HTTP 라이브 스트리밍

1. 개요

HTTP 라이브 스트리밍(HLS)은 기존 웹 서버를 사용하여 시청각 콘텐츠를 배포하는 기술로, OBS Studio와 같은 소프트웨어를 통해 실시간으로 전송할 수 있도록 코덱으로 변환해야 한다. 서버는 비디오를 코딩하고 조각내어 배포하고, 배포자는 웹 서버 역할을 하며, 클라이언트는 파일을 요청하고 조립하여 시청한다. HLS는 네트워크 대역폭 변화에 맞춰 영상 품질을 조절하는 적응형 스트리밍, 조각난 MP4 파일 사용, 저지연 HLS 등의 기능을 제공한다. 2016년 애플은 조각난 MP4 파일에 대한 바이트 범위 지정을 지원하여 HLS와 MPEG-DASH 간의 호환성을 높였다. 다양한 서버 구현과 클라이언트, 그리고 윈도우, macOS, iOS, 안드로이드 등 여러 운영체제에서 지원된다. 또한 동적 광고 삽입 기능도 제공한다.

2. 아키텍처

HTTP 라이브 스트리밍(HLS)은 OBS와 같은 소프트웨어를 사용하여 콘텐츠를 네트워크를 통해 실시간으로 전송하기 위한 적절한 형식(코덱)으로 변환하고, HLS를 지원하는 기존의 웹 서버를 사용하여 시청각 콘텐츠를 배포하는 기술이다.

HLS 서비스 아키텍처는 크게 서버, 배포자, 클라이언트로 구성된다. 서버는 입력 비디오 흐름을 배포에 적합한 형식으로 코딩하고 캡슐화하여 비디오 조각과 색인 파일을 생성한다. 배포자는 표준 웹 서버로 구성되어 클라이언트의 요청을 받아 스트리밍에 필요한 리소스를 제공한다. 클라이언트는 이러한 리소스를 요청하고 다운로드하여 사용자에게 연속적인 스트리밍 비디오를 제공한다.

2.1. 서버

입력 비디오 흐름을 배포에 적합한 형식으로 코딩하고 캡슐화한다. 그런 다음 서로 다른 파일로 분할하여 배포할 준비를 한다. 수집 과정에서 비디오는 인코딩 및 세분화되어 비디오 조각과 색인 파일을 생성한다.

* 인코더: 비디오 파일을 H.264 형식으로, 오디오를 AAC, MP3, AC-3 또는 EC-3 형식으로 코딩한다. 이는 MPEG-2 전송 스트림 또는 MPEG-4_Part_14에 의해 캡슐화되어 전송된다.
* 세분화기: 스트림을 동일한 길이의 조각으로 나눈다. 또한 조각화된 파일의 참조를 포함하는 인덱스 파일을 생성하며, .m3u8로 저장된다.

2.2. 배포자

표준 웹 서버로 구성되며, 클라이언트의 요청에 따라 스트리밍에 필요한 모든 리소스(.m3u8 재생 목록 파일 및 .ts 세그먼트 파일)를 제공한다.

2.3. 클라이언트

클라이언트는 모든 파일과 리소스를 요청하고 다운로드하여 사용자가 연속적인 흐름 비디오로 볼 수 있도록 조립한다. 클라이언트 소프트웨어는 먼저 URL을 통해 인덱스 파일을 다운로드한 다음 사용 가능한 여러 미디어 파일을 다운로드한다. 재생 소프트웨어는 시퀀스를 조립하여 사용자에게 지속적인 디스플레이를 제공한다.

3. 기능

HTTP 라이브 스트리밍(HLS)은 불안정한 네트워크 환경에서도 재생 중단을 최소화하는 기능을 제공한다. 예를 들어, 불안정한 무선 네트워크에서 HLS를 사용하면 낮은 화질의 비디오를 선택하여 대역폭 사용량을 줄일 수 있다. 또한 HLS는 동일한 비디오에 대해 여러 서버를 제공하여 가용성을 높이고, 서버 장애 발생 시 다른 서버로 원활하게 전환할 수 있도록 한다.

3.1. 적응성 (Adaptability)

HTTP 라이브 스트리밍은 사용자가 재생 중단을 느끼지 않도록 불안정한 네트워크 환경에 적응하는 기능을 제공한다. 예를 들어, 불안정한 무선 네트워크에서 HLS를 사용하면 플레이어는 낮은 화질의 비디오를 선택하여 대역폭 사용량을 줄일 수 있다. HLS 비디오는 동일한 비디오에 대해 여러 서버를 제공하여 가용성을 높이고, 서버에 장애가 발생하면 플레이어가 다른 서버로 원활하게 전환할 수 있도록 한다.

플레이어가 네트워크 대역폭에 맞게 비디오 품질을 조절할 수 있도록, 원본 비디오는 여러 비디오 품질로 인코딩된다. 서버는 이러한 비디오 인코딩들의 목록인 '마스터 플레이리스트'(변형 스트림)를 제공한다. 플레이어는 재생 중에 변형 스트림 중에서 선택하고, 네트워크 상태가 바뀌면 다른 스트림으로 자연스럽게 전환할 수 있다.

3.2. 조각난 MP4 사용 (Using fragmented MP4)

2016년 WWDC에서 애플은 조각난 MP4(fMP4)에 대한 바이트 범위 주소 지정을 포함한다고 발표했다. 이는 콘텐츠를 MPEG-2 전송 스트림으로 다중화할 필요 없이 HLS를 통해 재생할 수 있게 한 것이다. 업계는 이를 HLS와 MPEG-DASH 간의 호환성을 위한 단계로 여겼다.

3.3. 저지연 HLS (Low Latency HLS)

저지연 HLS (Low Latency HLS)에는 관련이 없는 두 가지 이름과 약어가 존재한다.

* 애플 저지연 HLS(ALHLS)는 애플이 2019년 WWDC에서 발표했다.
* 커뮤니티 LHLS(LHLS)는 애플의 발표보다 먼저 나왔으며 더 간단하다고 한다.

이 섹션의 나머지는 애플의 ALHLS에 대해 설명한다. ALHLS는 HLS를 통해 스트리밍할 때 라이브 스트림 재생을 시작하는 시간을 줄이고 라이브 스트리밍 이벤트 동안 해당 시간을 유지함으로써 글래스 투 글래스 지연 시간을 줄인다.

이는 MPEG-CMAF의 fMP4와 마찬가지로 부분 미디어 세그먼트 파일을 혼합하여 작동한다. CMAF와 달리 ALHLS는 부분 MPEG-2 TS 전송 파일도 지원한다. 부분 미디어 세그먼트는 1초 미만의 동일한 세그먼트(예: 200밀리초)로 분할된 표준 세그먼트(예: 6초)이다. 표준 첫 번째 세그먼트는 부분 세그먼트 시리즈로 대체된다. 후속 세그먼트는 표준 크기이다. HTTP/2는 플레이리스트와 함께 세그먼트를 푸시하여 반복적인 HTTP/TCP 연결을 설정하는 오버헤드를 줄이는 데 필요하다.

ALHLS의 다른 기능은 다음과 같다.

* 플레이리스트 델타 업데이트: 플레이리스트 간에 변경된 내용만 전송하며, 일반적으로 단일 MTU에 적합하여 DVR 창이 클 경우 매우 클 수 있는 플레이리스트를 더 효율적으로 로드할 수 있다.
* 플레이리스트 재로드 차단: 라이브 미디어 플레이리스트를 요청할 때 첫 번째 세그먼트도 준비될 때까지 기다린 후 둘 다 동시에 반환한다(추가 HTTP/TCP 요청 절약).
* 렌디션 보고서: ABR 간 전환을 더 빠르게 하기 위해 다른 미디어 렌디션에 메타데이터를 추가한다.
* 새로 추가된 태그: EXT-X-SERVER-CONTROL, EXT-X-PART, EXT-X-SKIP, EXT-X-RENDITION-REPORT
* URL QUERY_STRING ?_HLS 콜백 추가됨

애플은 또한 새로운 도구를 추가했다. tsrecompressor는 오디오와 비디오의 연속적인 저지연 스트림을 생성하고 인코딩한다. mediastreamsegmenter 도구는 이제 저지연 버전으로 사용할 수 있다. 이는 tsrecompressor에서 UDP/MPEG-TS 스트림을 가져와 위의 새로운 태그를 포함한 미디어 플레이리스트를 생성하는 HLS 세그먼터이다.

저지연 HLS에 대한 지원은 tvOS 13 베타 및 iOS & iPadOS 14에서 사용할 수 있다. 2020년 4월 30일, 애플은 저지연 사양을 HLS 사양의 두 번째 에디션에 추가했다.

3.4. 동적 광고 삽입 (Dynamic ad insertion)

SCTE-35 사양을 기반으로 HLS에서 동적 광고 삽입을 지원한다. SCTE-35 스플라이스 메시지는 EXT-X-DATERANGE 태그를 사용하여 미디어 재생 목록 파일에 삽입된다. 각 SCTE-35 splice_info_section()은 SCTE35-CMD 속성을 가진 EXT-X-DATERANGE 태그로 표시된다. splice_insert() 명령으로 신호되는 SCTE-35 스플라이스 아웃/인 쌍은 동일한 ID 속성을 가진 하나 이상의 EXT-X-DATERANGE 태그로 표시된다. SCTE-35 스플라이스 아웃 명령에는 SCTE35-OUT 속성이 있어야 하고, 스플라이스 인 명령에는 SCTE35-IN 속성이 있어야 한다.

SCTE35-OUT 및 SCTE35-IN 속성을 각각 포함하는 두 개의 EXT-X-DATERANGE 태그 사이에는 미디어 세그먼트 URI 시퀀스가 있을 수 있다. 이러한 미디어 세그먼트는 일반적으로 로컬 또는 사용자 정의 광고로 대체될 수 있는 광고 프로그램을 나타낸다. 광고 교체는 미디어 파일을 교체할 필요가 없으며, 재생 목록의 URI만 다른 광고 프로그램을 가리키도록 변경하면 된다. 광고 교체는 원본 서버 또는 클라이언트의 미디어 재생 장치에서 수행할 수 있다.

4. 서버 구현

HTTP 라이브 스트리밍(HLS)을 지원하는 주요 서버 구현은 다음과 같다.

5. 사용 사례 (Usage)

* 구글은 안드로이드 3.0 (Honeycomb)에 HTTP 라이브 스트리밍 지원을 추가했다.
* HP는 webOS 3.0.5에 HTTP 라이브 스트리밍 지원을 추가했다.
* 마이크로소프트는 2015년 윈도우 10의 EdgeHTML 렌더링 엔진에 HTTP 라이브 스트리밍 지원을 추가했다.
* 마이크로소프트는 IIS Media Services 4.0에 HTTP 라이브 스트리밍 지원을 추가했다.
* 슬링 미디어는 자사의 슬링박스 및 슬링플레이어 앱에 HTTP 라이브 스트리밍 지원을 추가했다.
* 2014/15년에 BBC는 라이브 인터넷 라디오 및 주문형 오디오 서비스에 HLS-AAC 스트림을 도입했으며, 아이플레이어 라디오 클라이언트로 해당 스트림을 지원한다.
* 트위치는 HTTP 라이브 스트리밍(HLS)을 사용하여 실시간 스트리밍을 전송하고 많은 동시 시청자에게 확장하며, 여러 변형(예: 1080p, 720p 등)을 지원한다.

6. 지원 플레이어 및 서버

HTTP 라이브 스트리밍은 다음 운영 체제에서 기본적으로 지원된다.

* 윈도우 10 버전 1507부터 2004까지(Microsoft Edge 레거시) (더 이상 지원되지 않음)
* 윈도우 11 미디어 플레이어
* macOS 10.6 이상 (사파리 및 퀵타임)
* iOS 3.0 이상 (사파리)
* 안드로이드 4.1 이상 (구글 크롬)

윈도우 10은 한때 Chromium 기반 Blink 브라우저 엔진으로 전환하기 전, Microsoft Edge(현재 Edge 레거시)에서 사용되었던 독점 브라우저 엔진인 EdgeHTML에서 HTTP 라이브 스트리밍을 기본적으로 지원했다. Edge 레거시는 윈도우 10 버전 2004까지 포함되었으며, 20H2 버전에서 Edge Chromium으로 대체되었다. 윈도우 11에는 HLS를 기본적으로 지원하는 업데이트된 미디어 플레이어가 탑재되었다.

6.1. 클라이언트

6.2. 서버

6.3. 라이브 인코더

6.4. VOD 인코더