【音视频】直播CDN介绍

灰太狼 2024-04-01 14:15 107阅读 0赞

### 0x1 前言 ###

以下内容是从一个`运维`的角度看待问题，主要借鉴了某某云和某站的直播架构总结的经验，还加入了一些自己的思考，希望能在CDN这条道路上走得更远。

### 0x2 直播CDN介绍 ###

一个直播业务，大致分为三步：

*  主播推流
 *  直播中心接收流
 *  边缘节点为用户提供分发

可以参考云厂商官方文档的介绍。

![code202211021440067.png][]

#### 0x21 音视频基础 ####

主播推流时一般会采集多种数据（屏幕、摄像头、可拓展内容），使用`OBS`或者其他的`推流软件推流到CDN的节点`，当然这里面还有其他的一些功能的实现，比如说`美颜`、`水印`、`滤镜`等等功能都`在推流前`已经处理完毕。

从协议上来讲，直播CDN主要的概念有像素格式、传输协议、视频编码协议、视频封装协议，目前主流的是yuv420（像素格式）、aac（音频编码）、H264(视频编码格式)、flv/hls（视频封装协议）、rtmp（视频传输协议）

详细的协议介绍还需要自行谷歌，简单列举一下直播中会常见的协议

*  视频编码：H264、H265
 *  音频编码：MP3,AAC,HE-AAC
 *  视频封装：MP4,FLV,HLS,DASH
 *  像素格式：YUV、RGB
 *  传输协议：RTMP、RTSP、SRT

#### 0x22 推流的过程 ####

主播的推流配置比较简单，可以参考下图。

![code202211021447515.png][]

当你点击开始推流后，客户端就会向服务器端发起RTMP的握手请求，握手成功后开始检查鉴权，当鉴权通过，边缘的服务器会主动向直播中心进行推流，把流推到直播中心，这个长链接会持续到主播推流结束，不可抗拒的风险除外（网络抖动、节点负载异常等）。

#### 0x23 拉流的过程 ####

拉流是一个被动的过程，往往是用户向边缘节点发出一个播放流的请求，边缘节点会进行查流，看看自己是否存在流，如果没有会递归到直播中心拉流，如果中心流还不存在，则返回404。

### 0x3 CDN节点系统 ###

#### 0x31 节点架构 ####

![code202211021449356.png][]

#### 0x32 节点的组成部分 ####

##### 0x321 流量的入口 #####

流量入口指的是客户端如何请求到你这个节点的。

一般比较成熟的商业CDN厂商，会在每个节点的LVS上挂N组VIP，后面才是real server，每组VIP有不同的作用，比如说用来区分大中小客户、回源专用VIP、是否使用https等等，用户请求某个域名的时候，会解析CNAME，可能会有多层，在加上调度的决策，你的请求最终会解析到某个A记录，这个A记录就是LVS的VIP。

如果只是给自己使用的自建CDN，一种更为简单并且好维护的方式就是直接使用A记录，机房的每个机器都有个域名解析，这个解析只有A记录和AAAA记录，用户请求的时候会请求调度的接口，接口来返回几个URL，其实就是告诉你哪个机器为你提供服务。这种情况对调度和端的依赖度极高，一般只有自建CDN可以这个姿势使用，后面会有详细的调度介绍。

两种入口方式的优缺点：

*  LVS的优点：使用LVS 绑定VIP更适合多组VIP提供服务的场景，可以很好的完成复杂功能的调度。
 *  LVS的缺点：不管是使用NAT还是DR，都需要维护LVS集群，需要关注LVS的负载和健康状态，如果你的LVS集群挂点，整个节点都会崩溃。配置变更复杂，想要实现方便管理还需要实现LVS的动态读取配置文件。
 *  DNS的优点： 配置简单，只需要录入一条A记录和AAAA记录就好。
 *  DNS的缺点：严重依赖前方的调度系统，相对LVS，机器下线的时间有所延长，LVS会主动把机器踢掉，DNS只能等流量慢慢掉下来。

##### 0x322 网关 #####

CDN的请求最后都是会请求到IP:80 、 IP:443、 IP:1935这种业务端口上，一般监听这些端口的都是Nginx或他的二次开发产品上。nginx会对请求做一层转发，将请求转发到nginx-rtmp模块或者SRS应用上。

当然网关肯定不会只是单单的转发功能，像`鉴权`、`refer黑白名单`等等功能也是这层实现。

##### 0x323 SRS #####

SRS是一个简单高效的实时视频服务器，支持RTMP/WebRTC/HLS/HTTP-FLV/SRT。SRS和NGINX-RTMP相比，支持的协议更加丰富，更符合现代的直播场景。

经过二次开发后的SRS，拥有更好的RTMP拉流体验，之前的NGINX经常会有BUG的存在。降低了进程回源，做法是在网关和SRS前面加了一层微服务（kratos），请求会通过网关转发到kratos，kratos负责和srs交互，krotos知道哪个进程有流，去请求到有流的进程。这样大大降低了进程回源。

> 地址：https://gitee.com/ossrs/srs

##### 0x324 回源器 #####

随着架构的更替，回源器的使用场景被慢慢淡化，目前只会对一部分特殊协议(HLS7)文件做类似点播一样的的回源请求而已。

> 直播流相关的架构升级：
> 
> 网关（nginx-rtmp）->回源器
> 
> 网关->kratos->SRS

##### 0x325 日志上报应用 #####

CDN的日志量非常的大，加上直播对磁盘的要求不高，一般是不会专门给直播准备比较大的机械盘，意味着你的日志空间有限，你需要及时将日志进行上报，这些日志将会在卡顿分析、带宽计算等等场景使用。

##### 0x326 低延迟/首帧优化方案(quic) #####

直播观看的体验有两个方向，`一个首帧时间`，`一个是你的时间和你观看直播时间的延迟`。下面介绍一下如果通过`quic`来实现降低延迟。

QUIC是谷歌开源的一种基于 `UDP` 四层协议，在低时延和高可靠有这很好的优势。

运维端是支持QUIC的，使用端请求播放流时，client->边缘节点这个链路就会切换成QUIC请求。节点在回源时也是支持QUIC协议的，能够做到使用QUIC进行回源，这样等于下行链路都得到了加速，从而在这方面达到优化。

在使用QUIC时，也会存在一些问题，最明显的就是QUIC对机器资源的使用，需要控制到一个合适的阈值才行，当然还需要研发测得优化，以免影响性能。 还有就是你请求的兜底策略，如果你的QUIC应用挂掉后，该如何切换到使用TCP进行拉流。

##### 0x327 机房/机器带宽的采集 #####

带宽信息比较重要的是三个地方，第一个是交换机的出口带宽，另一个是服务器的网卡带宽和业务真正跑量的带宽。

**交换机带宽的采集**：交换机也可以理解成机房的最后一层保护伞，对交换机带宽的采集方式是使用SNMPv3进行采集的，当然是有前提条件的，你的采集设备在交换机的白名单中。SNMPv3的好处是需要使用账号和密码才可以采集，相当于增加了一层保护吧，SNMP协议采集带宽是使用的OID，不能一下子发送很多任务，否则交换机的CPU负载也是扛不住的。

**服务器带宽采集**： 服务器的网卡采集就比交换机要简单很多，方案是有两个，第一个使用SNMP采集，第二个使用promethus进行采集，大家基本都是这个方案来玩的。

**业务带宽的采集**： 一个机房可能不只有一个业务，比如直播、点播、动态加速业务，分别部署在不同的机房，这个时候你只看交换机的带宽是不可行的。可以使用iptables的方法进行采集带宽，具体的细节可以参考这个连接：https://www.cnblogs.com/feng0919/p/15203395.html

这个文档只是介绍了带宽的采集，那如何排查同集群间回源的带宽呢，这时候需要使用**ipset**命令创建集群，然后在iptables 中使用match-set。

##### 0x328 容器环境的搭建/部署/维护 #####

在CDN节点上部署k8s环境收益是比较高的，配合Deamon使用能让你的边缘节点支持容器批量部署，还可以利用机器闲置时间断跑离线业务。

###### 0x3281 边缘节点K8S的搭建 ######

边缘节点的特点之一就是网络环境复杂，你的机器运营商可能是非三大运营商的节点（移动、联通、电信），所以你的k8S集群的网络需要有**BGP**的出口，集群的应用一般都放到云上。

###### 0x3282 Node的节点部署 ######

Node节点只需要部署Docker和Kubelet这两个应用，可以写好一个Ansible直接批量执行。 需要注意的是Docker的目录最好使用独立的挂载点，容器和裸机应用互相隔离，不受影响。

###### 0x3283 容器换机的维护 ######

由于K8S环境交给专门的容器部门维护集群，运维只负责维护Node节点就好，维护难度大大降低了，只需要注意Docker的环境是否正常，日志的正常轮转即可

##### 0x329 监控数据的采集 #####

在监控采集方面，建议使用promethus，在边缘节点部署好node\_exporter即可获取到了大部分的硬件数据，定制化的业务数据，可以使用cron任务定时执行脚本写到指定目录下来实现上传，如果有精力也可是自己编写一个agent，从平台拉取机器要执行的任务，定时执行即可。

作为业务运维，更需要对业务数据进行采集，主要的数据有：

*  主要应用的版本信息（可制作版本监控，方便发版）
 *  业务流量监控（方便带宽计算）
 *  流数据（需要你的直播服务器开放接口采集）
 *  网络探测数据（用来判断网络质量）
 *  服务状态监听
 *  各应用机器对硬件的使用（top -b 统计，用来分析性能瓶颈）

##### 0x32910 直播机器的优化方案 #####

直播业务目前来看，`硬件方面的瓶颈主要是CPU`，`直播业务对内存和磁盘的使用率要低的多`，优化CPU使用率可以提高整机性能的使用情况，当然这也需要研发支持。

点直播混跑，`点播业务的瓶颈主要是IO`、`其次是CPU`，如果一台机器服务既支持点播，又支持直播，整体利用率会有所提升。

直播机器套餐的优化，一个强劲的CPU、64/128G内存、2\*120G SSD+500G PCIE的磁盘完全适配直播业务本身。

直播机器属于大流量业务，你的内核参数需要也跟着调优，这个调优是一个持续性的工作，边出问题边积累才能完成。

#### 0x33 集群的概念和实现 ####

为什么会有集群的概念呢，是因为可能这台机器上没有这个资源，而同机房的另一台机器有资源，这样只需要同集群回源即可，不需要再次回源获取。

同集群有一个重要的概念，就是`一致性Hash`，把机器和请求都做一次hash，好处是，如果有一台机器下线后，不会导致Hash混乱。

![code202211031351682.png][]

那如何把同业务的机器加入集群中呢

*  在平台录入对应信息后，使用调用接口查询，接口会返回同集群且在线机器的IP。
 *  ipset命令把机器到一个cluster中，加入的目的也是为了统计业务带宽使用

#### 0x34 节点上线前的检查部分 ####

节点上线意味着流量的接入，如果你的节点存在异常会导致大量请求失败，造成巨大的影响，因此上线前的检查是不需要做的。主要检查的内容如下：

*  重要服务的进程（Nginx、SRS）是否在线
 *  容器环境是否正常，能否正常拉取镜像
 *  条件允许的话，可以提前拉流测试下是否正常
 *  网络、DNS服务是否正常
 *  /dev/shm 内存磁盘大小是否正常
 *  流量接入层是否正常（LVS的VIP是否都挂载好了）

### 0x4 直播源站 ###

#### 0x41 源站架构 ####

![code202211031353532.png][]

#### 0x42 源站的组成部分 ####

直播源站在之前的架构中是非常重要的部分，所有的流都推到源站，并进行处理。随着去中心化概念的不断推进，加上核心机房高昂的带宽成本，业务也不断迁移到边缘。下面只是介绍一下，源站一般都会实现的功能和大致实现的逻辑。

##### 0x421 GSLB #####

直播源站的网关，管理rtmp源站前端的LVS VIP，当有播放或推流查询时，进行调度。  
将rtmp源站机器上报的流信息汇总，如果某台机器心跳断掉，将不再调度给对应机器，会将此机器剔除。

此应用非常重要，需要稳定的运行，硬件方面 GSLB只需要适量硬件性能的POD和 KV数据库即可。

你的L2回源请求GSLB如果失败，也需要指定好对应的降级策略，如写死某个兜底逻辑，访问GSLB失败直接走到某个域名。

##### 0x422 rtmp源站 #####

负责存储所有线上的流，承担边缘节点的回源请求，以及直播中心其他集群的拉流请求。

rtmp源站集群的机器会周期向GSLB汇报自己的健康状态和当前在线的流信息。

该应用一般需要十台以上的物理机，不存在同时挂掉的风险，机器挂掉，GSLB会直接踢掉的，目前源站使用的还是NGINX-RTMP，计划更换成SRS，但是源站太稳定了，半年可能才发一次版本，替换计划基本GG。

需要注意的是这部分机器是在内网环境，并且有公网的VIP，意味着你的机器网络配置会比较复杂，注意配置好网络。源站每台机器有大概20个IP，网络复杂度拉满，每次机器上下线需要check好久才行。

##### 0x423 延播集群 #####

这个集群的作用就是让你看到的流延迟变大，单纯的靠源站实现这个逻辑会有些复杂，还不容易维护，因此出现了此集群，主要就是为了解决OTT业务的要求（必须延迟45S以上，该业务的规范）。

此集群会主动的从RTMP源站上拉流，然后再本地存一段时间，然后再推到源站去，当然流名会做变更，全程使用RTMP协议。不使用HLS这种天生支持延播协议的原因是部分电视不支持，被迫使用RTMP。

此集群使用的应用也是NGINX-RTMP。

##### 0x424 转码集群 #####

转码集群就会比较重，主要解决的就是主播推流的原画的码率，转换成不同的清晰度，每道流在转码过程中都会消耗非常多的算力，转码集群在源站集群里算是机器最多的存在，转码也分两种，一部分会使用CPU的机器，一部分会使用GPU机器，具体原理就不太清楚了。

一次转码任务的流程大致如下：

*  业务测触发了某个阈值，下发任务到转码接口
 *  转码集群分配任务到某台机器，该机器会从RTMP源站主动拉流（前提是查询了GLSB知道了流的地址），并在本机进行转码。
 *  转码后会在查询一次GSLB推流到哪台机器上，然后持续的像RTMP源站推转码流。RTMP源站收到后，会同步状态到GSLB。

##### 0x425 推流集群 #####

转推集群的工作原理和延播类似，只不过需求场景变了，这个是主动推流到某些地方，一般是推向商业CDN、或者其他源站做备份流。

它负责将一路流从源端中转给目标端，每一个任务会创建一个`rtmp`或`ffmpeg`的进程去做这个任务。

##### 0x426 录制/截图集群 #####

此集群的作用就是把直播录制成一个指定封装格式的视频文件，该集群对CPU的要求也比较高，CPU算力是改集群的瓶颈。集群主要使用的也是NGINX\_RTMP模块。

在去中心化的情况下，改集群也被迁移到边缘，上行推流节点也承担了这个任务。

#### 0x43 源站的高级用法 ####

##### 0x431 如果降低同集群回源 #####

直播源站对外开放的端口不是很多，以我们的业务为例，RTMP源站出口只有3个公网IP。如果你的通过RTMP源站前面的LVS设备回源，那么你机器网卡带宽的一半都是进行同集群回源，这样会造成资源的浪费，因为你机器只能跑一半的业务带宽。

解决方案是，每个机器除1935端口外，额外监听一个端口，每台机器的端口都不一样，这样可以实现通过端口来分辨机器。

当L2有回源请求的时候，查询GSLB时，会告诉你IP:PORT 的地址，通过此方案大量降低了同集群回源的带宽。

拓扑图如下：

![code202211031357885.png][]

##### 0x432 如何实现带宽的统计 #####

源站都是挂在在LVS这种四层负载均衡设备后面的，一般会使用NAT或者DR模式， NAT模式可以直接在负载均衡设备上统计到带宽，但是DR模式只能统计到入带宽，出带宽统计只能在机器上实现。

思路还是使用iptables，你的机器上会挂载VIP，把不同的VIP走到不同的链规则中即可。这样就能看到不同运营商的回源分布。

### 0x5 调度系统 ###

#### 0x51 调度的实现 ####

CDN的调度系统常见的是下面三种，DNS调度、302调度和HTTPDNS调度，不过最后都是会让用户访问到某一个IP上。你的调度库必须有全量的可用IP和这些IP的状态才行，不然你的调度系统会有调度不准确的情况。当然你还需要购买IP地址库才行，不然你无法确认请求过来的IP是来自哪里的。

![code202211031359580.png][]

#### 0x52 调度和节点的配合 ####

每台机器有机器的性能阈值，节点带宽因为涉及到计费，也会有机房的阈值，想要做到精准调度，基础数据必不可少。

这边会有统一的采集机器和机房硬件信息的集群，一般采集CPU和网卡的数据，然后上传到调度系统。这份处理好的数据还有每台机器和机房的MaxUse能力，是否可以调度等等一系列信息，然后让调度决策。

### 0x6 平台支撑 ###

作为CDN的支撑平台，肯定要实现诸多的功能来为CDN保驾护航。下面是我认为应有的功能。

*  机器/机房信息的录入，包括设备的能力和阈值，机器的属性等
 *  上下线操作，在一个地方操作，即可让调度停止此机器/机房的调度
 *  探测能力，探测机器的ICMP、SNMP、TCP（80 443 1935）这些端口的状态，如果异常，自动执行上面的操作。恢复后也能自动上线。
 *  IP库的编辑和查询，小运营商经常会租用一部分三大运营商的IP，肯定需要对这部分IP做特殊处理才可以实现调度正常。
 *  上线前的检查部分，检测正常上线，异常时提示错误的地方，并能够强制上线。
 *  回源的配置，直播边缘节点回源到哪个二级节点，二级节点回哪个机房都需要有一个地方进行配置才行

#### 0x61 如何节约成本 ####

成本是每个公司都离不开的话题，怎样在不影响质量的前提下，压缩成本是冲击绩效的一个很好的方法

#### 0x62 更先进的协议 ####

*  目前主流使用的是H264的视频编码，可以使用H265来降低带宽，H265的压缩率相比前者有不少的提升。H264可以低于1Mbps的速度实现标清数字图像传送；H265则可以实现利用1~2Mbps的传输速度传送720P（分辨率1280\*720）普通高清音视频传送。
 *  基于端共享的协议HLS7，升级传统的HLS分片，使使用P2P分享的方式解决带宽。详细介绍可以看（https://blog.csdn.net/vn9PLgZvnPs1522s82g/article/details/118533090）

#### 0x63 去中心化 ####

边缘节点对比核心机房，虽然网络质量可能会差一些，但是价格比核心机房要低很多，可以尝试在这些边缘节点实现源站的一些功能，比如录制截图，能力足够也可以进行转码。

降低云上资源的使用，云上资源的稳定性是非常优秀的，但是机器的成本太高，可以使用边缘的三线机房替代云上的产品。

#### 0x64 使用更廉价的资源 ####

市面上会有一些云厂商提供一些类似矿机的社会，这类设备无法使用80 443端口，一部分还是汇聚专线的存在，价钱对比IDC有明显优势。使用上推荐业务应用容器化，使用K8S来编排你的机器，由于每台机器都在不同的地方，没有集群这个概念，可能会导致回源量徒增的情况。改善的方法一个是靠调度，让不同的机器拥有不同的流，当然热流是每台机器都会存在的。第二种是创建逻辑集群的概念，让这些机器通过公网来进行回源。

[code202211021440067.png]: https://cdn.jsdelivr.net/gh/xzMhehe/StaticFile_CDN/static/code202211021440067.png
[code202211021447515.png]: https://cdn.jsdelivr.net/gh/xzMhehe/StaticFile_CDN/static/code202211021447515.png
[code202211021449356.png]: https://cdn.jsdelivr.net/gh/xzMhehe/StaticFile_CDN/static/code202211021449356.png
[code202211031351682.png]: https://cdn.jsdelivr.net/gh/xzMhehe/StaticFile_CDN/static/code202211031351682.png
[code202211031353532.png]: https://cdn.jsdelivr.net/gh/xzMhehe/StaticFile_CDN/static/code202211031353532.png
[code202211031357885.png]: https://cdn.jsdelivr.net/gh/xzMhehe/StaticFile_CDN/static/code202211031357885.png
[code202211031359580.png]: https://cdn.jsdelivr.net/gh/xzMhehe/StaticFile_CDN/static/code202211031359580.png