Компьютерные сети. 6-е изд. - Эндрю Таненбаум

случайные задержки каждый раз, когда требуется выполнить повторную передачу. Распространенное решение, к которому прибегают все системы потоковой передачи, сводится к использованию буфера воспроизведения. Перед проигрыванием система буферизует медиаданные для 5–30 с воспроизведения (илл. 7.34). Медиаданные постоянно извлекаются из буфера для отчетливого и плавного воспроизведения звука и видео. Задержка при запуске позволяет заполнить буфер до нижнего предела (low-water mark). При этом ожидается, что в дальнейшем новые данные будут поступать достаточно регулярно для того, чтобы буфер не оказался пустым. Если это все же произойдет, воспроизведение будет остановлено.

Илл. 7.34. Медиаплеер буферизует входящую информацию с медиасервера и воспроизводит медиаданные из буфера, а не напрямую из сети

Буферизация еще больше усложняет процесс. Медиаплеер поддерживает буфер в частично заполненном состоянии, в идеале где-то между нижним и верхним пределами. Это значит, что если объем данных в буфере достигает верхнего предела, плеер сообщает источнику о необходимости прекратить отправку данных, чтобы они не потерялись из-за отсутствия места для их размещения. Верхний предел при этом должен немного не доходить от конца буфера, поскольку потоковая передача данных продолжается, пока медиасервер не получит запрос остановки (STOP). После того как сервер прекращает отправку и канал становится пустым, объем данных в буфере начинает уменьшаться. Когда он достигает нижнего предела, плеер отправляет серверу команду запуска (START), чтобы возобновить потоковую передачу.

Благодаря протоколу, который позволяет сообщать серверу о необходимости остановки и запуска передачи, плеер может держать в буфере достаточно, но не слишком много медиаданных, чтобы обеспечить плавное воспроизведение. Поскольку ОЗУ на сегодняшний день стоит довольно дешево, медиаплеер даже на смартфоне может выделить достаточно места в буфере для нескольких минут воспроизведения, если нужно.

Механизм запуска и остановки обладает еще одной приятной особенностью: с ним скорость передачи сервера не привязана к скорости воспроизведения. Допустим, плееру нужно воспроизвести видео со скоростью 8 Мбит/с. Когда объем данных в буфере опустится до нижнего предела, плеер запросит у сервера доставку дополнительных данных. Если сервер способен производить доставку со скоростью 100 Мбит/с, это не вызовет проблем. Поступающие данные будут просто сохраняться в буфере. При достижении верхнего предела плеер сообщит серверу о необходимости остановки. Таким образом, скорость передачи сервера и скорость воспроизведения совершенно не зависят друг от друга. То, что изначально было системой реального времени, стало обычной системой передачи файлов. Избавление от всех требований к передаче в реальном времени — одна из причин, почему Youtube, Netflix, Hulu и другие сервисы потоковой передачи используют TCP. Это существенно упрощает дизайн всей системы.

Определить подходящий размер буфера не так просто. Если доступно много оперативной памяти, может показаться, что лучше использовать большой буфер, позволив серверу держать его почти заполненным, на случай перегрузки сети. Но следует учесть, что люди порой привередливы. Посчитав какую-нибудь сцену скучной, пользователь может нажать кнопку перемотки вперед, и большая часть или все содержимое буфера станет бесполезным. Как бы там ни было, переход к определенному моменту времени вперед или назад сработает, только если этот кадр является I-кадром. В противном случае плееру нужно найти ближайший I-кадр. Если новая точка воспроизведения находится за пределами буфера, его нужно полностью очистить и загрузить заново. То есть если пользователь часто перематывает видео вперед или назад (а так поступают многие), он фактически впустую тратит пропускную способность сети, делая бесполезными данные буфера, загрузка которых требовала определенных затрат. В рамках всей системы наличие пользователей, склонных часто перематывать видео, — серьезный аргумент в пользу ограничения размера буфера, даже несмотря на низкую стоимость больших объемов ОЗУ. В идеале медиаплеер должен понаблюдать за поведением пользователя и выбрать размер буфера, исходя из свойственной этому человеку манеры просмотра.

Поскольку все коммерческие видео шифруются с целью защиты от пиратства, медиаплееры должны уметь дешифровать их по мере их поступления. Это пятая задача в приведенном выше списке.

DASH и HLS

Далее мы коснемся проблем, возникающих из-за многообразия устройств для просмотра мультимедийного контента. Если пользователь купил себе яркий, блестящий и очень дорогой монитор с разрешением экрана 8K, ему нужно предоставлять видео с разрешением 7680 × 4320 и частотой кадров 100 или 120 кадров/с. Но если в ходе просмотра интересного фильма он отправится к врачу и будет досматривать этот фильм в приемной на смартфоне с разрешением 1280 × 720 и максимальной частотой кадров 25 кадров/с, возникнет проблема. Перед сайтом потокового вещания встает вопрос о том, какое разрешение и частоту кадров использовать при кодировании фильмов.

Самый простой выход — использовать все возможные комбинации. В худшем случае место на диске тратится на кодирование каждого фильма с использованием семи разрешений экрана (в формате смартфона, форматах NTSC, PAL, 720P, HD, 4K, 8K) и шести частот кадров (25, 30, 50, 60, 100 и 120). В совокупности мы получаем 42 варианта, но дисковое пространство сегодня стоит не так уж дорого. Более крупной сопутствующей проблемой является вопрос о том, что произойдет, если зритель останется дома со своим большим блестящим монитором, но из-за перегрузок сети пропускная способность канала между ним и сервером будет сильно колебаться, не всегда позволяя использовать полное разрешение.

К счастью, в настоящее время уже реализовано несколько решений этой проблемы, в частности протокол динамической адаптивной потоковой передачи данных по HTTP (Dynamic Adaptive Streaming over HTTP, DASH). Он основан на простой идее и совместим с HTTP (и HTTPS), благодаря чему его можно использовать для потоковой передачи на веб-странице. Сначала сервер потокового вещания кодирует свои фильмы с разным разрешением и частотой кадров, сохраняя их на своих хранилищах. Каждая версия сохраняется в виде множества файлов (вместо одного), которые содержат, скажем, 10 с видео и аудио. Это значит, что для 90-минутного фильма, кодируемого с использованием семи разрешений экрана и шести частот кадров (что дает 42 варианта), потребуется 42 × 540 = 22 680 отдельных файлов с контентом для 10 с воспроизведения. Другими словами, каждый файл содержит сегмент фильма в конкретном разрешении и с определенной частотой кадров. С фильмом ассоциируется манифест — описание представления медиаданных (Media Presentation Description, MPD) — с именами всех файлов и их параметрами, включая разрешение, частоту кадров и номер кадра в фильме.

Чтобы этот подход работал, протокол DASH должен использоваться и плеером, и сервером. В качестве пользовательской стороны может выступать либо непосредственно браузер, либо плеер, встроенный в него в виде JavaScript-кода, либо специальное приложение (например, для мобильного устройства или телеприставки). Перед просмотром фильма DASH прежде всего доставляет манифест для него. Это небольшой