直播技术中的基础网络知识

矫情吗；* 2022-12-20 02:47 219阅读 0赞

# 前言 #

我本人其实对于直播相关业务的参与度并不高，也并不了解这些直播使用的底层技术，只是偶然进入了一次webrtc技术分享会议，发现对于直播技术的探索过程是与计算机网络相关知识息息相关的，于是就进行回看记录总结，希望能与各位分享。

# 正文 #

## 直播技术分类 ##

当前市面上直播相关产品有很多种，站在使用者的角度，在使用场景上无非是1v1、1 v N、N V N。而站在技术人的角度，这些类型的产品它的技术方案却不一样。对比如下：

<table> 
 <thead> 
  <tr> 
   <th>属性</th> 
   <th>单向直播</th> 
   <th>双向互动直播</th> 
  </tr> 
 </thead> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td>推拉流方式</td> 
   <td>单向推拉流</td> 
   <td>双向推拉流</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>延时</td> 
   <td>3-10S</td> 
   <td>1S以内</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>网络传输协议</td> 
   <td>RTMP+TCP</td> 
   <td>RTCP(RTP)+UDP</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>### 单向推拉流（泛直播）</td> 
   <td>&nbsp;</td> 
   <td>&nbsp;</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>&nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; 如下图所示，为一个简单的泛直播发起端到接收端的流程，其中的每一个步骤单拿出来都有很多的技术点。编码是为了减少音视频所占用的体积，使用不同的算法对数据进行压缩；网络层面的数据传输在应用层则是使用rtmp来应对，使用cdn来提高下游拉流效率。</td> 
   <td>&nbsp;</td> 
   <td>&nbsp;</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td><img alt="在这里插入图片描述" src="https://img-blog.csdnimg.cn/img_convert/61bf694ccda0efac3b9f613685c95f6a.png"></td> 
   <td>&nbsp;</td> 
   <td>&nbsp;</td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

在这其中会存在的一些网络相关问题：

1.  粘包

由于tcp可视为流式的传输层协议，因此所有基于tcp的应用层协议，都需要注意“粘包”的问题，而rtmp协议使用定长数据块的方式解决问题。

1.  传输的延时累计

tcp协议是可靠的传输协议，在网络传输中如果遇到丢包或者超时，便会等待及对数据包进行排队重传，从而导致延迟不断的累计。

如何解决网络层面带来的延时？优化tcp协议的丢包重传策略，我们都知道tcp在丢包情况下采用的拥塞控制算法对应的“拥塞发生”算法非常暴力如下图所示，将发送端的发送窗口急剧缩小，导致后面延时累计。因此我们可以不再使用默认的拥塞控制算法，比如`BBR`等来优化。 ![在这里插入图片描述][47f489057e0be32e290ba653048cef2e.png]

再不济，我们使用基于udp的rtmp协议也可以，不用发送、接收确认，不用被“君子协议”拥塞控制算法绑架，况且对于直播这种对于数据包传输可靠性没那么高的应用场景来说（当前丢了几帧，后面立刻补上了），udp算是比较适合的。

### 双向推拉流 ###

实现双向推拉流目前比较常见的就是webrtc，webrtc相对基于rtmp的泛直播场景，在理想化的情况下是不需要服务端来支持的，它是一个基于web端的实时音视频解决方案，旨在不借助外部支持的情况下，仅基于浏览器中内置的js api就能实现双向音视频通信，而且基于浏览器的特性也顺便支持了跨平台的特性。如下图所示，是一个理想化的webrtc场景。 ![在这里插入图片描述][b45f78841401784bfd4f5c86ae718632.png]

面临的互相发现问题

上面的交互方式在当前的互联网场景下存在什么问题呢？显而易见，只有两台拥有公网ip的机器或者在同一个局域网内的两台机器才能实现实时的“发现”对方，发起双向音视频通信，不然是无法完成的。

由于ipv4地址数量的问题，我们每个接入互联网的个人电脑都需要通过nat地址转换协议。

nat地址转换技术简要介绍：

如下图所示假设A主机想访问互联网服务器C，那么首先它首先把消息发出给NAT路由器。路由器记录了它的内网地址和端口，并且给它分配一个全局地址和全局端口。这个地址关系记录在NAT路由表中。之后按照目的地址发给服务器。一段时间之后，服务器回应了请求给NAT路由器，那么路由器根据目的地址和端口（此时是全局的）按照NAT路由表转换为对应的主机地址，再发送给主机，这样主机就收到了服务器的回应。 ![在这里插入图片描述][b7a5f0e47aa0c2b5846f692df5042ff6.png]

因此如何将自己的机器与互联网中的另外一台机器建立起网络连接，这就是peer-to-peer需要面临的经典“nat打洞”问题。肯定还是需要借助服务器帮助的，通过中间服务器，交换两边机器的“地址”信息，然后建立tcp长连接，使用keep-alive参数保证。而nat的多种类型，导致真实场景远比想想中复杂的多。

锥型NAT，有完全锥型、受限制锥型、端口受限制锥型三种：

1.  Full Cone NAT（完全圆锥型）：从同一私网地址端口192.168.0.8:4000发至公网的所有请求都映射成同一个公网地址端口1.2.3.4:62000 ，192.168.0.8可以收到任意外部主机发到1.2.3.4:62000的数据报。
2.  Address Restricted Cone NAT （地址限制圆锥型）：从同一私网地址端口192.168.0.8:4000发至公网的所有请求都映射成同一个公网地址端口1.2.3.4:62000，只有当内部主机192.168.0.8先给服务器C 6.7.8.9发送一个数据报后，192.168.0.8才能收到6.7.8.9发送到1.2.3.4:62000的数据报。
3.  Port Restricted Cone NAT（端口限制圆锥型）：从同一私网地址端口192.168.0.8:4000发至公网的所有请求都映射成同一个公网地址端口1.2.3.4:62000，只有当内部主机192.168.0.8先向外部主机地址端口6.7.8.9：8000发送一个数据报后，192.168.0.8才能收到6.7.8.9：8000发送到1.2.3.4:62000的数据报。
4.  把所有来自相同内部IP地址和端口号，到特定目的IP地址和端口号的请求映射到相同的外部IP地址和端口。如果同一主机使用不同的源地址和端口对，发送的目的地址不同，则使用不同的映射。只有收到了一个IP包的外部主机才能够向该内部主机发送回一个UDP包。对称的NAT不保证所有会话中的(私有地址，私有端口)和(公开IP，公开端口)之间绑定的一致性。相反，它为每个新的会话分配一个新的端口号。

需要根据不同的nat类型，采用不同的打洞方案，具体可见参考内容。

### webrtc多人会话方案 ###

如果webrtc技术只是在nat方面需要服务器的一点小小的“协助”，如下图的mesh模式，那么在多人会话的场景下也会给端上带来很大的性能问题，因此也衍生了2和3。 ![在这里插入图片描述][98210bc92d5d7b572d11ffa85cc243b4.png]

1.  Mesh。每个端都与其它端互连。以上图最左侧为例，5个浏览器，二二建立p2p连接，每个浏览器与其它4个建立连接，总共需要10个连接。如果每条连接占用1m带宽，则每个端上行需要4m，下行带宽也要4m，总共带宽消耗20m。而且除了带宽问题，每个浏览器上还要有音视频“编码/解码”，cpu使用率也是问题，一般这种架构只能支持4-6人左右，不过优点也很明显，没有中心节点，实现很简单。
2.  MCU (MultiPoint Control Unit)

这是一种传统的中心化架构(上图中间部分)，每个浏览器仅与中心的MCU服务器连接，MCU服务器负责所有的视频编码、转码、解码、混合等复杂逻辑，每个浏览器只要1个连接，整个应用仅消耗5个连接，带宽占用(包括上行、下行）共10m，浏览器端的压力要小很多，可以支持更多的人同时音视频通讯，比较适合多人视频会议。但是MCU服务器的压力较大，需要较高的配置。

1.  SFU(Selective Forwarding Unit)上图右侧部分，咋一看，跟MCU好象没什么区别，但是思路不同，仍然有中心节点服务器，但是中心节点只负责转发，不做太重的处理，所以服务器的压力会低很多，配置也不象MUC要求那么高。但是每个端需要建立一个连接用于上传自己的视频，同时还要有N-1个连接用于下载其它参与方的视频信息。所以总连接数为5\*5，消耗的带宽也是最大的，如果每个连接1M带宽，总共需要25M带宽，它的典型场景是1对N的视频互动。

# 总结 #

这篇文章借助直播技术学习，发现了在直播技术探索中遇到的很多网络上的问题，包括传输层协议tcp特性：丢包重传、拥塞控制、流式传输带来的延时累计、应用层粘包等问题。也有webrtc中遇到的nat技术带来的如何在peer-to-peer场景中互相发现的难题，大数据量的传输问题。希望跟大家一起以点知面，借助这些真实的场景完善自己的网络相关知识。正如上面直播技术演进中对于网络问题的探索，感觉一些生硬的知识，只有在遇到相应的问题时才能感受到学习他带来的愉悦感。

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