Windows远程桌面实现之十一：桌面屏幕通过各种直播服务端直播（RTSP, RTMP, HTTP-FLV, HLS)

by fanxiushu 2020-01-23 转载或引用请注明原始作者。
此文还是基于xdisp_virt远程项目中的一个子功能。在把xdisp_virt移植到各种平台之后，就想着再做点什么新功能，
于是干脆再次增强原先实现的直播推流功能，在xdisp_virt程序中集成直播服务端，
这样可以不用推流到第三方平台，直接使用播放器就能播放。
（xdisp_virt越玩功能越多，现在基本江郎才尽都不知道还能再添加些什么功能）

本文阐述的就是基于直播服务端比较常用的直播协议：
1，RTSP 经常用于监控行业，可以说是监控行业里的老大。
2，RTMP 基于Adobe Flash的协议，虽然Flash面临淘汰，但此协议还在大量使用
3，HTTP-FLV，与2类同，不过使用的是HTTP传输直播流，这样更加适合目前互联网的使用
4，HLS/DASH，HLS和DASH是同样的东西，都是把直播流切成小片组成很多的小音视频文件，
然后客户端通过HTTP下载这些小文件然后播放。严格得说这算不上直播协议，顶多就是个点播，而且延时非常的高。

以上是查询到的目前经常使用的直播协议，于是打算把这四种协议全部集成到xdisp_virt程序中，
同样的，本文包含的内容较多，也不能面面俱到，如果对xdisp_virt没兴趣，可只关注协议内容即可。
本文是下面链接的扩展篇，并且本文中RTMP和HTTP-FLV阐述的格式，多少会牵涉到其中一些内容。
https://blog.csdn.net/fanxiushu/article/details/80996391 （Windows远程桌面实现之五（FFMPEG实现桌面屏幕RTSP,RTMP推流及本地保存）

（一）首先，我们来看看RTSP。
RTSP和HTTP协议和类似，但是也有用不同。与HTTP协议格式相同的是请求命令，
比如 OPTIONS,DESCRIBE,SETUP,PLAY,PAUSE,TEARDOWN这些命令与HTTP协议的GET，POST命令的协议格式几乎是一样的。
RTSP与HTTP不同的是流传输部分， RTSP传输音视频流使用的是RTP协议，控制流采用的是RTCP协议，
这两个协议底层即可以使用UDP传输，也可以使用TCP传输，这篇文章不介绍UDP传输流的RTP和RTCP，只介绍TCP方式传输流。
同时xdisp_virt也只实现TCP传输流。
UDP传输音视频流看起来比较快，实际上面临许多问题，最严重的就是丢包问题，也许有线网络丢包情况稍微好些，
但是WIFI无线丢包情况就挺糟糕了，因此传输高质量的视频帧的时候如果丢包多，显示的画面经常就会乱七八糟的。
RTSP在TCP中传输音视频帧，使用的是传输OPTIONS，DESCRIBE，SETUP，PLAY这些命令的同一个TCP链接，
不会另外建立链接来传输音视频流。这样的设计其实挺好，节省了建立另外的TCP链接避免浪费资源。
但是会在同一个TCP链接中，同时传输 SETUP,PLAY这些类似HTTP格式的命令，还得传输RTP和RTCP携带音视频流的数据。
同一个链接中传输这么多不同类的数据，处理起来会麻烦一些，但是其实理解了RTSP协议格式种类，也并不难。
就比如xdisp_virt项目中，在同一个TCP链接中，传输的数据种类更多。
总结起来，一个TCP链接中传输三种数据，一是RTSP命令比如PLAY,SETUP等，一个是RTP数据，一个是RTCP数据。
RTP（RTCP）数据包： RTP头（RTCP头）+负载数据。
RTP头和RTCP头定义如下：
（网路序）
struct rtp_header_t
{
    uint32_t ver : 2;        // protocol version
    uint32_t pad : 1;        // padding flag
    uint32_t x : 1;        // header extension flag
    uint32_t cc : 4;        // CSRC count
    uint32_t m : 1;        // marker bit
    uint32_t pt : 7;        // payload type
    uint16_t seq ;    // sequence number
    uint32_t timestamp; // timestamp
    uint32_t ssrc;        // synchronization source
} ;
struct rtcp_header_t
{
    uint32_t ver : 2;        // version
    uint32_t pad : 1;        // padding
    uint32_t rc : 5;        // reception report count
    uint8_t pkt_type; ///packet type
    uint16_t length ; // pkt len in words, w/o this word
} ;
在UDP传输RTP和RTCP的时候，都是分开两个UDP通道（不同的UDP端口）分别传输RTP和RTCP数据包，RTSP命令则使用TCP传输。
因此也非常容易区分，当然浪费的网络资源也很多。
从以上RTP和RTCP头的定义看得出来，如果把三种数据在同一个TCP中传输，是无法区分的，因此必须在RTP头和RTCP头前面再加一个头
这个头叫interleaved，定义如下：
struct rtsp_interleaved_t
{
    unsigned char magic; // 固定为0x24，'$' 金钱符
    unsigned char channel; //通道类型，就是指示是传输的RTP包，还是RTCP包
    unsigned short length; //后面的RTP包或RTCP包的大小，不超过64K
};
这样三种包在同一个TCP中的格式就是：
A), 类似HTTP格式命令
B), rtsp_interleaved_t + rtp_header_t + 音视频负载数据
C), rtsp_interleaved_t + rtcp_header_t + RTCP负载数据
其中 RTCP和RTP可以通过 rtsp_interleaved_t中的channel区分，但是rtsp_interleaved_t头和普通的RTSP请求命令如何区分呢？
其实也很好区分，我们编程的时候，先接收一个字节，
如果这个字节是 ‘$'(0x24)可以确定是rtsp_interleaved_t头，否则就是普通的OPTIONS,DESCRIBE,PLAY这些命令。

我们来看看一个RTSP播放器是如何请求播放流的，
首先播放器会发送OPTIONS命令，服务端返回 OPTIONS,PLAY,PAUSE,TEARDOWN这些命令表示服务端支持哪些RTSP命令。
接着播放器发送DESCRIBE命令请求音视频流的SDP描述信息，播放器获取到SDP之后，就知道了服务端提供了哪些流。
然后播放器发送SETUP给服务端，表示准备开始传流，其中包括采用哪种传输方式，传输通道等信息，服务端回复SETUP之后。
然后播放器发送PLAY命令开始请求播放，这个时候，服务端就开始推送包含音视频数据的RTP包给播放器。
播放器停止播放的时候，会发送TEARDOWN命令，这个时候，服务端停止推送流。
这就是一个RTSP播放的基本流程。
其实SETUP和PLAY命令是播放器必须发送的，其他的可以可选。

下面是一个请求例子（C是播放器， S是服务端）：
C：
       OPTIONS rtsp://192.168.88.1/test RTSP/1.0\r\n
       CSeq: 1\r\n
       \r\n
S:   RTSP/1.0 200 OK\r\n
       CSeq: 1\r\n
       Server: xdisp_virt\r\n
       Public: OPTIONS, DESCRIBE, SETUP, TEARDOWN, PLAY, PAUSE\r\n
      \r\n
C:
      DESCRIBE rtsp://192.168.88.1/test RTSP/1.0\r\n
     CSeq: 2\r\n
      \r\n
S: RTSP/1.0 200 OK\r\n
      CSeq: 2\r\n
      Server: xdisp_virt\r\n
      Session: 1234\r\n
      Context-Length: 345\r\n
      \r\n
      SDP 内容
C: SETUP rtsp://192.168.88.1/test/track1 RTSP/1.0\r\n   请求视频帧
     CSeq: 3\r\n
     Transport: Transport: RTP/AVP/TCP;unicast;interleaved=0-1\r\n
     Session: 1234\r\n
     \r\n
S: RTSP/1.0 200 OK\r\n
     CSeq: 3\r\n
     Session: 1234\r\n
     Transport: Transport: RTP/AVP/TCP;unicast;interleaved=0-1\r\n
     \r\n
C:
    PLAY rtsp://192.168.88.1/test RTSP/1.0\r\n
    CSeq: 4\r\n
    Session: 1234\r\n
    \r\n
S: RTSP/1.0 200 OK\r\n
    CSeq: 4\r\n
    Session: 1234\r\n
    \r\n
服务端开始推送携带视频数据的RTP包（rtsp_interleaved_t+rtp_header_t+视频数据）
服务端还会接收到播放器发送来的RTCP报告数据包。服务端根据情况也会发生状态报告RTCP包给播放器。
。。。。
C:
    TEARDOWN rtsp://192.168.88.1/test RTSP/1.0\r\n
    CSeq: 5\r\n
    Session: 1234\r\n
    \r\n
S: RTSP/1.0 200 OK\r\n
     \r\n
服务端停止推送视频流。

接下来就是如何把H264视频帧封包到RTP包中，
一帧H264数据包含许多NALU单元，通常就是把每个NALU单元封包成一个RTP包即可，
但是这个RTP包是有大小限制的，因为如上面rtsp_interleaved_t数据结构里边的length不超过64K，RTP包大小不能超过64K，
有可能一个NALU单元很大，会超过64K大小，因此需要把这个NALU单元拆分成多个部分，每个部分再封装成RTP包。
至于如何拆分和如何再封包成RTP包，这里也就不再赘述，有兴趣可查阅RFC文档的相关介绍。

（二），HTTP-FLV 和 RTMP 直播协议。
之所以要把这两合并到一起来讲，其实是音视频包封包格式都差不多，基本都是基于FLV文件格式。不同的是采用的通讯协议不同。
RTMP不但支持拉流，更主要的是支持推流。在互联网应用中，采集到的直播流数据可以通过RTMP协议推送到服务器端，
服务器端再拆分成多个拉流协议，比如 HTTP-FLV, HLS，DASH等各种拉流协议。
在互联网应用中，HTTP协议是主流，因此我们对拉流的使用，使用的HTTP-FLV较多，RTMP相对会少一些，尤其在Flash面临淘汰的现在。
HTTP-FLV和RTMP实时性较高，延时一般都在1-2秒内，因此适合用于对应实时性要求高的互动直播环境中。
RTMP在浏览器中需要借助Flash才能播放，PC系统浏览器一般都支持Flash插件，但是基本也是日落西山。
除非是自己在客户端开发播放器专门使用RTMP来播放，比如VLC播放器可运行在移动系统和PC系统中，且支持多个串流播放协议。
至于HTTP-FLV，可以在浏览器端利用js解码，转成MSE喂给video标签来播放，但是不是所有系统都支持MSE，这给兼容性带来麻烦。
至少目前iOS系统都不支持MSE，也许以后的iOS版本能支持MSE。
目前来看，兼容性最好的还是HLS，能支持所有平台的绝大部分浏览器，但是就是延迟实在太高。

HTTP-FLV是利用HTTP链接，发送一个无限大的flv文件来达到直播的效果。
FLV文件是一个 flv头 + 多个tag组成的序列流， tag包括音频tag，视频tag，script的tag（比如媒体信息tag）。
FLV不像MP4文件格式，需要文件尾和头才能组成一个完整的MP4文件，
FLV文件只要 flv_header + meta_header（描述音视频信息）+ 无数个音视频数据的tag，
只要前面的flv_header+meta_header信息完整，后面的音视频tag可以无限个，也就是不需要文件尾部，这是实现HTTP-FLV直播的基本条件。
同时在 HTTP协议定义中，在回复中如果没有包含 Content-Length 这个字段，
客户端就会一直接收数据，直到服务端主动关闭这个HTTP链接，这样服务端就会连续不断的推送音视频tag 给客户端。

比如一个HTTP-FLV请求和回复流程：
C:
    GET /flv_stream/test.flv HTTP/1.1\r\n
    Host: ddd.com\r\n
    \r\n
S:
    HTTP/1.1 200 OK\r\n
    Server: xdisp_virt\r\n
    Connection: keep-alive\r\n
    \r\n
    FLV头 + 媒体信息tag
    持续不断的音频tag 和视频tag
    。。。。
    直到C或者S关闭这个链接为止。

FLV头一共9个字节，前3个是’FLV‘，第4个字节是版本号，第5个是支持audio+video类型，接下来4个字节是头长度，这里为9，
再接下来4个字节全是0，这个意思是PreviousTagSize0，就是第一个前Tag的大小。
接下来就是以TAG为单位的组合：
11个字节的TAG头 + 负载数据内容 + 4个字节的这段数据大小（11 + 负载数据大小）

TAG头包括TAG类型（比如 audio，video， script等），负载数据大小，timestamp，流ID。
第一个TAG是 meta类型的TAG，用来描述接下来的音视频流的相关信息，比如SPS,PPS信息，视频宽高，音频采集率等。
这个是必须有的，否则客户端无法获取到音视频相关信息。
接下来视频帧，除了11个字节的TAG头之外，还包含5个字节描述video相关信息，比如是否关键帧，
接下来就是一帧的H264数据，采用AVCC编码，最后就是4个字节用来指示当前tag的大小。
音频帧，除了11个字节的TAG，还包含2个字节的描述Audio信息，接下来就是一帧Audio数据，最后4个字节就是当前tag的大小。

（三），HLS,DASH切片直播。
严格得说，这不是个直播协议，它是把连续不断的直播流，切片成很多的小文件。
客户端先从服务端获取到一个列表，然后根据列表分别下载这些小文件，然后再连续不断的播放这些小文件。
直播流是连续不断的，小文件会越生成越多，服务端因此会删除先前的小文件，比如同时只保留20个小文件，
文件按照序号不断的生成和不断的删除不用的小文件，总数保持20个不变。
同时这个列表上的小文件名字也会不断更新，客户端会定时重新获取这个列表，从而按照顺序不断的下载新的小文件，然后再播放。
这样的效果就造成好像在不断的播放一样，其实就是在连续不断的下载和播放小视频文件而已。

为何会设计出这么一个不伦不类的直播协议，（不伦不类这么说可能有点过分）
其实我想跟目前浏览器video标签播放视频的方式有关系，
目前浏览器的内嵌的 video标签强项是播放单个视频文件，而不是播放直播流。
这也是直播协议在浏览器中面临的尴尬局面。

以前在研究如何直接在浏览器中实现远程控制的时候，也是面临同样的问题。
在不需要给浏览器安装插件的情况下，而且要兼容各个系统的浏览器，
当时也是折腾来折腾去，最终选择了使用WebSocket传输音视频数据，然后js解码，然后使用canvas画图来解决。
目前来看，这也是目前实现浏览器方式远程控制的最好方式，实时性也是非常高，符合远程控制对实时性的要求。
就是这个时候浏览器占用的系统资源比较高些，但是基本也能给接受。

下图是最新版本的xdisp_virt实现的四种直播服务端：

下图是在iPhone手机浏览器中直接打开上面第4个切片直播的URL地址的播放效果图：

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