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Transmisión con tasa de bits adaptativa

Descripción general de la transmisión adaptativa Transmisión adaptativa en acción La transmisión de tasa de bits adaptativa es una técnica utilizada para transmitir contenido mu...

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Descripción general de la transmisión adaptativa
Transmisión adaptativa en acción

La transmisión de tasa de bits adaptativa es una técnica utilizada para transmitir contenido multimedia a través de redes informáticas .

Si bien en el pasado la mayoría de las tecnologías de transmisión de video o audio utilizaban protocolos de transmisión de tasa de bits única, con estado y empaquetados, como RTP con RTSP , las tecnologías de transmisión adaptativa actuales se basan casi exclusivamente en HTTP , [ 1 ] y están diseñadas para funcionar de manera eficiente en grandes redes HTTP distribuidas.

La transmisión de tasa de bits adaptativa funciona detectando el ancho de banda del usuario , la capacidad de la CPU y el tipo de dispositivo (como un teléfono inteligente, una computadora de escritorio o un televisor inteligente ) en tiempo real, ajustando la calidad de la transmisión multimedia en consecuencia. [ 2 ] Requiere el uso de un codificador que codifica una única fuente multimedia (video o audio) a múltiples tasas de bits . El cliente del reproductor cambia entre la transmisión de las diferentes codificaciones según los recursos disponibles. [ 3 ] [ 4 ] Esto da como resultado una mínima capacidad de almacenamiento en búfer , tiempos de inicio más rápidos y una buena experiencia tanto para conexiones de alta como de baja gama. [ 5 ]

Más específicamente, la transmisión de tasa de bits adaptativa es un método de transmisión de video a través de HTTP donde el contenido de origen se codifica a múltiples tasas de bits. Cada una de las diferentes transmisiones de tasa de bits se segmenta en pequeñas partes de varios segundos. [ 3 ] [ 4 ] Primero, el cliente descarga un archivo manifiesto que describe los segmentos de transmisión disponibles y sus respectivas tasas de bits. Durante el inicio de la transmisión, el cliente generalmente solicita los segmentos de la transmisión de tasa de bits más baja. Si el cliente encuentra que el rendimiento de la red es mayor que la tasa de bits del segmento descargado, entonces solicitará un segmento de tasa de bits más alta. Posteriormente, si el cliente encuentra que el rendimiento de la red se ha deteriorado, solicitará un segmento de tasa de bits más baja. Un algoritmo de tasa de bits adaptativa (ABR) en el cliente realiza la función clave de decidir qué segmentos de tasa de bits descargar, en función del estado actual de la red. Existen varios tipos de algoritmos ABR en uso comercial: los algoritmos basados ​​en rendimiento utilizan el rendimiento alcanzado en descargas anteriores recientes para la toma de decisiones (por ejemplo, regla de rendimiento en dash.js ), los algoritmos basados ​​en búfer utilizan solo el nivel de búfer actual del cliente (por ejemplo, BOLA [ 6 ] en dash.js ) y los algoritmos híbridos combinan ambos tipos de información (por ejemplo, DYNAMIC [ 7 ] en dash.js ).

Usos actuales

Los servicios de transmisión de video que necesitan distribuir contenido en vivo o bajo demanda a través de Internet (también conocidos como servicios de medios OTT ) utilizan tecnología de tasa de bits adaptativa para brindar a los consumidores la mejor experiencia posible y minimizar las interrupciones por almacenamiento en búfer. Cuando se distribuye a través de HTTP mediante redes de distribución de contenido, la transmisión de tasa de bits adaptativa se puede escalar fácilmente para admitir la transmisión de contenido de video a millones de espectadores simultáneamente. [ 8 ] Los servicios de transmisión más grandes del mundo, como los operados por Netflix, Disney, NBC Universal, Warner Bros. Discovery , Apple, Google, Amazon y otros, han estado utilizando activamente la tecnología de tasa de bits adaptativa durante muchos años, convirtiéndola en una práctica estándar para los proveedores de transmisión de alta gama. [ 9 ] [ 10 ]

Ventajas de la transmisión con tasa de bits adaptativa

La transmisión de tasa de bits adaptativa tradicional, controlada por servidor, ofrece a los consumidores de contenido multimedia la mejor experiencia posible, ya que el servidor se adapta automáticamente a cualquier cambio en la red y las condiciones de reproducción de cada usuario. [ 11 ] La industria de los medios y el entretenimiento también se beneficia de la transmisión de tasa de bits adaptativa. A medida que crece el mercado del vídeo, las redes de distribución de contenido y los proveedores de vídeo pueden ofrecer a sus clientes una experiencia de visualización superior. La tecnología de tasa de bits adaptativa requiere codificación adicional , pero simplifica el flujo de trabajo general y genera mejores resultados.

Las tecnologías de transmisión de tasa de bits adaptativa basadas en HTTP ofrecen beneficios adicionales en comparación con la transmisión de tasa de bits adaptativa tradicional basada en servidor. En primer lugar, dado que la tecnología de transmisión se basa en HTTP , a diferencia de la transmisión adaptativa basada en RTP , los paquetes no tienen dificultades para atravesar firewalls y dispositivos NAT . En segundo lugar, dado que la transmisión HTTP se gestiona exclusivamente desde el cliente, toda la lógica de adaptación reside en este. Esto reduce la necesidad de conexiones persistentes entre el servidor y la aplicación cliente. Además, el servidor no necesita mantener información de estado de sesión en cada cliente, lo que aumenta la escalabilidad. Finalmente, la infraestructura de entrega HTTP existente, como las cachés y los servidores HTTP, se puede adoptar sin problemas. [ 12 ] [ 13 ] [ 14 ] [ 15 ]

Una CDN escalable se utiliza para entregar transmisión de medios a una audiencia de Internet. La CDN recibe la transmisión desde la fuente en su servidor de origen y luego la replica en muchos o todos sus servidores de caché Edge . El usuario final solicita la transmisión y es redirigido al servidor Edge "más cercano". Esto se puede probar utilizando libdash [ 16 ] y el conjunto de datos Distributed DASH (D-DASH) [ 17 ] , que tiene varios espejos en Europa, Asia y EE. UU. El uso de transmisión adaptativa basada en HTTP permite que el servidor Edge ejecute un software de servidor HTTP simple, cuyo costo de licencia es económico o gratuito, lo que reduce el costo de licencia de software, en comparación con las costosas licencias de servidores de medios (por ejemplo, Adobe Flash Media Streaming Server). El costo de la CDN para transmisión de medios HTTP es entonces similar al costo de la CDN de almacenamiento en caché web HTTP.

Historia

Entrega de medios segmentados no adaptativos a través de HTTP

DVD Forum creó un grupo especial de transmisión WG1 en octubre de 2002, copresidido por Toshiba y Phoenix Technologies , [ 18 ] con la participación de Microsoft , Apple Computer , DTS Inc. , Warner Brothers , 20th Century Fox , Digital Deluxe, Disney , Macromedia y Akamai . El grupo fue responsable de desarrollar y estandarizar métodos de entrega en línea de contenido DVD, conocidos como DVDoverIP, que formarían parte integral de la especificación del formato DVD mejorado ( DVD-ENAV ). [ 19 ] Uno de los métodos de transmisión DVD-ENAV especificados describía el empaquetado de sectores DVD TS MPEG-1 y MPEG-2 en pequeños archivos de 2 KB que podían servirse al reproductor mediante un servidor HTTP. Los segmentos MPEG-1 representaban una transmisión de menor ancho de banda, mientras que los segmentos MPEG-2 representaban una transmisión de mayor tasa de bits. Un esquema XML adjunto proporcionaba una lista de reproducción simple de tasas de bits, idiomas y servidores URL. Sin embargo, la especificación no sugería ni definía la conmutación dinámica de la tasa de bits.

En 2006, se desarrolló e implementó en los laboratorios de Hewlett-Packard un sistema de transmisión basado en un servidor web HTTP llamado SProxy. [ 20 ] [ 21 ] Este sistema demostró cómo utilizar solicitudes de rango HTTP para dividir el contenido en pequeños segmentos. SProxy demostró la eficacia de la transmisión segmentada, logrando la mejor penetración en Internet gracias a la amplia implementación de cortafuegos y reduciendo la transmisión de tráfico innecesario si un usuario optaba por finalizar la sesión de transmisión antes de llegar al final.

Mover redes

La transmisión moderna de tasa de bits adaptativa sobre HTTP fue desarrollada por Move Networks entre 2004 y 2006, y comenzó a ganar atención mundial en 2007 cuando fue elegida por ABC Networks como la solución de transmisión para su nuevo sitio web de transmisión de video HD. [ 22 ] [ 23 ] Originalmente llamada Quantum Streaming, la tecnología ABR se incorporó a un conjunto de productos llamado Move Media Services que incluía Move Simulcode (codificación de video), Move Publish (publicación de contenido, almacenamiento y administración de derechos digitales), Move Play (reproductor) y Move Monetize (análisis de datos de visualización). [ 24 ] La tecnología ABR de Move Networks fue descrita en un boletín tecnológico semanal de NAB de la siguiente manera: [ 23 ]

Su sistema transmite vídeo desde servidores web estándar en lugar de servidores multimedia especializados, y utiliza el mismo protocolo HTTP que las páginas web convencionales. La transmisión de vídeo se divide en fragmentos cortos que se almacenan en caché mediante un sistema que Move Networks denomina Quantum Streaming, cuyo objetivo es evitar los efectos negativos de la congestión de Internet y la pérdida de paquetes. El reproductor ajusta automáticamente la calidad de la transmisión en función de las condiciones de la red y el entorno local de cada usuario.

— "Transmisión de vídeo por Internet en alta definición", NAB TV TechCheck (julio de 2007)

En octubre de 2010, Move Networks recibió una patente por su invención de transmisión de tasa de bits adaptativa (patente estadounidense n.° 7818444), basada en una solicitud de patente provisional presentada en abril de 2004. [ 25 ] [ 26 ]

Implementaciones

Después de que Move Networks demostrara con éxito que la transmisión ABR basada en HTTP era una alternativa comercial viable a los protocolos de transmisión por paquetes tradicionales, otras implementaciones de ABR basadas en HTTP siguieron poco después:

Transmisión dinámica adaptativa a través de HTTP (DASH)

Dynamic Adaptive Streaming over HTTP (DASH), también conocido como MPEG-DASH, es la única solución de transmisión basada en HTTP con tasa de bits adaptativa que es un estándar internacional [ 27 ] La tecnología MPEG-DASH se desarrolló bajo MPEG . El trabajo en DASH comenzó en 2010 y se convirtió en un borrador de estándar internacional en enero de 2011 y en un estándar internacional en noviembre de 2011. [ 27 ] [ 28 ] [ 29 ] El estándar MPEG-DASH se publicó como ISO/IEC 23009-1:2012 en abril de 2012.

MPEG-DASH es una tecnología relacionada con Adobe Systems HTTP Dynamic Streaming , Apple Inc. HTTP Live Streaming (HLS) y Microsoft Smooth Streaming . [ 30 ] DASH se basa en Adaptive HTTP Streaming (AHS) en 3GPP Release 9 y en HTTP Adaptive Streaming (HAS) en Open IPTV Forum Release 2. [ 31 ] Como parte de su colaboración con MPEG, 3GPP Release 10 ha adoptado DASH (con códecs y modos de operación específicos) para su uso en redes inalámbricas. [ 31 ]

El objetivo de estandarizar una solución de transmisión adaptativa es garantizar al mercado que la solución puede funcionar universalmente, a diferencia de otras soluciones que son más específicas de ciertos proveedores, como HLS de Apple, Smooth Streaming de Microsoft o HDS de Adobe.

Las implementaciones disponibles son el reproductor bitdash MPEG-DASH basado en HTML5 [ 32 ] , así como la biblioteca de acceso al cliente DASH de código abierto basada en C++ libdash de bitmovin GmbH, [ 16 ] las herramientas DASH del Instituto de Tecnología de la Información (ITEC) de la Universidad Alpen-Adria de Klagenfurt, [ 3 ] [ 33 ] el marco multimedia del grupo GPAC de Telecom ParisTech, [ 34 ] y el reproductor dash.js [ 35 ] de DASH-IF .

Transmisión en vivo HTTP de Apple (HLS)

HTTP Live Streaming (HLS) es un protocolo de comunicación de transmisión de medios basado en HTTP implementado por Apple Inc. como parte de QuickTime  X e iOS . HLS admite contenido en vivo y video bajo demanda . Funciona dividiendo las transmisiones o archivos multimedia en fragmentos cortos (segmentos multimedia), que se almacenan como archivos MPEG-TS o MP4 fragmentados . Esto generalmente se realiza a múltiples tasas de bits utilizando una aplicación de segmentación de flujo o archivo, también conocida como empaquetador. Apple proporciona una implementación de este tipo de segmentador. [ 36 ] Existen empaquetadores adicionales disponibles, incluyendo ofertas gratuitas y de código abierto como Shaka Packager de Google [ 37 ] y diversas herramientas comerciales, como Unified Streaming. [ 38 ] El segmentador también se encarga de producir un conjunto de archivos de lista de reproducción en formato M3U8 que describen los fragmentos multimedia. Cada lista de reproducción es específica para una tasa de bits determinada y contiene las URL relativas o absolutas de los fragmentos para esa tasa de bits. El cliente es entonces responsable de solicitar la lista de reproducción apropiada según el ancho de banda disponible.

La transmisión en vivo HTTP es una función estándar en el iPhone 3.0 y versiones posteriores. [ 39 ]

Apple ha presentado su solución al IETF para su consideración como una Solicitud Informativa de Comentarios . [ 40 ] Esta fue aceptada oficialmente como RFC 8216. Existen varias soluciones propietarias y de código abierto tanto para la implementación del servidor (segmentador) como para el reproductor del cliente. 

Las transmisiones HLS se pueden identificar por la extensión de formato de URL de la lista de reproducción m3u8 o el tipo MIME application/vnd.apple.mpegurl. [ 41 ] Estas transmisiones adaptativas pueden estar disponibles en diferentes tasas de bits y el dispositivo cliente interactúa con el servidor para obtener la mejor tasa de bits disponible que se pueda entregar de manera confiable.

La reproducción de HLS es compatible con numerosas plataformas, como Safari y las aplicaciones nativas de macOS/iOS, Microsoft Edge en Windows 10, ExoPlayer en Android y la plataforma Roku. Muchos televisores inteligentes también ofrecen compatibilidad nativa con HLS. La reproducción de HLS en otras plataformas como Chrome/Firefox se suele realizar mediante un navegador o un reproductor JavaScript. Existen numerosos reproductores de código abierto y comerciales, como hls.js, video.js http-streaming, BitMovin, JWPlayer, THEOplayer, etc.

Transmisión dinámica HTTP de Adobe (HDS)

"La transmisión dinámica HTTP es el proceso de entregar eficientemente video en streaming a los usuarios mediante el cambio dinámico entre diferentes flujos de calidad y tamaño variables durante la reproducción. Esto proporciona a los usuarios la mejor experiencia de visualización posible que su ancho de banda y el hardware de su computadora local ( CPU ) puedan soportar. Otro objetivo principal de la transmisión dinámica es que este proceso sea fluido y sin interrupciones para los usuarios, de modo que si es necesario aumentar o disminuir la calidad del flujo, el cambio sea suave y prácticamente imperceptible, sin interrumpir la reproducción continua." [ 42 ]

Flash Player y Flash Media Server admitían la transmisión de tasa de bits adaptativa a través del protocolo RTMP tradicional , así como HTTP , similar a las soluciones basadas en HTTP de Apple y Microsoft, [ 43 ] La transmisión dinámica HTTP es compatible con Flash Player 10.1 y versiones posteriores. [ 44 ] La transmisión basada en HTTP tiene la ventaja de no requerir la apertura de ningún puerto del firewall fuera de los puertos normales utilizados por los navegadores web. La transmisión basada en HTTP también permite que los fragmentos de video sean almacenados en caché por navegadores, proxies y CDN , lo que reduce drásticamente la carga en el servidor de origen.

Microsoft Smooth Streaming (MSS)

Smooth Streaming se desarrolló como una extensión de IIS Media Services que permitía la transmisión adaptativa de medios a clientes a través de HTTP. [ 45 ] [ 46 ] El formato de almacenamiento de medios se basó en el formato de archivo de medios base ISO y fue publicado por Microsoft como la especificación del formato de archivo interoperable protegido. [ 47 ] Microsoft participó activamente en los esfuerzos de las organizaciones 3GPP , MPEG y DECE para estandarizar la transmisión HTTP de tasa de bits adaptativa, lo que finalmente resultó en la publicación del estándar DASH . Microsoft proporcionó kits de desarrollo de software de Smooth Streaming Client para Silverlight y Windows Phone 7 , así como un Smooth Streaming Porting Kit que podía usarse para otros sistemas operativos de cliente, como Apple iOS, Android y Linux. [ 48 ] IIS Media Services 4.0, lanzado en noviembre de 2010, introdujo una función que permitía que los videos Live Smooth Streaming H.264/AAC se reempaquetaran dinámicamente en el formato de transmisión adaptativa HTTP de Apple y se entregaran a dispositivos iOS sin necesidad de recodificación. Entre 2009 y 2013, Microsoft demostró con éxito la transmisión de vídeo HD 1080p, tanto en directo como bajo demanda, mediante Smooth Streaming para clientes Silverlight. En 2010, Microsoft también se asoció con NVIDIA para demostrar la transmisión en directo de vídeo 3D estereoscópico 1080p a ordenadores equipados con la tecnología NVIDIA 3D Vision . [ 49 ]

En 2013, Microsoft trasladó su oferta de productos de servicios multimedia a la nube, donde continuó brindando soporte a Smooth Streaming como un componente central de Azure Media Services. [ 50 ] Sin embargo, el desarrollo y la adopción de MPEG DASH y HLS como estándares de la industria desplazaron gradualmente a Smooth Streaming como la tecnología de transmisión adaptativa preferida de Microsoft para finales de esa década. En junio de 2023, Microsoft anunció la retirada de Azure Media Services, efectiva a partir de junio de 2024, y aunque el anuncio no mencionó explícitamente a Smooth Streaming por su nombre, significó en la práctica el fin del soporte para Smooth Streaming en cualquier producto activo de Microsoft. [ 51 ]

Formato común de aplicación multimedia (CMAF)

CMAF es un formato de contenedor de presentación utilizado para la entrega de HLS y MPEG-DASH. Por lo tanto, su objetivo es simplificar la entrega de contenido multimedia en streaming basado en HTTP. Fue propuesto en 2016 por Apple y Microsoft y publicado oficialmente en 2018. [ 52 ]

Clientes de autoaprendizaje

En los últimos años, los beneficios de los algoritmos de autoaprendizaje en la transmisión de tasa de bits adaptativa se han investigado en el ámbito académico. Si bien la mayoría de los enfoques iniciales de autoaprendizaje se implementan en el lado del servidor [ 53 ] [ 54 ] [ 55 ] (por ejemplo, realizando control de admisión mediante aprendizaje por refuerzo o redes neuronales artificiales ), la investigación más reciente se centra en el desarrollo de clientes HTTP Adaptive Streaming de autoaprendizaje. Se han presentado múltiples enfoques en la literatura utilizando el algoritmo SARSA [ 56 ] o Q-learning [ 57 ] . En todos estos enfoques, el estado del cliente se modela utilizando, entre otros, información sobre el rendimiento de red percibido actual y el nivel de llenado del búfer. Con base en esta información, el cliente de autoaprendizaje decide de forma autónoma qué nivel de calidad seleccionar para el siguiente segmento de video. El proceso de aprendizaje se dirige utilizando información de retroalimentación, que representa la Calidad de la Experiencia (QoE) (por ejemplo, con base en el nivel de calidad, el número de cambios y el número de congelamientos de video). Además, se demostró que el aprendizaje Q multiagente puede aplicarse para mejorar la equidad de la QoE entre múltiples clientes de transmisión adaptativa. [ 58 ]

Críticas

Las tecnologías de tasa de bits adaptativa basadas en HTTP son significativamente más complejas operativamente que las tecnologías de transmisión tradicionales. Algunas de las consideraciones documentadas incluyen aspectos como los costos adicionales de almacenamiento y codificación, y los desafíos para mantener la calidad a nivel global. También se han encontrado dinámicas interesantes en torno a las interacciones entre la lógica compleja de tasa de bits adaptativa y la lógica compleja de control de flujo TCP. [ 12 ] [ 59 ] [ 60 ] [ 61 ] [ 62 ]

Sin embargo, en la práctica, estas críticas se han visto contrarrestadas por la economía y la escalabilidad de la entrega HTTP: mientras que las soluciones de transmisión que no utilizan HTTP requieren un despliegue masivo de infraestructura de servidores de transmisión especializada, la transmisión de tasa de bits adaptativa basada en HTTP puede aprovechar los mismos servidores web HTTP que se utilizan para entregar todo el demás contenido a través de Internet.

Al no existir un estándar abierto y claramente definido para la gestión de derechos digitales en los métodos mencionados, no hay una forma totalmente compatible de distribuir contenido restringido o con fecha de caducidad a ningún dispositivo o reproductor. Esto también supone un problema para la gestión de derechos digitales empleada por cualquier protocolo de streaming.

Véase también

Referencias

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Lecturas adicionales

  • La próxima gran novedad en vídeo: transmisión de tasa de bits adaptativa. Archivado el 19 de junio de 2010 en Wayback Machine.
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