考点来实现快进、快退以及其它 随机访问功能。帧可以看成是一个图像经过压缩后的产物，你可以理解为这一帧画面的完整保留。解码时只需要本帧 数据就可以完成（因为包含完整画面）。
    • P frame: 前向预测编码帧 又称predictive-frame，也叫预测帧。它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本帧定义的差别，生成最终画面。（也就是差别帧，P帧没有完整画面数 据，只有与前一帧的画面差别的数据）
    • B frame: 双向预测内插编码帧 又称bi-directional interpolated prediction frame，也叫双向预测帧；也就 是B帧记录的是本帧与前后帧的差别（具体比较复杂，有4种情况），换言之，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，通过前后画面的与本帧数据的叠加取得最终的画面。B帧压缩率高，但是解码时CPU会比较累~。
    • PTS：Presentation Time Stamp。PTS主要用于度量解码后的视频帧什么时候被显示出来
    • DTS：Decode Time Stamp。DTS主要是标识读入内存中的bit流在什么时候开始送入解码器中进行解码。在没有B帧存在的情况下DTS的顺序和PTS的顺序应该是一样的。
    • DTS和PTS区别：
      • DTS主要用于视频的解码,在解码阶段使用.PTS主要用于视频的同步和输出.在display的时候使用.在没有B frame的情 况下.DTS和PTS的输出顺序是一样的
    • IPB帧的不同
      • I frame：自身可以通过视频解压算法解压成一张单独的完整的图片
      • P frame：需要参考其前面的一个I frame 和/或 P frame来生成一张完整的图片
      • B frame：则要参考其前一个I或者P帧及其后面的一个P帧来生成一张完整的图片
      • 两个I frame之间形成一个GOP，在x264中同时可以通过参数来设定bf的大小，即：I 和p或者两个P之间B的数量。
      • 通过上述基本可以说明如果有B frame存在的情况下一个GOP的最后一个frame一定是P，所以如果视频流只有I和P，解码器可以不管后面的数据，边读边解码，线性前进

RTSP协议

  • RTSP+(RTCP/RTP)三者关系

案例一：vlc播放动画片，rtsp://184.72.239.149/vod/mp4:BigBuckBunny_115k.mov

  • Wireshark抓取RTSP流+(RTCP/RTP基于UDP)过程

  • RTSP协议交互过程

    OPTIONS rtsp://184.72.239.149:554/vod/mp4:BigBuckBunny_115k.mov RTSP/1.0 CSeq: 2 User-Agent: LibVLC/3.0.6 (LIVE555 Streaming Media v2016.11.28)

    RTSP/1.0 200 OK CSeq: 2 Server: Wowza Streaming Engine 4.7.5.01 build21752 Cache-Control: no-cache Public: DESCRIBE, SETUP, TEARDOWN, PLAY, PAUSE, OPTIONS, ANNOUNCE, RECORD, GET_PARAMETER Supported: play.basic, con.persistent

    DESCRIBE rtsp://184.72.239.149:554/vod/mp4:BigBuckBunny_115k.mov RTSP/1.0 CSeq: 3 User-Agent: LibVLC/3.0.6 (LIVE555 Streaming Media v2016.11.28) Accept: application/sdp

    RTSP/1.0 200 OK CSeq: 3 Server: Wowza Streaming Engine 4.7.5.01 build21752 Cache-Control: no-cache Expires: Tue, 26 Mar 2019 02:22:23 UTC Content-Length: 587 Content-Base: rtsp://184.72.239.149:554/vod/mp4:BigBuckBunny_115k.mov/ Date: Tue, 26 Mar 2019 02:22:23 UTC Content-Type: application/sdp Session: 310018309;timeout=60

    v=0 o=- 310018309 310018309 IN IP4 184.72.239.149 s=BigBuckBunny_115k.mov c=IN IP4 184.72.239.149 t=0 0 a=sdplang:en a=range:npt=0- 596.48 a=control:* m=audio 0 RTP/AVP 96 a=rtpmap:96 mpeg4-generic/12000/2 a=fmtp:96 profile-level-id=1;mode=AAC-hbr;sizelength=13;indexlength=3;indexdeltalength=3;config=1490 a=control:trackID=1 m=video 0 RTP/AVP 97 a=rtpmap:97 H264/90000 a=fmtp:97 packetization-mode=1;profile-level-id=42C01E;sprop-parameter-sets=Z0LAHtkDxWhAAAADAEAAAAwDxYuS,aMuMsg== a=cliprect:0,0,160,240 a=framesize:97 240-160 a=framerate:24.0 a=control:trackID=2 SETUP rtsp://184.72.239.149:554/vod/mp4:BigBuckBunny_115k.mov/trackID=1 RTSP/1.0 CSeq: 4 User-Agent: LibVLC/3.0.6 (LIVE555 Streaming Media v2016.11.28) Transport: RTP/AVP;unicast;client_port=54286-54287

    RTSP/1.0 200 OK CSeq: 4 Server: Wowza Streaming Engine 4.7.5.01 build21752 Cache-Control: no-cache Expires: Tue, 26 Mar 2019 02:22:23 UTC Transport: RTP/AVP;unicast;client_port=54286-54287;source=184.72.239.149;server_port=8432-8433;ssrc=389A31E5 Date: Tue, 26 Mar 2019 02:22:23 UTC Session: 310018309;timeout=60

    SETUP rtsp://184.72.239.149:554/vod/mp4:BigBuckBunny_115k.mov/trackID=2 RTSP/1.0 CSeq: 5 User-Agent: LibVLC/3.0.6 (LIVE555 Streaming Media v2016.11.28) Transport: RTP/AVP;unicast;client_port=54288-54289 Session: 310018309

    RTSP/1.0 200 OK CSeq: 5 Server: Wowza Streaming Engine 4.7.5.01 build21752 Cache-Control: no-cache Expires: Tue, 26 Mar 2019 02:22:23 UTC Transport: RTP/AVP;unicast;client_port=54288-54289;source=184.72.239.149;server_port=16626-16627;ssrc=4B70664B Date: Tue, 26 Mar 2019 02:22:23 UTC Session: 310018309;timeout=60

    PLAY rtsp://184.72.239.149:554/vod/mp4:BigBuckBunny_115k.mov/ RTSP/1.0 CSeq: 6 User-Agent: LibVLC/3.0.6 (LIVE555 Streaming Media v2016.11.28) Session: 310018309 Range: npt=0.000-

    RTSP/1.0 200 OK RTP-Info: url=rtsp://184.72.239.149:554/vod/mp4:BigBuckBunny_115k.mov/trackID=1;seq=1;rtptime=0,url=rtsp://184.72.239.149:554/vod/mp4:BigBuckBunny_115k.mov/trackID=2;seq=1;rtptime=0 CSeq: 6 Server: Wowza Streaming Engine 4.7.5.01 build21752 Cache-Control: no-cache Range: npt=0.0-596.48 Session: 310018309;timeout=60

    PAUSE rtsp://184.72.239.149:554/vod/mp4:BigBuckBunny_115k.mov/ RTSP/1.0 CSeq: 7 User-Agent: LibVLC/3.0.6 (LIVE555 Streaming Media v2016.11.28) Session: 310018309

    RTSP/1.0 200 OK CSeq: 7 Server: Wowza Streaming Engine 4.7.5.01 build21752 Cache-Control: no-cache Session: 310018309;timeout=60

    PLAY rtsp://184.72.239.149:554/vod/mp4:BigBuckBunny_115k.mov/ RTSP/1.0 CSeq: 8 User-Agent: LibVLC/3.0.6 (LIVE555 Streaming Media v2016.11.28) Session: 310018309 Range: npt=37.220-

    RTSP/1.0 200 OK RTP-Info: url=rtsp://184.72.239.149:554/vod/mp4:BigBuckBunny_115k.mov/trackID=1;seq=113;rtptime=445440,url=rtsp://184.72.239.149:554/vod/mp4:BigBuckBunny_115k.mov/trackID=2;seq=296;rtptime=3340800 CSeq: 8 Server: Wowza Streaming Engine 4.7.5.01 build21752 Cache-Control: no-cache Range: npt=37.22-596.48 Session: 310018309;timeout=60

    PAUSE rtsp://184.72.239.149:554/vod/mp4:BigBuckBunny_115k.mov/ RTSP/1.0 CSeq: 9 User-Agent: LibVLC/3.0.6 (LIVE555 Streaming Media v2016.11.28) Session: 310018309

    RTSP/1.0 200 OK CSeq: 9 Server: Wowza Streaming Engine 4.7.5.01 build21752 Cache-Control: no-cache Session: 310018309;timeout=60

    PLAY rtsp://184.72.239.149:554/vod/mp4:BigBuckBunny_115k.mov/ RTSP/1.0 CSeq: 10 User-Agent: LibVLC/3.0.6 (LIVE555 Streaming Media v2016.11.28) Session: 310018309 Range: npt=121.921-

    RTSP/1.0 200 OK RTP-Info: url=rtsp://184.72.239.149:554/vod/mp4:BigBuckBunny_115k.mov/trackID=1;seq=119;rtptime=1464324,url=rtsp://184.72.239.149:554/vod/mp4:BigBuckBunny_115k.mov/trackID=2;seq=316;rtptime=10982430 CSeq: 10 Server: Wowza Streaming Engine 4.7.5.01 build21752 Cache-Control: no-cache Range: npt=121.921-596.48 Session: 310018309;timeout=60

    PAUSE rtsp://184.72.239.149:554/vod/mp4:BigBuckBunny_115k.mov/ RTSP/1.0 CSeq: 11 User-Agent: LibVLC/3.0.6 (LIVE555 Streaming Media v2016.11.28) Session: 310018309

    RTSP/1.0 200 OK CSeq: 11 Server: Wowza Streaming Engine 4.7.5.01 build21752 Cache-Control: no-cache Session: 310018309;timeout=60

    PLAY rtsp://184.72.239.149:554/vod/mp4:BigBuckBunny_115k.mov/ RTSP/1.0 CSeq: 12 User-Agent: LibVLC/3.0.6 (LIVE555 Streaming Media v2016.11.28) Session: 310018309 Range: npt=197.793-

    RTSP/1.0 200 OK RTP-Info: url=rtsp://184.72.239.149:554/vod/mp4:BigBuckBunny_115k.mov/trackID=1;seq=143;rtptime=2363388,url=rtsp://184.72.239.149:554/vod/mp4:BigBuckBunny_115k.mov/trackID=2;seq=388;rtptime=17725410 CSeq: 12 Server: Wowza Streaming Engine 4.7.5.01 build21752 Cache-Control: no-cache Range: npt=197.793-596.48 Session: 310018309;timeout=60

    TEARDOWN rtsp://184.72.239.149:554/vod/mp4:BigBuckBunny_115k.mov/ RTSP/1.0 CSeq: 13 User-Agent: LibVLC/3.0.6 (LIVE555 Streaming Media v2016.11.28) Session: 310018309

直播技术和SRS开源直播平台

SRS与其他直播平台对比

SRS分析

解析命令选项
  • do_main
    • SrsConfig::parse_options
      • SrsConfig::parse_argv，解析命令行选项
      • parse_file，解析配置文件"listen"、"http_server"、"daemon"、"srs_log_tank"部分
协程管理
  • st_thread_create，创建协程
    • SrsSTCoroutine::pfn
      • SrsSTCoroutine::cycle
        • handler->cycle，此处handler为创建SrsSTCoroutine对象时传入的第二个参数对象，必需继承至ISrsCoroutineHandler且实现cycle函数
信号管理
监听管理
连接管理
关键流程

  • run_master

    • SrsServer::listen
      • listen_rtmp，推流（rtmp）到srs
        • 创建SrsBufferListener对象，并listen
          • 创建SrsTcpListener对象，并listen
            • 调用套接口监听
            • 创建“tcp” SrsSTCoroutine对象
            • 调用start
              • st_thread_create，启动协程SrsSTCoroutine::pfn
              • SrsSTCoroutine::pfn，独立协程
                • SrsSTCoroutine::cycle
                  • handler->cycle()，此处handler为SrsTcpListener对象，实际调用SrsTcpListener::cycle
                    • handler->on_tcp_client，此处handler为SrsBufferListener对象，实际调用SrsBufferListener::on_tcp_client
                    • server->accept_client，实际调用SrsServer::accept_client
                    • fd2conn
                    • type == SrsListenerRtmpStream，创建SrsRtmpConn对象
                    • conn->start，实际调用SrsRtmpConn父类SrsConnection::start
                    • trd->start，实际调用SrsSTCoroutine::start
                    • SrsConnection::cycle
                    • SrsRtmpConn::do_cycle，rtmp协议处理
    • SrsServer::ingest
      • SrsIngester::start
        • 创建“tcp” SrsSTCoroutine对象
        • 调用start
          • st_thread_create，启动协程SrsSTCoroutine::pfn
          • SrsSTCoroutine::pfn，独立协程
            • SrsSTCoroutine::cycle
              • handler->cycle()，此处handler为SrsIngester对象，实际调用SrsIngester::cycle
                • SrsIngester::do_cycle
                  • SrsIngester::parse，解析配置文件
                    • SrsIngester::parse_ingesters，遍历所有vhost，并调用该函数解析配置文件“ingest”部分
                    • 如果“enabled”部分“off”则退出，否则继续；
                    • 如果“ffmpeg”为空退出，否则继续；
                    • SrsIngester::parse_engines，遍历所有“engine”，根据“engine”是否为空，创建不同的ingester采集器对象（属于SrsIngesterFFMPEG类）
                    • SrsIngester::initialize_ffmpeg，解析配置文件“engine”、“input”部分，为ffmpeg做准备同时根据vhost，port信息生成完整的rtmp地址
                  • 遍历所有的ingest对象
                    • SrsIngesterFFMPEG::start，拼接命令选项并创建进程
                    • SrsFFMPEG::start
                    • SrsProcess::initialize，拼接采集器命令选项
                    • SrsProcess::start，创建采集器进程
                    • SrsIngesterFFMPEG::cycle，收集采集器运行状态
                    • SrsFFMPEG::cycle
                    • SrsProcess::cycle，获取采集器状态
    • SrsServer::cycle
      • SrsServer::do_cycle
        • handler->on_cycle，循环调用
    • listen_http_api
    • listen_http_stream
    • listen_stream_caster，推流（非rtmp）到srs，输出rtmp，对应配置文件“stream_caster”和“caster”部分
      • rtsp caster（Push RTSP to SRS）
        • 创建SrsRtspListener对象（内部创建SrsRtspCaster对象，赋给caster）
          • 创建SrsTcpListener对象，并listen
            • 调用套接口监听
            • 创建“tcp” SrsSTCoroutine对象
            • 调用start
              • st_thread_create，启动协程SrsSTCoroutine::pfn
                • SrsSTCoroutine::pfn，独立协程
                  • p->cycle，实际调用SrsTcpListener::cycle
                    • handler->on_tcp_client，实际调用SrsRtspListener::on_tcp_client
                    • caster->on_tcp_client，实际调用SrsRtspCaster::on_tcp_client
                    • 创建SrsRtspConn对象，并serve
                    • SrsConnection::cycle
                    • SrsRtspConn::cycle
                    • SrsRtspConn::do_cycle，rtsp协议处理
      • flv caster（Push HTTP FLV to SRS）
        • 创建SrsHttpFlvListener对象（内部创建SrsAppCasterFlv对象，赋给caster）
          • 创建SrsTcpListener对象，并listen
            • 调用套接口监听
            • 创建“tcp” SrsSTCoroutine对象
            • 调用start
              • st_thread_create，启动协程SrsSTCoroutine::pfn
                • SrsSTCoroutine::pfn，独立协程
                  • p->cycle，实际调用SrsTcpListener::cycle
                    • handler->on_tcp_client，实际调用SrsHttpFlvListener::on_tcp_client
                    • caster->on_tcp_client，实际调用SrsAppCasterFlv::on_tcp_client
                    • 创建SrsDynamicHttpConn对象
                    • 调用start
                    • conn->start，实际调用SrsDynamicHttpConn父类SrsConnection::start
                    • trd->start，实际调用SrsSTCoroutine::start
                    • SrsConnection::cycle
                    • SrsHttpConn::do_cycle，http协议处理
                    • on_got_http_message
                    • SrsAppCasterFlv::serve_http
      • mpegts_over_udp（Push MPEG-TS over UDP）
        • 创建SrsUdpCasterListener对象（内部创建SrsMpegtsOverUdp对象）
          • 创建SrsUdpListener对象，并listen
            • 创建套接口
            • 创建“udp” SrsSTCoroutine对象
            • 调用start
            • st_thread_create，启动协程SrsSTCoroutine::pfn - SrsSTCoroutine::pfn，独立协程 - p->cycle，实际调用SrsUdpListener::cycle - handler->on_udp_packet，实际调用SrsMpegtsOverUdp::on_udp_packet - context->decode，解码ts包

Ingest采集方式

采集(Ingest)指的是将文件（flv，mp4，mkv，avi，rmvb等等），流（RTMP，RTMPT，RTMPS，RTSP，HTTP，HLS等等），设备等的数据，转封装为RTMP流（若编码不是h264/aac则需要转码），推送到SRS

采集的主要应用场景包括：

  1. 虚拟直播：
    将文件编码为直播流。可以指定多个文件后，SRS会循环播放。

  2. RTSP摄像头对接： 以前安防摄像头都支持访问RTSP地址，RTSP无法在互联网播放。 可以将RTSP采集后，以RTMP推送到SRS，后面的东西就不用讲了。

  3. 直接采集设备：
    SRS采集功能可以作为编码器采集设备上的未压缩图像数据， 譬如video4linux和alsa设备，编码为h264/aac后输出RTMP到SRS。

  4. 将HTTP流采集为RTMP： 有些老的设备，能输出HTTP的ts或FLV流，可以采集后转封装为RTMP，支持HLS输出。

总之，采集的应用场景主要是“SRS拉流”；能拉任意的流，只要ffmpeg支持；不是h264/aac都没有关系，ffmpeg能转码。

Forward集群模式

Master节点关键流程
  • SrsForwarder::cycle
    • SrsForwarder::do_cycle
      • srs_parse_hostport，解析ip和port
      • srs_generate_rtmp_url，生成rtmp地址
      • new SrsSimpleRtmpClient，创建了SrsSimpleRtmpClient对象
      • 调用connect，内部创建了tcp对象和rtmp对象
        • client->handshake，跟Slave握手
        • connect_app，建立连接
        • client->create_stream，创建流
      • 调用publish，处理编码器推流rtmp
      • 调用on_forwarder_start，缓存音视频数据
      • 调用forward，真正发送音视频数据给slave

Edge集群模式

有关Nginx高性能服务器

资料汇总

  1. rfc2326 - Real Time Streaming Protocol (RTSP)
  2. rfc3550 - RTP: A Transport Protocol for Real-Time Applications
  3. rfc3551 - RTP Profile for Audio and Video Conferences with Minimal Control
  4. rfc3611 - RTP Control Protocol Extended Reports (RTCP XR)
  5. rfc3711 - The Secure Real-time Transport Protocol (SRTP)
  6. rfc4585 - Extended RTP Profile for Real-time Transport Control Protocol (RTCP)-Based Feedback (RTP/AVPF)
  7. rfc4566 - SDP: Session Description Protocol
  8. rfc5104 - Codec Control Messages in the RTP Audio-Visual Profile with Feedback (AVPF)
  9. rfc5124 - Extended Secure RTP Profile for Real-time Transport Control Protocol (RTCP)-Based Feedback (RTP/SAVPF)
  10. rfc5450 - Transmission Time Offsets in RTP Streams
  11. rfc6184 - RTP Payload Format for H.264 Video
  12. rfc7741 - RTP Payload Format for VP8 Video
  13. rfc8216 - HTTP Live Streaming
  14. RTMP WIKI
  15. rtmp specification v1.0
  16. HLS WIKI
  17. 北京大学，视频编码算法研究室
  18. 流媒体加密
  19. 使用flv.js做直播
  20. 雷霄骅 - RGB、YUV像素数据处理
  21. 雷霄骅 - H.264视频码流解析
  22. 雷霄骅 - h264_analysis
  23. 雷霄骅 - PCM音频采样数据处理
  24. 雷霄骅 - AAC音频码流解析
  25. 雷霄骅 - FLV封装格式解析
  26. 雷霄骅 - UDP-RTP协议解析
  27. 雷霄骅 - ffmpeg源码简析（一）结构总览

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