[논문]P2P 통신 병용 DASH 시스템의 피어 부하 분산 방안 연구

서주호; 김용한

doi:10.5909/jbe.2020.25.1.94

P2P 통신 병용 DASH 시스템의 피어 부하 분산 방안 연구
A Peer Load Balancing Method for P2P-assisted DASH Systems 원문보기

방송공학회논문지 = Journal of broadcast engineering, v.25 no.1, 2020년, pp.94 - 104

서주호 (서울시립대학교 일반대학원 전자전기컴퓨터공학과) , 김용한 (서울시립대학교 일반대학원 전자전기컴퓨터공학과)

초록
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현재 유무선 인터넷을 통한 미디어 소비는 대부분 ISO/IEC MPEG(Moving Picture Experts Group)에 의해 표준화된 미디어 스트리밍 방식인 DASH(Dynamic Adaptive Streaming over HTTP) 또는 이와 유사한 형태의 적응형 미디어 스트리밍(adaptive media streaming) 기술에 의해 시행되고 있다. 이들은 모두 ISP(Internet Service Provider)가 웹서비스를 원활하게 제공하기 위해 충분히 설치할 수밖에 없는 HTTP 캐시(cache)에 크게 의존한다. 결과적으로 미디어 스트리밍 사용자 증가에 따라 CDN(Contents Delivery Network) 사업자의 서버 증설 부담 대신 ISP의 HTTP 캐시 증설 부담이 커지게 되었다. 이로 인해, ISP들은 이러한 HTTP 증설 비용을 보전하기 위해 CDN 사업자에게 미디어 트래픽 비용을 부과하게 되었다. 최근 이러한 비용을 줄이고자 P2P(Peer-to-Peer) 통신을 함께 사용하는(P2P-assisted) DASH 방식이 제안되었다. 또한 이러한 P2P 통신 병용 DASH 시스템의 효율을 극대화하여 CDN 사업자의 비용을 최대한 절감시키는 피어 선택 알고리듬도 연구되었다. 그러나 이 알고리듬은 선택된 피어에게 부담을 집중시키는 경향이 있다. 본 논문에서는 피어의 부담을 여러 피어들에게 분산시키면서도 CDN 사업자의 비용 절감 수준을 적절하게 유지하는 새로운 피어 선택 알고리듬을 제안하고, 이를 WebRTC(Web Real-Time Communication) 표준 API를 활용한 웹기반 스트리밍 시스템에 구현한 후, 실험을 통해 제안한 알고리듬의 효용성을 검증하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

Currently media consumption over fixed/mobile Internet is mostly conducted by adaptive media streaming technology such as DASH (Dynamic Adaptive Streaming over HTTP), which is an ISO/IEC MPEG (Moving Picture Experts Group) standard, or some other technologies similar to DASH. All these heavily depend on the HTTP caches that ISPs (Internet Service Providers) are obliged to provide sufficiently to make sure fast enough Web services. As a result, as the number of media streaming users increases, ISPs' burden for HTTP cache has been greatly increased rather than CDN (Content Delivery Network) providers' server burden. Hence ISPs charge traffic cost to CDN providers to compensate for the increased cost of HTTP caches. Recently in order to reduce the traffic cost of CDN providers, P2P (Peer-to-Peer)-assisted DASH system was proposed and a peer selection algorithm that maximally reduces CDN provides' traffic cost was investigated for this system. This algorithm, however, tends to concentrate the burden upon the selected peer. This paper proposes a new peer selection algorithm that distributes the burden among multiple peers while maintaining the proper reduction level of the CDN providers' cost. Through implementation of the new algorithm in a Web-based media streaming system using WebRTC (Web Real-Time Communication) standard APIs, it demonstrates its effectiveness with experimental results.

주제어

표/그림 (6)

그림 그림 1. Hive의 구성 Fig. 1. The Structure of Hive
그림 그림 2. 세그먼트 전달 이력 기반 피어 선택 알고리듬의 흐름도 Fig. 2. The flowchart of the peer selection algorithm based on segment transfer history
그림 그림 3. 피어 부하 분산을 위한 피어 선택 알고리듬의 흐름도 Fig. 3. The flowchart of the peer selection algorithm for peer load balancing
그림 그림 4. 3가지 피어 선택 알고리듬 간의 CDN 비용 절감비 실험 결과 Fig. 4. The experimental results of the CDN cost reduction for the 3 peer selection algorithms
그림 그림 5. 피어 부하 분산을 위한 피어 선택 알고리듬을 사용한 경우, 저속 피어가 4개 있을 때, 세그먼트 별 선택된 피어의 맵(map) (‘Source’는 미디어 서버를 나타냄) Fig. 5. The map of selected peers for each segment when there are 4 low-speed peers and the peer selection algorithm for peer load balancing is used. (‘Source’ indicates media server.)
그림 그림 6. 피어 부하 분산을 위한 피어 선택 알고리듬을 사용한 경우, 선택된 피어의 백분율 (‘Source’는 미디어 서버를 나타냄) Fig. 6. The percentage of selected peers for each segment when there are 4 low-speed peers and the peer selection algorithm for peer load balancing is used. (‘Source’ indicates media server.)

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 CDN 비용 절감 수준을 적절히 유지하면서도 여러 피어에게 부담을 분산시키는 새로운 피어 선택 알고리듬을 제안하고, 이를 Hive에 구현한 후 실험을 통해 그 효용성을 검증하였다.
본 논문에서는 P2P 통신 채널을 함께 사용하여 피어들간에 이미 수신한 DASH 세그먼트들을 공유할 수 있게 하는 P2P 통신 병용 DASH 시스템에서 CDN 사업자의 트래픽 비용을 크게 줄이면서도 특정 피어에게 과도한 부하를 지게 하지 않는 새로운 피어 선택 알고리듬을 제안하고 실험을 통해 그 효용을 보였다. 본 논문에서 제안한 새로운 알고리듬은 CDN 사업자의 트래픽 비용 절감 효과를 극대화하는 기존 알고리듬이 특정 피어의 부담을 과도하게 크게 하는 단점을 적은 비용의 상호 절충(trade-off)을 통해 극복할 수 있게 하였다.
III장에서 설명한 3가지 피어 선택 알고리듬 간의 성능차이를 측정하기 위한 비교 실험을 시행하였다. 실제 실험에서는 P2P 통신 속도가 느린 피어 수가 늘어남에 따른 성능 변화를 분석할 수 있는 실험을 시행하였다. 하나의 클라이언트는 9개의 피어를 이웃으로 가지며, 각 피어들은 미리 콘텐츠를 플레이함으로써 해당 콘텐츠의 모든 세그먼트들을 갖고 있도록 하였다.
이를 위해 트래커는 주기적으로 피어 목록에 있는 피어들 중 무작위로 일정 수의 피어들을 선택하여 이들에 대한 정보를 클라이언트에게 제공하고 이 정보를 바탕으로 클라이언트는 일정 수의 피어들과의 P2P 통신 채널을 수립한다. 피어들과의 P2P 통신 상태는 동적으로 변하기 때문에 클라이언트는 P2P 통신이 원활하지 못한 피어는 배제시키고 트래커로부터 주기적으로 제공되는 피어들의 정보를 기반으로 새로운 피어와 P2P 통신 채널을 수립하는 과정을 지속적으로 수행함으로써, 가능한 한 일정 수의 피어와 P2P 통신 채널이 수립되어 있는 상태를 유지하고자 노력한다. 물론 피어 목록에 등록된 피어의 수가 상기 일정 수 보다 작은 경우에는 상기 일정 수 보다 작은 수의 피어와 P2P 통신 채널을 수립할 수밖에 없을 때도 있다.

가설 설정

모든 피어에게 적어도 한 번의 요청을 보낸 후 세그먼트 획득 속도를 측정하여야 하고 이 과정에서 저속 피어 수가 증가함에 따라 세그먼트 요청 오류에 따른 CDN 비용 절감비 감소가 초래된다. 하지만 이러한 CDN비용 절감비 감소 현상은 스트리밍 초기에 피어들의 세그먼트 획득 속도를 측정할 때만 발생하므로 스트리밍할 콘텐츠의 플레이 시간이 길어질수록 두 방법의 CDN 비용 절감비 차이는 줄어들 것이다. 따라서 피어 부하 분산을 위한 피어 선택 방법은 콘텐츠의 길이가 충분히 길다면 이력 기반 피어 선택 방식에 비해 크게 차이가 나지 않는 CDN 비용 절감비를 얻을 수 있으며 세그먼트 요청도 분산시킬 수 있는 알고리듬이다.

제안 방법

III장에서 설명한 3가지 피어 선택 알고리듬 간의 성능차이를 측정하기 위한 비교 실험을 시행하였다. 실제 실험에서는 P2P 통신 속도가 느린 피어 수가 늘어남에 따른 성능 변화를 분석할 수 있는 실험을 시행하였다.
의 내용을 수정하여 사용하였다. 단, 제안하는 피어 선택 방법의 성능을 기존 논문 [1] 및 [2]와 같은 조건 하에서 비교하기 위해, 트래커로부터 피어 목록을 전달 받는 주기(15초), 이때 전달 받는 피어 목록의 최대 피어 수(5개), 각 피어가 P2P 연결을 유지하는 최대 피어의 수(10개), 피어에게 세그먼트를 요청한 이후의 타임아웃 검출용 제한시간(5초), DASH 플레이어의 초기 버퍼링 양(10초) 등 각종 파라미터는 Hive 시스템의 설정과 같게 하였다.
본 논문에서 제안한 새로운 알고리듬은 CDN 사업자의 트래픽 비용 절감 효과를 극대화하는 기존 알고리듬이 특정 피어의 부담을 과도하게 크게 하는 단점을 적은 비용의 상호 절충(trade-off)을 통해 극복할 수 있게 하였다. 또한 기존 알고리듬과 새로운 알고리듬에서 공통으로 사용된 문턱값을 기존의 것 보다 더 합리적인 값으로 대체하였다.
실험에서는 9개의 이웃들 중 각기 0, 2, 4, 6, 8개가 저속 피어가 되도록 네트워크 에뮬레이터를 설정한 5가지 실험을 시행하되, 각 실험은 3회 시행하여 CDN 비용 절감비의 평균값을 산출하였다.
실험에 사용된 미디어 콘텐츠는 DASH-IF(Industry Forum)에서 제공하는, 크기 91MB, 재생시간260s인 Envivio사의 DASH 콘텐츠^[5]이다. 이 DASH 콘텐츠를 안내하는 웹페이지와 [5]로부터 다운로드 받은 해당 콘텐츠를 실험실 내의 웹서버를 통해 제공하도록 하였다. 즉 웹페이지 서버와 미디어 서버는 물리적으로 동일한 서버로 구현하였다.
그림 3에 보인 알고리듬에서는 우선순위가 가장 높은 피어를 선택하는 것이 아니라 가장 높은 우선순위를 갖는 피어와 그 우선순위 보다 1단계 및 2단계 아래의 우선순위를 갖는 피어들까지 모두 포함하는 리스트를 구성하고 이로부터 무작위로 하나의 피어를 선택하도록 하였다. 이 때 만약 구성된 리스트에 직전의 세그먼트 요청을 받은 피어를 포함하여 여러 피어가 리스트에 포함되어 있으면 직전의 세그먼트 요청을 받은 피어는 리스트로부터 제외함으로써 어떤 한 피어가 연속적으로 2개의 세그먼트 요청을 받게 되는 경우를 가능한 한 피하도록 하였다. 물론 리스트에 남아 있는 피어가 하나뿐이라면 비록 그것이 직전의 세그먼트 요청을 받은 피어라 할지라도 세그먼트 요청을 보내도록 한다.
CDN 비용을 줄이려면 클라이언트는 미디어 서버 측으로 세그먼트 요청을 하기 전에 먼저 다른 피어에게 해당 세그먼트를 요청하여야 한다. 이를 위해 트래커는 주기적으로 피어 목록에 있는 피어들 중 무작위로 일정 수의 피어들을 선택하여 이들에 대한 정보를 클라이언트에게 제공하고 이 정보를 바탕으로 클라이언트는 일정 수의 피어들과의 P2P 통신 채널을 수립한다. 피어들과의 P2P 통신 상태는 동적으로 변하기 때문에 클라이언트는 P2P 통신이 원활하지 못한 피어는 배제시키고 트래커로부터 주기적으로 제공되는 피어들의 정보를 기반으로 새로운 피어와 P2P 통신 채널을 수립하는 과정을 지속적으로 수행함으로써, 가능한 한 일정 수의 피어와 P2P 통신 채널이 수립되어 있는 상태를 유지하고자 노력한다.
콘텐츠 웹페이지의 자바스크립트, 트래커 프로그램, 시그널링 서버 프로그램 등은 Hive 시스템 오픈 소스^[7]의 내용을 수정하여 사용하였다. 단, 제안하는 피어 선택 방법의 성능을 기존 논문 [1] 및 [2]와 같은 조건 하에서 비교하기 위해, 트래커로부터 피어 목록을 전달 받는 주기(15초), 이때 전달 받는 피어 목록의 최대 피어 수(5개), 각 피어가 P2P 연결을 유지하는 최대 피어의 수(10개), 피어에게 세그먼트를 요청한 이후의 타임아웃 검출용 제한시간(5초), DASH 플레이어의 초기 버퍼링 양(10초) 등 각종 파라미터는 Hive 시스템의 설정과 같게 하였다.
실제 실험에서는 P2P 통신 속도가 느린 피어 수가 늘어남에 따른 성능 변화를 분석할 수 있는 실험을 시행하였다. 하나의 클라이언트는 9개의 피어를 이웃으로 가지며, 각 피어들은 미리 콘텐츠를 플레이함으로써 해당 콘텐츠의 모든 세그먼트들을 갖고 있도록 하였다. 이처럼 피어들이 미리 세그먼트를 갖도록 한 이유는, 피어들이 VOD(Video On Demand)를 시청하며 클라이언트가 피어들 중 가장 늦게 VOD를 시청하는 경우를 실험 상황으로서 상정했기 때문이다.

대상 데이터

본 논문에서는 CDN 미디어 서버, 웹페이지 서버, 트래커, 시그널링 서버와 클라이언트를 포함한 피어들이 모두 한 건물 내에 있는 상황에서 네트워크 에뮬레이터를 사용하여 실험을 시행하였고, 피어들의 수도 10개로 제한하였다. 향후 여러 서버와 여러 피어들이 지리적으로 멀리 떨어진 실제 환경에서 많은 수의 피어들을 대상으로 하는 대규모의 실험을 시행하여 본 논문에서 제안한 알고리듬의 성능을 검증할 필요가 있다.
80)이다. 실험에 사용된 미디어 콘텐츠는 DASH-IF(Industry Forum)에서 제공하는, 크기 91MB, 재생시간260s인 Envivio사의 DASH 콘텐츠^[5]이다. 이 DASH 콘텐츠를 안내하는 웹페이지와 [5]로부터 다운로드 받은 해당 콘텐츠를 실험실 내의 웹서버를 통해 제공하도록 하였다.
실험을 위해 사용한 웹 브라우저는 현재 WebRTC 표준 API를 가장 잘 지원하고 있는 크롬 브라우저(버전 71.0.3478.80)이다. 실험에 사용된 미디어 콘텐츠는 DASH-IF(Industry Forum)에서 제공하는, 크기 91MB, 재생시간260s인 Envivio사의 DASH 콘텐츠^[5]이다.
9)^[6]를 사용하였다. 피어의 수는 클라이언트를 포함하여 10개로 하였는데, 이들은 편의상 모두 한 실험실 내의 인트라넷에 속해 있지만, 이들간의 P2P 통신 채널의 상태를 에뮬레이션하기 위해 상기 NetBalancer를 모든 피어에 설치하여 사용하였다. 단, 이 실험실은 미디어 서버가 있는 실험실과는 다른 실험실로서 같은 건물 내 3개 층 떨어진 곳에 있다.

이론/모형

이 웹페이지에 포함된 자바스크립트는 III장에 설명한 알고리듬을 포함하여 Hive의 클라이언트 측 기능을 수행한다. 피어들의 네트워크 환경을 에뮬레이션하기 위해 NetBalancer(버전 9.12.9)^[6]를 사용하였다. 피어의 수는 클라이언트를 포함하여 10개로 하였는데, 이들은 편의상 모두 한 실험실 내의 인트라넷에 속해 있지만, 이들간의 P2P 통신 채널의 상태를 에뮬레이션하기 위해 상기 NetBalancer를 모든 피어에 설치하여 사용하였다.

성능/효과

(2)에서 세그먼트 획득 속도의 분모는 세그먼트 전달 시작 시점부터가 아니라 세그먼트 요청 시점부터 세그먼트 전달 완료 시점까지의 소요 시간이므로, 세그먼트의 첫 바이트부터 마지막 바이트까지의 전달에 소요되는 시간으로 세그먼트 크기를 나눈 것으로 정의되는 통상의 전달 속도(transfer speed)에 비해 세그먼트 획득 속도가 더 작다. 한 세그먼트를 P2P 통신을 통해 획득하는 동안 측정한 세그먼트 획득 속도가 문턱값 보다 크다는 것은 해당 콘텐츠의 최고 화질 DASH 표현의 비트율 보다 빠른 속도로 DASH 플레이어의 미디어 버퍼를 채울 수 있다는 것을 의미하므로, 해당 피어의 P2P 통신 채널 상태가 스트리밍을 지원하기에는 충분히 양호하다는 것을 뜻한다.
또한 저속 피어 수가 늘어남에 피어 부하 분산을 위한 피어 선택 알고리듬의 CDN 비용 절감비가 감소하며 이력 기반 피어 선택 아고리듬과의 차이가 또한 커짐을 확인할 수 있다. 이는 하나의 정속 피어만을 찾고 해당 피어에게 요청을 집중시키는 이력 기반 피어 선택 알고리듬과 달리 세그먼트 요청을 분산시키기 위해 모든 정속 피어를 찾기 때문에 발생한다.
본 논문에서는 P2P 통신 채널을 함께 사용하여 피어들간에 이미 수신한 DASH 세그먼트들을 공유할 수 있게 하는 P2P 통신 병용 DASH 시스템에서 CDN 사업자의 트래픽 비용을 크게 줄이면서도 특정 피어에게 과도한 부하를 지게 하지 않는 새로운 피어 선택 알고리듬을 제안하고 실험을 통해 그 효용을 보였다. 본 논문에서 제안한 새로운 알고리듬은 CDN 사업자의 트래픽 비용 절감 효과를 극대화하는 기존 알고리듬이 특정 피어의 부담을 과도하게 크게 하는 단점을 적은 비용의 상호 절충(trade-off)을 통해 극복할 수 있게 하였다. 또한 기존 알고리듬과 새로운 알고리듬에서 공통으로 사용된 문턱값을 기존의 것 보다 더 합리적인 값으로 대체하였다.
하지만 이력 기반 피어 선택 방법 보다는 약간 낮은 CDN비용 절감비를 얻음을 확인할 수 있다. 저속 피어 수가 8개 일 때 무작위 피어 선택 방법에 비해서는 약 75% 높고 이력 기반 피어 선택 방법에 비해서는 약 8% 낮은 CDN 비용절감비를 얻음을 관찰할 수 있다.
그럼에도 불구하고 이는 무작위 피어 선택 방법에 비해 매우 뛰어난 성능이다. 저속 피어 수가 8개일 때, 즉 정속 피어가 하나뿐일 때, 무작위 피어 선택 방법은 약 10%, 이력 기반 피어 선택 방법은 약 93%의 CDN 비용 절감비를 달성함을 관찰할 수 있다.

후속연구

본 논문에서는 CDN 미디어 서버, 웹페이지 서버, 트래커, 시그널링 서버와 클라이언트를 포함한 피어들이 모두 한 건물 내에 있는 상황에서 네트워크 에뮬레이터를 사용하여 실험을 시행하였고, 피어들의 수도 10개로 제한하였다. 향후 여러 서버와 여러 피어들이 지리적으로 멀리 떨어진 실제 환경에서 많은 수의 피어들을 대상으로 하는 대규모의 실험을 시행하여 본 논문에서 제안한 알고리듬의 성능을 검증할 필요가 있다.

참고문헌 (8)

R. Roverso and M. Hogqvist, "Hive.js: Browser-Based Distributed Caching for Adaptive Video Streaming," 2014 IEEE International Symposium on Multimedia, pp.143-146, 2014.
J. H. Seo, S. H. Choi, S. J. Kim, J. Y. Jeon, and Y. H. Kim, "A transport-history-based peer selection algorithm for P2P-assisted DASH systems based on WebRTC," Journal of Broadcast Engineering, Vol.24, No.2, pp.251-263, Mar. 2019.

원문보기 상세보기
WebRTC 1.0: Real-time Communication between Browsers, https://w3c.github.io/webrtc-pc/ (accessed Sept. 2018).
S. H. Choi, A study on traffic reduction of Web-based video streaming CDN using WebRTC-based P2P data sharing, Master's thesis of University of Seoul, Seoul, Rep. of Korea, Dec. 2018.
http://dash.edgesuite.net/envivio/dashpr/clear/ (accessed Dec. 12, 2017).
Netbalancer, https://netbalancer.com/ (accessed June 24, 2019).
https://github.com/Peerialism/hive.js (accessed Dec. 12, 2017).
MSIT (Ministry of Science and Information Technology) Press Release, "Quality assessment results of 2017 telecommunication services," https://www.msit.go.kr/web/msipContents/contentsView.do?cateIdmssw311&artId1371275, (accessed Aug. 26, 2018).

저자의 다른 논문 :

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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