音视频学习（三十一）：DASH协议

DASH（Dynamic Adaptive Streaming over HTTP，动态自适应流媒体传输）是一种基于 HTTP 的流媒体传输协议，类似于 HLS，但更通用，支持 MPEG-2 TS 和 ISO Base Media File Format（MP4） 等封装格式。它允许客户端根据网络状况动态切换码率，确保流畅播放。

特点

• 基于 HTTP：使用普通 Web 服务器进行内容分发，无需专用流媒体服务器。
• 自适应码率：客户端可根据带宽动态调整播放的码率，避免卡顿。
• 多种封装格式：支持 MP4（fMP4）、MPEG-2 TS 等容器格式。
• CDN 友好：DASH 片段是普通的 HTTP 文件，易于缓存和分发。
• 支持多种音视频编码：H.264、H.265、VP9、AV1 等。

工作流程

DASH 采用**分片（Segment）+ 清单文件（MPD，Media Presentation Description）**的方式传输流媒体内容。

基本组件

DASH 播放过程

1. 客户端请求 MPD 文件
   • 例如 https://example.com/video/manifest.mpd
2. 解析 MPD，获取可用码率、分辨率、片段 URL
3. 根据网络情况，选择合适的码率（Representation）
4. 下载首个分片（Segment）并开始播放
5. 动态调整码率
   • 如果网络带宽增加，切换到更高清的流；
   • 如果网络变差，降级到低码率流，保证不卡顿。
6. 持续请求新片段
   • 例如 https://example.com/video/segment_1.m4s, segment_2.m4s，直到播放完毕。

MPD 文件结构

MPD 是 XML 格式的清单文件，定义视频流的不同清晰度和码率。

示例：

<?xml version="1.0" encoding="UTF-8"?>
<MPD xmlns="urn:mpeg:dash:schema:mpd:2011" type="static" mediaPresentationDuration="PT10M">
    <Period>
        <AdaptationSet mimeType="video/mp4" segmentAlignment="true">
            <!-- 1080p 版本 -->
            <Representation id="1080p" bandwidth="5000000" width="1920" height="1080" codecs="avc1.640028">
                <BaseURL>1080p/</BaseURL>
                <SegmentTemplate timescale="1000" media="segment_$Number$.m4s" startNumber="1" />
            </Representation>
            <!-- 720p 版本 -->
            <Representation id="720p" bandwidth="2500000" width="1280" height="720" codecs="avc1.64001F">
                <BaseURL>720p/</BaseURL>
                <SegmentTemplate timescale="1000" media="segment_$Number$.m4s" startNumber="1" />
            </Representation>
        </AdaptationSet>
    </Period>
</MPD>

字段说明解释：

• MPD：根元素，定义整个 DASH 播放内容。
• Period：表示一个播放周期（多个 Period 可用于直播）。
• AdaptationSet：定义一组可互换的流，如不同分辨率的视频。
• Representation：
  • id="1080p"：该流的 ID，表示 1080p 版本。
  • bandwidth="5000000"：码率 5Mbps。
  • codecs="avc1.640028"：H.264 编码。
• BaseURL：片段所在的路径。
• SegmentTemplate：
  • media="segment_$Number$.m4s"：片段命名格式，如 segment_1.m4s、segment_2.m4s。
  • startNumber="1"：从 segment_1.m4s 开始播放。

DASH的模式

VOD（点播）

• type="static"（静态 MPD），MPD 预先定义好所有片段，适用于点播视频。
• 片段是固定的，不会实时更新。

Live（直播）

• type="dynamic"（动态 MPD），MPD 会不断更新，支持直播流。

• 直播 MPD 示例：

  <MPD type="dynamic" minimumUpdatePeriod="PT5S">
      <Period>
          <AdaptationSet>
              <SegmentTemplate media="live_$Number$.m4s" startNumber="1000" />
          </AdaptationSet>
      </Period>
  </MPD>
  

  • minimumUpdatePeriod="PT5S"：每 5 秒更新一次 MPD。
  • startNumber="1000"：直播流的分片编号从 1000 开始。

DASH 与 HLS 对比

• DASH 适用于 PC、Android、Windows 设备，但 iOS 设备上不原生支持。
• HLS 是 Apple 生态的标准，iPhone/iPad/Safari 直接支持。

DASH 播放器

常见的 DASH 播放器：

• Shaka Player（Google）：开源，支持 DRM（推荐）
• dash.js（官方）：MPEG-DASH 官方播放器
• ExoPlayer（Android）：支持 DASH、HLS
• Video.js + Dash Plugin：支持 DASH 播放

示例：使用 dash.js 在 HTML5 中播放 DASH 视频：

<video id="video" controls></video>
<script src="https://cdn.dashjs.org/latest/dash.all.min.js"></script>
<script>
    var player = dashjs.MediaPlayer().create();
    player.initialize(document.getElementById("video"), "https://example.com/video/manifest.mpd", true);
</script>

DASH应用（c++）

C++ 解析 DASH MPD 文件

MPD 文件是 XML 格式，可以使用 TinyXML2、RapidXML 或 pugixml 解析它。

// c++ 使用 TinyXML2 解析MPD文件
#include <iostream>
#include <string>
#include <vector>
#include "tinyxml2.h"

using namespace tinyxml2;
using namespace std;

struct Representation {
    string id;
    int bandwidth;
    int width, height;
    string codecs;
    string baseURL;
    string segmentTemplate;
    int startNumber;
};

vector<Representation> parseMPD(const string& xmlFile) {
    XMLDocument doc;
    if (doc.LoadFile(xmlFile.c_str()) != XML_SUCCESS) {
        cerr << "Failed to load MPD file!" << endl;
        return {};
    }

    vector<Representation> representations;
    XMLElement* mpd = doc.FirstChildElement("MPD");
    if (!mpd) return representations;

    XMLElement* period = mpd->FirstChildElement("Period");
    if (!period) return representations;

    XMLElement* adaptationSet = period->FirstChildElement("AdaptationSet");
    while (adaptationSet) {
        XMLElement* representation = adaptationSet->FirstChildElement("Representation");
        while (representation) {
            Representation rep;
            rep.id = representation->Attribute("id");
            representation->QueryIntAttribute("bandwidth", &rep.bandwidth);
            representation->QueryIntAttribute("width", &rep.width);
            representation->QueryIntAttribute("height", &rep.height);
            rep.codecs = representation->Attribute("codecs");

            XMLElement* baseURL = representation->FirstChildElement("BaseURL");
            if (baseURL) rep.baseURL = baseURL->GetText();

            XMLElement* segmentTemplate = representation->FirstChildElement("SegmentTemplate");
            if (segmentTemplate) {
                rep.segmentTemplate = segmentTemplate->Attribute("media");
                segmentTemplate->QueryIntAttribute("startNumber", &rep.startNumber);
            }

            representations.push_back(rep);
            representation = representation->NextSiblingElement("Representation");
        }
        adaptationSet = adaptationSet->NextSiblingElement("AdaptationSet");
    }
    return representations;
}

int main() {
    string xmlFile = "dash.mpd";
    vector<Representation> reps = parseMPD(xmlFile);

    for (const auto& rep : reps) {
        cout << "ID: " << rep.id << " | Bandwidth: " << rep.bandwidth << " | Resolution: " 
             << rep.width << "x" << rep.height << " | URL: " << rep.baseURL << endl;
    }
    return 0;
}

解析结果示例：

ID: 1080p | Bandwidth: 5000000 | Resolution: 1920x1080 | URL: https://example.com/dash/1080p/
ID: 720p | Bandwidth: 2500000 | Resolution: 1280x720 | URL: https://example.com/dash/720p/

C++ 下载 DASH 片段

// c++使用 libcurl 下载 DASH 片段
#include <iostream>
#include <fstream>
#include <curl/curl.h>

using namespace std;

size_t WriteCallback(void* contents, size_t size, size_t nmemb, void* userp) {
    ((ofstream*)userp)->write((char*)contents, size * nmemb);
    return size * nmemb;
}

bool downloadSegment(const string& url, const string& filename) {
    CURL* curl = curl_easy_init();
    if (!curl) return false;

    ofstream file(filename, ios::binary);
    if (!file.is_open()) return false;

    curl_easy_setopt(curl, CURLOPT_URL, url.c_str());
    curl_easy_setopt(curl, CURLOPT_WRITEFUNCTION, WriteCallback);
    curl_easy_setopt(curl, CURLOPT_WRITEDATA, &file);
    CURLcode res = curl_easy_perform(curl);
    curl_easy_cleanup(curl);
    file.close();

    return (res == CURLE_OK);
}

int main() {
    string url = "https://example.com/dash/1080p/segment_1.m4s";
    string filename = "segment_1.m4s";

    if (downloadSegment(url, filename)) {
        cout << "Download successful: " << filename << endl;
    } else {
        cerr << "Download failed!" << endl;
    }
    return 0;
}

C++ 生成 DASH MP4 片段

可以使用 FFmpeg 进行 MP4 分片：

ffmpeg -i input.mp4 -c copy -map 0 -f dash -segment_time 4 output.mpd

或者用 GPAC MP4Box：

MP4Box -dash 4000 -frag 4000 -segment-name segment_ output.mp4

DASH 播放（C+++WebRTC/SRS）

如果要搭建 DASH 服务器，可以使用 SRS（Simple Realtime Server）：

./objs/srs -c conf/dash.conf

SRS 支持 DASH 直播，将流转换为 DASH 格式，MPD 地址类似：

http://yourserver/live/output.mpd

然后可以在前端使用 dash.js 播放：

<video id="video" controls></video>
<script src="https://cdn.dashjs.org/latest/dash.all.min.js"></script>
<script>
    var player = dashjs.MediaPlayer().create();
    player.initialize(document.getElementById("video"), "http://yourserver/live/output.mpd", true);
</script>

常见问题

1. 为什么 DASH 播放有延迟？

• DASH 直播默认会有几秒钟缓存，减少卡顿。如果要降低延迟，可以调整 SegmentTimeline 和 buffering settings。

2. DASH 适合 WebRTC 低延迟直播吗？

• 不适合。DASH 主要用于 VOD 和传统直播，WebRTC 更适合低延迟交互式直播。

总结

• DASH 是 HTTP 传输协议，不依赖专用流媒体服务器。
• 支持自适应码率，确保流畅播放。
• 适用于 VOD 和直播，兼容各种编码格式。
• 播放器支持需要额外集成（如 dash.js、Shaka Player）。