直播系統的架構和三大關鍵指標 _知識百科

在國內錯綜復雜的網絡情況下，如何構建一個高并發、穩定、低延時的直播系統？在12月21日，網心科技直播技術負責人李浩做客CSDN網絡公開課，為數百名技術人員現場解答關于直播系統搭建方面的一系列問題。
李浩總結，要搭建一個能夠為用戶穩定提供優秀觀看體驗的直播系統，一定要注意三大關鍵指標，即卡頓、延時和首屏打開速度。而針對目前如火如荼的直播市場，李浩認為，無論內容和運營手段如何花樣翻新，如果沒有核心技術作為保障，不能保證這三大指標的合格，直播平臺依然很難取得市場競爭的勝利。
以下為李浩的課程內容整理：
一．不同直播業態對應不同的技術要求
直播平臺細分為各種不同的業態。目前主流的幾種業態，分別是秀場類、游戲類、生活類這三種直播。此外事件類、互動類、教育類、監控類直播這幾種業態也較為常見。
盡管這些業態里基本上都有10億級獨角獸公司產生，但每一種業態對系統的核心要求卻是完全不一樣的：
● 秀場和生活類直播：主播和觀眾網絡環境相對更復雜，因此核心體驗是流暢度，可以犧牲碼率來提高流暢度，自適應碼率、幀率等都是常見的優化手段；
● 游戲類直播：為了保證體驗效果，要求的是高清晰度和高流暢度，端到端延時可以做出一些讓步來換取壓縮率更高的編碼參數，容納更高幀率和清晰度的內容；
● 事件類直播：核心要求是穩定性，包括高可靠上行；
● 互動類直播：核心要求則是端到端的延時，為此網絡波動時丟棄視頻幀等是可以接受的。
因此需要注意不同的業務形態，后端所用的技術是完全不一樣的。如互動類的直播的超低延時方案， 4K和VR這種對用戶帶寬滿載利用率的直播場景，通用CDN技術可能無法做到覆蓋。
盡管如此，李浩還是認為現在搭建一個直播系統要遠比之前來的容易，因為大量工作已經被CDN和終端服務商幫忙解決了，需要自己動手的地方少了很多。
二．直播系統的核心業務需求
那么搭建直播系統時，需要重點關注的核心功能都有哪些？李浩對此一一進行了解析。
A．采集和播放
目前視頻的采集已經相對容易許多，因為手機功能相對完整，不像PC時代需要面對不同的攝像頭驅動，所以需要核心處理的技術點是網絡適配。技術人員需要根據自身的網絡條件去調整編碼參數，以及多協議的拉流、軟硬件的解碼、多分辨率追幀等基礎需求。如果在此基礎之上，還能解決好對緩存的管理、數據同步等高端需求的話，那直播的整體播放體驗就比較流暢了。
B．分發和媒體處理
分發和媒體處理的工作，現在除了“特別特別大”的平臺，一般都直接由CDN服務商來解決了。因為目前CDN服務已比較完善，跟直播匹配的一些功能，如上下線通知、協議轉換、弱網傳輸，以及像轉碼、水印、增益、截圖、錄制這樣的功能都已提供。
C．功能系統
需要直播平臺自身核心打造的，是功能系統。除去賬戶系統，還有如人氣、道具、打賞、支付、抽獎等功能系統都是必備的。特別是彈幕功能，是對直播平臺最核心的技術挑戰。主要是彈幕的發送量會很大，直播在線人數動輒幾十萬，彈幕的發送頻率又很高， 1、2秒就會發一條消息，巨大的廣播量對系統壓力很大。所以一般直播平臺都會采取分區的方式來加以解決，而如何分區，又在什么情況下合并分區，以維持合適的人氣，這里面還是有很多邏輯上的問題是要去解決的。
【直播系統的架構和三大關鍵指標】D．運營系統
運營系統也非常核心。視頻的黃反審查，聊天內容的審核，還有一鍵斷播、數據統計、質量監控這些都必不可少，因為一要面對內容監管審查的壓力，其次是要能監測到全國不同區域的質量效果。
不過李浩指出，即便是把上述功能都實現了，也只能說搭建出一個基本可以跑的一個直播產品而已，需要提升的地方還很多。
三．直播的關鍵性技術知識
接下來，李浩對直播的一些關鍵性知識進行了詳細的解釋：
A．視頻幀
視頻幀其實就是一個一個的視頻單元，視頻單元分成三種，分別叫I、P、B幀。 I幀可以簡單的理解為就是一張圖片，體積也會比較大， B幀和P幀它是一個參考幀。對一個直播流來說，最核心的幀是I幀，由I幀引申出來的就叫GOP 。通常在直播上看到的延時，其實是內部直播流緩存延時，叫GOP cache 。對于一個CDN系統來說，傳輸延時只是延時的一小部分，還有一部分是產生在用戶流里面的GOP cache 。所以直播平臺如果要降低延時，首先建議調一下上行流的編碼參數，調低I幀間隔。

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B．碼率
碼率也分三種， CBR、VBR、ABR 。 CBR是固定碼率，可用于保證網絡專線帶寬是可控的場景。 VBR是可變碼率，它不好的地方在于，畫面變化劇烈，它的碼率跳變會特別大。所以在直播的實際應用中， ABR用的最多，即在質量和碼率上做一個均分，控制一個平均值。
C．編碼、封裝、傳輸
封裝的功能相當于一個桶，它可以把不同編碼格式的音視頻裝在一起，好的封裝格式是能兼容很多種的音視頻的編碼格式的。編碼的功能是把原始數據壓縮的更小，像視頻編碼這種原始信息量大的，目前的編碼方式已經把信息冗余度做的很低，如果出現丟幀，會導致視頻的花屏。
李浩提醒直播技術人員，一定要了解這些基礎知識，否則你很難理解直播的延遲產生在哪，以及為什么會發生卡頓。
四．直播的系統架構

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對一個直播平臺來說，主播就相當于是一個數據源，各地不同的觀眾相當于是訂閱者，其實就是生產者和訂閱者模型。怎么樣把這個生產者生產的信息，比較高效的送到訂閱者手上，其實就是一個應用層的組播結構，需要做很多應用層層面的一些考量，比如中轉跳數、網絡距離、中轉帶寬成本和匯聚效果等。
推流模式就是主播直接把流推到CDN節點， CDN節點經過自己的網頁加速，分發到真正觀看的用戶。直播所有的功能，像轉碼水印，轉存截圖、轉點播，所有的這種功能，包括數據統計對外提供一些API，都會在CDN里面做。
一家直播廠商可能會選用多家CDN，或者是有自建的CDN 。每個CDN最核心的一點，是怎么在國內這種錯綜復雜這個網絡環境內，去組一張分發比較快速、容災性能比較強，然后相對節省成本的一張虛擬網。
所以在整個CDN里面，最核心的就是傳輸組網，其次是在于功能系統的健壯。一個CDN、一個直播系統做的好壞，成敗其實一部分在于傳輸的順暢，另外一部分在于你是否穩健。
五．直播的三大核心指標
雖然直播對技術的要求錯綜復雜，但李浩還是表示，直播的關鍵的指標其實只有三個：卡頓、延時、首屏打開速度。做好這三大關鍵指標，直播的用戶體驗就有了保證。
A．卡頓
卡頓的解決與延時則在一定程度上是矛盾的。卡頓產生的原因有三種，第一是主播上行卡頓，所有的觀眾都會卡；第二是CDN內部網絡帶來的卡頓，例如中轉網絡產生了波動，節點負載沒控制好，或者是一些組網策略出問題，第三就是被調度和終端網絡問題，好比DSN錯配、或者最后一跳網絡抖動。要有監控手動能發現主要問題點針對性處理。
B．延時
除了前面說的視頻GOP緩存，其次延遲主要來自累積，除了做跳幀等邏輯以外，還可以通過改變傳輸協議的方法來提高，對于延時控制要求高的直播業務，如互動類直播，根本不會采用TCP這樣的協議來做傳輸，而會選擇UDP協議。因為對于這種直播來說，視頻的所有數據都可以放棄，但要優先保證音頻的即時性。
C．首屏打開速度
首屏打開則考驗的是直播CDN的組網方式、網絡覆蓋率和傳輸協議的優化程度。李浩特別提醒說，今年對首屏打開速度的要求越來越高，秒開已經是去年的指標要求，今年要細化到幾百毫秒，做不到這個級別就沒有競爭優勢。在這一點上，選擇一個靠譜的CDN就尤為重要了。