[논문]파일전송의 성능향상을 위한 다중 가상소스 응용계층 멀티캐스트

이수전; 이동만; 강경란

문제 정의

본 논문에서는 기존의 다수 전달자 기반의 응용 계층 멀티캐스트 기법에서 제기된 제어 부담을 줄이면서 데 이타 수산 시간을 줄일 수 있는 기법을 제안한다. 본 논 문에서 제시하는 기법의 주된 가정 중의 하나는, 송신자 가 어떤 수신자들이 자신의 데이타를 획득하는지 파악 해야 한다는 것이다.
본 논문에서는 이러한 단점을 해결하기 위한 가상 소 스 선택 기법을 제안하였다. 본 논문에서 제안하는 기법 은 수신자들이 가입하는 시점 사이에 차이가 있다는 현 상에 기반하여 처음 수신 패킷 순서 번호의 순서에 따라 가상 소스를 선택하게 함으로써 수신 상태 정보를 교환하는 부담을 배제하였다.
본 논문에서는 저장된 파일을 다운로드하는 상황이 아니라, 소프트웨어 갱신 등과 같이 특정 서버에서 다수 의 사용자에게 '파일'을 배포하는 상황에서 적용할 수 있는 기법을 제안하고자 한다. 본 논문에서 제안하는 기 법은 기존의 트리 기반 응용계층 멀티캐스트 기법을 확 장하여, 패킷의 중복 수신을 피하면서 부모 노드 외의 추가적인 데이타 전달자를 선택하는 방법을 제안한다.

가설 설정

다수 전달자 기법의 응용 계층 멀티캐스트로는 Bullet[5], Informed Delivery[6], SplitStream[7], 이 중 멀티캐스트 메시 기법[8] 등을 대표적인 예로 들 수 있다. Bullet과 Splitstreame 기본적으로 소스가 데이타 를 FEC 특히 Digital Fountain 기법HU에 의해 인코딩 하는 것을 가정한다. 기존의 단순한 전송 트리 외에 타 노드로부터 데이타를 수신하기 위한 TCP 연결을 만들 게 되므로 전체적으로 메쉬 구조의 오버레이 네트워크 가 구성된다.
이렇게 함으로써 타 수신자에 대한 정보를 획득하기 위해 수신자들끼리 주고 받아야 하는 제어 메 시지들을 크게 줄일 수 있다. 또한 가지 중요한 가정 은, 수신자들이 서로 다른 시점에 송신자의 데이타를 수 신하기 위해 세션에 가입할 것이며, 따라서 개별 수신자 가 세션에 가입해서 처음 수신하는 패킷의 순서 번호는 서로 다르다는 것이다. 그러므로, 각 수신자가 자신이 가입한 이후 다음 수신자가 가입하기 전까지 전송 트리 상의 부모 노드로부터 수신한 데이타 패킷들은 타 수신 자들과 구별될 수 있고, 이를 타 수신자들에게 전달한다.
본 논문에서는 기존의 다수 전달자 기반의 응용 계층 멀티캐스트 기법에서 제기된 제어 부담을 줄이면서 데 이타 수산 시간을 줄일 수 있는 기법을 제안한다. 본 논 문에서 제시하는 기법의 주된 가정 중의 하나는, 송신자 가 어떤 수신자들이 자신의 데이타를 획득하는지 파악 해야 한다는 것이다. 즉, 수신자는 송신자에게 데이타 수신 여부를 등록하는 과정이 필요하고, 송신자는 수신 자의 초기 수신 상태 정보를 획득할 수 있다는 것이다.
이러한 아이디어를 적용하기 위해서는 각 수신자가 다른 수신자들의 처음 수신 패킷 순서 번호를 알 수 있는 방법이 필요하다. 본 논문에서는 모든 수신자가 원 데이타 송신자의 주소 정보를 알고 있고, 원 데이타 송 신자가 자신의 데이타를 누가 수신하고 활용하는가를 파악하기 원하는 서비스를 가정한다. 그러므로, 각 수신 자가 원 데이타 송신자에게 자신의 처음 수신 패킷 순서 번호를 등록하고 이 정보를 원 데이타 송신자가 관 장한다고 해도 무리가 없다.
세션에 가입한 때부터 파일 수신을 완료하는 시점까 지 걸린 시간을 '완료 지연 시간(completion time)'이라 한다. 실험을 위하여 임의의 멤버는 파일 수신을 완료하는 즉시 세션에서 탈퇴함을 가정한다. 그림 10은 세션이 진행되어 감에 따라, 즉 세션에 가입하는 수신자의 수가 증가함에 따라 평균 완료 지연 시간의 누적 평균이 어떻게 변해 가는지 보이고 있다.
원 데이타 송신자는 파일을 FEC> 사용하여 인코딩하여 패킷을 생성해낸다고 가정하며 인코딩된 패킷은 기본적으로 트리를 따라 전달된다. 하나의 파일을 구성 하는 패킷의 양을 Q라 하자.
각 수신자 는 사용 가능한 네트워크 대역폭의 정확한 값을 알지 못한다. 하더라도, 네트워크 환경 설정 정보 등을 통하여 추정치를 가질 수 있으므로 이에 근거하여 %의 값을 결 정할 수 있다고 가정한다.

제안 방법

그림 11은 세션 크기 즉 참가자의 수에 따른 완료 지 연 시간의 변화를 보이고 있다. Bullet과 제안하는 기법 과의 차이를 보다 효율적으로 보이기 위해, 제안하는 기 법의 완료 지연 시간과 Bullet의 완료 지연 시간 사이의 비율로 표현하였다. 세션 크기가 커질수록 그 비율이 점 점 더 작아지는 것을 볼 수 있다.
전송을 허락하는 경우에는, 요청자가 가상 싱크가 되 고, 전송을 허락한 수신자가 가상 소스가 된다. 가상 싱 크가 가상 소스에게 gift 수신을 위한 TCP 연결을 설정 할 것이고, 이 TCP 연결을 사용하여 가상 소스가 gift 에 포함되는 패킷들을 차례대로 전송한다. 가상 소스는 자신이 원 파일을 재생할 수 있는 만큼의 데이타를 모두 수신하고 난 후에도 자산의 가상 싱크들에게 g诋에 있는 패킷들을 전송하기 위해 세션을 탈퇴하지 않고 세 션에 머물러 있을 수 있다.
MACEDON을 사용하면, 상태 전 이도만 설계하여 입력하면 프로토콜을 구현할 수 있어 구현에 드는 노력을 크게 절감할 수 있다. 구현물을 전 세계적인 오버레이 실험망인 PlanetLab에 설치하여 성능을 평가하였다. 기존의 다중 전달송자 응용 계층 멀티 캐스트 기법인 Bullet과 성능 비교를 하였으며 데이타 전송을 위해서 TCP를 사용하였고, 제어 메시지를 교환 하는 데는 연결 설정 부담 등을 줄이기 위해 MACEDON 이 제공하는 reliable UDP 기능을 사용하였다.
면 부모 노드 외의 추가적인 전달자로부터 데이타 패킷 을 수신한다고 해도 데이타의 중복을 피할 수 있다. 그 래서, 본 논문에서 제안하는 기법에서는, 부모 노드 외 에 추가적으로 데이타를 전송해 줄 전달자를 '가상 소 스라고 칭하며, 해당 수신자보다 먼저 세션에 가입하여 데이타를 수신하고 있는 수신자들 중에 가상 소스를 선 택하도록 한다. 제안하는 기법에 대한 성능 평가를 PlanetLabU이 상에서 수행하였으며, 기존의 다수 전송 달자 응용 계층 멀티캐스트 기법인 Bullet과 성능을 비 교하였다.
즉, 수신자는 송신자에게 데이타 수신 여부를 등록하는 과정이 필요하고, 송신자는 수신 자의 초기 수신 상태 정보를 획득할 수 있다는 것이다. 그래서, 본 논문에서 제안하는 기법에서는 개별 수신자 가 자산의 처음 수신 패킷 번호 정보를 송신자에게 등 록하고 타 수신자에 대한 정보를 송신자로부터 획득하 도록 한다. 이렇게 함으로써 타 수신자에 대한 정보를 획득하기 위해 수신자들끼리 주고 받아야 하는 제어 메 시지들을 크게 줄일 수 있다.
Bullet의 경우에는 모든 수신자 가 자신의 수신 상태를 주기적으로 공지하는 용도로 제어 메시지를 발생시키므로 본 논문에서 제안하는 기법 에 비해 전송하는 제어 메시지의 수와 양이 크다. 그러나, 제안하는 기법에서는 자신의 처음 수신 패킷 순서 번호를 등록하는 과정과 가상 소스 목록을 요청하고 수 신하는 과정, 그리고 가상 소스들에게 요청하는 과정, 가상 싱크의 요청에 응답하는 과정 등에서 제어 메시지 를 사용한다. 즉, 각 수신자마다 50개 이내의 제어 메시 지를 발생시키므로, 세션의 길이가 길어질수록 전체적으로 제어 메시지의 개수나 양의 측면에서 Bullet보다 훨 씬 적게 된다.
그림 7에서 보이는 바와 같이, 각 수신자는 자신보다 岱가 작은 수신자들로부터 g诋에 해당하는 패킷들을 수 신하므로, 즉, 후진과 전진을 동시에 진행함으로써 원 데이타 복원을 위해 필요한 개수만큼의 패킷을 확보하는 시간을 단축할 수 있다. 그리고, 자신보다 后가 큰 수 신자들에게 자신의 g泥를 전송함으로써 타 수신자가 원 래 데이타 복원에 필요한 패킷을 확보하는 시간을 단축 시켜 준다.
구현물을 전 세계적인 오버레이 실험망인 PlanetLab에 설치하여 성능을 평가하였다. 기존의 다중 전달송자 응용 계층 멀티 캐스트 기법인 Bullet과 성능 비교를 하였으며 데이타 전송을 위해서 TCP를 사용하였고, 제어 메시지를 교환 하는 데는 연결 설정 부담 등을 줄이기 위해 MACEDON 이 제공하는 reliable UDP 기능을 사용하였다. 실험에 적용된 파라미터는 표 1과 같다.
발생되는 제어 메시지의 개수 관점에서 보면 제안하는 기법은 Bullet이 발생시키는 제어 메시지의 10%만을 발생시킨다. 제어 메시지의 양의 측면에서는 0.
본 논문에서는 저장된 파일을 다운로드하는 상황이 아니라, 소프트웨어 갱신 등과 같이 특정 서버에서 다수 의 사용자에게 '파일'을 배포하는 상황에서 적용할 수 있는 기법을 제안하고자 한다. 본 논문에서 제안하는 기 법은 기존의 트리 기반 응용계층 멀티캐스트 기법을 확 장하여, 패킷의 중복 수신을 피하면서 부모 노드 외의 추가적인 데이타 전달자를 선택하는 방법을 제안한다. 이 때, 각 노드의 입장에서, 부모 노드 외의 데이타 전 달자를 가상 소스(virtual source)라고 칭하고, 해당 노 드를 가상 소스로 하는 데이타 수신자를 가상 싱크 (virtual sink) 라고 칭한다.
본 논문에서는 이러한 단점을 해결하기 위한 가상 소 스 선택 기법을 제안하였다. 본 논문에서 제안하는 기법 은 수신자들이 가입하는 시점 사이에 차이가 있다는 현 상에 기반하여 처음 수신 패킷 순서 번호의 순서에 따라 가상 소스를 선택하게 함으로써 수신 상태 정보를 교환하는 부담을 배제하였다. 기존에 제안된 Bullet과의 성능 비교에서, 세션이 진행되어 감에 따라 세션 참가자 의 수가 많아지면서 본 논문에서 제안하는 기법이 우奇 한 성능을 보임을 확언할 수 있었으며, 중복해서 수신되는 패킷의 수가 월등히 적게 나타나는 것을 확인할 수 있었다.
본 논문에서 제안하는 기법을 설계하는데 있어 고려한 중요한 가정은 크게 세 가지가 있다. 첫째, 사용자들 은 특정 서버가 데이타를 응용 계층 멀티캐스트를 사용하여 배포한다는 것을 알고 있고, 데이타를 얻기 위해 해당 세션에 가입해고 서버의 데이타를 수신하는 단계 로 데이타 전송이 이루어지는 상황에서 사용할 수 있는 기법을 제안한다. 해당 응용 계층 멀티캐스트 세션에 대한 정보를 획득하는 과정은 본 논문의 논의의 범위를 벗어나므로, 여기서 자세하게 언급하지 않는다.

데이터처리

그 래서, 본 논문에서 제안하는 기법에서는, 부모 노드 외 에 추가적으로 데이타를 전송해 줄 전달자를 '가상 소 스라고 칭하며, 해당 수신자보다 먼저 세션에 가입하여 데이타를 수신하고 있는 수신자들 중에 가상 소스를 선 택하도록 한다. 제안하는 기법에 대한 성능 평가를 PlanetLabU이 상에서 수행하였으며, 기존의 다수 전송 달자 응용 계층 멀티캐스트 기법인 Bullet과 성능을 비 교하였다. 50개의 수신자들에 대해서 실험을 수행하였으며, 성능 시험 결과 Bullet에 비해 데이타 수신에 걸리 는 시간은 20% 가량 감소시켰으며, 제어에 필요한 비용 은 90% 이상 감소시키는 효과를 볼 수 있었다.

이론/모형

본 장에서는, 편의를 위해, 제안하는 기법을 OMFVS (Overlay Multicast for File delivery with Virtual Sources)라 칭한다. OMFVS는 응용 계층 멀티캐스트 기법의 시험 개발 환경인 MACEDON [12]을 이용하여 설계하고 구현되었다. MACEDON을 사용하면, 상태 전 이도만 설계하여 입력하면 프로토콜을 구현할 수 있어 구현에 드는 노력을 크게 절감할 수 있다.

성능/효과

제안하는 기법에 대한 성능 평가를 PlanetLabU이 상에서 수행하였으며, 기존의 다수 전송 달자 응용 계층 멀티캐스트 기법인 Bullet과 성능을 비 교하였다. 50개의 수신자들에 대해서 실험을 수행하였으며, 성능 시험 결과 Bullet에 비해 데이타 수신에 걸리 는 시간은 20% 가량 감소시켰으며, 제어에 필요한 비용 은 90% 이상 감소시키는 효과를 볼 수 있었다.
각 수신자가 전체 수신한 데이타 패킷의 개수와 순서 번호가 중복되는 데이타 패킷의 개수의 비율을 관찰한 결과, Bullete 4% 정도에 해당하는 패킷들이 중복 수 신된다. 10MB의 데이타를 수신한다고 할 때, 400KB 정도의 데이타가 중복 수신된다는 것이다.
본 논문에서 제안하는 기법 은 수신자들이 가입하는 시점 사이에 차이가 있다는 현 상에 기반하여 처음 수신 패킷 순서 번호의 순서에 따라 가상 소스를 선택하게 함으로써 수신 상태 정보를 교환하는 부담을 배제하였다. 기존에 제안된 Bullet과의 성능 비교에서, 세션이 진행되어 감에 따라 세션 참가자 의 수가 많아지면서 본 논문에서 제안하는 기법이 우奇 한 성능을 보임을 확언할 수 있었으며, 중복해서 수신되는 패킷의 수가 월등히 적게 나타나는 것을 확인할 수 있었다.
첫째, 트리의 중간 노드 중 네 트웍 환경이나 컴퓨팅 성능(performance) 이 안 좋은 노 드에 의해 그 하위 노드들이 체감하는 처리율(throughput) 이 떨어질 수 있다. 둘째, 각 수신자는 단 하나의 부모 노드로부터 데이타를 받아야 하기 때문에 이 부모 노드의 오류(failure)는 자식 노드들에게 데이타 전송 실 패, 지연 등 직접적인 영향을 미치게 된다. 이를 극복하기 위해 새로운 부모 노드를 선정하는 데에도 시간이 오래 걸릴 수 있어 전체 데이타를 수신하는데 실패하거 나 수신을 완료하는데 걸리는 시간이 길어지게 된다.
둘째, 파일은 tornado codes [11]를 사용하여 인코딩 되는 것으로 가정하여, 각 수신자는 데이타의 순서 번호 가 일련되게 수신하는 것이 중요하지 않고, 서로 다른 패킷을 일정 개수 이상 수신하면 원래 파일을 복원할 수 있다. 즉, 단위 시간에 수신하는 데이타의 개수를 늘 림으로써 성능을 향상시킬 수 있고, 데이타 수신을 완료 하는데 소요되는 시간을 줄일 수 있다.
본 논문에서 제안하는 기법은 특정한 트리 구성 기법을 가정하는 것이 아니므로, 기존의 트리 기반 응용 계 층 멀티캐스트 기법에 추가적으로 적용하여 활용하는 것이 가능하다. 추후 다양한 트리 기반 기법에 적용하여 그 실효성을 확인해 볼 것이며, 다양한 세션 가입 패턴 을 가정한 환경에서의 실험을 통하여 실용성을 높이기 위한 연구를 지속할 것이다.
그림 10은 세션이 진행되어 감에 따라, 즉 세션에 가입하는 수신자의 수가 증가함에 따라 평균 완료 지연 시간의 누적 평균이 어떻게 변해 가는지 보이고 있다. 세션의 초기에는 Bullet 의 제안하는 기법에 비해 평균 완료 지연 시간이 작으 나 시간이 지남에 따라 제안한 기법의 평균 완료 지연 시간이 더 낮아짐을 볼 수 있다.
셋째, 그림 2에서 보이는 바와 같이, 수신자가 세션에 가입해서 처음으로 수신하는 패킷의 순서 번호는 서로 다르다는 것이다, 여기서, Si는 수신자 i가 처음 수신한 데이타의 순서 번호를 의미한다. 이 경우, 수신자, 는 [$, Sj) 사이의 데이타를 갖고 있고, 전송 트리만을 사 용해서 전송한다고 할 때, 이 데이타들은 i 이후에 세션 에 참여한 수신자들이 갖고 있지 않은 데이타이다.
세션 크기가 커질수록 그 비율이 점 점 더 작아지는 것을 볼 수 있다. 즉, 제안하는 기법의 완료 지연 시간이 Bull어:의 완료 지연 시간에 비해 크게 작아지고 있다는 것을 의미한다. 예를 들어, 세션 크기가 50이었을 경우 제안한 기법은 Bullet에 비해 20 - 30% 가량의 완료 지연 시간 절감 효과를 보이는 것을 알 수 있다'
그런데, 이러한 트리 구조는 크게 두 가지 약점을 갖는다. 첫째, 트리의 중간 노드 중 네 트웍 환경이나 컴퓨팅 성능(performance) 이 안 좋은 노 드에 의해 그 하위 노드들이 체감하는 처리율(throughput) 이 떨어질 수 있다. 둘째, 각 수신자는 단 하나의 부모 노드로부터 데이타를 받아야 하기 때문에 이 부모 노드의 오류(failure)는 자식 노드들에게 데이타 전송 실 패, 지연 등 직접적인 영향을 미치게 된다.

후속연구

본 논문에서 제안하는 기법은 특정한 트리 구성 기법을 가정하는 것이 아니므로, 기존의 트리 기반 응용 계 층 멀티캐스트 기법에 추가적으로 적용하여 활용하는 것이 가능하다. 추후 다양한 트리 기반 기법에 적용하여 그 실효성을 확인해 볼 것이며, 다양한 세션 가입 패턴 을 가정한 환경에서의 실험을 통하여 실용성을 높이기 위한 연구를 지속할 것이다.

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