피어투피어 방식의 스트리밍 기법은 크게 트리-푸시 구조와 메시-풀 구조로 연구가 진행되었다. 하지만 트리-푸시 구조는 트리를 재구성하는 지연 시간이 상당히 길어진다는 단점이 있고, 메시-풀 구조는 서버와의 재생 시간차가 크며, 초기 재생 시작이 지연되는 단점을 가진다. 본 논문에서는 트리-푸시 구조와 메시-풀 구조의 장점을 동시에 사용하는 새로운 방식의 푸시-메시 구조의 피어투피어 스트리밍 기법을 제안한다. 이 기법에서는 기본적으로 메시-풀 구조를 기반으로 높은 네트워크 업로드 성능을 가지는 피어를 최대한 활용한다. 또한, 소스 서버와 수퍼 피어 및 수퍼 피어와 특정 수의 일반 피어들 사이에 푸시 방식의 데이터 전송을 지원한다. 마지막으로 NS-2 시뮬레이터를 이용한 실험을 통해 초기 재생 지연 시간이 메시-풀 구조보다 감소하였고, 소스 서버와의 시간차는 트리와 비슷하며, 재생 연속성은 가장 우수하다는 것을 보였다.
피어투피어 방식의 스트리밍 기법은 크게 트리-푸시 구조와 메시-풀 구조로 연구가 진행되었다. 하지만 트리-푸시 구조는 트리를 재구성하는 지연 시간이 상당히 길어진다는 단점이 있고, 메시-풀 구조는 서버와의 재생 시간차가 크며, 초기 재생 시작이 지연되는 단점을 가진다. 본 논문에서는 트리-푸시 구조와 메시-풀 구조의 장점을 동시에 사용하는 새로운 방식의 푸시-메시 구조의 피어투피어 스트리밍 기법을 제안한다. 이 기법에서는 기본적으로 메시-풀 구조를 기반으로 높은 네트워크 업로드 성능을 가지는 피어를 최대한 활용한다. 또한, 소스 서버와 수퍼 피어 및 수퍼 피어와 특정 수의 일반 피어들 사이에 푸시 방식의 데이터 전송을 지원한다. 마지막으로 NS-2 시뮬레이터를 이용한 실험을 통해 초기 재생 지연 시간이 메시-풀 구조보다 감소하였고, 소스 서버와의 시간차는 트리와 비슷하며, 재생 연속성은 가장 우수하다는 것을 보였다.
The research on peer-to-peer streaming schemes has largely focused on tree-push and mesh-pull structures. However, the tree-push structure has a defect that the tree restructuring time is long, and the mesh-pull structure has long startup delay and lag time from source servers. In this paper, we pro...
The research on peer-to-peer streaming schemes has largely focused on tree-push and mesh-pull structures. However, the tree-push structure has a defect that the tree restructuring time is long, and the mesh-pull structure has long startup delay and lag time from source servers. In this paper, we propose a new peer-to-peer live streaming scheme based on a push-mesh structure that takes advantages of tree-push and mesh-pull structure simultaneously. This structure basically provides the mesh-pull mechanism for data transmission and utilizes peers with high network upload capacity. It also supports the push mechanism along with paths from a source server, super peers, and selected general peers. By NS-2 simulation experiments, we finally show that our proposed scheme can achieve shorter startup delay than the mesh-pull structure, similar lag time to tree-push structure and best playback continuity among the three schemes.
The research on peer-to-peer streaming schemes has largely focused on tree-push and mesh-pull structures. However, the tree-push structure has a defect that the tree restructuring time is long, and the mesh-pull structure has long startup delay and lag time from source servers. In this paper, we propose a new peer-to-peer live streaming scheme based on a push-mesh structure that takes advantages of tree-push and mesh-pull structure simultaneously. This structure basically provides the mesh-pull mechanism for data transmission and utilizes peers with high network upload capacity. It also supports the push mechanism along with paths from a source server, super peers, and selected general peers. By NS-2 simulation experiments, we finally show that our proposed scheme can achieve shorter startup delay than the mesh-pull structure, similar lag time to tree-push structure and best playback continuity among the three schemes.
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문제 정의
따라서 본 논문에서는 트리-푸시 구조와 메시-풀 구조의 장점을 동시에 활용하여 푸시-메시 구조의 피어투피어 스트리밍 기법을 제안한다. 이 기법에서는 높은 네트워크 업로드 성능을 가지는 피어를 최대한 활용하여 초기 재생 지연 시간 및 소스 서버와의 시간차를 줄이고 연속 재생률을 증가시킨다.
피어투피어 기술은 확장성과 저비용으로 인해 실시간 스트리밍 기술에 활발히 연구되고 있다. 본 논문에서는 기존의 트리-푸시 구조에서 피어 이탈시 트리를 재구성할 때 발생하는 오버헤드 문제와 메시-풀 구조에서 초기 재생 지연 시간과 소스 서버와의 재생 시간차가 크다는 단점을 극복하기위해 새로운 구조인 푸시-메시 기반의 피어투피어 스트리밍 기법을 제안하였다. 이 기법은 네트워크 업로드 성능이 우수한 수퍼 피어를 통해 푸시와 풀 구조의 장점을 동시에 활용하였다.
제안 방법
NS-2에서 1000개의 피어와 100개의 라우터를 생성하였고 하나의 라우터에 10개의 피어와 2∼4개의 라우터가 연결되도록 구성하였다.
SplitStream은 각 피어당 피어끼리의 연결 경로를 4-5 개까지 유지를 하며 특정 피어가 이탈을 하더라도 다른 경로를 통해 데이터를 끊김 없이 전송받아서 트리 재구성하는데 필요한 시간을 감소시켰다. P2PR-Tree는 R-Tree를 트리 구조에 적용하여 자식을 분할하거나 합병하는 구조를 제시하여 기존 트리 구조보다 빠른 트리의 재구성 방법을 제시하였다. 이와 같은 트리-푸시 구조 기반의 피어투피어 스트리밍에 대한 많은 연구가 진행되었지만 피어 이탈시 트리구조가 재구성됨에 따라 발생하는 지연 시간 문제는 여전히 큰 오버헤드로 남아 있다.
가상 네트워크 토폴로지를 제공하는 NS-2 네트워크 시뮬레이터를 사용하여 트리-푸시, 메시-풀, 푸시-메시 구조의 피어투피어 스트리밍 기법을 구현하였다. NS-2에서 1000개의 피어와 100개의 라우터를 생성하였고 하나의 라우터에 10개의 피어와 2∼4개의 라우터가 연결되도록 구성하였다.
NS-2에서 1000개의 피어와 100개의 라우터를 생성하였고 하나의 라우터에 10개의 피어와 2∼4개의 라우터가 연결되도록 구성하였다. 또한, 10Mbps 및 100Mbps 네트워크 대역폭을 가지는 피어와 라우터 간 연결은 각각 900개 및 100개로 설정했고 라우터와 라우터 간 모든 연결은 100Mbps로 설정하였다.
먼저 접속 피어 수를 100개에서 1000개까지 증가시키면서 초기 재생 지연 시간 및 소스 서버와의 재생 시간차를 측정하였다. 또한, 동적으로 피어들의 접속 및 이탈을 반복하면서 재생의 연속성을 측정하였다.
또한, 새로운 수퍼 피어는 기존 수퍼 피어에서 푸시방식으로 연결된 일반 피어의 주소 정보를 받아서 연결한다. 만약 접속 피어의 성능이 현재 수퍼 피어 중 가장 성능이 낮은 수퍼 피어의 성능보다 낮거나 같다면 현재 수퍼 피어가 푸시 방식으로 연결 가능한 최대 일반 피어 수와 현재 푸시 방식으로 연결된 일반 피어 수를 비교한다. 수퍼 피어가 푸시방식으로 연결 가능한 최대 일반 피어 수가 더 많다면 <그림 4>에서 보듯이 현재 수퍼 피어 중 푸시 방식으로 연결 가능한 피어 수가 가장 많은 수퍼 피어를 선택한다.
먼저 접속 피어 수를 100개에서 1000개까지 증가시키면서 초기 재생 지연 시간 및 소스 서버와의 재생 시간차를 측정하였다. 또한, 동적으로 피어들의 접속 및 이탈을 반복하면서 재생의 연속성을 측정하였다.
본 논문에서 제안하는 푸시-메시 기반의 피어투피어 스트리밍 기법에서는 피어의 대부분이 기존의 메시-풀 구조를 기반으로 하는 일반 피어들이다. 이 구조는 피어의 이탈시 메시 구조를 재구성 하는 동안에도 연결된 다른 피어에게 데이터를 받을 수 있는 장점이 있다.
만약 피어가 정상적인 이탈 메시지를 전송하거나 피어의 라이브 메시지가 일정시간 동안 도착하지 않으면 피어가 이탈했다고 판단한 후 새로운 연결 설정을 한다. 연결 설정 시 이탈한 피어가 수퍼 피어인지 일반 피어인지를 확인한다. 수퍼 피어일 경우 <그림 6>에서 보듯이 현재 접속된 모든 일반 피어 중 네트워크 업로드 성능이 가장 높은 피어를 선정하여 새로운 수퍼 피어로 설정한다.
이 장에서는 본 논문에서 제안한 푸시-메시 구조의 피어투 피어 스트리밍 기법과 기존의 트리-푸시 및 메시-풀 구조와의 성능을 비교 분석한다. 먼저 실험 환경 구성에 대해 기술한 후 초기 재생 지연 시간(startup delay), 소스 서버와의 재생 시간차(playout lag time), 그리고 재생 연속성(playback continuity index)에 대한 실험 결과를 설명한다.
단점으로는 피어들의 정보 유지를 위해 트래커 서버를 계속적으로 유지함에 따른 오버헤드가 발생한다. 이후 가십 방식을 이용하지만 검색속도를 줄이기 위해 분산 헤시 테이블(DHT)을 적용한 CountinuStreaming 구조를 제안하였다. 메시 구조 기반의 피어투피어 스트리밍 역시 많은 연구가 진행되었지만 버퍼맵을 통해 데이터를 일정부분까지 전송 받은 후 재생을 시작할 수 있기 때문에 버퍼링에 따른 초기 지연이 커지는 단점이 존재한다.
트래커 서버는 이런 경우를 감지하기 위해 각 피어로부터 일정시간마다 주기적으로 라이브 메시지를 전송받는다. 일정시간동안 특정 피어로부터 라이브 메시지를 전송받지 못하면 그 피어가 비정상적으로 이탈했다고 판단한 후 피어 이탈 알고리즘을 수행한다. 접근 및 이탈에 대한 상세한 알고리즘은 3.
또한, 접속하는 각 피어의 네트워크 업로드 성능에 따라 수퍼 피어와 일반 피어로 지정한다. 즉, 각 피어가 접속할 때 네트워크 업로드 성능을 파악하여 현재의 특정 수퍼 피어보다 업로드 성능이 우수하면 접속한 피어를 기존 수퍼 피어를 대체해서 수퍼 피어로 설정한다. 그렇지 않다면 일반 피어로 지정하여 기존 수퍼 피어 중 하나에 연결시킨다.
성능/효과
NS-2를 이용한 실험을 통해 기존의 메시-풀 구조에 비해 초기 재생 지연 시간 및 소스 서버와의 시간차가 상당히 짧다는 것을 보인다. 또한, 트리-푸시 구조에 비해서도 재생의 연속성 비율이 높다는 것을 보인다.
이 기법은 네트워크 업로드 성능이 우수한 수퍼 피어를 통해 푸시와 풀 구조의 장점을 동시에 활용하였다. 또한, NS-2시뮬레이터를 이용한 실험을 통해 푸시-메시 구조가 기존 구조들에 비해 성능이 향상되었음을 보였다. 초기 재생 지연시간은 메시-풀보다 약 35% 감소하였다.
푸시-메시는 일반 피어들이 기본적으로 메시 기반으로 구성되기 때문에 메시-풀이 가진 장점을 유지할 수 있었다. 또한, 수퍼 피어를 사용하여 데이터 전송의 속도를 증가시켰기 때문에 마감 시간 내에 도착하는 데이터 비율을 더욱 높일 수 있었다.
소스 서버와의 재생 시간차는 메시-풀보다 21% 짧아 졌고, 트리-푸시와 비슷한 시간차를 보였다. 또한, 영상 재생의 연속성에서는 푸시-메시 구조가 메시-풀 및 트리-푸시에 비해 평균적으로 12% 및 45% 높아졌다는 것을 보였다.
NS-2를 이용한 실험을 통해 기존의 메시-풀 구조에 비해 초기 재생 지연 시간 및 소스 서버와의 시간차가 상당히 짧다는 것을 보인다. 또한, 트리-푸시 구조에 비해서도 재생의 연속성 비율이 높다는 것을 보인다.
최근 네트워크 기술의 발전으로 10M~100Mbps의 높은 네트워크 업로드 성능을 보유한 피어들이 증가하고 있다. 본 논문에서 제안하는 푸시-메시 기반의 피어투피어 스트리밍 기법은 이와 같이 높은 네트워크 업로드 성능을 가지는 피어를 최대한 활용하여 초기 재생 지연 시간 및 소스 서버와의 시간차를 줄이고 재생 연속성을 증가시킨다.
이때 연속성의 값은 마감 시간 전에 도착한 데이터의 비율이다. 실험 결과 푸시-메시 구조가 메시-풀 및 트리-푸시에 비해 평균적으로 12% 및 45% 높은 재생 연속성을 보였다. 트리-푸시는 피어 이탈시 피어의 하위 트리를 재구성하는 지연 시간이 길다는 문제가 있기 때문에 접속과 이탈의 반복에 따라 재생의 연속성이 상대적으로 낮았다.
<그림 9>은 접속 피어 수를 100개에서 1000개까지 증가시킬 때 세 구조에서의 소스 서버와의 재생 시간차를 보여준다. 실험 결과 푸시-메시와 메시-풀이 비슷한 성능을 보였고 메시-풀의 약 5배 긴 소스 서버와의 재생 시간차를 보였다. 메시-풀 기반의 피어투피어 스트리밍은 버퍼맵을 사용하여 데이터를 서로 주고받기 때문에 홉 수가 높아질수록 소스 서버와의 시간차가 길어지는 것을 알 수 있다.
이 구조는 피어의 이탈시 메시 구조를 재구성 하는 동안에도 연결된 다른 피어에게 데이터를 받을 수 있는 장점이 있다. 이 구조를 바탕으로 소스 서버와 수퍼 피어 및 수퍼 피어와 특정수의 일반 피어들 사이에 푸시 방식의 데이터 전송을 활용함으로써 초기 재생 지연 시간과 소스 서버와의 재생 시간차를 줄인다.
후속연구
이와 같은 연구 성과를 바탕으로 향후에는 피어 그룹핑시 채널에 따라 각 피어의 지역성을 고려하며 실시간 방송뿐만 아니라 일시정지, 재시작, 빨리 감기, 되감기 등의 VCR 기능을 지원하는 연구를 진행할 계획이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
기존에 고품질의 멀티미디어 데이터를 실시간으로 전송하기 위해 어떤 구조가 일반적이었는가?
현재 컴퓨터 네트워크의 발전으로 초고속통신망이 일반화되고 방송 컨텐츠가 디지털화됨에 따라 기존의 방송서비스와 통신서비스를 융합하는 새로운 차세대 서비스들이 등장하고 있다. 기존에는 고품질의 멀티미디어 데이터를 실시간으로 전송하기 위해 CDN(Content Distribution Network) 등과 같은 서버-클라이언트 구조가 일반적이었다. 하지만 실시간 비디오 스트리밍을 사용하는 응용 프로그램과 사용자가 급증함에 따라 확장성이 높고 저비용으로 인프라를 구성할 수 있는 피어투피어 방식의 스트리밍 연구가 활발하게 진행되고 있다.
피어투피어 스트리밍 방식은 어떠한 방식을 기반으로 발전되어 왔는가?
피어투피어 스트리밍 방식은 크게 트리-푸시(tree-push) 기반과 메시-풀(mesh-pull) 기반으로 발전되어 왔다. 트리 기반 구조에서는 네트워크 상에 가상의 오버레이 트리 구조를 생성한 후 부모 피어가 자식 피어들에게 데이터를 푸시(push)해서 전송하는 방식을 사용하였다[1,2,3,4,5].
피어투피어 스트리밍 방식은 트리 기반 구조에서 어떤 방식을 사용하였는가?
피어투피어 스트리밍 방식은 크게 트리-푸시(tree-push) 기반과 메시-풀(mesh-pull) 기반으로 발전되어 왔다. 트리 기반 구조에서는 네트워크 상에 가상의 오버레이 트리 구조를 생성한 후 부모 피어가 자식 피어들에게 데이터를 푸시(push)해서 전송하는 방식을 사용하였다[1,2,3,4,5]. 일단 트리가 생성되면 전송 지연 시간이 짧기 때문에 효과적이지만 각 피어가 서비스에 가입하거나 탈퇴할 때마다 트리를 새롭게 구성해야하는 오버헤드가 존재한다.
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