利用 Amazon CloudFront Functions 实现影片试播

视频网站在提供流媒体点播服务时，针对付费的观看内容，通常都会提供试播功能。试播时长可以是几分钟到十几分钟不等，主要目的是为了让观众能够获得足够的内容来评估影片质量，以决定是否要对观看内容进行下一步的付费购买。

随着视频付费点播的快速发展和普及，影片试播功能对于视频平台愈发重要，已经变成了非常普遍的一个需求。该功能的实现方式，通常需要平台方在服务端或在播放器对视频文件进行分段处理。本文介绍了利用 Amazon CloudFront Functions 功能，在不改变原始点播文件的前提下，在 CDN 层面实现影片试播的一种方法。

在开始介绍之前，为了让读者更好理解 Amazon CloudFront 及其 Functions 功能，有一些相关重要概念需先做前置介绍，包括：

HTTP Range 请求
分段缓存
Amazon CloudFront Functions 功能简介

什么是 HTTP Range 请求

在 HTTP/1.1 之后，HTTP 协议开始支持 Range 请求。对于一个体积较大的文件，用户可以通过在 HTTP 头部指定 Range 范围的方式，去请求一个目标文件的其中一部分。其使用场景主要有：

断点续传：当下载大文件时，如果下载过程中出现中断或网络故障，HTTP Range 请求可以用于实现断点续传。客户端可以记录已下载的文件范围，并在继续下载时，发送 Range 请求头以获取剩余部分。
视频流媒体：对于流媒体服务，如视频或音频，HTTP 分段请求可以用于实现逐段加载。客户端可以按需请求文件的各个片段，从而实现边下载边播放，提高用户体验。
多线程下载：在多线程下载场景中，HTTP Range 请求可以被用来同时请求文件的多个片段，以加快下载速度。每个线程可以请求不同的文件范围，然后将片段合并成完整的文件。
部分内容获取：有时候只需要获取文件的某个片段而不是整个文件。通过 HTTP 分段请求，可以定位到所需的片段，并只获取特定的内容，减少数据传输和处理的开销。

什么是分段缓存

分段缓存是一种内容分发网络（CDN）的缓存策略，它将大文件划分为多个段，并分别对这些段进行缓存。当用户请求文件时，CDN 只需获取和传输所需的段，而不必获取整个文件。对于大文件的请求，CDN 分段缓存可为用户带来如下收益：

减少网络延迟：由于只需获取所需的文件段，CDN 分段缓存可以显著降低网络延迟。用户只需等待获取所需的段，而不需要等待整个文件的传输完成。
提高缓存命中率：CDN 分段缓存使得多个用户可以共享相同的文件段，从而提高缓存命中率。当多个用户请求相同的文件时，CDN 可以根据已缓存的段直接提供，而无需重新获取整个文件。
节省用户/源站流量成本：CDN 分段缓存可以减少不必要的数据传输。只有请求的文件段需要传输，而不需要传输整个文件，从而节省了流量费用。
支持动态更新：当文件的某个段发生变化时，CDN 只需更新该段的缓存，而不必重新缓存整个文件。这样可以更快地将更新的内容传递给用户。

针对客户端的 Range GET，CloudFront 原生支持对其进行分段缓存，无需做额外配置。具体缓存逻辑请见该文档 https://docs.aws.amazon.com/zh_cn/AmazonCloudFront/latest/DeveloperGuide/RangeGETs.html，具体说明如下：

若边缘站点中的缓存已经包含整个对象，或请求的对象分段，CloudFront 会直接从缓存中响应所请求的分段。
若缓存不包含请求的范围，CloudFront 会将请求转发到源，若源站支持 Range GET 请求（比如 Amazon S3），源站将返回被请求的分段，CloudFront 会将该分段响应给用户并做缓存。

我们可以用 curl -i -H “Range: bytes=100-199” https://d29ccpxyxnf2fp.cloudfront.net/1MB 命令，对 S3 上的 1MB 文件进行请求，来测试 CloudFront 和 S3 对与分段请求的响应模式。如下是当 CloudFront 和 S3 接收到 Range GET 请求时，对应的日志示例：

CloudFront 日志：

S3 日志：

我们可以看到，当 CloudFront 或 S3 接收到 Range GET 请求时，会遵从 RFC 7233 规范，向客户端响应 206 状态码；S3 会将对应的 100 Bytes 内容分段返回给 CloudFront，而不是整个文件。

CloudFront Functions 简介

CloudFront Functions 是 CloudFront 的一个拓展功能，其主要目的是在 CDN 边缘节点上对请求和响应进行处理，从而提供更快的响应时间和更高的灵活性，实现“可编程 CDN”的目的。用户可以使用 JavaScrpit 便携函数，这些函数在 CloudFront 边缘节点上执行，并且可以在 HTTP 请求和响应的不同阶段进行操作。该功能的主要使用场景有：

动态内容处理：用户可以在边缘节点上执行动态操作，例如根据用户的地理位置或设备类型提供不同的内容。
安全性增强：用户可以使用 CloudFront Functions 来检测和阻止恶意请求，进行访问控制，或者实施其他安全性策略。
缓存控制：通过在请求和响应中修改标头，用户可以自定义缓存策略，从而提高缓存命中率并优化用户体验。
重写请求和响应：用户可以在边缘节点上修改请求和响应的内容，以满足特定的需求，例如重定向请求或者更改响应中的内容。

CloudFront Functions 提供了一个灵活且高性能的方式来自定义和扩展您的内容分发网络。通过在边缘节点上运行自定义 JavaScript 代码，您可以实现更多的功能，并优化用户体验，更多详细内容请参考文档：https://docs.aws.amazon.com/zh_cn/AmazonCloudFront/latest/DeveloperGuide/edge-functions.html。

方案实现逻辑及具体配置

对于视频文件，本篇博客测试的文件格式为 MP4，但该方法针对单一文件格式，比如 FLV，TS 格式均适用。对于其他比较常见的基于索引文件的流媒体协议，比如 HLS 或 DASH，也可以考虑利用 CloudFront Functions 修改 TS 片的请求范围，或更进一步，利用 CloudFront+Lambda@edge 修改 CloudFront 返回的 M3U8 文件 Body，具体方法在本篇博客中不做展开讨论。Lambda@edge 是基于边缘节点的 AWS Lamda 服务的拓展，可以将您的 Lambda 运行时部署在全球的 CloudFront 边缘节点上。关于 Lambda@edge 与 Cloudfront Functions 的功能和应用场景区别，请参见该文档：https://docs.aws.amazon.com/zh_cn/AmazonCloudFront/latest/DeveloperGuide/edge-functions.html。

对于试播文件的请求流程如下：

客户需将试播的视频文件 URL，添加相关的 Range 查询字符串参数。其中，Range 字段即规定了用户可请求的文件 Range 范围，比如 https://d3rvqep1efif7v.cloudfront.net/demo-video.mp4?range=0-5242880，即意为允许用户请求视频文件的前 5MB 部分。
CloudFront 收到该请求后，会通过 CloudFront Functions 函数，将查询字符串中的 range 参数读取出来，并且将该参数写入到该请求的 Range Header 中，比如：range: bytes=0-5242880。
同时，CloudFront Functions 中可以添加额外的鉴权逻辑，若用户查询字符串中的 range 参数超过了特定范围，则返回 403 拒绝本次请求。
CloudFront 收到改写过的请求后，若对应分段在边缘节点有缓存，则会根据请求中的 Range Header 参数，返回对应的文件分段；若没有缓存，则回源 S3，获取对应分段后，响应给用户。

准备测试 S3 存储桶/视频文件

新建 S3 存储桶，并将要测试的视频文件上传到 S3 桶中。该部分内容在此篇博客中不做详细介绍，相关操作请参考 S3 文档：https://docs.aws.amazon.com/zh_cn/AmazonS3/latest/userguide/Welcome.html。

本文准备的测试环境如下：

存储桶名称：cloudfront-functions-demo-bucket
视频文件名称：demo-video.mp4
视频大小：23 MB
视频时长：33 秒
Region：ap-northeast-1

创建 CloudFront 分配

“源域”选择如上创建的 S3 Bucket 域名
“来源访问”，选择“来源访问控制设置” – “创建控制设置” – “创建”。该设置将生成一条新的 Bucket Policy，允许 CloudFront 访问 S3 Bucket
“Web 应用程序防火墙”，选择“不要启用安全防护”
“标准日志记录”，选择“打开”，选择如上创建的存储桶，日志前缀输入“CloudFront-Logs”。此设置将开启 CloudFront 访问日志并存储在对应的存储桶中，方便我们后续观察 CloudFront 的请求和响应情况
其他配置保持默认即可
选择“创建分配”

等待几分钟后，分配即可创建完成。

创建函数

在 CloudFront 控制台界面，左侧菜单选择“函数”，然后点击“创建函数”
函数名称可自定义，比如：range_request_demo
在“构建”界面，在“开发”窗口，输入您的 JavaScript 代码，指定 CloudFront 对 Range 请求的判断逻辑，然后点击“保存更改”：

参考代码如下：

function handler(event) {
    var request = event.request;
    var headers = request.headers;
    
    //获取查询字符串中的 range 起止范围
    if (request.querystring.hasOwnProperty('range')){
        var range = request.querystring.range.value;
            
        //将 range 范围添加到 HTTP 请求 Header 中
        headers.range = {value:'bytes='+range};
        var rangeValues = range.split('-');
        var rangeStart = parseInt(rangeValues[0]);
        var rangeEnd = parseInt(rangeValues[1]);
            
        //判断 Range 范围条件，禁止不合规请求
        if (rangeStart > 5242880 || rangeEnd > 5242880 || isNaN(rangeEnd) ) {
            var response = {
                statusCode: 403,
                statusDescription: 'Forbidden',
                headers: {
                    'content-type': {value: 'text/plain'}
                },
                body: 'Invalid range request.'
            }
            return response;
        }
    }else{
            var response = {
                statusCode: 403,
                statusDescription: 'Forbidden',
                headers: {
                    'content-type': {value: 'text/plain'}
                },
                body: 'Please add range parameter in your query string.'
            }
            return response;
        }
    
    return request;
}

在“实时”窗口，我们可以查看目前线上已经发布的代码版本，与当前正在开发的代码版本的差异
在“发布”界面，选择“发布函数”
函数被发布后，则可继续将该函数关联到指定的分配。点击“添加关联”
- 指定对应关联的分配
- “事件类型”选择“Viewer request”，则该函数会对客户端的请求生效
- “缓存行为”选择您想指定该函数生效的行为，此处选择 Default(*)，可根据实际情况酌情调整

添加关联后，即可在 CloudFront 控制台观察到对应的分配的状态变为“部署中”。等待几分钟后，即可生效

效果测试

对于效果的测试，我们可以采用 Amazon IVS 的 HTML5 播放器，网址如下：https://debug.ivsdemos.com/。在播放器页面填入请求的 URL：https://d3rvqep1efif7v.cloudfront.net/demo-video.mp4?range=0-5242880，并点击播放后，我们可以看到，当我们发起对应的带有 range 查询字符串的请求时，CloudFront 响应了 206 状态码，并且响应的 Content-Range 为 0-5242880：

当内容播放至 7s 左右的时候，视频就停止了继续播放，因为已经到了 5MB 的 Range 上限。

查看对应的 CloudFront 日志，我们可以发现，CloudFront 收到了 Range 范围为 0-5242880 的 Range 请求。

而当我们更改请求 URL 或 Range，比如，修改 URL 为 https://d3rvqep1efif7v.cloudfront.net/demo-video.mp4?range=0-10485760，以试图请求 10MB 内容时，会获得 403 状态码响应而无法播放：

总结

如上我们介绍了利用 CloudFront Functions 实现点播试看的一种方法。由于 CloudFront 可编程的特性，在 CloudFront 上可以实现的功能十分丰富，用户可根据自己的场景进行多样化的拓展和探索。

亚马逊AWS官方博客