다중인터페이스환경에서서비스품질을지원하는멀티미디어스트리밍기법연구 191 다중인터페이스환경에서서비스품질을지원하는멀티미디어스트리밍기법연구 (QoS-guaranteed Multimedia Streaming for Multiple Interfaces) 조기덕 박용운 권태경 최양희 (Kideok Cho) (Yongwoon Park) (Taekyoung Kwon) (Yanghee Choi) 요약 IPTV 서비스나 YouTube 와같은방송 / 동영상서비스의등장은멀티미디어스트리밍서비스를인터넷응용의핵심으로만들었다. 이에멀티미디어스트리밍서비스사용자에게서비스품질 (Quality of Service) 을지원하는것이중요한문제로대두되었다. 인터넷에서 TCP 흐름과비슷한성능을보이는동시에혼잡을제어하면서데이터를전송하기위해 TCP-Friendly Rate Control(TFRC) 이제안되었으며멀티미디어스트리밍을위하여널리사용되고있다. 그러나두개이상의인터페이스를가지고있는단말기가등장하고있음에도불구하고이를활용하여 TFRC 기반의스트리밍서비스를제공하기위한방법은제안되지않고있다. 따라서본논문에서는사용자에게서비스품질을지원하기위하여다중인터페이스에서 TFRC 를사용하여스트리밍서비스를제공하는기법을제안한다. 제안한기법은하나의인터페이스만을사용하는기법에비해성능 (throughput) 및비용측면에서더좋은성능을보인다. 키워드 : 멀티미디어스트리밍, 서비스품질지원, TCP-Friendly Rate Control, 다중인터페이스 Abstract One of popular applications in the Internet is the multimedia streaming services such as IPTV or YouTube in which supporting quality of service (QoS) is an important issue. One of widely adopted rate control scheme is TCP-friendly rate control (TFRC) which shows comparable performance with TCP in term of throughput and lower variation of throughput over time. On the other hand, devices with multiple interfaces are emerging in the market. However, it has not proposed to exploit multiple interfaces simultaneously for multimedia streaming services with TFRC. In this paper, we propose a multimedia streaming algorithm with TFRC which exploits multiple interfaces to guarantee the quality of service. We show that the proposed scheme shows better performance than those with a single interface in terms of throughput and communication costs. Key words :Multimedia Streaming, Quality of Service, TCP-Friendly Rate Control, Multiple Interfaces 본연구는인천정보산업진흥원이주관하는 실감형3D영상원천기술개발사업 및기초기술연구회의지원으로수행되었음. 이연구를위해연구장비를지원하고공 종신회원 : 서울대학교전기컴퓨터공학부교수 yhchoi@snu.ac.kr 간을제공한서울대학교컴퓨터연구소에감사드립니다. 논문접수 : 2008년 12월 19일 이논문은제35회추계학술대회에서 다중인터페이스환경에서서비스품질을 심사완료 : 2009년 2월 12일 지원하는멀티미디어스트리밍기법연구 의제목으로발표된논문을확장한 CopyrightC2009 한국정보과학회ː개인목적이나교육목적인경우, 이저작 것임 학생회원 : 서울대학교전기컴퓨터공학부 kdcho@mmlab.snu.ac.kr 비회원 : 서울대학교전기컴퓨터공학부 actual0@snu.ac.kr 정회원 : 서울대학교전기컴퓨터공학부교수 물의전체또는일부에대한복사본혹은디지털사본의제작을허가합니다. 이때, 사본은상업적수단으로사용할수없으며첫페이지에본문구와출처를반드시명시해야합니다. 이외의목적으로복제, 배포, 출판, 전송등모든유형의사용행위를하는경우에대하여는사전에허가를얻고비용을지불해야합니다. 정보과학회논문지 : 정보통신제36권제3호 (2009.6) tkkwon@snu.ac.kr
192 정보과학회논문지 : 정보통신제 36 권제 3 호 (2009.6) 1. 서론초기에파일전송, 메일, 웹서핑과같은응용이주를이루었던인터넷은이제멀티미디어스트리밍등의응용이주를이루고있다. 이러한인터넷응용패러다임의변화는미국의 YouTube[1], 국내의 mncast[2] 등과같은멀티미디어스트리밍서비스제공업체의등장과 IPTV[3] 의등장으로설명할수있다. 또한기존의멀티미디어스트리밍서비스의특징이뉴스, 영화등과같이컨텐츠제공자가제작한멀티미디어데이터를사용자에게일방적으로전달하는것이었던반면, 최근에는사용자들이자신이직접제작한멀티미디어컨텐츠 (User- Created Contents, UCC) 를다른사용자들에게전달하는것이멀티미디어스트리밍의주요서비스대상이되었다. 미래에는디지털기기의발전으로 UCC와같이사용자가만들어내는멀티미디어컨텐츠의양이기하급수적으로증가할것으로예상되며, 인터넷으로방송서비스를제공하게될 IPTV의활성화는멀티미디어스트리밍을인터넷의가장중요한응용으로만들것으로기대된다. 따라서사용자가원하는서비스품질을만족하는동시에효율적으로멀티미디어스트리밍을제공하는기법에대한연구가필요하다. 이를위해인터넷에서 TCP와의형평성을고려한혼잡제어방식으로 TCP-Friendly Rate Control(TFRC) 가제안되었다 [4]. TFRC는 TCP에거의근접한성능 (throughput) 을낼수있는기법으로 RTT, 패킷크기, 패킷손실률등의정보를이용하여전송률을결정하는기법이다. TFRC의이러한특성을이용하여멀티미디어트래픽을전송할때혼잡상황을피하는연구가많이진행되어왔다. 한편으로, 단말기의성능향상으로두개이상의인터페이스를가지고있는 multi-modal 단말기가등장하였다. 랩탑컴퓨터에는이미블루투스, 무선랜, 와이브로등과같은다중인터페이스가장착되고있으며, 휴대폰에서도셀룰러인터페이스에더해무선랜인터페이스가장착된단말기가등장하고있다. 그러나기존의연구에서는다중인터페이스를활용하여멀티미디어스트리밍서비스를제공하는기법은아직제안되지않고있다. 따라서본논문에서는다중인터페이스를가진단말에서 TFRC를사용하여서비스의품질을지원하는멀티미디어스트리밍기법을제안한다. 본논문은다음과같이구성된다. 2장에서는제안하는기법을설명하기전에멀티미디어스트리밍과관련된연구를소개하고한계점을알아본다. 3장에서는다중인터페이스를활용하기위하여본논문에서제안하는 TFRC 기반의멀티미디어스트리밍기법에대해서설명한다. 4장에서본논 문에서제안한기법과하나의인터페이스만을사용하는기법들을비교분석한실험결과를제시한뒤에, 5장에서본논문을정리하고향후연구주제를제안하며본논문을마친다. 2. 관련연구 TFRC는유선망에서널리사용되는전송률조절기법으로서 RTT, 패킷크기, 패킷손실률등의함수로전송률을조절하는수식기반의전송률조절기법이다 [4]. TFRC는동일상황에서 TCP 흐름의전송률의두배를넘지않는범위내에서데이터를전송하도록전송률을조절하게되며이를 TCP 친화적 (TCP-Friendly) 이라고표현하고있다. TFRC는 TCP에비해서시간에따른성능의변화량 (variation of throughput) 이적기때문에, 상대적으로안정적인데이터전송률을요구하는멀티미디어스트리밍서비스를지원하는데있어서 TCP 에대한비교우위를갖고있다. 반면 TFRC는유선망을가정한전송률결정기법이기때문에채널환경변화에의해패킷손실이일어나는무선망의경우패킷손실의원인을잘못판단하여성능을저하시킬가능성이있다. 이를위해무선망의특성을반영하여 TFRC를개선한연구들이진행되어왔다 [5,6]. 그러나 TFRC와관련된기존연구에서는무선환경등은고려하였으나다양한과금체계를가지고있는다중인터페이스를가진단말이존재하는환경을고려하지않았다는한계가있다. 3. 다중인터페이스를이용한서비스품질지원기법 3.1 가정본논문에서는무선랜, 와이브로를장착한랩탑과같이두개이상의서로다른종류의인터페이스를가지고있는단말기상에서서비스품질을지원하는기법을제안한다. 인터페이스에있어 서로다른종류 라는개념은서로다른기술을사용하는인터페이스에서부터서로다른무선채널 / 상이한과금정책을사용하는인터페이스까지다양하게적용될수있다. 본논문에서는가장일반적인예인무선랜 (IEEE 802.11) 과와이브로 (IEEE 802.16e) 인터페이스를모두가지고있는단말에서의서비스품질지원에대해살펴본다. 네스팟과같은무선랜의경우, 사용요금은패킷전송량에상관없이정액으로부과되며, 와이브로의사용요금은전송량에비례하여과금되는것으로가정한다. 위와같은환경에서사용자는멀티미디어스트리밍서비스의품질지원을최우선으로고려하는것으로가정한다. 즉, 사용자는자신이원하는서비스의품질을만족하는것이 1차목표이고, 사용요금을최소화하는것을
다중인터페이스환경에서서비스품질을지원하는멀티미디어스트리밍기법연구 193 2차목표로한다. 또한사용자가사용하는단말은네트워크혼잡상황에서안정적인멀티미디어서비스를지원하기위하여 TFRC를사용하고, Real-time Transport Protocol(RTP) 을사용하여 RTT, 손실률 (loss rate) 등의정보를 TFRC에제공하는것을가정한다 [7]. 3.2 네트워크구성그림 1에본논문에서제안하는기법의네트워크구성이나타나있다. 멀티미디어스트리밍서비스를받는사용자는무선랜과와이브로인터페이스를가지고있는무선단말을가지고있으며각각의기지국 /AP와무선으로연결되어있다. 멀티미디어데이터를전송하는스트리밍서버는각각의기지국 /AP와인터넷으로연결되어있다. 스트리밍서버와사용자는 TFRC를사용해실제네트워크에서의전송률을계산한다. 하나의인터페이스만을사용하는기존의 TFRC 기법과다른점은전체응용을위해서필요한전송률을계산한뒤에 ( 그림 1의 Rate Allocation 부분 ) 이를만족하기위해두개의인터페이스에필요한전송률을할당한다는점이다. 그림 1 네트워크구성 3.3 서비스품질지원을위한전송률결정알고리즘그림 2에본논문에서제안하는서비스품질지원을위한전송률결정알고리즘이나타나있다. T는멀티미디어응용에서서비스를위해요구하는전송률을나타내며, Rapp는실제로멀티미디어응용을위해사용되는전송률을나타낸다. 따라서 Rapp = T일때는응용이요청하는전송률을만족하므로문제가없으나 Rapp < T인경우는응용에서멀티미디어의서비스화질을조절하는등의조정을통해서사용자에게서비스를제공하게된다. 본알고리즘에서는주네트워크및주인터페이스 (Primary Network, Primary Interface) 와보조네트워크및보조인터페이스 (Secondary Network, Secondary Interface) 를정의한다. 주네트워크및주인터페이스는사용 그림 2 전송률결정알고리즘자가멀티미디어스트리밍을위해서주로사용하게될네트워크와인터페이스로본논문에서는사용자의 2차목표가요금을최소화하는것이므로요금이더싼네트워크인무선랜을주네트워크로, 와이브로를보조네트워크로가정한다. 그림 2에나타난바와같이만약무선랜을통한네트워크가혼잡하여전송률을줄여야하는경우, 주네트워크는혼잡을피하기위해서전송률을줄이게된다. 하나의인터페이스만을사용하는기법에서는주네트워크에서전송률을줄인만큼응용에서의서비스품질저하가나타나게된다. 이에반해제안한기법에서는주네트워크에서줄여야하는전송률만큼을보조네트워크로보냄으로써, 전송률감소분을상쇄하여멀티미디어서비스의품질을유지할수있도록한다. 이때보조네트워크의전송률 threshold를확인하여이보다작은경우바로보조네트워크로데이터를보내게되며, 그렇지않은경우에는전체전송률을수정하게된다 (Rapp를 X -th만큼줄이게된다 ). 실제전송률의측정은일정한주기를가지고측정하며매주기마다서비스품질에미달하는전송률을보조네트워크를통해전송하게된다. 보조네트워크인와이브로는종량제과금정책이적용되므로보조네트워크를사용하지않고도서비스품질이지원되는경우즉시보조네트워크의사용을중단한다. 즉, 주네트워크가혼잡상황이아닌경우에는전체전송률 (Rapp) 를응용에서요구하는전송률 (T) 로설정하고, 이를주인터페이스에할당해서전송한다 (Xpri = Rapp로설정 ). 또한요금을최소화하기위해보조네트워크의사용을즉시중단하게된다 (Xsec = 0으로설정함 ). 전체전송률 (Rapp) 을수정하여줄여야하는경우, 응용에서요구하는전송률 (T) 를만족시킬수없게된다. 이경우에는멀티미디어응용의정보를활용하여응용
194 정보과학회논문지 : 정보통신제 36 권제 3 호 (2009.6) 의전송률 (T) 을줄이게된다. 즉, 멀티미디어화질을저품질로전환하거나 I 프레임보다중요도가낮은 B 프레임을전송하지않는방법등을활용하여응용에서요구하는전송률을줄이는방법을함께고려할수있다. 멀티미디어응용정보를활용한멀티미디어스트리밍기법에대해서추후연구할계획이다. 4. 실험결과 4.1 실험설정제안하는기법의성능을분석하기위하여 NS2[8] 를사용하여실험을수행하였다. NS2에서다중인터페이스지원을위해 MW-Node[9] 를사용하였으며 Hung의구현 [10] 을참고하여 MW-Node에 WiMAX 모듈 [11] 을통합하였다. 각각의프로토콜및에이전트의설정은 NS2의기본값을사용하였다. 본논문에서사용한실험의구성이그림 3에나타나있다. 노드의수는본논문에서제안한기법의효과에집중하기위해최소로하였다. 무선랜인터페이스가주인터페이스로서동작하며 TFRC를통해측정된전송률과목적하는서비스품질수준간의차이를계산하여이를보조인터페이스인와이브로인터페이스에할당한다. 혼잡트래픽은그림 4와같은형태를갖는주기적인그림 3 실험구성 트래픽을발생시켰다. 혼잡트래픽을발생시켜서주네트워크를혼잡상황으로만드는것이목적이므로혼잡트래픽을발생시키는노드는무선랜인터페이스만을사용하였다. 혼잡트래픽을발생시키는 5개의노드는각각 12kbytes/sec의트래픽을정기적으로발생시키게된다. 4.2 실험결과본논문에서는다음의두가지기준을사용하여제안한기법의성능을평가하였다. 1. 각기법에서얻을수있는성능 (throughput) 2. 멀티미디어스트리밍서비스를위해지불해야하는총통신비용. 본실험에서는목표로하는서비스품질을 40kbytes/sec로정의하였으며, 이를만족하기위하여스트리밍서버에서는 43kbytes/ sec로데이터를전송하는것을가정하였다. 4.2.1 TFRC의샘플링주기제안하는기법의성능을확인하기전에실험에적절한 TFRC의샘플링주기를찾는실험을수행하였다. TFRC의동작과정에서샘플링주기를짧게할수록네트워크상황에적합한전송률을정확하게측정할수있다. 그러나이는서버의부하로작용하기때문에전송률측정의정확성과서버측처리부하간의 trade-off 관계가존재한다. 이를확인하기위해 TFRC의샘플링주기를변화시키며주인터페이스인무선랜만을사용했을때의성능을측정하였다. 샘플링주기를 0.25초부터 0.25초씩증가시키며실험을하였으며, 그중샘플링주기가 0.25, 0.5, 1초인경우의실험결과가그림 5,6,7에나타나있다. 그림 5,6과그림 7을비교해보면샘플링주기가길경우혼잡을빠른시간내에측정하지못해상대적으로긴시간동안서비스품질을지원하지못하는것을확인할수있다. 그림 7에서 400초부근에시작된혼잡에제대로대처하지못하는것을확인할수있다 ( 전송률이 30kbytes/sec 이하로떨어짐 ). 그림 5와그림 6을비교해보면 100초근처에발생한혼잡을 0.25초샘플링이더욱잘대처하지만큰차이가없음을확인할수있었다. 따라서본논 그림 4 혼잡트래픽패턴 그림 5 주인터페이스성능, 샘플링주기 : 0.25 초
다중인터페이스환경에서서비스품질을지원하는멀티미디어스트리밍기법연구 195 그림 6 주인터페이스성능, 샘플링주기 : 0.5 초 그림 8 와이브로에서의성능 그림 7 주인터페이스성능, 샘플링주기 : 1 초 그림 9 제안하는기법에서의성능 문에서는서버측의부하를고려하여샘플링주기를 0.5 초로설정하여추후실험을진행하였다. 4.2.2 인터페이스사용에따른성능 (throughput) 본논문에서제안하는기법의성능을확인하기위하여무선랜만을사용하는경우, 와이브로만을사용하는경우를두개의인터페이스를사용하는경우와비교분석하였다. 그림 6,8,9에세가지기법의성능이나타나있다. 그림 6에서볼수있듯이, 무선랜만을사용하여멀티미디어스트리밍서비스를제공하는경우네트워크의혼잡때문에응용에서원하는서비스품질을만족하지못하는경우가발생한다. 그림 6의 100~200초사이, 400~500 초사이에서사용자가원하는서비스품질인 40kbytes/ sec를만족하지못하는것을확인할수있다. 이는 TFRC가주변의혼잡상황에대처하기위해전송률을낮추기때문이다. 그림 8에는와이브로만을사용하여서비스를제공하는경우가나타나있다. 본실험에서는주인터페이스인무선랜주변에만혼잡트래픽을발생시켰으므로와이브로에서는혼잡트래픽과상관없이항상서비스품질을만족시킬수있게된다. 그림 9에는본논문에서제안하는기법의성능이나타나있다. 본논문에서제안한방식은무선랜만을사용한그림 6의결과에비해우수한성능을보인다. 무선랜만을사용한경우서비스품질이만족되지않는구간이최대 20초가량지속되는것 ([120, 140]) 을확인할수있다. 이외에도 10초이상서비스품질이만족되지않는구간또한빈번하며성능이서비스품질의 60% 수준에이르는경우또한발생하고있다. 그러나제안한기법은거의모든구간에서서비스품질이지원되며, 서비스품질이지원되지않는구간의길이는 2초미만으로매우짧고, 전송률저하도주어진서비스품질의 5% 미만이다. 따라서본논문에서제안하는기법은무선랜만을사용하여멀티미디어스트리밍을사용하는기법에비해성능측면에서우수함을확인할수있다. 반면와이브로만사용한경우와제안한기법을사용한경우를성능측면에서비교해보면, 두기법모두서비스품질이거의모든구간에서지원되고있다. 그러나다음절에서살펴볼비용측면을고려해보면와이브로만을사용하는것에비해제안한기법이우수함을확인할수있다. 한편제안한기법은혼잡이없을때에도사용자가요
196 정보과학회논문지 : 정보통신제 36 권제 3 호 (2009.6) 구한서비스품질보다높은평균성능을보였는데, 이는주인터페이스와보조인터페이스의동조가샘플링주기만큼의차이를두고발생하기때문인것으로볼수있다. 즉, 샘플링주기동안에주인터페이스의전송률이주어진서비스품질이상으로회복되었는데도불구하고보조인터페이스의전송률이즉시감소하지않고샘플링주기만큼의차이를두고감소하기때문에서비스품질을상회하는구간이존재할수있다. 4.2.3 멀티미디어스트리밍서비스를위한비용이번절에서는제안한기법과무선랜, 와이브로만을사용한기법을통신비용의측면에서비교한다. 비교를위하여무선랜의경우정액제로월 10,000원의요금이과금된다고가정하였으며와이브로의경우종량제로 Mbyte당 50원의요금 [12] 이과금된다고가정하였다. 이러한비용모델은일반적인통신사의가격모델에기반하여식 (1), (2), (3) 과같이일반화할수있다. Cost WLAN =C WLAN (1) Cost WiBro =C WiBro +(X-K WiBro) D WiBro (2) Cost HYBRID = C WLAN + C WiBro + (y-k WiBro) D WiBro (3) C는정액요금에해당하며고정비용에해당한다. D는전송량에따라부과되는비용으로가변비용에해당한다. 또한 K는와이브로에서고정비용에해당하는만큼제공되는기본패킷이다. 즉, K WiBro 를초과하지않는전송량에대해서는추가요금없이정액요금 C WiBro 만큼만과금된다. 식 (1) 은무선랜에해당하는요금으로별도의가변비용없이월정액만과금되는경우이다. 식 (2) 는와이브로에해당하는것으로고정비용에전체전송량 (X) 중기본제공패킷을초과하는부분에대한가변비용이합산되어과금되는경우이다. 식 (3) 은본논문에서제안하는기법의경우로서무선랜과와이브로의비용을단순합산한것이다. 다만가변비용부분으로계산되는전송량이식 (2) 와는달리무선랜인터페이스에서줄인부분 (y) 이와이브로인터페이스를통해전송된전송량이다 (X가아닌 y임을주의 ). 이러한계산하에서 4.2.2의스트리밍서비스에대해계산한비용이그림 10에나타나있다. 무선랜의경우, 사용한데이터의양에상관이없는정액제이기때문에가장낮은요금을보인다 (1만원). 이에반해와이브로만을사용한경우, 전송한데이터의양에비례해서요금이증가하게되므로가장많은요금을보인다. 이에반해제안하는기법은무선랜만을사용한기법과거의유사한비용이과금되게된다. 따라서제안한기법은가격적인측면에서와이브로만을사용하는기법에비해비교우위를가짐을확인할수있다. 그림 10 세가지기법의가격비교 4.2.2와이번절에서알아본바와같이제안한기법은서비스품질을만족하는측면에서는무선랜만을사용한기법보다우수하며, 가격측면에서는와이브로만을사용하는기법에비해우수함을확인할수있다. 5. 결론 본논문에서는점차일반화되는다중인터페이스를가진단말상에서각각의인터페이스의네트워크혼잡상황및비용특성을고려하여주어진서비스품질을만족하는최적의전송량을결정하는기법을제안하였다. 실험을통해서제안한기법이서비스품질만족측면에서는무선랜만을사용한멀티미디어스트리밍서비스에비해우수하며, 가격측면에서는와이브로만을사용한서비스에비해서우수함을확인하였다. 앞으로우리는본기법을세개이상의인터페이스가존재하는일반적인상황에서의멀티미디어스트리밍기법으로확장할계획이며, 주네트워크와보조네트워크가모두혼잡한상황에서의성능을분석할예정이다. 또한주인터페이스와보조인터페이스사이의상호작용에따른서비스품질의영향, 멀티미디어정보를활용한성능향상등을정량적으로연구할계획이다. 참고문헌 [1] YouTube, http://www.youtube.com [2] mncast, http://www.mncast.com [3] IPTV Forum, http://www.iptv-forum.com [4] M. Handley et al., "TCP Friendly Rate Control (TFRC): Protocol Specification," RFC 3448, IETF, January 2003. [5] Minghua Chen and Avideh Zakhor, "Rate Control for Streaming Video over Wireless," IEEE Wireless Communications, August 2005. [6] Youming Fu et al., "TCP-Friendly Rate Control for Streaming Service Over 3G network," WiCOM 2006.
다중인터페이스환경에서서비스품질을지원하는멀티미디어스트리밍기법연구 197 [7] H. Schulzrinne et al, "RTP: A Transport Protocol for Real-Time Applications," RFC 3550, IETF, July 2003. [8] NS2, http://www.isi.edu/nsnam/ns/ [9] Laurent Paquereau and Bjarne E. Helvik, "A module-based wireless node for ns-2," in Proc. of the first workshop on NS2: the IP network simulator, 2006. [10] Chia-Chen Hung et al., "Mobility Pattern Aware Routing for Heterogeneous Vehicular Networks," IEEE WCNC, March 2008. [11] Jenhui Chen et al., "The Design and Implementation of WiMAX Module for ns2 simulator," ACM VALUETOOLS, October 2006. [12] KT, http://www.kt.com 조기덕 2004 년 2 월서울대학교컴퓨터공학부학사. 2004 년 8 월 ~ 현재서울대학교전기컴퓨터공학부박사과정. 관심분야는컨텐츠중심네트워크, 무선센서네트워크, 미래인터넷 박용운 2008년 8월서울대학교컴퓨터공학부학사. 관심분야는멀티미디어통신, 실시간이동통신 권태경정보과학회논문지 : 정보통신제 36 권제 2 호참조 최양희정보과학회논문지 : 정보통신제 36 권제 2 호참조