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小知識


作者 | Vitaly Suturikhin
翻譯 | 徐鋆

低廣播延遲已經(jīng)成為任何關(guān)于建設(shè)源端站和CDN的招標和競爭中的必要特性 。 以前這種標準只適用于體育廣播，但現(xiàn)在運營商要求每個領(lǐng)域的廣播設(shè)備供應(yīng)商提供低延遲，比如：廣播新聞、音樂會、表演、采訪、談話節(jié)目、辯論、電子競技等等 。

什么是低延遲？

一般來說，延遲是指某一特定視頻幀被設(shè)備（攝像機、播放機、編碼器等）捕獲的時間與該幀在終端用戶顯示器上播放的時間之間的時間差 。

什么是低延遲視頻流？

低延遲不應(yīng)降低信號傳輸?shù)馁|(zhì)量，這意味著在編碼和復(fù)用時使用最小的緩沖，同時在任何設(shè)備的屏幕上需要保持流暢和清晰的畫面 。 另一個先決條件是保證傳輸：所有丟失的數(shù)據(jù)包都應(yīng)該被恢復(fù)，以及在開放網(wǎng)絡(luò)上的傳輸不應(yīng)該引起任何問題 。

越來越多的服務(wù)正在遷移到云端，以節(jié)省租用的場地、電力和硬件成本 。 這增加了對高RTT（Round Trip Time, 往返時間）下低延遲的要求 。 在播放高清和超清視頻時，傳輸高比特率的情況尤其如此 。 比如如果云服務(wù)器位于美國，而內(nèi)容消費者在歐洲的情況 。

在這篇文章中，我們將分析目前市場上在低延遲廣播方面提供的方案 。

UDP

在現(xiàn)代電視廣播中被廣泛使用并與 "低延遲 "一詞相關(guān)的第一項技術(shù)可能是通過UDP的MPEG TS流內(nèi)容進行的組播 。 通常情況下，這種格式適合封閉的無負載網(wǎng)絡(luò)，在這種情況下，丟包率是最小的 。 例如，從編碼器到源端站調(diào)制器的廣播（通常在同一個服務(wù)器機架內(nèi)），或通過帶有放大器和中繼器的專用銅線或光纖線路的IPTV廣播 。

這種技術(shù)被普遍使用，并表現(xiàn)出良好的延遲特性 。 市場上的公司使用以太網(wǎng)實現(xiàn)的與編碼、數(shù)據(jù)傳輸和解碼相關(guān)的延遲，在每秒25幀的情況下不超過80ms 。 在更高的幀率下，這一延遲特性甚至更低 。

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圖1. UDP廣播延遲測量

圖1上半部分顯示了來自SDI采集卡的信號，下半部分展示經(jīng)過編碼、多路復(fù)用、廣播、接收和解碼階段的信號 。 如圖所示，第二個信號晚一幀到達（在這種情況下，因為信號是25fps，1幀是40毫秒） 。 在Confederations Cup 2017和FIFA World Cup 2018上使用了類似的解決方案，只有一個調(diào)制器、一個分布式DVB-C網(wǎng)絡(luò)和一個作為終端設(shè)備的電視加入到架構(gòu)鏈中，最終總延遲為220-240毫秒 。

如果信號通過一個外部網(wǎng)絡(luò)怎么辦？有各種問題需要克服：干擾、整形、流量阻塞通道、硬件錯誤、電纜損壞和軟件層面的問題 。 在這種情況下，不僅需要低延遲，還需要對丟失的數(shù)據(jù)包進行重傳 。

在UDP的情況下，帶有冗余的前向糾錯技術(shù)FEC（有額外的測試流量或開銷）做得很好 。 同時，對網(wǎng)絡(luò)吞吐率的要求隨之增加，因此，延遲和冗余也會增加，這取決于預(yù)期丟失數(shù)據(jù)包的百分比 。 由于FEC能恢復(fù)的數(shù)據(jù)包的百分比總是有限的，而且在開放網(wǎng)絡(luò)的傳輸過程中可能有很大的變化 。 因此，為了在長距離上可靠地傳輸大量數(shù)據(jù)，有必要在其中增加較多的多余流量 。

TCP

接下來讓我們看看基于TCP協(xié)議的技術(shù)（可靠交付） 。 如果收到的數(shù)據(jù)包的校驗和不符合預(yù)期值（在TCP數(shù)據(jù)包頭中設(shè)置），那么這個數(shù)據(jù)包就會被重新發(fā)送 。 而如果客戶端和服務(wù)器端不支持選擇性確認（SACK）規(guī)范，那么整個TCP數(shù)據(jù)包鏈（從丟失的數(shù)據(jù)包到最后一個以較低速率接收的數(shù)據(jù)包）就會被重新發(fā)送 。

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