[논문]P2P와 클라우드 컴퓨팅에 기반한 대규모 멀티플레이어 온라인 게임의 대역폭 분석

김진환

doi:10.7236/jiibc.2019.19.5.143

P2P와 클라우드 컴퓨팅에 기반한 대규모 멀티플레이어 온라인 게임의 대역폭 분석
Bandwidth Analysis of Massively Multiplayer Online Games based on Peer-to-Peer and Cloud Computing 원문보기

The journal of the institute of internet, broadcasting and communication : JIIBC, v.19 no.5, 2019년, pp.143 - 150

초록
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클라우드 컴퓨팅은 운영자들로 하여금 하드웨어 구매와 유지 부담을 경감시키므로 대규모 멀티플레이어 온라인 게임(MMOG)을 위한 적절한 해결책이 되었다. P2P 기반 해결책은 고유의 규모조정성, 자체 복구기능, 자연적인 부하 분산 능력 등 여러 장점을 가지고 있다. 상이한 두 패러다임 P2P와 클라우드 컴퓨팅의 기술적 장점들을 병합하며 MMOG를 위한 하이브리드 구조가 이 논문에서 제시된다. 효율적이고 효과적인 자원의 공급과 부하의 조절은 대규모 사용자 집단에 대한 경제적 비용과 서비스 품질의 규모를 고려하는 구조 실현에 필수적이다. 동시에 실행되는 사용자 수가 증가할 때 하이브리드 구조는 사용자의 처리 능력을 활용함으로써 클라우드에 있는 서버의 부하 즉 상당한 규모의 컴퓨팅 능력과 통신량을 절감할 수 있다. MMOG에서는 서버의 시간 외에도 대역폭 비용이 요구형 자원의 임차시 주요 지출 요인이 된다. 시뮬레이션 결과 제시된 하이브리드 구조는 클라우드와 사용자 제공 자원의 양을 제어함으로써 플레이어들의 충분한 대역폭을 활용하는 반면 서버의 대역폭을 감소시킬 수 있는 것으로 나타났다.

Abstract ▼ AI-Helper

Cloud computing has recently become an attractive solution for massively multiplayer online games(MMOGs), as it lifts operators from the burden of buying and maintaining hardware. Peer-to-peer(P2P) -based solutions present several advantages, including the inherent scalability, self-repairing, and natural load distribution capabilities. We propose a hybrid architecture for MMOGs that combines technological advantages of two different paradigms, P2P and cloud computing. An efficient and effective provisioning of resources and mapping of load are mandatory to realize an architecture that scales in economical cost and quality of service to large communities of users. As the number of simultaneous players keeps growing, the hybrid architecture relieves a lot of computational power and network traffic, the load on the servers in the cloud by exploiting the capacity of the peers. For MMOGs, besides server time, bandwidth costs represent a major expense when renting on-demand resources. Simulation results show that by controlling the amount of cloud and user-provided resource, the proposed hybrid architecture can reduce the bandwidth at the server while utilizing enough bandwidth of players.

주제어

표/그림 (4)

그림 그림 1. 클라우드의 서버와 영역 조정자가 있는 하이브리드 구조 Fig. 1. A hybrid architecture with servers in the cloud and regional coordinators
그림 그림 2. 새로운 영역 조정자 P_1,4가 추가된 영역 1 Fig. 2. Region 1 with a new region coordinator, P_1,4
그림 그림 3. 플레이들의 수에 따른 영역 서버의 추가 대역폭 Fig. 3. Additional bandwidth of regional server fori ncreasing N_region
표 표 1. 플레이어 수에 따른 대역폭 B_position와 B_{region_server} Table1. Bandwidth B_position와 B_{region_server} for N_region

AI 본문요약
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문제 정의

마찬가지로 P_1,1 , P_1,2 , P_1,3 의 상태 불변 액션도 다른 그룹에 있는 P_1,5와 P_1,6 은 영역 조정자 P_1,4 를 통해서 수신하게 된다. 같은 영역에 있는 특정 플레이어의 위치 변경을 모든 플레이어들에게 직접 전송하기에는 해당 플레이어의 통신 대역폭이 부족할 수 있으므로 새로 설정된 그룹의 영역 조정자를 거쳐서 다른 플레이어들에게 전달하고자 하는 것이다. 추후 새로운 플레이어들이 또 영역 1에 유입될 경우 세 번째 그룹과 영역 조정자가 설정될 수 있으며 그림 2와 동일한 방법으로 영역 내 다른 플레이어 들에게 상태 불변 액션을 전송하게 된다.
본 논문에서 대규모의 플레이어들이 참여하는 MMOG를 위하여 클라우드 컴퓨팅과 P2P 기법의 장점을 모두 활용하는 하이브리드 구조를 제시한다. 이 하이브리드 구조에서 MMOG 세계를 다수의 영역으로 분할하며 영역 내 상태 변경 액션을 처리하는 서버는 클라우드에 구성된다.
본 논문에서는 주문형 자원이 제공되는 클라우드 컴퓨팅과 사용자 제공형 자원이 제공되는 P2P 두 가지 기법을 통합하는 하이브리드 구조를 MMOG의 기반으로 제시하고 이에 대한 게임 액션을 수행하게 된다.
분야 등에 활용된 바 있다. 이 논문도 요구형 자원을 사용하는 클라우드 컴퓨팅과 사용자가 제공하는 자원을 사용하는 P2P를 통합하는 하이브리드 구조를 MMOG에 적용하고 전체 시스템의 통신 대역폭을 분석하고자 한다. 수천 명이상의 플레이어들이 하나의 게임 세계를 공유하는 MMOG는 대부분 RPG(Role Playing Game), RTS(Real-time Strategy), FPS(First Person Shooting) 게임 등이며 각 플레이어는 가상 세계에서 캐릭터의 역할을 가정한다^[8] .

가설 설정

각 플레이어가 보유한 객체들의 평균 수를 N_object 로 기술하며 영역내 같은 그룹에서 위치 변경 액션을 직접 상호 교환하는 플레이어들의 평균 수(즉 동일 그룹에 있는 플레이어들의 수)를 N_player 로 기술하고 객체의 평균 크기 S_object 는 200 바이트로 가정한다. 동일 영역 내에 있지만 영역 조정자가 각각 상이한 그룹들의 수를 N_group이라 할 때 각 플레이어는 위치 변경 즉 상태 불변 액션을 직접 상호 교환하는 N_player 외에 N_group한테도 전송 해야 하므로 필요한 통신 대역폭 B_position(Bytes/초)은 다음과 같다.
각 플레이어는 상태 변경 액션인 음식 섭취와 전투 행위를 1 분에 평균 각각 5 회씩 수행한다고 가정한다. 음식 섭취 횟수와 전투 행위 횟수는 각각 N_eating 과 N_fighting으로 표기된다.
본 논문에서 각 영역마다 특정 플레이어를 영역 조정 자로 설정하며 영역 조정자는 다른 플레이어들에 비하여 컴퓨팅 능력과 통신 대역폭 처리 능력이 다소 우수한 것으로 가정한다. 클라우드 컴퓨팅의 서버와 영역이 구성된 하이브리드 구조는 그림 1과 같다.
. 본 논문에서도 플레이어들이 제한된 이동 속도와 감지 능력을 가지고 있다는 사실을 기반으로 게임 세계가 다수의 영역으로 분할되는 것을 가정한다. 이 영역은 관심 구역(AOI;Area of Interest)으로도 기술되며 게임 지도의 위치상 동일한 영역에 있는 플레이어들은 해당 구역에 대한 관심 그룹을 형성하며 구역 내 상태 갱신 행위만 그룹 내에서 교환한다.
게임 상태를 변경하지 않는 플레이어의 위치 변경 액션은 본 논문에서 상태 불변 액션으로 기술하며 게임 상태가 변경되는 플레이어와 객체 간의 상호작용과 플레이 어들 간의 상호작용은 상태 변경 액션으로 기술한다. 본논문에서 상태 불변 액션은 영역 내의 모든 플레이어들이 직접 상호 교환하며(그림 1에서 화살표가 양단에 있는 실선으로 표현됨) 상태 변경 액션은 플레이어가 클라우드의 담당 서버에게 직접 전송하는 것을 가정한다. 클라우드의 담당 서버는 수신한 플레이어의 상태 변경 액션의 승인 여부를 결정한 후 영역 조정자에게 객체가 변경된 결과를 전달하고 영역 조정자는 이 결과를 다시 영역 내 모든 플레이어들에게 전달한다(그림 1에서 영역과 담당 서버 간에 네모 상자가 양단에 있는 실선으로 표현 됨).
실제 MMOG에서 발생하는 플레이어의 움직임과 데이터 객체의 갱신 등의 결과를 추적하기 어렵기 때문에본 논문에서는 가상의 MMOG가 하이브리드 구조에 적용되는 게임 모델을 가정한다. 이 모델에서 플레이어 객체는 다른 MMOG와 유사하게 자신의 위치 그리고 다른 게임 상태를 관리하며 각 플레이어는 이동, 음식 섭취, 전투 등 세 가지 액션을 수행할 수 있다.
영역 1의 P_1,1 은 영역 1의 조정자 역할을 수행 하며 이중 원으로 표시되고 다른 플레이어 P_1,2와 P_1,3는단일 원으로 표시된다. 영역 2에서도 P_2,1 은 영역 조정자 이며 P_2,2 와 P_2,3 은 일반 플레이어들임을 가정한다.
영역에 새로 진입한 플레이어들의 수가 증가하여 기존 영역 조정자의 능력으로 해결이 어려울 경우 새로운 영역 조정자를 설정하게 된다. 플레이어마다 컴퓨팅 능력과 대역폭 여유가 상이하므로 감당할 수 있는 범위 내에서 조정자의 역할을 수행하는 것으로 가정한다. 그림 2에서 영역 1에 새로운 플레이어들 P_1,4, P_1,5, P_1,6이 진입한 경우 한 그룹을 형성하며 P_1,4 를 새로운 그룹의 영역 조정 자로 설정한 상황이다.

제안 방법

수천 명이상의 플레이어들이 하나의 게임 세계를 공유하는 MMOG는 대부분 RPG(Role Playing Game), RTS(Real-time Strategy), FPS(First Person Shooting) 게임 등이며 각 플레이어는 가상 세계에서 캐릭터의 역할을 가정한다^[8] . 본 논문의 하이브리드 구조 기반의 MMOG는 다수의 영역으로 분할되며 각 영역에서 특정 플레이어를 영역의 조정자로 설정하게 된다.
음식 섭취는 전형 적인 플레이어와 객체 간의 상호작용이며 전투 행위는 전형적인 플레이어들 간의 상호작용이다^[15] . 이 게임 모델에서 각 플레이어는 자신과 NPC를 포함한 객체들을 매초 20 회의 위치 변경을 수행하며 영역 내 다른 플레이어들에게 전송한다.

성능/효과

표 1에서 영역 내 플레이어들의 수가 50명 단위로 증가할 때 각 플레이어의 대역폭(MBytes/sec) B_position은근소한 차이로 증가한 결과가 나타났다. 그리고 B_position에 비하여 수치는 작지만 영역 서버의 대역폭 B_{region_server}도 영역 내 플레이어들의 수가 증가함에 따라 비례하여 증가된 결과가 나타났다.
첫째, P2P 기법은 본질적으로 규모조정이 가능하므로 사용자가 증가되더라도 자원의 지속적인 이용이 가능하다. 둘째, 한 peer 즉 사용자에 결함이 발생할 경우 P2P 통신망은 자체 복구와 재구성이 가능하며 하부구조를 강건하게 유지할 수 있다. 셋째, 통신량이 사용자들 간에 분산되므로 통신 대역폭에 관한 병목현상 발생이 어렵다.
플레이어들은 추가된 영역 조정자들한 테도 상태 불변 액션을 전송하여 영역 내 모든 플레이어 들은 상호 간의 위치 변경을 파악할 수 있다. 본 논문에 서는 영역 내 플레이어들의 대역폭을 활용함으로써 서버의 통신 대역폭을 대폭 절감할 수 있다.
56Mbytes/sec 대역폭이 각각 필요 하게 되는 것이다. 본 논문에서는 영역 내 새로 유입된 플레이어들 중 하나를 영역 조정자로 추가 설정하고 모든 플레이어들의 대역폭을 사용함으로써 클라우드에 있는 서버 대역폭을 절감할 수 있다.
둘째, 한 peer 즉 사용자에 결함이 발생할 경우 P2P 통신망은 자체 복구와 재구성이 가능하며 하부구조를 강건하게 유지할 수 있다. 셋째, 통신량이 사용자들 간에 분산되므로 통신 대역폭에 관한 병목현상 발생이 어렵다.
제시된 하이브리드 구조 기반 MMOG에서 특정 영역에 플레이어들이 급증할 경우에도 서버와 영역 조정자 그리고 플레이어들은 역할을 분담함으로써 영역 조정자를 포함한 플레이어들의 통신 대역폭을 충분히 활용하고 서버의 통신 대역폭을 대폭 감소시킬 수 있다. MMOG에서 영역 내 플레이어들의 수에 따른 서버의 대역폭과 영역 조정자를 포함한 플레이어들의 대역폭에 대한 실험 결과가 분석되었다.
사용자가 제공하는 자원을 MMOG 하부구조에 통합하기 위한 메카니즘은 P2P 패러다임에서 도래되었으며 집중화된 서버의 부하를 감소킴으로써 P2P 기반 해결책은 여러 장점을 나타낸다. 첫째, P2P 기법은 본질적으로 규모조정이 가능하므로 사용자가 증가되더라도 자원의 지속적인 이용이 가능하다. 둘째, 한 peer 즉 사용자에 결함이 발생할 경우 P2P 통신망은 자체 복구와 재구성이 가능하며 하부구조를 강건하게 유지할 수 있다.
각 플레이어는 16 개 이상 48 개 이하의 객체들을 유지하며 평균 객체 수 N_object 는 32로 설정한다. 표 1에서 영역 내 플레이어들의 수가 50명 단위로 증가할 때 각 플레이어의 대역폭(MBytes/sec) B_position은근소한 차이로 증가한 결과가 나타났다. 그리고 B_position에 비하여 수치는 작지만 영역 서버의 대역폭 B_{region_server}도 영역 내 플레이어들의 수가 증가함에 따라 비례하여 증가된 결과가 나타났다.

후속연구

MMOG의 영역을 담당하는 클라우드 서버는 게임 세계의 주요 데이터를 관리하며 보안성을 강화할 수 있고 플레이어들의 대역폭을 효율적으로 활용함으로써 급증하는 플레이어들을 수용할 수 있다. 하이브리드 구조에서 플레이어들의 수와 게임 환경을 고려한 영역 분할과 구성에 대한 구체적 연구와 실험 결과가 더욱 필요할 것으로 전망된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	클라우드 컴퓨팅이 MMOG를 위한 해결책이 된 이유는?	클라우드 컴퓨팅은 운영자들로 하여금 하드웨어 구매와 유지 부담을 경감시키므로 대규모 멀티플레이어 온라인 게임(MMOG)을 위한 적절한 해결책이 되었다. P2P 기반 해결책은 고유의 규모조정성, 자체 복구기능, 자연적인 부하 분산 능력 등 여러 장점을 가지고 있다.
	대규모 멀티플레이어 온라인 게임이란?	대규모 멀티플레이어 온라인 게임(MMOG; Massively Multiplayer Online Game)은 전세계의 수많은 사용자 들이 실시간 가상 환경을 공유할 수 있는 대규모 분산 응용이다[1] . MMOG 운영자들은 MMOG의 어려운 요건을 충족시키기 위해서 필요한 하드웨어 기반을 제공하게 된다.
	MMOG 운영자들이 하드웨어 기반을 제공함으로써 얻게 되는 것은?	MMOG 운영자들은 MMOG의 어려운 요건을 충족시키기 위해서 필요한 하드웨어 기반을 제공하게 된다. 사용자들이 가상 환경에 참여하기 위해서 주기적으로 지불하는 비용이 운영자의 이익이 되는 것이다. 사업 모델과 무관하게 운영자의 이익은 MMOG에 참여하는 사용자들의 수와 직결되어 있으며 인기있는 MMOG일수록 새로운 사용자를 유인할 가능성이 실제로 더 크다.

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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