WebRTC ja videovalve: kuidas me võitsime kaameratest video edastamise viivituse

Alates esimesest päevast, mil asusime pilvevideovalve süsteemi arendama, seisime silmitsi probleemiga, mille lahendamata jätmine oleks Ivideonile lõpu teinud – see oli meie Everest, mille tippu jõudmine nõudis rohkesti vaeva, kuid nüüd oleme lõpuks oma jäätüki tippu löönud, lahendades multidistsiplinaarse mõistatuse.

Heli ja video edastamise süsteem Internetis ei tohi sõltuda seadmetest, veebikliendi toe standarditest ega peaks õigesti toimima võrguadressi translatorite ja tulemüüride olemasolul. Pilvevideovalve kasutaja soovib saada teenusele ligipääsu ka siis, kui ta kasutab analoogkaameraid ning eelistab otseülekande video vaatamiseks kõige uuema seadme.

On äärmiselt oluline, et kasutaja soovib näha videot võimalikult väikese latentsusega. Peaaegu ainus võimalus näidata madala latentsusega videod brauseris on kasutada WebRTC (veebireaalajas suhtlemine). WebRTC on tehnoloogiate kogum, mis võimaldab otsest video- ja heliedastust brauserites, algselt mõeldud madala latentsusega videovoo edastamiseks ja esitamiseks. Selleks kasutatakse muu hulgas UDP protokolli.

Enne kui räägime, mida uus mootor kasutajatele annab, meenutame, miks ja miks toetame HLS-tehnoloogiaid ning mille nimel otsustasime edasi liikuda.

HLS mootor: plussid ja miinused

(c)

HLS (HTTP Live Streaming) tehnoloogia on välja töötatud Apple'is, seega ei ole üllatav, et selle esmakordne tugi ilmus just selle kaubamärgi seadmetele. Tänaseks oskavad HLS formaadis videomaterjali edastada praktiliselt kõik digitaalsetel televisioonide ja paljude Androidi opereerimissüsteemiga seadmed.

HLS mootor kasutab videoandmete edastamiseks hästi tuntud H264 videokoodekit koos AAC- või MP3 helivoogudega. Kõik heli- ja videodatas pakitakse MPEG-TS transport konteinerisse. HTTP protokolli kaudu edastamiseks jagatakse voos sisalduv teave fragmentideks, mis on kirjeldatud m3u8 mänguplatvormides. Ja alles seejärel edastatakse need fragmendid koos mänguplatvormidega HTTP kaudu. Fragmentide jagamine tähendab automaatselt viivitust sekundites. See on MPEG-TS konteineri eripära.

HLS mootor toetab ka mitme bitikiirusena voogusid, Live/VOD.

Peamised HLS eelised:

• Sisseehitus toetab kõiki peamisi brauserite;
• Lihtsus rakendamisel (kui võrrelda WebRTC-ga);
• Väga mugav ja efektiivne on suurte publikute ülekannete korraldamine, kuna segmentide laadimist saab teha ühel korral CDN-ile.

Kuigi mootor on lihtne, ei ole kõik nii sujuv, nagu tundub. Peamine probleem on see, et kolmandate osapoolte mängijate arendajad on kõrvalekaldunud Apple'i soovitustest, näiteks toetatavate audioformaadide osas. Konkreetsemalt on paljud arendajad hakanud lisama võimalust töötada populaarsete audiovoodidega: mpeg2 video, mpeg2 audio jne. Seetõttu tuli erinevate mängijate jaoks luua erinevad mänguplaanide formaadid.

Kuid üks suurimaid HLS mootoriga seotud probleeme on andmete edastuse kõrge latentsus.

Looduse "pidurdused"

HLS-i kõrge latentsuse peamine põhjus seisneb selles, et programmeerijad lõid mootori maksimaalselt kvaliteetse pildi saamiseks. Seega, kasutatavad kaadrisageduse intervallid ja vahemälu suurused ei sobi otseülekannete tegemiseks. Selle tõttu on videoedastuse latentsus üsna kõrge, ulatudes 5-7 sekundi.

Ühest küljest on see vähe, näiteks neile, kes vaatavad filmi videohostingu serverist. Kuid videovalve süsteemides võib videovoo latentsus olla väga oluline.

Kui jälgite kontorit, kus töötajad tõusevad korra tunnis, pole 5 sekundi latentsusel mingit tähtsust. Kuid inimesed on hakanud kurtma, et näiteks jalgpallimängu ülekannete ajal on vestluses juba kirjutatud GOOOOL, kuid videos seda veel ei ole :). Meil on juba mitmeid kasutusjuhtumeid, kus Ivideon peab sisuliselt asendama Skype'i.

Kas latentsust HLS-is on võimalik võita? Vastus sellele küsimusele on nagu kogenud rottide hävitaja kõne algajatele deratiseerijatele: "Rotte ei saa hävitada, kuid nende arvu saab vähendada mõistlikule miinimumile." Nii on ka HLS-i latentsuse puhul, seda nulli viia ei õnnestu, kuid turul on lahendusi, mis võimaldavad latentsust oluliselt vähendada.

Ahnus

Teine mootoriga seotud miinus on suuruse poolest väikefailide kasutamine andmete edastamiseks. Tundub, et mis selles halba on?

Iga, kes on proovinud kopeerida suures koguses väikeseid faile ühest seadmest teise, on ilmselt märganud, et sellise faili kirjutamise kiirus on oluliselt madalam kui sama mahuga ühe suure faili puhul. Samuti suureneb kõvaketta kasutuse intensiivsus oluliselt, mis avaldab üldiselt negatiivset mõju kogu arvuti jõudlusele. Seetõttu toob videote edastamine väikeste 10-sekundiliste fragmentidena samuti kaasa viivituse suurenemise.

Kokkuvõtteks kõik HLS-tehnoloogia plussid ja miinused.

HLSi eelised:

1. Võimalus töötada igasuguste seadmetega. Saate videot vaadata igas kaasaegses seadmes, olgu need siis nutitelefon, tahvelarvuti, sülearvuti või lauaarvuti. Peamine on see, et veebibrauser oleks kaasaegses versioonis ja ühilduks HTML5 ja Media Source Extensions'iga.
2. Suurepärane pildikvaliteet. Kasutatav adaptiivne edastus võimaldab dünaamiliselt muuta edastatava videofaasi kvaliteeti vastavalt internetiühenduse ribalaiusele, samal ajal püüab algoritm säilitada maksimaalset kvaliteeti.
3. Kasutaja seadme keerulisi seadistusi ei ole vaja.

Puudused:

1. Mõnede seadmete tugi mootori töötamiseks on piiratud.
2. Kujutise edastuse kõrged viivitused.
3. Oluline suure arvu väikeste failide kasutamine põhjustab overheadi kasvu ja keerukust optimeerimisel. Anumate eripära tõttu ei saa me kunagi saavutada viivitust, mis oleks väiksem kui segmendi suurus.

HLSi puudused ületasid meie jaoks selle eelised ja sundisid meid otsima alternatiivseid lahendusi.

Mis on WebRTC

(c)

WebRTC platvorm loodi Google'i poolt 2011. aastal voogedastamise video- ja helivideote edastamiseks brauserite ja mobiilirakenduste vahel minimaalsete viivitustega. Selleks kasutatakse standardset UDP-protokolli ja spetsiaalseid voogude juhtimise algoritme. Täna on see avatud lähtekoodiga projekt, mida Google aktiivselt toetab ja arendab.

WebRTC on tehnoloogiate kogum, mis võimaldab videote ja heli edastamist peer-to-peer. See tähendab, et näiteks kasutajate brauserid saavad WebRTC abil andmeid otse üksteisele edastada, ilma et oleks vaja kaugservereid andmete salvestamiseks ja töötlemiseks. Kogu teave töödeldakse samuti kasutajate brauserites ja mobiilirakendustes.

Arendajad kõikidest populaarsetest brauseritest on hinnanud selle tehnoloogia mugavust ja suurt potentsiaali. Täna on WebRTC tugi rakendatud Mozilla Firefoxis, Operas, Google Chromes (ja kõigis Chromiumi baasil töötavates brauserites), samuti Androidi ja iOS-i mobiilirakendustes.

Vaatamata oma ilmsetele eelistele on WebRTC-l mitmeid märkimisväärseid puudusi.

Valikuraskused

WebRTC tehnoloogia on palju keerulisem võrgus suhtlemisel, kuna see põhineb P2P. Seda on keeruline tõrkeotsing, testimine ja see võib käituda ettearvamatult. Lisaks peame ületama NAT-i ja tulemüüre, ning tagama toimimise võrkudes, kus UDP on blokeeritud.

Google'i WebRTC rakendamine on väga keeruline. On isegi terve ettevõte, mis pakub SDK koostamise teenuseid. Lisaks oli Google'i rakendust meie süsteemiga integreerida äärmiselt keeruline, et mitte peab kõik videot ümber kodeerima.

Oleme juba ammu soovinud anda kasutajatele võimaluse töötada täieliku "elava" videopildiga ja minimeerida pildi viivitust ekraanil sündmustest. Samuti soovisime muuta PTZ-kaamerate kasutamise mugavamaks, kus viivitustel on kriitiline tähendus.

Arvestades, et muud viivituste tõrje rakendused on endiselt piiratud funktsionaalsusega ja töötavad oluliselt halvemini, otsustasime kasutada WebRTC-d.

Mida me tegime

WebRTC platvormi õige rakendamine on raske ülesanne. Iga viga või ebatäpsus võib põhjustada viivituste suurenemist videopildi edastamisel võrreldes teiste platvormidega.

WebRTC korrektseks toimimiseks on esmajoones vajalik tehnoloogiline uuendus veebivideo töötlemiseks. Seda me ka tegime.

Esimese sammuna rakendasime WebRTC signaaliprotokolli Websocketi peal, samuti juurutati pilves WebRTC peer-server SDK webrtc.org baasil. Selle ülesanne on jagada videovooge kliendi WebRTC peer'idele H.264 + Opus/G.711 formaadis ilma videote kodeerimiseta.

Valisime Websocketi signaaliprotokollina, kuna sellel on juba suurepärane tugi kõigis populaarsetes veebibrauserites. See aitab oluliselt vähendada mitte ainult arenduskulusid, vaid ka aega ja ressursse, mis kuluvad korduvatele TCP ja TLS handshake'idele võrreldes AJAX-iga.

Asi on selles, et vaikimisi ei paku WebRTC signaaliprotokolli, mis on vajalik videokõnede õige seadistamise, toe ja katkestamise jaoks originaali ja kliendi rakenduste vahel.

Seega tuli meil iseseisvalt rakendada signaalitehnoloogiat, arendades oma signaaliserveri, mis toetab mitmeid veebiprotokolle (Websocket, WebRTC). Samuti peab olema võimalus sessioonide ja häalertõdede reaalajas turvaliseks juhtimiseks, videote haldamiseks ja paljude teiste parameetrite haldamiseks.

P2P piirangud ületame, vähendades viivitust mitte P2P-i, vaid UDP ja voogude juhtimise kaudu, mille eesmärk on viivituse vähendamine. See on samuti WebRTC-s sees, kuna põhikasutuse juhtum on p2p kõned brauseri kaudu.

Mobiilsete klientide jaoks rakendasime mängija kasutades SDK webrtc.org, kuna just siin on voogude juhtimine õigesti teostatud, olemas kõik tuntud Forward Error Correction (FEC) skeemid ja pakettide uuesti saatmise mehhanism on õigesti rakendatud kõigi brauserite jaoks. Oluline on ka see, et SDK webrtc.org on aktiivselt arendatud Google'i poolt.

Milline on tulemuste mõju WebRTC rakendamisel?

Oma kabinetis oleme lisanud uue optimeeritud mängija WebRTC baasil otseülekande videote vaatamiseks. See tagab video laadimise kõrge kiirus ja elimineerib täielikult viivituse kogunemise probleemi vaatamise aja pikenedes.

Pärast WebRTC toe rakendamist Ivideoni pilveteenuses saame täiesti kindlalt öelda, et nüüd on meie klientidele saadaval täisväärtuslik reaalajas video vaatamine. Praegu on videovoogude edastamise viivitus vähem kui üks sekund! Võrdluseks: varasem HLS-mootor pakkus videot 5–7-sekundilise viivitusega. Erinevus video kuvamise kiirusest on väga märgatav ja kasutaja tunneb seda kohe pärast meie videoteenuse kasutamist.

Kuidas me ka oletasin, võimaldas uue mängija rakendamine PTZ ja kaameraga häälkommunikatsiooni reageerimist tõsta.

On ainult üks õrn aspekt, millele soovime tähelepanu juhtida. Uus WebRTC mängija töötab praegu testrežiimis. Just seetõttu ei lülita me seda kõigile oma klientidele vaikimisi sisse. Kuid saate selle aktiveerida iseseisvalt, lubades vastava punkti kaamera seadetes (selleks peate minema isiklikku kabinetti).

WebRTC rakendamise omadused Ivideoni teenuses

WebRTC on hetkel endiselt eksperimentaalne tehnoloogia. Selle tugi pole veel õigesti rakendatud kõigis brauserites ja kasutajaseadmetes, samuti mitte kõigis kaamerates.

Just see seletabki, miks me pole veel teinud WebRTC mängijat vaikimisi kõigile kasutajatele peamiseks.

Praegu soovitame kasutada WebRTC-d ainult Google Chrome'i brauseris. Viimased versioonid Firefoxist ja Safarist toetavad ka seda tehnoloogiat, kuid kahjuks pole need veel stabiilsed.

Me ei ole veel rakendanud WebRTC tuge mobiilseadmete brauserites. Praegu, kui sisenete mobiilseadmest ja aktiveerite WebRTC, ei tööta see režiim. Siiski on WebRTC meie mobiilirakendustes Android ja iOS.

Ja lõpetades jutu WebRTC rakendamise omadustest meie teenuses, märkime veel kahte õrna punkti.

Esiteks on tehnoloogia suunatud just reaalajas video edastamisele. Seetõttu, kui teie kanalil pole piisavalt läbilaskvust videovoogude edastamiseks, märkate kaadrite vahelesegunemist (HLS-i puhul märkate video peatumisi ja viivituse suurenemist, kuid kaadreid ei kukku), kuid video edastatakse ikkagi reaalajas.

Teiseks, kuna tehnoloogia on mõeldud töötama reaalse aja otseülekandega videoga, ei kasuta me seda arhiivvideote töötlemiseks.

Teised muudatused teenuses

Hetkel ei osale Flash enam automaatse mootori valimise mehhanismis. Sellest mängijast on siiski võimalik kasutada, kuid selle käsitsi valimiseks tuleb minna konto või kaamera seadistustesse. See pole lihtne trend, lihtsalt meie teenuse statistika järgi on Flash-i kasutajate hulk praktiliselt kadunud. Ja katse määrata, kas kasutaja brauser toetab seda, võtab meilt umbes 2 väärtuslikku sekundit.

Siin on lühidalt muudatused, mida meie pilves videovalve süsteemis ja isiklikus konto kasutajas ootavad. Jätkake meiega ja järgige uudiseid!

Allikas: habr.com