VoIP

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개요

인터넷을 통한 실시간 음성 대화는 종종 인터넷 전화(Internet telephony)라고 불리는데, 사용자 관점에서는 전통적인 회선 교환 전화 서비스와 유사하기 때문이다. 또한 실시간 음성 대화는 일반적으로 VoIP(Voice-over-IP)라고 불린다. 화상 대화(conversational video)는 VoIP와 많은 면에서 유사하지만, 음성뿐 아니라 참가자의 영상도 포함된다는 점에서 차이가 있다.

Limitations of the Best-Effort IP Service

IP(Internet Protocol)는 Best-Effort 서비스를 제공한다. 즉, IP는 각 데이터그램을 출발지에서 목적지로 가능한 한 빨리 전송하려고 노력하지만, 지연 시간이나 패킷 손실 등에 대한 보장은 하지 않는다. 이는 큰 문제가 될 수 있는데, VoIP 애플리케이션은 지연(delay), 지터(jitter), 손실(loss)에 매우 민감하기 때문이다. 이때 VoIP 애플리케이션이 reliable data transfer를 위해서 TCP를 사용하지 않는 이유는 TCP의 재전송 메커니즘이 end system 사이의 지연을 증가시키기 때문이다. 또한 TCP의 혼잡 제어는 패킷 손실이 발생했을 때 전송 속도를 낮추므로 수신 속도보다 송신 속도가 느려질 수 있고, 이에 따라 버퍼 고갈(buffer starvation)이 발생하여 수신자 측에서 음성 이해 가능성(intelligibility)이 심각하게 저하될 수 있다. 이에 따라 대부분의 VoIP 애플리케이션은 기본적으로 UDP를 사용한다.

해당 문단에서는 best-effort 네트워크 환경에서도 application layer에서 VoIP 성능을 향상시킬 수 있는 방법들을 다룬다. 이에 대한 논의를 구체적으로 하기 위해서, 다음의 VoIP 예시를 사용한다:

• 송신자는 초당 8,000 바이트를 생성한다.
• 송신자는 20ms마다 바이트들을 모아 하나의 청크로 만든다.
• 이 chunk는 특수 헤더와 함께 UDP 세그먼트에 캡슐화되어 전송된다.
  • 계산하면, 20ms × 8,000 bytes/sec = 160 bytes. 즉, 20ms마다 160바이트 UDP 세그먼트가 전송된다.

Packet Loss

이 상황에서 수신자는 언제 청크를 재생할지, 누락된 청크에 대해서 어떻게 대응할지에 대해서 결정해야 한다. VoIP 애플리케이션에서 생성된 UDP 세그먼트는 IP 데이터그램으로 캡슐화되어 전송된다. 이 데이터그램은 전송 중에 라우터의 버퍼(큐)를 거치는데, 이 중 하나라도 버퍼가 가득 차 있다면, 해당 IP 데이터그램은 폐기(dropped)되고 수신자에게 도달하지 못한다. 하지만 패킷 손실은 생각보다 치명적이지 않을 수도 있는데, 실제로 VoIP 애플리케이션에서 1~20% 정도의 손실률은 허용 가능하며, 이는 음성의 인코딩 방식과, 패킷 손실을 은폐하는 기술에 따라 달라진다. 예를 들어 FEC(Forward Error Correction) 기법은 중복되는 정보를 담은 비트를 추가적으로 전송하여, 일부 손실된 데이터를 복구할 수 있다. 하지만 손실률이 10~20% 이상이거나 링크가 매우 혼잡하면 QoS를 더 이상 유지할 수 없다.

=End-to-End Delay

VoIP 애플리케이션에게는 종단 간 지연(end-to-end delay)도 매우 중요한 요소이며, 종단 간 지연은 다음의 총 합이다:

• transmission delay
• processing delay
• queueing delay
• propagation delay
• end-system processing delays

이때 VoIP 애플리케이션 기준으로, 150ms 미만의 지연은 사용자에게 감지되지 않으며, 150~400ms의 지연 시간은 받아들일 수 있는 수준의 지연시간이다. 또한 400ms 이상의 지연 시간은 현실적으로 대화가 더 이상 불가능한 수준이다. 이에 따라 수신 측은 보통 400ms 초과된 패킷은 무시하며, 이는 결과적으로 패킷 손실과 유사하다.

Packet Jitter

Packet jitter란 패킷 간 도착 간격의 불규칙성을 의미한다. 예를 들어 송신자는 20ms 간격으로 패킷 전송을 하지만, 수신 시점의 간격은 20ms보다 크거나 작을 수 있다는 것이다. 예를 들어 첫 패킷이 라우터의 거의 빈 큐에 도착하고, 두 번째 패킷은 도착 후 다른 패킷들과 겹친다면, 두 패킷은 20ms 간격으로 전송됐지만, 실제 수신 간격은 20ms보다 더 길어진다. 이 경우 오디오가 끊기거나 느려진 느낌을 줄 수 있다.
반대로 첫 번째 패킷은 라우터의 큐 뒤쪽에 도착해서 오래 기다리고, 두 번째 패킷은 거의 곧바로 뒤따라 도착해서 바로 처리된다면 실제 수신 간격은 20ms보다 짧아진다. 이 경우 음성이 너무 빨리 나와 들리기도 전에 다음 소리가 덮을 수 있다. 따라서 jitter를 완화하는 것이 QoS를 위해서 필요하다.