网络直播传输协议在广播电视行业中的应用及前景

蔡家常

【摘要】在计算机网络中，两个可实现信息互通的实体要想达到动作的协同性以及同步性，需要依据既定的流程来交换信息，这就是我们所说的网络传输协议，也可简称为传送协议。常见的网络直播传输协议有很多种，比如RTMP协议、Web RTC、HLS等。本文选定SRT传输协议作为研究视角，通过对比多种传输协议之间的优点和缺点，分析了未来网络直播传输协议的发展方向，并从SRT协议的原理、SRT协议的实际应用场景入手，剖析了SRT传输协议在广电行业中推广和应用的前景以及存在的问题。

【关键词】网络直播传输协议；SRT；广电行业

中图分类号：G212                      文献标识码：A                      DOI：10.12246/j.issn.1673-0348.2023.09.066

1. 行业背景

伴随着移动技术的发展不断提速，网络直播凭借着便捷化、高速化、娱乐化以及互动化等优势，在大众生活中赢得了一席之地，并且深受广大消费者的喜爱和青睐，多元化的直播平台让人目不暇接，而广电行业也紧跟时代的步伐，将网络直播作为其发展的重要一环，在新闻事件播报、视频会议、电商带货、重要晚会与活动中广泛应用了网络直播，成为开展媒体服务最重要的技术手段和渠道之一，并以此来推动行业自身的转型升级，促进媒体的深度融合。

传输协议作为网络视频直播技术系统最基础的一部分，不仅要适用于电视的播放要求，还需要适用移动终端的使用场景。推流、分发等环节使用不同的传输协议以及参数设置的不同，对直播链路的影响都非常大。在不同的网络环境和应用场景中选择正确的协议类型和参数配置，才能获得稳定的预期传输质量和播放效果。

2. 常见的网络直播传输协议

目前在网络直播中经常用到的传输协议有以下几种：

2.1 RTMP协议

作为网络视频直播系统、手机直播源码中最常用的实时传输协议，RTMP是一种设计用来进行实时数据通信的网络协议，主要用于flash/air平台和支持RTMP协议的流媒体、交互服务器之间进行音视频和数据的通信。目前绝大多数在移动端使用的推流协议都是RTMP协议。

RTMP协议的优势在于支持CDN服务，应用于大部分主流CDN厂商。协议相对简单，普及程度高，大部分的设备和推流软件都有支持，容易在不同系统环境和平台上实现。

劣势在于RTMP协议的传输成本太高，弱网络环境下丢包率会明显增加，不支持浏览器的推送，也就是说，想要通过移动端观看直播的朋友必须要下载相应的软件。

2.2 web RTC协议

Web RTC协议是专门适用于网页的即时通信工具，网络视频直播系统在PC端的播放就需要用到此协议，它支持网页浏览器进行实时语音对话或者视频对话的API。

优势在于，支持主流的浏览器，与浏览器的契合程度高，同时又能在弱网络环境下有不错的表现，能够实现点对点通信，通信时双方产生的延迟较低，对有互动环节的视频直播和网络视频會议等实时性要求较高的场景来说这一点非常适合。劣势也很明显，即对CDN服务的支持性差。

2.3 HLS（HTTP Live Streaming）协议

HLS协议是由苹果公司推出的基于HTTP的流媒体网络传输协议。延迟较高，一般10～30s。它的工作原理是当采集推流端将视频流推送到流媒体服务器时，服务器将收到的流信息每缓存一段时间就封包成一个新的ts文件，同时服务器会建立一个m3u8的索引文件来维护最新几个ts片段的索引。拉流端通过m3u8索引文件获知需要的ts视频文件片段，通过HTTP协议请求这些片段。因为通常一个ts片段为5～10s，在服务端要“攒够”足够长的数据才能下发给拉流端，所以延迟较长。

由于延迟较高，但对CDN支持较好，HLS协议比较适合做实时性要求不高的直播，特别适合用于回放点播。

2.4 推流协议的选择

毫无疑问，目前现存量最大的直播协议是RTMP，但随着新技术的不断发展与使用场景的不断拓展，继续使用RTMP会令人感到有些力不从心。RTMP协议的缺陷主要有以下四个方面：

首先，RTMP协议太老，且最后一次更新是在2012年，HEVC/H.265/AV1等视频编码格式都没有官方定义，以至于需要国内CDN厂商自行定义。其次，RTMP连接过程较长，由于RTMP基于TCP（TCP存在三次握手），而其本身又存在c0/s0到c2/s2的三次握手，再加上connection，createstream，play/publish，总的来说RTMP完成一次建连需要进行9次会话，协议本身的开销和效率都不理想。再次，RTMP的拥塞控制完全依赖传输层，几乎没有什么优化。最后，RTMP本身基于TCP传输，无法提供带宽自适应的算法。在此背景下，众多厂商开始着手提供一些基于UDP的新直播协议供行业参考，如QUIC、SRT等，尤其是目前在推流领域中具有广泛应用的SRT协议。下面将对RTMP以及SRT做优缺点对比：

从表1可知，SRT连接速度快、可靠性高、延迟低的同时又能支持抗丢包，从这几项参数来看，优势不言而喻。

另外，对于传输协议是否支持HEVC编码也可以纳入考虑的因素。在广电行业高清和4K环境下，对传输图像质量的要求更高，由于HEVC在压缩效率方面的优势，用它编码的视频流占用的存储空间、带宽消耗也更小。由于能使用支持更优压缩算法的HEVC编码格式视频流，SRT协议在传输高分辨率尤其是4K超高清图像数据时，在画质相同的情况下使用HEVC编码能够比RTMP协议节省约50%左右的带宽。

2.5 造成协议延时的原因和对直播的影响

延迟是指某一特定视频帧被设备（摄像机、播放机、编码器等）捕获的时间与该帧在终端用户显示器上播放的时间之间的时间差。这个延时大小在不同行业存在着很大差异，对于广播电视一般为5～10秒左右，流媒体延时可以有30秒或以上，而实时视频制作或交互性更强的直播推流（例如比赛和体育博彩）而言，延时往往需要低于1秒。对于广播电视行业而言，在不同直播场景下的延时要求也是不同的，延时要求较高的场景包括：体育赛事直播、有互动交流环节的电商直播带货、网络视频会议等；延时要求不敏感的直播场景包括大型晚会直播、政府发布会、影视节目放送、无互动环节的讲座、直播课堂等。

表2对几种常见的传输协议的延迟做了对比。

各传输协议存在延迟差异的原因如下：

首先，传输方式不同，RTMP、HLS基于TCP传输的，而SRT、Web RTC则是基于UDP传输的。基于TCP传输的协议有一个自动重传机制，假如数据包丢失了，就会将丢失的数据包重新传，在自动重传的过程中，直播不会一直进行，而是在等待丢失的数据到达后再继续播放，延迟也就变长了。而UDP没有TCP那套复杂的、高可靠性要求的传输控制机制，延时较低。同时也具备一定的数据丢包恢复能力，比如SRT，它运用前向纠正技术（FEC），将网络丢包的可能性降到最低，确保了SRT传输的稳定性。

其次，数据包处理方式不同。在传输数据包时需要大量“握手”和错误检查协议，通常会产生更高的延时，UDP本身没有连接的概念，所以不需要三次握手，并且UDP的传输是不管顺序，也不管丢包的，延时自然就更低。

再次，传输参数的设置会对延时产生较大的影响，最直接的就是缓冲区大小的设置。更大的缓冲区意味着更强的丢包控制修复能力，传输质量会更稳定，但是会大幅提升延时量，减小缓冲区则相反。因此，应该根据传输质量要求、实时性要求和网络链路质量情况来审慎选择合适的缓冲区。

最后，还有其他影响因素，比如拥塞控制，多路复用等都会对传输协议的延迟差异造成影响。由此造成了不同协议和应用场景间延迟特性的差异。

3. SRT传输协议的相关概念和具体应用

3.1 SRT 传输协议原理概述

SRT传输协议指的是安全可靠传输协议，是Haivision联手Wowza在UDT的基础上的针对音视频实时性提出的传输协议，于2017年成为开源技术。依赖于其低延迟、可靠和安全等优势，目前已在众多的视频传输设备和软件中得到支持。SRT基于UDT的协议（UDT协议是基于UDP的传输协议，在IETF已经提交了4个版本），具有非常良好的丢包重传机制。音视频流对于时间顺序这一点非常在意，而SRT基于时间的报文发送，使其具有良好的防止流量突发的能力。SRT对上层提供了丰富的拥塞控制统计信息，包括RTT、丢包率、inflight、send/receive bitrate等。利用这些丰富的信息，我们可以实现带宽预测，并根据带宽的变化在编码层做自适应动态编码与拥塞控制。

3.2 SRT协议的特性

首先，从安全性角度，SRT协议可以使用AES对内容进行加密传输；其次，从可靠性角度，SRT协议优化了分组解码器接收分组的构造，在UDP数据包丢失以及排序方面存在的问题都可以有效解决，提升了数据传输的稳定性以及安全性；最后，从低延迟角度，SRT传输协议以UDP协议为立足点，延时远低于TCP协议，它拥有一个强制的延时量，且这个延时量是固定不变的，但是这个延时在网络搭建之前可以由用户进行调整。

在SRT中，其报文交互过程如下：握手（Handshake）、重要信息（Capability）、媒体（Media）、控制信息（Control）与关闭（Shutdown）。相比较RTMP的九次握手，SRT在构建的过程中，仅仅需要两个RTT（往返时延）即可完成，具体而言就是Handshake Request与Capability Announce；在握手之后，信息的交换产生于呼叫方（caller）以及接收方（listener），两者之间产生信息交流，传递延时量以及缓冲区的大小。在传输封装好的媒体数据包以外，还需要传输封装的时间戳。通过同步接收方与呼叫方控制信息，SRT能够有效克服网络中的抖动和丢包。最后，媒体数据传输完毕，SRT会闭合通道。

4. SRT传输协议的实际应用场景

SRT现在开发了许多新功能，包括传输大文件、小的对话数据等等，但是SRT的“传统优势领域”还是实时的视音频传输。SRT目前在广电行业中主要还是应用于节目的制作和分发，而不是交付。

4.1 协议适用场景

SRT在广电领域内的应用较早，其本质上是一个点对点的传输协议（单播而不是组播）。从摄像机拍摄的视频信号，在不使用卫星或光纤专线等昂贵链路的情况下，可以通过互联网使用SRT技术，利用HEVC编码的视频信号可以在极低的图像损失下以非常低的开销进行传输。电视节目在分到CDN地进行网络传播的时候，之前通常是使用RTMP协议，但现在越来越多的流媒体服务器使用SRT作为上传推流的解决方案。

安徽广播电视台卫星转播车上配备了两套公网传输系统，均支持SRT传输协议，其主要完成以下工作任务：

4.1.1 备份重大直播卫星和光纤传输通道

为省两会以及全國两会提供信号传播，所以，要将信号传输的重点放在提升其可靠性以及安全性方面，要有效发挥卫星通道、光纤通道以及公网传输通道的数据传输功能，以最小的成本，达到最高效的数据传输目的。

4.1.2 紧急状态的新闻直播

在实践中，经常要处理紧急性、突发性的新闻直播工作，而公网传输则更具优势，灵活性更强、便捷性更突出。

4.1.3 台内播出信号

实施重大直播活动的时候，导演以及制作人希望可以观看到台内的播出信号，以便为直播做好准备工作，即便面临紧急性的事故也可以高效应对。

安徽台早在2019年就完成了首次使用SRT作为主线，通过5G网络进行体育赛事活动的直播，同时用于节目制作的回传链路也是由SRT来实现。

4.2 SRT传输网络带宽要求

在5G网络逐渐普及的情况下，广电行业中利用背包设备进行无线图传的场景越来越多。那么使用SRT协议进行传输到底需要多大的带宽呢？建议的带宽应该由以下几个部分组成：

⑴数据流：主要组成部分是经过编码后封装好的TS数据包。以H.264编码传输高清1080p分辨率的视频数据，至少需要10Mbps以上的带宽，4K超高清则至少需要40Mbps以上的带宽才能达到广电播出画质要求。而使用HEVC编码，传输高清视频只需要6Mbps，超高清达到30Mbps的带宽就足以满足播出要求。

⑵带宽开销：为了解决网络波动和丢包等突发情况对传输造成的影响，SRT需要使用额外的带宽向接受缓冲区重传丢失的数据，由于需要叠加正常传输的带宽，补充重传数据的过程带宽消耗量将陡增，这部分额外的带宽需求就是带宽开销。带宽开销的大小决定了补充丢失数据包的速度，设置越大，则接受缓冲区中的数据可以更快地获得补充，否则，补充时间大于延时量时，则会发生图像数据缺失。通常开销默认值为数据流的25%，实际值可以在5%～50%之间设置。

⑶带宽冗余量。在实际传输过程中，应保证带宽有一定的冗余量，建议为需求带宽的33%。

因此，假设使用SRT来传输4K超高清视频，TS数据流的带宽为30Mbps，带宽开销为25%，那么传输链路的建议带宽应高于：

30×（1+25%）×（1+33%）=49.875Mbps，

在这种参数设置下，如果延时量设置为4000ms，那么网络发生1秒钟以内的中断都不会对SRT传输链路造成影响。这一特性甚至优于卫星或是光纤链路。

5. SRT协议在推广普及上还面临的问题和瓶颈

SRT传输协议中，优势众多，应用广泛，但是在實践中，广电行业的工作人员也要注意一些问题：

⑴公网传输相较于传统的专用线路波动性及不确定性突出，因此，应用SRT技术传输前需要联络相关的工作人员做好预案，必要时准备多个备用链路。

⑵相比传统的RTMP直播，SRT的抗丢包特性优势确实很大。但是，现在能播放SRT协议格式的播放器不多。SRT支持的HEVC编码格式由于在浏览器支持、处理器开销、专利授权等多方面存在限制，导致目前在广泛应用方面能体现出来的优势还不够明显，在推广使用方面还需要更多的可支持工具。

⑶当前，SRT作为新一代的传输协议，参与的人不多，并且使用验证的时间不够长，因此其性能及稳定性等方面还有待更多市场验证，这样也就导致很多厂家对SRT持观望的态度。

6. 结束语

在广电行业，网络直播的应用越来越广泛，对信号的传输质量要求也越来越高，而SRT传输协议凭借其优势，得到了越来越广泛的应用。尤其是在公网环境网络波动大、稳定性受考验的情况下，使用较低的成本、以更灵活的形式传输高质量、低延时的视频信号，更符合广电行业媒体融合业务运营的实际需要。通过优化配置的SRT传输环境，可以轻松实现跨区域新闻播报、远程制作、互动访谈、大型活动直播等业务模式，有效助力电视台节目制作和媒体服务部门探索新的网络直播新业务场景，开发创新适用于广电应用的新技术模式，促进广电传输技术转型升级。

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