실시간 비디오 스트림의 전송지연 축소를 위한 TCP 친화적 하이브리드 혼잡제어 기법 A TCP-Friendly Congestion Control Scheme using Hybrid Approach for Reduction of Transmission Delay for Real-Time Video Stream원문보기
최근 인터넷의 발전으로 디지털 오디오 및 비디오와 같은 멀티미디어 스트림에 대한 요구가 증가하고 있다. 이러한 멀티미디어 스트리밍을 UDP로 전송할 경우 TCP와 같은 혼잡제어를 수행하지 않기 때문에 동일한 경로에 TCP 트레픽 궁핍을 일으켜 혼잡붕괴 및 막대한 전송지연을 초래한다. 이러한 문제점으로 인하여 실시간 멀티미디어 스트림의 전송지연 축소와 혼잡제어를 위한 새로운 전송기법과 프로토콜에 대한 다각적 인 연구가 수행되고 있다. TCP 친화적 혼잡제어 기법은 크게 일반적인 혼잡윈도우 관리기능을 이용하는 윈도우 기반 혼잡제어와 TCP 모델링 방정식 등을 이용하여 전송율을 직접 조절하는 율 기반 혼잡제어로 나눌 수 있다. 본 논문은 윈도우 기반과 율 기반을 복합적으로 다룬 하이브리드형 TCP-friendly 혼잡제어 기법에서 전송율 개선을 위한 알고리즘을 제안하였으며, NS를 사용하여 제안된 TEAR의 성능을 실험하였다. 실험 결과를 통해 제안된 TEAR가 TCP보다 적은 율 변동과 공정성을 동시에 제공할 수 있음을 보였다.
최근 인터넷의 발전으로 디지털 오디오 및 비디오와 같은 멀티미디어 스트림에 대한 요구가 증가하고 있다. 이러한 멀티미디어 스트리밍을 UDP로 전송할 경우 TCP와 같은 혼잡제어를 수행하지 않기 때문에 동일한 경로에 TCP 트레픽 궁핍을 일으켜 혼잡붕괴 및 막대한 전송지연을 초래한다. 이러한 문제점으로 인하여 실시간 멀티미디어 스트림의 전송지연 축소와 혼잡제어를 위한 새로운 전송기법과 프로토콜에 대한 다각적 인 연구가 수행되고 있다. TCP 친화적 혼잡제어 기법은 크게 일반적인 혼잡윈도우 관리기능을 이용하는 윈도우 기반 혼잡제어와 TCP 모델링 방정식 등을 이용하여 전송율을 직접 조절하는 율 기반 혼잡제어로 나눌 수 있다. 본 논문은 윈도우 기반과 율 기반을 복합적으로 다룬 하이브리드형 TCP-friendly 혼잡제어 기법에서 전송율 개선을 위한 알고리즘을 제안하였으며, NS를 사용하여 제안된 TEAR의 성능을 실험하였다. 실험 결과를 통해 제안된 TEAR가 TCP보다 적은 율 변동과 공정성을 동시에 제공할 수 있음을 보였다.
Recently, the needs for multimedia stream such as digital audio and video in the Internet has increased tremendously. Unlike TCP, the UDP protocol, which has been used to transmit streaming traffic thorough the Internet, does not apply any congestion control mechanism to regulate the data flow thoro...
Recently, the needs for multimedia stream such as digital audio and video in the Internet has increased tremendously. Unlike TCP, the UDP protocol, which has been used to transmit streaming traffic thorough the Internet, does not apply any congestion control mechanism to regulate the data flow thorough the shared network And it leads to congestion collapse of the Internet and results in long-term transmission delay. To avoid any adverse effect on the current Internet functionality, a now protocol of modification or addition of some functionality to perform congestion control and to reduce huge transmission delay in transmitting of multimedia stream are in study. TCP-friendly congestion control mechanism is classified into two : one is window-based congestion control scheme using general window management functionalities, the other is rate-based congestion control scheme using TCP modeling equation. In this paper, we propose an algorithm for improving the transmitting rate on a hybrid TCP-friendly congestion control scheme combined with widow-based and late-based congestion control for multimedia stream. And we also simulate the performance of improved TEAR implementation using NS. With He simulation results, we show that the improved TEAR can provide better fairness and lower rate fluctuations than TCP.
Recently, the needs for multimedia stream such as digital audio and video in the Internet has increased tremendously. Unlike TCP, the UDP protocol, which has been used to transmit streaming traffic thorough the Internet, does not apply any congestion control mechanism to regulate the data flow thorough the shared network And it leads to congestion collapse of the Internet and results in long-term transmission delay. To avoid any adverse effect on the current Internet functionality, a now protocol of modification or addition of some functionality to perform congestion control and to reduce huge transmission delay in transmitting of multimedia stream are in study. TCP-friendly congestion control mechanism is classified into two : one is window-based congestion control scheme using general window management functionalities, the other is rate-based congestion control scheme using TCP modeling equation. In this paper, we propose an algorithm for improving the transmitting rate on a hybrid TCP-friendly congestion control scheme combined with widow-based and late-based congestion control for multimedia stream. And we also simulate the performance of improved TEAR implementation using NS. With He simulation results, we show that the improved TEAR can provide better fairness and lower rate fluctuations than TCP.
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문제 정의
TEAR(TCP emulation at receivers)는 윈도우 기반과 율 기반을 결합한 하이브리드 TCP -friendly 혼잡 제어 기법 중 대표적인 프로토콜[6][기이며, 본 논문에서는 이것을 기반으로 TEAR 전송율 개선을 위한 알고리즘을 제안하였다.
본 논문에서는 윈도우 기반과 율 기반을 복합적으로 다룬 하이브리드형 TCP 친화적 혼잡제어 기법을 제안하였다. 본 논문의 구성은 다음과 같다.
본 논문은 멀티미디어 스트리밍을 위한 TCP 친화적 혼잡제어기법을 다루었다. TCP와 경쟁 시 대역폭을 공정하게 나누어 사용할 수 있게 TCP 동작을 적용하였고, 갑작스런 율 감소에 의한 멀티미디어 응용의 사용자인지 품질이 저하되는 것을 피하기 위해 평활화한 전송을 할 수 있도록 epoch 단위로 처리율을 계산하였다.
본 논문은 비디오와 같은 대용량의 스트리밍 데이터를 실시간에 IP 프로토콜을 이용하여 전송하고자 할 때 TCP나 UDP와 같이 기존의 트랜스 포트 프로토콜 특성에 의해 발생하는 트래픽 혼잡을 제어하기 위한 기법에 대한 연구이다. 비 연결 성 전송 프로토콜인 UDP는 에러 제어와 흐름제어 를 하지 않기 때문에 네트워크 노드 상에서 보다 빠른 스위칭이 요구되는 멀티미디어 응용에서는 UDP를 사용하는 경우가 많다.
제안 방법
본 논문은 멀티미디어 스트리밍을 위한 TCP 친화적 혼잡제어기법을 다루었다. TCP와 경쟁 시 대역폭을 공정하게 나누어 사용할 수 있게 TCP 동작을 적용하였고, 갑작스런 율 감소에 의한 멀티미디어 응용의 사용자인지 품질이 저하되는 것을 피하기 위해 평활화한 전송을 할 수 있도록 epoch 단위로 처리율을 계산하였다. 또한 네트워크 지연으로 인한 혼잡을 피하기 위한 방법을 도입하여 상대적으로 안정된 TEAR 전송율을 유지하도록 하였다.
그림 4는 epoch를 나타내고 있다. 노이즈에의 한 불필요한 율 변화를 방지하기 위해 지난 w개 epoch의 처리율에 대한 가중치 평균을 사용하여 평활화한 처리율을 계산하고, 계산된 처리율은 피드백을 통해 송신 측에 보낸다. 송신 측은 이를 토대로 전송율을 결정하기 앞서 인터넷과 같은 다양한 네트워크 상태에 적응하도록 지연기반 혼잡제어기법을 도입하여 전송율 7를 식(5) 와 같이 조절하였다.
TCP와 경쟁 시 대역폭을 공정하게 나누어 사용할 수 있게 TCP 동작을 적용하였고, 갑작스런 율 감소에 의한 멀티미디어 응용의 사용자인지 품질이 저하되는 것을 피하기 위해 평활화한 전송을 할 수 있도록 epoch 단위로 처리율을 계산하였다. 또한 네트워크 지연으로 인한 혼잡을 피하기 위한 방법을 도입하여 상대적으로 안정된 TEAR 전송율을 유지하도록 하였다. 시뮬레이션을 통해 제안한 TEAR의 성능을 측정한 결과로부터 평활성과 공정성을 유지함을 알 수 있었다.
여기서 T 疝, 同느 수신 측에서 계산된 처리율 이다. 제안된 기법은 현재의 네트워크 상태를 예측하는 가장 좋은 방법인 네트워크 지연을 토대로 혼잡회피를 수행하면서 다양한 네트워크 환경에 적응 가능하도록 한 것이다. 즉, 현재의 네트워크 지연이 과거의 지연보다 크면 현재 네트워크 상태가 혼잡하다는 것을 인식할 수 있도록 전송율을 감소하게 하였고, 그 반대의 경우 전송율을 증가하도록 하여 상대적으로 안정된 TEAR 전송율을 유지하도록 하였다.
제안된 기법은 현재의 네트워크 상태를 예측하는 가장 좋은 방법인 네트워크 지연을 토대로 혼잡회피를 수행하면서 다양한 네트워크 환경에 적응 가능하도록 한 것이다. 즉, 현재의 네트워크 지연이 과거의 지연보다 크면 현재 네트워크 상태가 혼잡하다는 것을 인식할 수 있도록 전송율을 감소하게 하였고, 그 반대의 경우 전송율을 증가하도록 하여 상대적으로 안정된 TEAR 전송율을 유지하도록 하였다. 그림 5는 전체적인 동작 메카 니즘이 다.
데이터처리
그림 6과 같은 시뮬레이션 토폴로지 환경에서 NS-2⑻를 사용하였고, 제안한 TEAR 와 TCP의 총 전송율과 순간 전송율을 측정하여 공정성과 평활성을 측정하여 비교하였다.
이론/모형
율 기반 혼잡제어를 수행하기 위해 식 (4) 를 사용하기 위해서는 패킷 손 실율을 정확히 측정하는 것이 매우 중요하다. 이에 따라 TFRC는 연속적인 패킷손실 간의 패킷 수를 측정하는 평균손실 간격 (Average Loss Inte- rval)과 EWMA기법을 이용하여 패킷 손실율을 측정한다. TFRC 수신 측은 매 RTT마다 TCP 방 정식에 필요한 파라미터를 업데이트하여 송신 측 에 보내고 송신 측은 업데이트된 정보를 이용하여 계산한 전송율로 패킷을 전송한다.
성능/효과
그림 7, 그림 8에 보여진 것과 같이 본 논문에서 제안한 지연 기반 혼잡제어 알고리즘을 TEAR에 적용하였을 경우 TCP와 비교하여 대역폭 경쟁에 따른 공정성을 높이면서 상대적으로 평활화된 전송이 이루어져 혼잡을 피할 수 있음을 알 수 있으며, 제안된 기법을 통해 네트워크 상태의 변화에 잘 반응함을 알 수 있다.
또한 네트워크 지연으로 인한 혼잡을 피하기 위한 방법을 도입하여 상대적으로 안정된 TEAR 전송율을 유지하도록 하였다. 시뮬레이션을 통해 제안한 TEAR의 성능을 측정한 결과로부터 평활성과 공정성을 유지함을 알 수 있었다.
후속연구
향후에는 제안된 알고리즘을 멀티캐스트에서 도 동작할 수 있도록 확장하여, 그 성능을 분석하고 평가하고자 한다.
참고문헌 (8)
S. Floyd and K. Fall, 'Promoting the use of end-to-end congestion control in the internet', IEEE/ACM Transactions on Networking, Aug 1999
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