유.무선 인터넷 및 하드웨어의 발전으로 인터넷 방송, VoD(Video On Demand)등의 응용 서비스가 증가하면서 QoS(Quality of Service) 보장 문제가 해결해야 될 중요한 이슈로 부각되고 있다. 현재 인터넷은 모든 패킷을 우선순위에 상관없이 FIFO 형태로 전달하는 최선형(Best Effort) 서비스 기법에 근간하고 있기 때문에 보다 안정적인 서비스 지원을 위한 새로운 QoS 프로토콜 개발, QoS 지원 라우터 개발 등의 연구가 진행 중이다. 하지만 이러한 새로운 QoS 기법들은 기존 인프라를 충분히 활용하지 못하고 새로운 하드웨어 및 소프트웨어를 사용해야 하기때문에 고비용, 비효율성의 문제를 수반한다. 이러한 점에 착안하여, 본 논문에서는 기존의 인프라를 최대한 이용하는 클라이언트/서버 기반의 네트워크 적응형 QoS 제어기법을 제안한다. 제안된 Qos 제어기법은 스트리밍 시스템에서 실시간으로 서비스되고 있는 네트워크 대역폭 상태를 파악하여 QoS를 지원하기 때문에 유ㆍ무선 네트워크에 상관없이 적용할 수 있을 뿐만 아니라, 기존의 스트리밍 서비스에서 사용되는 프로토콜들을 이용하기 때문에 저 비용으로 구현할 수 있다. 또한, 스트리밍 서버와 클라이언트에 새로운 모듈 추가만으로 QoS를 지원하기 때문에 라우터나 네트워크 회선의 교체 없이도 QoS를 보장할 수 있는 장점을 지니고 있다. 인터넷의 트래픽이 폭주하는 경우에서 모의실험을 수행한 결과 일반 인터넷 환경에서는 클라이언트의 버퍼 메모리가 비어 스트리밍 재생 시 끊김 현상이 자주 발생하였으나, 제안한 기법을 사용한 인터넷 환경에서는 동영상의 끊김 현상이 없이(seamless) 재생될 수 있는 스트림이 클라이언트 버퍼 메모리에 항상 있음을 확인할 수 있었다.
유.무선 인터넷 및 하드웨어의 발전으로 인터넷 방송, VoD(Video On Demand)등의 응용 서비스가 증가하면서 QoS(Quality of Service) 보장 문제가 해결해야 될 중요한 이슈로 부각되고 있다. 현재 인터넷은 모든 패킷을 우선순위에 상관없이 FIFO 형태로 전달하는 최선형(Best Effort) 서비스 기법에 근간하고 있기 때문에 보다 안정적인 서비스 지원을 위한 새로운 QoS 프로토콜 개발, QoS 지원 라우터 개발 등의 연구가 진행 중이다. 하지만 이러한 새로운 QoS 기법들은 기존 인프라를 충분히 활용하지 못하고 새로운 하드웨어 및 소프트웨어를 사용해야 하기때문에 고비용, 비효율성의 문제를 수반한다. 이러한 점에 착안하여, 본 논문에서는 기존의 인프라를 최대한 이용하는 클라이언트/서버 기반의 네트워크 적응형 QoS 제어기법을 제안한다. 제안된 Qos 제어기법은 스트리밍 시스템에서 실시간으로 서비스되고 있는 네트워크 대역폭 상태를 파악하여 QoS를 지원하기 때문에 유ㆍ무선 네트워크에 상관없이 적용할 수 있을 뿐만 아니라, 기존의 스트리밍 서비스에서 사용되는 프로토콜들을 이용하기 때문에 저 비용으로 구현할 수 있다. 또한, 스트리밍 서버와 클라이언트에 새로운 모듈 추가만으로 QoS를 지원하기 때문에 라우터나 네트워크 회선의 교체 없이도 QoS를 보장할 수 있는 장점을 지니고 있다. 인터넷의 트래픽이 폭주하는 경우에서 모의실험을 수행한 결과 일반 인터넷 환경에서는 클라이언트의 버퍼 메모리가 비어 스트리밍 재생 시 끊김 현상이 자주 발생하였으나, 제안한 기법을 사용한 인터넷 환경에서는 동영상의 끊김 현상이 없이(seamless) 재생될 수 있는 스트림이 클라이언트 버퍼 메모리에 항상 있음을 확인할 수 있었다.
Due to the fast development of wire&wireless internet and computer hardware, more and more internet services are being developed, such as Internet broadcast, VoD (Video On Demand), etc. So QoS (Qualify of Service) is essentially needed to guarantee the quality of these services. Traditional Internet...
Due to the fast development of wire&wireless internet and computer hardware, more and more internet services are being developed, such as Internet broadcast, VoD (Video On Demand), etc. So QoS (Qualify of Service) is essentially needed to guarantee the quality of these services. Traditional Internet is Best-Effort service in which all packets are transported in FIFO (First In First Out) style. However, FIFO is not suitable to guarantee the quality of some services, so more research in QoS router and QoS protocol are needed. Researched QoS router and protocol are high cost and inefficient because the existing infra is not used. To solve this problem, a new QoS control method, named Network Adaptive QoS, is introduced and applied to client/server-based streaming systems. Based on network bandwidth monitoring mechanism, network adaptive QoS control method can be used in wire&wireless networks to support QoS in real-time streaming system. In order to reduce application cost, the existing streaming service is used in NAQoS. A new module is integrated into the existing server and client. So the router and network line are not changed. By simulation in heavy traffic network conditions, we proved that stream cannot be seamless without network adaptive QoS method.
Due to the fast development of wire&wireless internet and computer hardware, more and more internet services are being developed, such as Internet broadcast, VoD (Video On Demand), etc. So QoS (Qualify of Service) is essentially needed to guarantee the quality of these services. Traditional Internet is Best-Effort service in which all packets are transported in FIFO (First In First Out) style. However, FIFO is not suitable to guarantee the quality of some services, so more research in QoS router and QoS protocol are needed. Researched QoS router and protocol are high cost and inefficient because the existing infra is not used. To solve this problem, a new QoS control method, named Network Adaptive QoS, is introduced and applied to client/server-based streaming systems. Based on network bandwidth monitoring mechanism, network adaptive QoS control method can be used in wire&wireless networks to support QoS in real-time streaming system. In order to reduce application cost, the existing streaming service is used in NAQoS. A new module is integrated into the existing server and client. So the router and network line are not changed. By simulation in heavy traffic network conditions, we proved that stream cannot be seamless without network adaptive QoS method.
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문제 정의
또한, QoS가 지원되는 상황이라도 계속 적인 네트워크 사용량의 증가로 인하여 QoS 를 지원을 위한 지속적인 대책을 수립이 필요로 하게 된다. 따라서 본 논문에서는 인터넷에서 서비스의 QoS를 보장해주기 위해서는 현재의 QoS 모델과는 다른 방식으로, 기존 인프라를 이용한 새로운 QoS 서비스 모델을 제안하였다. 제안된 클라이언트/서버 기반 스트리밍 시스템에서 네트워크 적응형 QoS 지원 기법은 기존의 프로토콜에서의 파라미터 추출을 통한 방식으로 실시간 QoS가 가능하여 저비용의 QoS 제어를 하며, 기존의 인프라를 그대로 이용하며 스트리밍 시스템의 서버와 클라이언트에 적은 변화만으로 최대의 효과를 얻을 수 있다.
이러한 문제점들을 해결하기 위한 방법의 하나로 본 논문에서는 클라이언트/서버 기반 인터넷 스트리밍 시스템에서 기존의 인프라를 최대한 이용한 네트워크 적응형 QoS 제어기법을 제안한다. 제안된 QoS 기법의 특징은 다음과 같다.
제안 방법
각각의 패킷 헤더를 가지고 있고 헤더 또한 스트리밍의 대역폭을 사용하므로 대역폭을 측정의 대상은 패킷 단위의 모든 헤더를 포함한 데이터로 하였다. RTP와 RTCP 프로토콜을 위해서 할당된 두 개의 포트로 들어오는 모든 스트리밍 데이터는 쓰레드를 통해 각각 분석 모듈로 들어가고 대역폭을 분석 후 헤더정보를 분석하였다. 측정된 데이터는 그래프 모듈로 값을 전송하고 현재의 대역폭과 버퍼로 보내질 실제 미디어의 데이터를 수치와 그래프로 표현하도록 하였다.
QoS의 품질 여부를 확인하였다. 네트워크 상에 트래픽이 적을 경우와 많을 경우 또한 트래픽이 자주 발생하는 경우와 트래픽이 계속적으로 증가하였을 경우에 대하여 서버에서 전송하는 스트리밍에 대하여 분석하였다. 스트리밍 서버에서 1.
두 번째 평가 항목은 네트워크의 대역폭 상태에 따라 서버에서 전송하는 NAQoS가 적용된 스트리밍에 대하여 조사하여 QoS의 품질 여부를 확인하였다. 네트워크 상에 트래픽이 적을 경우와 많을 경우 또한 트래픽이 자주 발생하는 경우와 트래픽이 계속적으로 증가하였을 경우에 대하여 서버에서 전송하는 스트리밍에 대하여 분석하였다.
둘째, 제안된 기법은 스트리밍 서버와 재생 클라이언트에 새로운 모듈만을 포함하여 QoS 제어를 하게 된다. 서버에는 실시간 QoS가 가능한 네트워크 적응형 스트리밍 전송 모듈과 클라이언트에는 대역폭 측정 및 네트워크 파라미터 값 분석 모듈을 포함하게 된다.
첫째는 실제로 서버에서 보낸 다른 비트율을 가진 하나의 스트리밍을 연결하여 재생 할 수 있는 클라이언트 개발은 진행 중이기 때문에, 트래픽이 갑자기 증가하여 현재 서비스 되고 있는 비트율보다 대역폭이 떨어지는 환경에서 NAQoS 알고리즘을 적용한 버퍼 메모리와 적용하지 않은 시스템에서의 버퍼 메모리를 비교하여 클라이언트에서 재생할 동영상을 대신 하였다. 둘째로 네트워크 대역폭을 반영한 스트리밍 서비스가 되고 있는 지 확인을 하기 위하여 현재의 대역폭과 서버에서 보내는 클라이언트의 비트율의 비교하여 현재의 네트워크 대역폭 상태를 잘 반영에 대하여 성능평가를 하였다. (그림 10)은<표 2>에서의 평가 환경에서 네트워크 적응형 QoS 알고리즘이 포함되어 실시간 대역폭, 평균 대역폭, 스트리밍 서버의 서비스 대역폭, 클라이언트의 버퍼 메모리의 상태 등을 측정하기 위해 제작된 툴이다.
클라이언트에서는 서버에서 들어오는 RTP 데이터를 버퍼로 보내기 전에 NAQoS 모듈에서 네트워크의 대역폭 및 QoS 파라미터 값을 실시간으로 계산한다. 또한 클라이언트에서 스트리밍을 재생하기 전까지 버퍼링 시간 동안의 측정된 QoS값 결과를 RTCP 패킷을 이용하여 스트리밍 서버로 보낸다. 스트리밍 서버는 클라이언트에서 보낸 결과 정보를 이용하여 초기 버퍼링 후 보낼 스트리밍 소스의 레벨을 결정해서 적합한 스트리밍 데이터를 전송한다.
헤더의 분석을 마치고 남은 미디어 데이터는 재생을 위해서 버퍼를 채운다. 버퍼의 크기는 테스트를 위해서 FIFO형 버퍼를 5초 동안의 고정된 크기로 설정하고 버퍼가 100%되면 동시에 재생을 위한 대역폭만큼 버퍼에서 삭제하도록 필요한 부분만 제작하였다. 실제 서비스 시에서는 좀 더 나은 버퍼 관리알고리즘을 써야하지만 대역폭을 보기 위한 테스트이며 비트가 다른 동영상을 재생하는 클라이언트는 연구 중임으로 동영상 재생은 하지 않았다.
따라서 비트율이 다른 하나의 미디어라 하다라도 재생 클라이언트에서 재생 비트율을 자동으로 변경해 주면 재생이 가능하다. 본 논문에서 클라이언트에서 네트워크 대역폭을 즉정하며 서버에 측정 결과를 전송하고 클라이언트의 버퍼 메모리 안에 서버에서 보내는 해당 비트율의 스트리밍의 양을 측정하는 것으로 동영상 재생을 대신 하였다.
본 논문에서는 세 가지 사항을 고려해서 서버에서 관리자가 실제 대역폭을 확인할 일정 시간을 결정하여 알고리즘에 포함 하도록 하였다. 세 가지 고려 사항은 첫째, 네트워크의 특징, 둘째, 서버의 상태, 셋째, 스트리밍 소스의 종류이다.
첫째, 기존의 방식은 QoS를 지원하기 위하여 네트워크 전체에 변화를 주거나 패킷 등에 변화를 주는 새로운 방식을 사용하여 고비용 QoS를 지원하고 있다. 제안된 방식은 기존의 스트리밍 서비스에서 사용하는 네트워크 파라미터들을 이용한 QoS를 지원한다. 현재의 스트리밍 서비스에서 사용하고 있는 RTCP(Real-time Transport Control Protocol), RTP (Real-time Transport Protocol) 등의 프로토콜 네트워크파라미터 값을 이용하여 서비스를 하는 스트리밍 서버와 서비스를 받는 클라이언트 간의 네트워크 대역폭 상황을 측정하여 QoS를 적용하기 때문에 커다란 변화 없이 현재의 인프라를 이용하여 QoS를 제공 할 수 있다.
또한 QoS 제어 모듈은 서버로 보내게 될 RTCP 패킷에 QoS 레벨을 요구 하는 신호를 포함하여 서버로 전송하는 역할을 한다. 제안한 네트워크 적응형 QoS 관리 모듈은 RTP, RTCP 등의 기존의 패킷들이 재생되기 위해 스트리밍 클라이언트의 공통 제어 모듈로 전송되기 전에 포함하면 된다.
첫째는 실제로 서버에서 보낸 다른 비트율을 가진 하나의 스트리밍을 연결하여 재생 할 수 있는 클라이언트 개발은 진행 중이기 때문에, 트래픽이 갑자기 증가하여 현재 서비스 되고 있는 비트율보다 대역폭이 떨어지는 환경에서 NAQoS 알고리즘을 적용한 버퍼 메모리와 적용하지 않은 시스템에서의 버퍼 메모리를 비교하여 클라이언트에서 재생할 동영상을 대신 하였다. 둘째로 네트워크 대역폭을 반영한 스트리밍 서비스가 되고 있는 지 확인을 하기 위하여 현재의 대역폭과 서버에서 보내는 클라이언트의 비트율의 비교하여 현재의 네트워크 대역폭 상태를 잘 반영에 대하여 성능평가를 하였다.
RTP와 RTCP 프로토콜을 위해서 할당된 두 개의 포트로 들어오는 모든 스트리밍 데이터는 쓰레드를 통해 각각 분석 모듈로 들어가고 대역폭을 분석 후 헤더정보를 분석하였다. 측정된 데이터는 그래프 모듈로 값을 전송하고 현재의 대역폭과 버퍼로 보내질 실제 미디어의 데이터를 수치와 그래프로 표현하도록 하였다. 헤더의 분석을 마치고 남은 미디어 데이터는 재생을 위해서 버퍼를 채운다.
측정은 MPEG-1 형식의 데이터로 테스트하였다. 용량이 큰 MPEG-1 데이터는 스트리밍될 때 패킷 화 된다.
(그림 9)는 서버와 클라이언트 간의 대역폭 및 QoS 파라미터 데이터를 측정하고 저장하기 위해 제작된 툴이다. 측정은 스트리밍 서버에서 보내지는 RTP, RTSP, RTCP 패킷을 이용하여 클라이언트에서 측정하였다.
QoS를 하게 된다(그림 1). 측정하는 데이터도 새로운 프로토콜을 이용하는 것이 아니라 서버에서 클라이언트로 보내게 되는 RTP, RTCP 패킷을 이용하여 측정하게 된다. 클라이언트는 서버에서 받는 패킷들을 이용하여 네트워크 대역폭 및 QoS 파라미터 정보를 서버로 다시 보내게 된다.
대상 데이터
용량이 큰 MPEG-1 데이터는 스트리밍될 때 패킷 화 된다. 각각의 패킷 헤더를 가지고 있고 헤더 또한 스트리밍의 대역폭을 사용하므로 대역폭을 측정의 대상은 패킷 단위의 모든 헤더를 포함한 데이터로 하였다. RTP와 RTCP 프로토콜을 위해서 할당된 두 개의 포트로 들어오는 모든 스트리밍 데이터는 쓰레드를 통해 각각 분석 모듈로 들어가고 대역폭을 분석 후 헤더정보를 분석하였다.
성능/효과
스트리밍 서버에서는 얼마나 많은 클라이언트가 연결이 되어있는지 네트워크 망이 유선인지 무선인지에 대한 내역은 상관없이 모든 네트워크에서 적용할 수가 있다. 결론적으로는 클라이언트에서는 기존의 프로토콜을 이용한 네트워크 대역폭 및 QoS 파라미터 측정 및 비교 모듈을 포함하고 스트리밍 서버에서는 클라이언트 요구에 맞는 레벨의 스트리밍 소스의 전송 모듈 등 최소한의 모듈만 포함함으로서 QoS를 제공 할 수 있다.
첫째, 일정한 네트워크의 대역폭을 유지하다가 순간적으로 트래픽의 양이 늘어나면서 1초 내외의 네트워크 대역폭이 떨어졌다가 다시 원 상태로 유지되는 경우. 둘째, 트래픽의 양이 증가하면서 네트워크의 대역폭이 현저히 떨어졌고 그 상태가 약 3분에서 최대 7분 정도로 네트■워크의 상태가 불안정하다가 처음 서비스 상태로 유지되는 경우. 셋째, 네트워크의 대역폭이 서서히 떨어지고 그 상태가 장시간 동안안 유지되었다 원 상태로 복귀되는 경우로 나타났다.
서버에는 실시간 QoS가 가능한 네트워크 적응형 스트리밍 전송 모듈과 클라이언트에는 대역폭 측정 및 네트워크 파라미터 값 분석 모듈을 포함하게 된다. 따라서 기존 QoS 기법처럼 네트워크 관련 하드웨어나 소프트웨어의 전체적인 교체 없이 기존매카니즘에 새로운 모듈만 포함하여 QoS 구현이 가능하다.
포함 하도록 하였다. 세 가지 고려 사항은 첫째, 네트워크의 특징, 둘째, 서버의 상태, 셋째, 스트리밍 소스의 종류이다. 네트워크의 특징은 유 .
둘째, 트래픽의 양이 증가하면서 네트워크의 대역폭이 현저히 떨어졌고 그 상태가 약 3분에서 최대 7분 정도로 네트■워크의 상태가 불안정하다가 처음 서비스 상태로 유지되는 경우. 셋째, 네트워크의 대역폭이 서서히 떨어지고 그 상태가 장시간 동안안 유지되었다 원 상태로 복귀되는 경우로 나타났다. 첫 번째와 같은 패턴이 가장 빈번하게 일어났으며 이러한 패턴을 가진 네트워크의 상태와 서비스하고자 하는 스트리밍의 종류 및 크기에 따라서 현재의 대역폭을 예측하기 위한 일정 시간(t)이 결정하여 스트리밍 서버 관리자가 결정하면 된다.
셋째, 제안하는 QoS 기법은 실시간으로 네트워크의 변화를 측정하여 측정한 결과를 토대로 실시간으로 QoS를 적용하며 대역폭 상태를 예측하는 알고리즘을 사용하여 QoS를 지원하게 된다. 따라서 네트워크 사용량 증가에 따른 QoS 제공을 위한 추가 비용이 적으며 QoS를 지원하는 스트리밍 시스템의 유지 보수가 쉽다.
따라서 본 논문에서는 인터넷에서 서비스의 QoS를 보장해주기 위해서는 현재의 QoS 모델과는 다른 방식으로, 기존 인프라를 이용한 새로운 QoS 서비스 모델을 제안하였다. 제안된 클라이언트/서버 기반 스트리밍 시스템에서 네트워크 적응형 QoS 지원 기법은 기존의 프로토콜에서의 파라미터 추출을 통한 방식으로 실시간 QoS가 가능하여 저비용의 QoS 제어를 하며, 기존의 인프라를 그대로 이용하며 스트리밍 시스템의 서버와 클라이언트에 적은 변화만으로 최대의 효과를 얻을 수 있다. 또한, 네트워크 대역폭의 실시간 반영기능으로 사용자가 요구하는 QoS를 제공 할 수 있는 장점이 있으며 네트워크의 종류에 관계없이 사용할 수 있어서 다른 QoS 기법에 비하여 유지 보수에 대한 비용이 적다.
제안한 NAQoS의 성능 평가 결과, 네트워크 대역폭 상태의 변화가 적을 경우에는 네트워크의 대역폭 상태에 관계없이 만족할 만한 네트워크 상태를 반영하는 QoS 결과가 나왔다. 하지만 네트워크 대역폭의 대역폭 상태 변화가 많고 네트워크의 대역폭 상태가 전체적으로 상위비트율 스트리밍 서비스를 하기에 안 좋을 경우에는 만족할 만한 네트워크 상태를 반영하지는 못하였으나 스트리밍이 클라이언트에서 끊어지지 않고 재생하는 것에 대해서는 만족 할만한 결과가 나왔다.
제안된 QoS 기법의 특징은 다음과 같다. 첫째, 기존의 방식은 QoS를 지원하기 위하여 네트워크 전체에 변화를 주거나 패킷 등에 변화를 주는 새로운 방식을 사용하여 고비용 QoS를 지원하고 있다. 제안된 방식은 기존의 스트리밍 서비스에서 사용하는 네트워크 파라미터들을 이용한 QoS를 지원한다.
실제 네트워크의 패킷을 분석하여 정리한 결과 네트워크 상태의 특징은 다음 세 가지와 유사한 경향을 나타내었다. 첫째, 일정한 네트워크의 대역폭을 유지하다가 순간적으로 트래픽의 양이 늘어나면서 1초 내외의 네트워크 대역폭이 떨어졌다가 다시 원 상태로 유지되는 경우. 둘째, 트래픽의 양이 증가하면서 네트워크의 대역폭이 현저히 떨어졌고 그 상태가 약 3분에서 최대 7분 정도로 네트■워크의 상태가 불안정하다가 처음 서비스 상태로 유지되는 경우.
후속연구
대한연구가 필요하다. 또한 스트리밍 소스 컨텐츠에 대한 적용 알고리즘 또한 보완할 필요가 있으며 보안 QoS 파라미터를 이용하여 스트리밍 시스템의 보안에도 계속적인 연구가 필요하다.
수용하기 어려운 부분이 많다. 또한, QoS가 지원되는 상황이라도 계속 적인 네트워크 사용량의 증가로 인하여 QoS 를 지원을 위한 지속적인 대책을 수립이 필요로 하게 된다. 따라서 본 논문에서는 인터넷에서 서비스의 QoS를 보장해주기 위해서는 현재의 QoS 모델과는 다른 방식으로, 기존 인프라를 이용한 새로운 QoS 서비스 모델을 제안하였다.
해결 할 수 없다. 하지만 제안하는 네트워크 적응형 QoS의 경우 애플리케이션 레벨에서 지원하는 QoS로서, 실시간 대역폭 변화를 반영하여 동영상의 품질은 떨어지더라도 동영상의 끊김 현상은 줄어들며, 기존의 클라이언트/서버 기반의 스트리밍 시스템에 사용되는 프로토콜을 사용하여 서버와 클라이언트에 적은 부하만을 생성시키고, 네트워크의 대역폭을 이용한 매카니즘을 이용하기 때문에 Diff Serv, RSVP, IntServ 모델과 같이 사용될 수 있다.
향후 연구로는, 현재 비트율이 다른 스트리밍 소스의 재생에 대한연구가 필요하며 스트리밍 서버에서 비트율이 다른 스트리밍 소스에 대한 전송 방식 및 버퍼링 및 캐싱 방법에 대한연구가 필요하다. 또한 스트리밍 소스 컨텐츠에 대한 적용 알고리즘 또한 보완할 필요가 있으며 보안 QoS 파라미터를 이용하여 스트리밍 시스템의 보안에도 계속적인 연구가 필요하다.
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