一个RtspServer的设计与实现和RTSP2.0简介

  前段时间着手实现了一个RTSP Server，能够正常实现多路RTSP流的直播播放，因项目需要，只做了对H.264和AAC编码的支持，但是相信其他编码的实现基本逻辑也是想通的。这里我把主要设计和思考过程，以及实现框架分享一下。因为关注的是直播，这里只讨论RTSP直播协议。

RTSP协议概述与RTSP2.0

  众所周知，RTSP协议是一个流媒体协议，可以实现直播和点播形式的音频与视频流的播放。RTSP协议定义了多种服务器-客户端之间交互的接口，主要有OPTIONS，DESCRIBE，SETUP，PLAY，TEARDOWN，RECORD，ANNOUNCE。网络上已经有很多针对RTSP协议的文章，我这里不准备进行过多介绍，详细的协议定义，可以参见RFC2326。RTSP并不包括具体数据的传输，该功能一般由RTP与RTCP协议来实现，并可以通过TCP或UDP两种底层传输方式进行。

  下图是典型的RTSP直播过程中服务端-客户端主要交互过程：

  当然，直播过程中也可能在服务器与客户端之间调用GET_PARAMETER等其他接口，上图偷懒省略了。上图绿色部分表示的是数据传输。之前说过，流媒体数据传输不是RTSP协议的内容，由RTP包来做。但是具体在实现上，RTP包可以通过UDP或TCP的方式来进行，而且这两种传输方式，区别其实还不小，下面具体说下。

RTSP 数据传输流程

1. RTSP over UDP

  对于udp模式，客户端在发送PLAY以后，就开始建立udp端口，以接收服务器发来的RTP包，同样，服务器也会建立udp端口，并向客户端发送RTP包。这是网上大部分程序所采用的方式，优点是逻辑清晰，实现方便，不过缺点也很明显，就是udp所固有的，容易丢包，尤其是在高分辨率高码率下。

  

2. RTSP over TCP

  对tcp模式，通过SETUP接口来指定传输方式，服务器返回同样数据以确定双方通过tcp方式来传输数据。不过跟udp最大的不同是，rtsp over tcp的形式，不再创建单独的tcp通道，而是直接使用之前rtsp通信所使用的tcp通道，流程如下所示：

  

  由于跟rtsp消息使用同一个tcp端口，为了区分，rtp以及rtcp包，增加了4个字节额外的字段，并通过特殊的标识'$'，与正常的rtsp消息进行了区分。

RTSP Live Server 设计与实现

1. 程序框架

  我这次所实现的RTSP Server，主要功能是采集摄像头和麦克风数据，进行h.264编码以及aac编码，并对外提供RTSP直播流服务。我在实际写代码中，也是首先实现了rtsp over udp的模式，然而，通过实际测试，我发现在高分辨率高码率情况下，由于h.264 NAL单元过大，会拆分成很多的rtp包，而udp不可靠的传输方式，总是难免丢包，在低码率的时候还不明显，高码率情况下，丢包导致的花屏会频繁出现，这样体验特别差。于是我重新实现了一份rtsp over tcp模式的代码，顺利解决了这个问题。

  

2. 关于h264在sdp中的描述

  h264在sdp中的媒体信息,大多都是可以直接填写的，但是有两项数据需要根据编码后的数据来提取，就是profile-level-id和sprop-parameter-sets。这两项字符串数据的计算公式

  • profile-level-id = "Base16(sps[1])" "Base16(sps[2])" "Base16(sps[3])"

  • sprop-parameter-sets = "Base64(sps)" "," "Base64(pps)"

3. 主要代码

3.1 Rtsp服务接口

3.2 RtspSession在TCP通道里处理RTSP消息与RTP报文

4. 运行效果

  同时用vlc和ffplay进行多路播放，以tcp请求的方式，效果如下，延迟极低。

关于RTSP 2.0

  2016年IETF发布了新的RTSP标准，这就是就是RTSP2.0协议（RFC7826），新标准还是有不少修改的，除了完善一些原协议的中的定义，还有一些我觉得比较重要的是，对接口method进行了修改，比如删除了RECORD和ANNOUNCE方法，新增了PLAY_NOTIFY方法。

  • 删除了RECORD，这表示你不能再通过这个接口来控制服务器进行数据的录制了，可以选择在PLAY方法中，添加一些参数，来实现服务器对直播数据进行录制，还可以分隔录制。

  • 删除了ANNOUNCE，这意味着，不能像RTMP一样，客户端通过向服务器推送数据，来实现本机数据对外直播了，这可能需要其他的推送途径来进行替代了。

  • 至于PLAY_NOTIFY，它替代来原来Server向Client端发送ANNOUNCE方法，所实现的功能，也就是告诉客户端，需要根据新参数来调整直播播放状态。

  • 删除通过UDP传输RTSP消息的形式

  • 删除通过发PLAY消息来keep alive的方式（用SET_PARAMETER来做）

  • RTSP Server也可向Client发TEARDOWN消息

  • 支持IPV6

  • RTSP请求，支持pipelining的形式，也就是聚合Request。比如可以不等服务器返回，把SETUP和PLAY一起发送，这样可以提高至少一个RTT的启动时间。当然需要在消息里加上相关字段。

  • 重写了状态机，完善了服务器对客户端来说在各个状态之间的转换和行为

  • RTSP消息内支持URI了

  • 扩展了REDIRECT方法，等，等等。


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基于Live555实现RtspServer及高清高码率视频传输优化

最近做了一些pc和嵌入式平台的RTSP服务器项目，大多数的要求是简单但是功能全面，并且性能还要强劲。综合考虑后，基本都是在基于live555的基础上进行开发，在进行Live555本身的优化以及程序内部视频数据传输的优化后，不仅实现了需求而且性能还超出预期，实现了10Mbps高码率的1080p以上高分辨率高清视频的流畅直播。这里将一些优化点分享一下：

为什么基于Live555开发

其实之前我就已经开发过一个RTSP Server程序，并且写了一篇文章进行了介绍“一个RtspServer的设计与实现和RTSP2.0简介”,不过当时开发的目的除了实现RTSP直播以外，主要目的还是简化代码以方便定制，因此并没有完全实现RTSP协议里的所有交互细节，要在它的基础上扩展全面，可能会拖延项目进展。基于项目考虑，选择了自己比较了解也认为比较优秀的RTSP开源项目Live555作为基础，开发RTSP Server程序。

Live555是一个跨平台的流媒体解决方案，以C 为开发语言，实现了RTSP包括服务器-客户端的整套结构，并且支持H.264, H.265, MPEG, AAC等多种视频和音频编码，是很知名的一个开源项目。作为RTSP Server，源码里只有对于本地文件的视频源，不过它的扩展性强，可以在Live555提供的一些基类基础上开发出适合自己项目需求的服务程序。

Live555架构和RTSP数据流程

Live555的核心模块

RTSP服务器和客户端的交互流程

Live555流媒体模块及服务端的处理流程

Live555的流媒体模块基本分为Source和Sink两大部分，当然他们也有一个共同的基类Medium。对服务器来说，Source为数据来源，Sink为数据输出，视频数据就通过MediaSource传递给MediaSink，最终通过RTPInterface网络传输给客户端。一下为服务端所用到的模块以及继承关系:

如同上图所示意的，通过完成自己的ServerMediaSubsession和MediaSource来实现将需要直播的H.264编码数据传递给live555，以实现RTSP直播。

高码率视频数据传输的优化点

对高清高码率的视频画面，每一帧的视频数据就会比较大，这个数值往往会超出live555内部默认的内存处理大小，因为对于live555的优化，主要就是集中在内存缓冲大小的扩大，以及避免内存数据拷贝。以下为根据实际开发和测试所总结出来的有效的优化点：

  1. 扩展帧解析buffer大小，即BANK_SIZE，默认值为150k，根据传输的H264数据帧大小，至少设置为300k。否则超出大小，可能会被Live555抛弃。

  2. 增加OutPacketBuffer::maxSize大小，同样为了容纳超大帧数据，否则可能会导致数据丢失。

  3. 在RTPInterface中，增加socket发送缓冲区大小，即increaseSendBufferTo函数的参数值

  4. 对MultiFramedRTPSink::sendPacketIfNecessary中，可以直接调用sendNext尝试组建RTP报文发送数据包，这样修改的优点是已读取的数据会被尽快发送出去，不过也多占用一些线程时间。

  5. 对于应用程序将数据从自己的线程传递给Live555的时候，应该尽量减少内存拷贝，最好是通过内存池的形式，以避免拷贝内存阻塞Live555事件循环

经过以上修改，以及应用程序内部代码的优化，在实际应用中，已经实现了10Mbps高码率的1080p以上高分辨率高清视频的流畅直播。

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