По некоторым данным, на сегодняшний день, в мире установлены сотни миллионов IP-камер для видеонаблюдения. Однако далеко не для всех из них критична задержка в воспроизведении видео. Видеонаблюдение, как правило, происходит «статично» — поток записывается в хранилище и может быть проанализирован на движение. Для видеонаблюдения разработано множество программных и аппаратных решений, которые хорошо делают свою работу.

В данной статье мы рассмотрим немного другое применение IP-камеры, а именно применение в онлайн-трансляциях, где требуется низкая коммуникационная задержка.

Прежде всего давайте устраним возможное недопонимание в терминологии про вебкамеры и IP-камеры.

Вебкамера — это устройство захвата видео, не имеющее собственного процессора и сетевого интерфейса. Вебкамера требует подключения к компьютеру, смартфону, либо другому устройству, имеющему сетевую карту и процессор.


IP-камера — это автономное устройство, имеющее собственную сетевую карту и процессор для сжатия захваченного видео и отправки в сеть. Таким образом, IP-камера представляет собой автономный мини-компьютер, который полноценно соединяется с сетью и не требует подключения к другому устройству, и может напрямую вещать в сеть.

Низкая задержка (low latency) — это достаточно редкое требование для IP-камер и онлайн-трансляций. Необходимость работы с низкой задержкой появляется, например, в том случае, если источник видеопотока активно взаимодействует со зрителями этого потока.


Чаще всего низкая задержка необходима в игровых сценариях использования. В качестве таких примеров можно привести: видео-аукцион в реальном времени, видео-казино с живым дилером, интерактивное онлайн-тв шоу с ведущим, удалённое управление квадрокоптером, и т.д.


Дилер живого интернет-казино за работой.

Обычная RTSP IP камера, как правило жмёт видео в H.264 кодек и может работать в двух режимах транспортировки данных: interleaved и non-interleaved.

Режим interleaved наиболее популярный и удобный, т.к. в этом режиме видео данные передаются по протоколу TCP внутри сетевого подключения к камере. Для того чтобы раздавать с IP-камеры в interleaved нужно всего лишь открыть / пробросить один RTSP-порт камеры (например 554) наружу. Плееру остаётся лишь подключиться к камере по TCP и забрать поток уже внутри этого соединения.


Вторым режимом работы камеры является non-interleaved. В этом случае соединение устанавливается по протоколу RTSP / TCP, а трафик идёт уже отдельно, по протоколу RTP / UDP вне созданного TCP-канала.


Режим non-interleaved более благоприятен для трансляции видео с минимальной задержкой, так как использует протокол RTP / UDP, но в то же время является более проблемным, если плеер расположен за NAT.


При подключении к IP-камере плеера, который находится за NAT, плеер должен знать — какие внешние IP-адреса и порты он может использовать для приема аудио и видео трафика. Эти порты указываются в текстовом SDP-конфиге, который передается камере при установке RTSP-соединения. Если NAT был вскрыт правильно и определены корректные IP-адреса и порты, то все будет работать.

Итак, для того чтобы забрать видео с камеры с минимальной задержкой, нужно использовать non-interleave mode и получать видеотрафик по UDP.

Браузеры не поддерживают стек протоколов RTSP / UDP напрямую, но поддерживают стек протоколов встроенной технологии WebRTC.


Технологии браузера и камеры очень похожи, в частности SRTP это шифрованное RTP. Но для корректной раздачи на браузеры, IP камере бы потребовалась частичная поддержка WebRTC-стека.

Чтобы устранить эту несовместимость требуется промежуточный сервер-ретранслятор, который будет являться мостом между протоколами IP-камеры и протоколами браузера.


Сервер забирает поток с IP-камеры на себя по RTP / UDP и отдаёт подключившимся браузерам по WebRTC.

Технология WebRTC работает по протоколу UDP и тем самым обеспечивает низкую задержку по направлению Сервер > Браузер. IP-камера также работает по протоколу RTP / UDP и обеспечивает низкую задержку по направлению Камера > Сервер.

Камера может отдать ограниченное количество потоков, в силу ограниченных ресурсов и полосы пропускания. Использование промежуточного сервера позволяет масштабировать трансляцию с IP камеры на большое число зрителей.

С другой стороны, при использовании сервера, включаются две коммуникационных ноги:
1) Между зрителями и сервером
2) Между сервером и камерой
Такая топология имеет ряд «особенностей» или «подводных камней». Перечислим их ниже.

Подводный камень #1 — Кодеки

Препятствием для работы с низкой задержкой и причинами ухудшения общей производительности системы могут стать используемые кодеки.

Например, если камера отдает 720p видеопоток в H.264, а подключается Chrome-браузер на смартфоне Android с поддержкой только VP8.


При включении транскодинга, для каждой из подключенных IP-камер должна быть создана транскодинг-сессия, которая декодирует H.264 и кодирует в VP8. В этом случае 16 ядерный двухпроцессорный сервер сможет обслужить только 10-15 IP камер, из примерного расчета 1 камера на физическое ядро.

Поэтому если серверные мощности не позволяют транскодировать планируемое количество камер, то транскодинга нужно избегать. Например обслуживать только браузеры с поддержкой H.264, а остальным предлагать использовать нативное мобильное приложение для iOS или Android, где есть поддержка кодека H.264.


Как вариант для обхода транскодинга в мобильном браузере, можно использовать HLS. Но стриминг по HTTP совсем не обладает низкой задержкой и в настоящий момент не может быть использован для интерактивных трансляций.

Подводный камень #2 — Битрейт камеры и потери

UDP протокол помогает справиться с задержкой, но допускает потери видеопакетов. Поэтому несмотря на низкую задержку, при больших потерях в сети между камерой и сервером, картинка может быть испорчена.


Для того чтобы исключить потери, нужно убедиться, что генерируемый камерой видеопоток имеет битрейт, который помещается в выделенную полосу между камерой и сервером.

Подводный камень #3 — Битрейт зрителей и потери

Каждый подключившийся к серверу зритель трансляции также имеет определенную пропускную способность на Download.

Если IP-камера отправляет поток, превышающий возможности канала зрителя (например камера отправляет 1 Mbps, а зритель может принять только 500 Kbps), то на этом канале будут большие потери и, как следствие фризы видео или сильные артефакты.


В этом случае есть три варианта:

1. Транскодировать видеопоток индивидуально под каждого зрителя под требуемый битрейт.
2. Транскодировать потоки не для каждого подключившегося, а для группы группы зрителей.
3. Подготовить потоки с камеры заранее в нескольких разрешениях и битрейтах.

Первый вариант с транскодингом под каждого зрителя не подходит, так как израсходует ресурсы CPU уже при 10-15 подключившихся зрителей. Хотя нужно отметить, что именно этот вариант дает максимальную гибкость при максимальной загрузке CPU. Т.е. это идеальный вариант например в том случае, если вы транслируете потоки всего на 10 географически распределенных человек, каждый из них получает динамический битрейт и каждому из них нужна минимальная задержка.


Второй вариант заключается в уменьшении нагрузки на CPU сервера с помощью групп транскодирования. Сервер создает несколько групп по битрейту, например две:

• 200 Kbps
• 1 Mbps

В случае, если зрителю не хватает пропускной полосы, он переключается в ту группу, в которой он сможет комфортно получать видеопоток. Таким образом, количество транскодинг-сессий не равно количеству зрителей как в первом случае, а является фиксированным числом, например 2, если групп транскодинга две.


Третий вариант предполагает полный отказ от транскодинга на стороне сервера и использование уже подготовленных видеопотоков в различных разрешениях и битрейтах. В этом случае камера настраивается на отдачу двух или трех потоков с разными разрешениями и битрейтами, а зрители переключаются между этими потоками в зависимости от своей пропускной способности.

В этом случае транскодинговая нагрузка на сервер уходит и смещается на саму камеру, т.к. камера теперь вынуждена кодировать два и более потоков вместо одного.


В результате мы рассмотрели три варианта подстройки под полосу пропускания зрителей. Если предположить, что одна транскодинг-сессия забирает 1 ядро сервера, то получаются следующая таблица нагрузки на CPU:

	Способ подстройки	Количество ядер на сервере
1	Транскодировать видеопоток под каждого зрителя под требуемый битрейт	N — количество зрителей
2	Транскодировать видеопотоки по группам пользователям	G — количество групп зрителей
3	Подготовить потоки с камеры заранее в нескольких разрешениях и битрейтах	0

Из таблицы видно, что мы можем сместить транскодинговую нагрузку на камеру либо отдать транскодирование на сервер. Варианты 2 и 3 при этом выглядят наиболее оптимальными.

Тестирование RTSP как WebRTC

Пришла пора провести несколько тестов для выявления действительной картины происходящего. Возьмем реальную IP-камеру и проведем тестирование с целью измерения задержки при трансляции.

Для тестирования возьмем древнюю IP-камеру D-link DCS-2103 с поддержкой RTSP и кодеков H.264 и G.711.


Так как камера долго пролежала в шкафу с другими полезными девайсами и проводами, пришлось отправить ее в Reset, нажав и подержав кнопку на задней стороне камеры 10 секунд.

После подключения к сети, на камере загорелась зеленая лампочка и роутер увидел еще одно устройство в локальной сети с IP адресом 192.168.1.37.

Заходим в веб-интерфейс камеры и выставляем кодеки и разрешение для тестирования:


Далее заходим в сетевые настройки и узнаем RTSP адрес камеры. В данном случае RTSP-адрес live1.sdp, т.е. Камера доступна по адресу rtsp://192.168.1.37/live1.sdp


Доступность камеры легко проверить с помощью VLC плеера. Media — Open Network Stream.



Мы убедились, что камера работает и отдает видео по RTSP.

В качестве сервера для тестирования будем использовать Web Call Server 5. Это стриминг сервер с поддержкой RTSP и WebRTC протоколов. Он будет подключаться к IP-камере по RTSP и забирать видеопоток. Далее раздавать поток по WebRTC.

Вы можете установить Web Call Server на свой хост либо запустить готовый инстанс Amazon EC2.

После установки необходимо переключить сервер в режим RTSP non-interleaved, который мы обсуждали выше. Это можно сделать добавлением настройки

rtsp_interleaved_mode=false

Эта настройка добавляется в конфиг flashphoner.properties и требует перезагрузки сервера:

service webcallserver restart

Таким образом, у нас есть сервер, который работает по схеме non-interleaved, принимает пакеты от IP-камеры по UDP, и далее раздаёт по WebRTC (UDP).


Тестовый сервер находится на VPS-сервере, расположенном в датацентре Франкфурта, имеет 2 ядра и 2 гигабайта RAM.

Камера находится в локальной сети по адресу 192.168.1.37.

Поэтому первое что мы должны сделать — это пробросить порт 554 на адрес 192.168.1.37 для входящих TCP / RTSP соединений, чтобы сервер мог установить подключение к нашей IP-камере. Для этого в настройках роутера добавляем всего одно правило:


Правило говорит роутеру перенаправлять весь входящий на порт 554 трафик, на 37 — IP адрес.

Далее осталось узнать свой внешний IP-адрес. Это можно сделать за 5-15 секунд, погуглив по слову whatismyip

Если у вас дружелюбный NAT и вы знаете внешний IP-адрес, то можно начинать тесты с сервером.

Стандартный демо плеер в браузере Google Chrome выглядит так:


Чтобы начать играть RTSP поток, нужно просто ввести его адрес в поле Stream.
В данном случае адрес потока: rtsp://ip-cam/live1.sdp
Здесь ip-cam это внешний IP адрес вашей камеры. Сервер будет пытаться установить соединение именно по этому адресу.

Тестирование задержек VLC vs WebRTC

После того, как мы настроили IP камеру и протестировали в VLC, настроили сервер и протестировали RTSP поток через сервер с раздачей по WebRTC, мы наконец-то можем сравнить задержки.

Для этого будем использовать таймер, который будет показывать на экране монитора доли секунды. Включаем таймер и воспроизводим видеопоток одновременно на VLC локально и на браузере Firefox через удалённый сервер.

Пинг до сервера 100 ms.
Пинг локально 1 ms.


Первый тест с использованием таймера выглядит так:


На черном фоне расположен исходный таймер, который показывает нулевую задержку. Слева VLC, справа Firefox, получающий WebRTC поток с удаленного сервера.

	Zero	VLC	Firefox, WCS
Time	50.559	49.791	50.238
Latency ms	0	768	321

На этом тесте видим задержку на VLC в два раза больше чем задержку на Firefox + Web Call Server, не смотря на то, что видео в VLC воспроизводится в локальной сети, а видео, которое отображается в Firefox проходит через сервер в датацентре в Германии и возвращается обратно. Такое расхождение может быть вызвано тем, что VLC работает по TCP (interleaved mode) и включает какие-то дополнительные буферы для плавного воспроизведения видео.

Мы сделали несколько снимков чтобы зафиксировать значения задержки:



Результаты измерений выглядят так:

	Metric	Zero	VLC	Firefox, WCS
Test1	Time	50.559	49.791	50.238
	Latency	0	768	321
Test2	Time	50.331	49.565	49.951
	Latency	0	766	380
Test3	Time	23.870	23.101	23.548
	Latency	0	769	322
Average			768	341

Таким образом, средняя задержка при тестировании с VLC в локальной сети составила 768 миллисекунд. В то время, как средняя задержка при проходе видео через удаленный сервер составила 341 миллисекунду, т.е. была в 2 раза ниже при использовании UDP и WebRTC.

Тестирование задержек RTMP vs WebRTC

Проведем похожие тесты с RTMP- плеером через Wowza сервер и одновременный тест с WebRTC-плеером через Web Call Server.

Слева забираем видеопоток с Wowza в RTMP-подключении. Справа забираем поток по WebRTC. Сверху абсолютное время (нулевая задержка).

Тест — 1


Тест — 2


Тест — 3


Тест — 4


Результаты тестирования можно вывести в уже знакомую таблицу:

	Metric	Zero	RTMP	WebRTC
Test1	Time	37.277	35.288	36.836
	Latency	0	1989	441
Test2	Time	02.623	00.382	02.238
	Latency	0	2241	385
Test3	Time	29.119	27.966	28.796
	Latency	0	1153	323
Test4	Time	50.051	48.702	49.664
	Latency		1349	387
Average			1683	384

Таким образом, средняя задержка при воспроизведении RTSP потока в Flash Player по RTMP составила 1683 миллисекунд. Средняя задержка по WebRTC 384 миллисекунды. Т.е. WebRTC оказалась в среднем в 4 раза лучше по задержке.

Ссылки

Технология WebRTC
RTSP — RFC
RTSP interleaved — RFC, 10.12 Embedded (Interleaved) Binary Data
RTMP — спецификация
Web Call Server — WebRTC медиасервер с поддержкой RTSP
VLC — плеер для воспроизведения RTSP