腾讯课堂点播上云客户端实践总结

腾讯云开发者
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导语 | 自从2018年企鹅辅导直播、点播和腾讯课堂直播上云以后，19年上半年腾讯课堂点播也开始自研上云。本文是对腾讯课堂点播上云客户端方案的整理与总结，希望能与各位同行一起交流。

一、课堂腾讯云点播 HLS 播放

1. HLS 浅析

（1） HLS 协议

点播业务目前用的是 HLS 协议。HLS协议全称是 HTTP Live Streaming，它是一个由苹果提出的基于HTTP的流媒体网络传输协议。HLS协议规定：

  • 视频的封装格式是TS；

  • 视频编码格式为H264，音频编码格式为MP3、AAC或者AC-3；

  • 除了TS视频文件本身，还定义了用来控制播放的m3u8文件。
HLS的工作流程如下图（来源苹果官网）所示：

  • Server

    Server获取媒体输入流，Media编码 MPEG-4（H.264 video 和 AAC audio），然后打包到 MPEG-2 (MPEG-2 transport stream)的传输流中，传输流会经过Stream segmenter，MPEG-2传输流会被分散为小片段然后保存为一个或多个系列的 .ts 格式的媒体文件。

  • Distribution

    Stream segmenter会创建一个索引文件，通常会包含这些媒体文件的一个列表，也能包含元数据，一般都是一个.m3u8的列表，列表元素会关联一个 URL 用于客户端访问，然后按序去请求这些 URL。

  • Client

    Client主要接受Client客户端请求并提供相关联的资源给客户端。
（2）HLS 的 index 文件
index 文件就是 m3u8 文本文件，如下图（来源苹果官网）所示。客户端播放HLS视频流的逻辑是先下载一级 Index file，它里面记录了二级索引文件（Alternate-A、Alternate-B、Alternate-C）的地址，然后客户端再去下载二级索引文件，二级索引文件中记录了 TS、dk 的下载地址，这样客户端就可以按顺序下载 TS、dk 文件并连续播放。
以企鹅辅导为例，一级 index（master_playlist.m3u8）文件如下图所示：

  • #EXTM3U ---表明该文件是一个m3u8播放列表文件，必须在第一行给出；

  • #EXT-X-VERSION:3 ---播放列表文件的版本，现在主流版本是3；

  • #EXT-X-STREAM-INF ---不同码率的数据流 ；

  • PROGRAM-ID=0 ---唯一标记；

  • BANDWIDTH=92166 ---这个值是十进制整数代表每秒钟的比特率，这个值必须是整个播放列表中码率的峰值；

  • RESOLUTION=384x288 ---视频流的分辨率。
二级 index（对应任意一个清晰度）文件如下图所示：
  • #EXT-X-KEY ---媒体文件有可能要被加密，该标签描述了如何解密媒体文件；
  • METHOD ---包括NONE、AES-128、和SAMPLE-AES。如果该值是NONE或播放列表没有定义该标签，表示媒体段没有被加密。如果设置了NONE，则其他属性不会出现。其中AES-128表示媒体是由AES-128标准构造的的128bit的 key，和密码块链接（CBC）和PKCS7加密组成的，URI 参数必须出现在METHOD后面；
  • URI ---描述了如何获取key文件；
  • IV ---IV可以不存在，如果没有IV则使用序列号作为IV进行编解码，将序列号的高位赋到16字节的buffer中，左边补0，如果有IV，则将该值作为16字节的16进制数；
  • #EXT-X-MEDIA-SEQUENCE ---m3u8播放列表中第一个出现的媒体段的序列号；
  • #EXT-X-TARGETDURATION ---该标签描述了媒体段的最大时长，EXTINF后面的实际媒体段时长不能超过这个标签描述的值，否则会引起错误；

  • #EXTINF ---该标签描述了媒体段的时长，在3.0版本后时长可以是浮点数，否则必须是整数。

2. 播放器本地代理

（1） 播放器直连Server
以企鹅辅导为例，播放器直连远端Server的播放流程如下图所示：
该流程存在一些缺点，比如：用户播放视频的时候可能等待的时间较长，造成流量的浪费，无法做缓存、预加载等优化策略等。
（2） 通过本地代理播放
基本流程如下图所示：
企鹅辅导详细流程如下图所示：
具体流程可以概括为：

  • 启动本地代理服务器（一期采用mongoose）；

  • 视频源地址传给本地代理服务器；

  • 将视频源地址转换成本地代理服务器（127.0.0.1）的地址作为播放器的视频源地址；

  • 播放器向本地代理服务器发送请求；

  • 本地代理服务器截取这个请求，再根据解析出来请求的信息向远端服务器发起请求；

  • 本地代理服务器开始接受数据，写入文件并将文件数据再返回到播放器；

  • 播放器接收到这些数据之后播放。

目前是使用mongoose（https://github.com/cesanta/mongoose）来实现本地Http Server，在这里简单介绍一下mongoose。

mg_mgr：用于管理连接、事件等的 Manager ；mg_connection：单个连接，保存了连接信息。

主要用法步骤：

  1. 调用mg_mgr_init进行初始化；
  2. 调用mg_bind，第2个参数为需要监听的端口号，第3个参数为处理请求的handler；
  3. 调用mg_set_protocol_http_websocket将上一步返回的mg_connection与内建的http handler绑定。这样我们的handler才能收到http事件；

  4. 通过一直调用mg_mgr_poll接收请求。

（3） Cache功能
使用本地代理一个重要作用就是Cache。

  1. 首先缓存m3u8文件内容；

  2. 当播放器请求第1个ts分片，异步请求下一个ts分片并缓存数据；

  3. 当播放器请求分片data时，内存有就内存返回，内存没有就向远端Server请求。
缓存淘汰：
假定用户经常看的视频不能优先淘汰，那么用 LFU 淘汰策略即可。每个缓存块设置一个count，缓存命中一次就 count++，触发淘汰的时候，把 count 最小的先淘汰。
流量控制：
例如用户只看了视频前面一点，就暂停了，那么后面的视频不再下载等，具体细节后续文章将会详细说明。
seek：
播放视频的时候，用户会拖动进度条进行seek，与 mp4 文件不同，对于 hls 文件 ffplay 会根据 seek 的 position，向本地服务器请求 seek 的 position 所在的 ts 分片。

3. 腾讯课堂云点播在线播放时序图解析

如上图所示：

  • 第一步通过业务 get_token 协议拿到防盗链需要的Key。这里需要注意的是防盗链的Key顺序一定要按照腾讯云文档中的顺序，带KEY防盗链的视频播放地址的校验工具；

  • 第二步通过腾讯云 getplayinfo 协议拿到播放的链接，这里的链接 master和 transcodelist 都会返回；

  • 第三步在请求的 URL 中拼接 voddrm.token 参数，用于鉴权；

  • 第四步将请求的 URL 透传给教育自研的播放器 ARMPlayer，ARMPlayer会启动本地代理，请求数据/解码/渲染。课堂采用的是HLS加密 [1]，所以播放的时候还需要通过DK（密钥）进行TS解密。

4. 课堂腾讯云点播本地播放时序图解析

如上图所示：

  • 第一步启动本地代理，通过上层透传的本地存储的URL，读取DB中的指定清晰度的 m3u8 链接和指定清晰度的 m3u8 的内容；

  • 第二步改写 m3u8 链接和 DK/TS 的域名为：127.0.0.1；

  • 第三步请求本地 DK 和 TS 数据；

  • 第四步解密/解封装/渲染。

二、课堂腾讯云点播优化

1. 首帧优化

首帧的主要耗时点有：

  • master.m3u8 透传给FFmpeg，FFmpeg 会串行拉取3个清晰度的m3u8及第1个TS分片；

  • DNS解析耗时高；

  • 每个清晰度.m3u8大小是400kb左右，拉取慢；

  • DK和TS每次都需要拉取。

点播首帧优化前请求流程

这里面可能会涉及到一些问题，下面给出它们的解决方案。

问题1：master.m3u8透传给FFmpeg，FFmpeg会串行拉取3个清晰度的m3u8及第1个TS分片。

指定清晰度.m3u8
解决方案:
  • getplayinfo协议直接获取指定清晰度m3u8，减少master.m3u8 ->清晰度.m3u8的网络请求；
  • 播放器从master.m3u8改为指定清晰度.m3u8透传给FFmpeg，减少avformat_find_stream_info串行拉取3个清晰度和第1个TS分片的耗时。

问题2：DNS解析耗时高。

DNS缓存
解决方案：
  • 增加DNS结果缓存模块，缓存“{域名: IP}”；

  • 视频播放时，直接查表，取出域名对应的IP地址。

问题3：每个清晰度.m3u8大小是400kb左右，拉取慢
解决方案：
  • 预加载；
  • 预加载策略

    预加载学生报名直播课结束1周内的m3u8数据和指定位置的TS、DK。

问题4：DK和TS每次都需要拉取

本地代理缓存
解决方案：
播放器设计了一个本地代理层，播放器不直连远端server，而是通过本地代理层发出请求，通过本地代理层实现缓存和读取本地资源进行播放。

2. 播放成功率优化

对于播放成功率，最主要是要完善监控系统以及对出现的问题各个击破，目前遇到的主要问题和解决方式如下：

主要问题和解决方式1

主要问题和解决方式2

3. 播放体验优化

  • ffplay音视频同步；

  • 企鹅辅导录播多路视频流精确对齐。

精确Seek流程

4. 下载优化

  • 下载成功率

    因为教育自研的播放器下载和播放底层库共用，所以除了播放出现的类似问题，下载方面我们还针对存储、写磁盘、安全性做了优化，已下载视频采取DB分级映射缓存。

  • 下载速度

    因为HLS是由无数个TS和DK构成，如果是单线程下载，每次请求一个TS和DK地址都将重新建立连接，所以这里我们采用的是多线程以及播放缓存复用逻辑。

5. 缓冲优化

这里存在两个问题，下面来做出解决方案。

问题1：旧播放器在读数据 -> 解封装 -> 解码 -> 渲染链路上均出现过因为抖动而出现的缓冲。

缓冲区
解决方案：

  • 帧缓冲区，抵抗网络抖动和解码抖动；

  • 显示缓冲区，抵抗渲染抖动。

问题2：旧播放器是顺序存储同时没有异步请求后面的TS分片和DK。

多线程和存储
解决方案：

  • 顺序存储和Seek之后的非顺序存储；

  • 多线程异步请求。

6. 安全性优化

  • 防盗链，腾讯云防盗链主要有2种形式Referer防盗链和Key防盗链，目前课堂采用的是Key防盗链，腾讯云防盗链[2]；

  • HLS加密；

  • 水印。

三、课堂腾讯云点播踩过的坑

因为腾讯课堂不仅是新生成或上传的视频要上云，同时对于之前存量的几百万MP4视频要重新转码上传到云上，这个过程中容易踩到不少坑。这里提供一些常见的问题以及解决方案。

1. 转码出的视频清晰度不全

这里主要有2个原因：机构上传的视频清晰度较低，低转高不一定能转码出来，其次1080p不一定能转成功。

解决方案：

  • 后台重新转码；

  • 客户端健壮性，对于清晰度缺少的视频播放和下载采用降级策略，降级到最近的清晰度最清晰的视频。

2. 获取腾讯云播放链接是通过getplayinfo接口

回包中包括 master.m3u8 和 transcodelist 两个信息，出现 master.m3u8 包含的清晰度个数和 transcodelist 清晰度个数不一致。

解决方案：后台重新转码。

3. 播放提前结束或seek不准确

HLS标准中的EXTINF 标志的切片时间总和和TS分片实际的时间总和不一致，导致播放提前结束和Seek不准确。

解决方案：后台重新转码

4. 录播视频经过腾讯云转码出现拉伸

机构上传的原视频不是标准的720，腾讯云重新转码会出现拉伸。

解决方案：后台重新转码。

5. 播放一直加载中

因为存量视频从原来的MP4视频切到HLS，偶现从后台拉到的用户上一次MP4播放进度同步到HLS，超过了HLS视频总时长, 播放一直loading

解决方案：客户端容错, 超过视频总时长将 Position 置为0。
除了上面视频本身可能会出现的坑，还有客户端灰度期间兼容两种视频源同时存在切换、Next学位和普通课程、回放分段视频切换等也容易踩坑。目前课堂建立了完善的监控，第一时间发现解决问题。

从辅导到课堂，直播回放全量上云，各项数据和用户体验都有了很大的提升，欢迎大家一起参与腾讯课堂点播上云，一起为教育点播保驾护航！

参考资料：

[1] HLS 加密：

https://cloud.tencent.com/document/product/266/9638

[2] 腾讯云防盗链：

https://cloud.tencent.com/document/product/266/14047

欢迎关注「云加社区」，腾讯在线教育部上云实践系列文章将会陆续上线。


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