Multimedia Networking

상위 문서: 컴퓨터 네트워크

개요

현재 전 세계의 대부분의 사람들은 인터넷을 이용하여 여러 멀티 미디어 건텐츠에 접근할 뿐만 아니라, 동영상과 오디오등을 인터넷에 업로드하기도 한다. 이렇듯, 멀티미디어 컨텐츠는 인터넷의 중요한 구성 요소가 되어가고 있다. 해당 문서에서는 이러한 멀티미디어 서비스를 제공하는 멀티미디어 애플리케이션의 분류 체계와, 기존 애플리케이션과의 차이점에 대해 다룬다. 또한 이를 구현하기 위한 여러 기술 들과 기법에 대해 다룬다.

Multimedia Networking Applications

멀티미디어 네트워크 애플리케이션이란 오디오나 비디오를 사용하는 모든 네트워크 애플리케이션을 의미한다.

Properties of Video

비디오란 이미지들의 연속이며, 여러 이미지들이 동일한 속도로 표시되는 것이다. 예를 들어 24 images/sec(24fps)란 초당 24장의 정지 이미지로 전송되는 비디오 품질을 의미한다. 또한 디지털 이미지란 픽셀 배열이며, 각각의 픽셀은 비트로 표시된다. 예를 들어 RGB 픽셀은 24비트로 표현 가능하다.

비디오의 가장 큰 특징은 높은 비트 전송률(bit rate)를 요규한다는 것이다. 화상 회의는 적어도 100kbps의 전송률을 요구하며, 고화질 영상 스트리밍 서비스는 3Mbps 이상의 전송률을 요구한다. 비디오의 또다른 특징은 압축이 가능하다는 것이며, 이를 통해 영상 품질과 비트 전송률 사이의 절충(trade-off)를 택할 수 있다. 이렇게 멀티미디어의 데이터를 압축하고 디지털 형식으로 변환하는 과정을 인코딩(encoding)이라고 한다.

압축을 할 때 중요한 것은 중복(redundancy)를 활용하는 것으로 이는 공간적 중복(spatial redundancy)와 시간적 중복(temporal redundancy)로 구분된다. 공간적 중복은 이미지 내부에서 반복되는 색상, 패턴들을 의미하며, 시간적 중복은 연속된 프레임에서 중복되는 프레임을 의미한다. 보라색 픽셀이 하나의 프레임 내에서 중복된다고 할 때, 각 픽셀의 색 정보를 N번 전송하는 대신 공간적 중복을 활용하여 보라색 + 반복 횟수: N만을 전송하면 된다. 또한 시간적 중복을 활용한다면 연속된 프레임(frame i와 frame i+1) 사이의 차이만 전송하여, 전체 프레임을 다 보내지 않고, 변화된 부분만 보내는 방식이다.

동영상의 비트레이트는 CBR(Constant Bit Rate)와 VBR(Variable Bit Rate)로 나뉜다. CBR은 고정 전송률로 비디오를 전송하는 방식이다. 즉, 매 초마다 동일한 양의 데이터를 사용해서 비디오를 압축하는 방식이다. 인코딩 속도가 일정하여 비교적 예측가능하며, 이에 따라 일정한 네트워크 대역폭을 요구한다는 장점이 있다. 하지만 모든 프레임에 동일한 비트 수를 사용하므로, 동적인 화면과 같이 압축이 어려운 프레임에 대해서는 영상의 품질이 떨어질 수 있다는 단점이 있다.
VBR이란 가변 전송률로 비디오를 전송하는 방식이다. 즉, 프레임 간의 변화나 복잡도에 따라 인코딩 속도가 달라지는 방식이다. 이에 따라 장면의 복잡도에 따라 적절한 전송률을 사용하여 비디오 서비스의 품질을 일정하게 유지할 수 있다는 장점이 있다. 하지만 요구되는 네트워크 대역폭의 요구량이 일정하지 않다는 단점이 있다.

Properties of Audio

Figure 1. Multimedia: audio

Figure 1. Multimedia: audio

실제의 소리는 연속적인 파동 형태의 아날로그 신호이다. 따라서 디지털 전송을 위해서는 이를 아래와 같은 과정을 통해 디지털 신호로 변환하여야 한다:

1. 아날로그 오디오 신호는 일정한 속도로 샘플링(sampling)된다.
   • 샘플링이란, 일정 시간 마다 소리의 세기를 측정하는 것이다.
   • 예를 들어, 전화는 초당 8000번의 샘플링을, CD에 저장된 음악은 초당 44100번의 샘플링을 요구한다.
2. 샘플링하여 측정된 소리의 세기는 어떤 유한한 값 중 하나로 반올림(quantized)되며, 이 과정을 양자화(quantization)이라고 한다.
   • 예를 들어 8비트 사용시, 가능한 양자화 값은 256개이다.
   • 이 과정에서 원래의 값과 차이가 생기는데, 이를 양자화 오차(quantization error)라고 한다.
3. 모든 샘플의 비트 표현은 이에 해당하는 디지털 신호가 된다.

이러한 과정은 figure 1을 통해서 더욱 잘 이해할 수 있다. 또한 이를 통해서 오디어의 전송률을 계산할 수 있는데, 예를 들어 초당 8000번의 샘플링이 진행되고, 256개의 양자화 값이 존재할 때, 해당 오디오의 전송률은 log2256bits/sample x 8000samples/sec = 64000bps(64kbps)가 된다. 오디오 스피커를 통해 이를 다시 재생하기 위해서는 수신자가 해당 디지털 신호를 다시 아날로그 신호로 변환해야 한다. 하지만 이것은 원래 신호의 근사치일 뿐이며, 원래의 아날로그 신호에 더 가까워지기 위해서는 샘플링 속도 혹은 양자화 값의 수를 늘려야 한다. 즉, 비디오와 마찬가지로 QoS와 비트 전송률 간의 절충(trade off) 관계가 있다.

Types of Multimedia Network Application

인터넷은 여러 가지 유형의 멀티미디어 애플리케이션을 지원하며, 이는 크게 세 가지 범주로 나뉜다:

• 저장된 오디오/비디오 스트리밍(Streaming Stored Audio and Video)
• IP 기반의 음성/영상 통화(Conversational Voice- and Video-over-IP)
• 실시간 오디오/비디오 스트리밍(Streaming Live Audio and Video)

먼저, 저장된 오디오/비디오 스트리밍에 대해 논의하자. 이때 해당 문서에서는 저장된 비디오 스트리밍 애플리케이션에 대해서 집중하여 서술한다. 저장된 오디오 스트리밍(예: Spotify의 음악 스트리밍 서비스)은 저장된 비디오 스트리밍과 매우 유사하지만, 일반적으로 비트 전송률이 훨씬 낮을 뿐이다. 이 범주의 애플리케이션에서, 전송하는 매체는 미리 녹화되어 서버에 저장되어 있는 비디오이다. 이때 저장된 비디오 스트리밍 애플리케이션에는 다음과 같은 세 가지 특징이 있다:

1. 스트리밍(Streaming): 저장된 비디오 스트리밍 애플리케이션에서는 클라이언트가 서버로부터 비디오를 받고 몇 초 내에 재생을 시작한다. 즉, 클라이언트는 비디오의 한 지점을 재생하는 동시에, 서버로부터 이후의 부분을 받는다. 이 기법을 스트리밍이라고 하며, 이는 전체의 비디오 파일을 먼저 다운로드하고 재생하는 방식보다 더욱 빠른 재생을 가능하게 한다.
2. 상호작용성(Interactivity): 미디어는 사전에 녹화된 것이며, 이에 따라 사용자는 비디오를 일시 정지하거나, 앞으로 또는 뒤로 이동하거나, 빨리 감기 등을 할 수 있어야 한다. 또한 해당 동작을 클라리언트가 요구했을 때, 그 반응 시간은 매우 짧아야 한다.
3. 연속 재생(Continuous playout): 생이 시작되면, 비디오는 원래 녹화된 타이밍에 맞춰 계속 재생되어야 한다. 따라서 데이터는 클라이언트가 재생하기 전에 적시에 서버로부터 도착해야 하며, 그렇지 않으면 QoS는 프레임 정지/건너뜀 등의 현상으로 악화된다.

이러한 스트리밍 서비스에서 가장 중요한 성능 지표는 처리량(throughput)이다. 이는 연속적인 재생을 보장하기 위해서는 네트워크가 해당 비디오의 비트 전송률보다 높은 처리량을 제공해야 하기 때문이다.

그리고, IP 기반 음성/영상 통화에 대해서 논의하자. IP 기반의 음성 통화는 사용자의 관점에서 전통적인 circuit-switching 전화 서비스와 유사하여 종종 인터넷 전화라고도 불린다. 또한 VoIP(Voice-over-IP)로도 알려져 있다. 영상 통화는 음성에 더하여 참여자의 영상도 포함된다는 점에서만 구분된다. 이때 VoIP에서 중요한 특성 두가지는 아래와 같다:

• timing consideration: 약간의 지연만 생겨도 사용자는 불편을 느끼므로 음성/영상 애플리케이션은 지연에 매우 민감하다. 이는 delay tolerance가 매우 낮다는 말로 표현되기도 한다.
• loss-tolerant: 데이터 손실에 비교적 관대하여, 데이터의 완전성과 무결성이 상대적으로 중요하지 않다는 의미이다.

마지막으로 실시간 오디오/비디오 스트리밍에 대해 논의하자. 실시간 오디오/비디오 스트리밍 서비스는 전통적인 라디오/TV 방송과 유사하지만, 전송이 인터넷을 통해서 이루어진다는 점에서 차이가 있다. 이들 애플리케이션은 사용자의 위치에 상관없이 생방송을 시청할 수 있게 한다. 해당 애플리케이션은 보통 동일한 프로그램을 동시에 여러 사용자에게 전송한다. 오늘날 인터넷에서는 보통 CDN을 이용해 이를 수행한다. 저장된 오디오/비디오 스티리밍과 마찬가지로, 네트워크는 실시간 멀티미디어 흐름마다 비디오 소비 속도보다 높은 평균 처리량을 제공해야 한다.

Streaming Stored Video

자세한 내용은 Streaming Stored Video 문서를 참조해주십시오.

VoIP

자세한 내용은 VoIP 문서를 참조하십시오.

Network Support for Multimedia

지금의 인터넷은 멀티미디어 애플리케이션에 대해 "best-effort" 방식만을 제공하며, 이에 따라 멀티미디어 애플리케이션은 클라이언트 버퍼링, 품질 조정, 패킷 손실 보정과 같은 application layer에서의 기법을 통해 성능을 높인다. 실제로 이 방식만으로도 괜찮은 수준의 QoS를 제공할 수 있다. 하지만 현재, 네트워크 수준에서의 멀티미디어 애플리케이션을 지원하기 위한 시도가 계속되고 있다. 아래는 네트워크에서 지원 가능한 서비스들이다:

• Making the best of best-effort service: 위에서 다룬 application layer 수준의 메커니즘과 인프라는 패킷 손실이나 과도한 종단 간 지연이 거의 발생하지 않는 잘 차원화된(well-dimensioned) 네트워크에서는 성공적으로 작동한다. 이를 위해서 수요 증가가 예측될 경우, ISP들은 만족스러운 지연 및 패킷 손실 성능을 계속 보장하기 위해 추가적인 대역폭 및 스위칭 용량을 배치한다.
• Differentiated Service: 인터넷은 보통 모두에게 동일한 서비스를 제공하는 "best-effort" 방식이다. 하지만 각 패킷의 용도에 따라 차등 서비스(Differentiated Service)를 제공함으로서, 더 나은 서비스를 제공할 수 있다. 예를 들어, VoIP 애플리케이션은 지연에 대해 더욱 민감하므로, 다른 패킷에 대해 우선 순위를 받아 라우터에서 처리될 수 있다.
• Per-connection QoS Guarantees: 해당 서비스를 통해서 각 애플리케이션 인스턴스가 명시적으로 end system 사이의 대역폭을 예약하고, 이를 통해 end system 사이에 보장된 성능을 확보한다. 예를 들어, 사용자가 호스트 A에서 호스트 B로 VoIP 전화를 하고 싶다면, VoIP 응용 프로그램은 두 호스트 간 경로상의 각 링크마다 대역폭을 명시적으로 예약하는 것이다.

아래는 이에 대해 정리한 것이다:

Approach	Granularity	Guarantee	Mechanisms	Complexity	Deployment to date
Making the best of best- effort service	all traffic treated equally	none, or soft	application-layer support, CDNs, overlays, network- level resource provisioning	minimal	everywhere
Differentiated service	different classes of traffic treated differently	none, or soft	packet marking, policing, scheduling	medium	some
Per- connection QoS Guarantees	each source- destination flows treated differently	soft or hard, once flow is admitted	packet marking, policing, scheduling; call admission and signaling	light	little

Dimensioning Best-Effort Networks

네트워크 수준에서 멀티미디어 애플리케이션은 지원하는데에 있어 어려운 점은 이러한 응용 프로그램들이 매우 엄격한 성능 요구사항(즉, 낮은 종단 간 패킷 지연, jitter, 패킷 손실 등)을 갖고 있고, 네트워크가 혼잡 상태에 빠질 때마다 이러한 지연, 지터, 손실이 발생한다는 점에서 비롯된다.

이에 따라 멀티미디어 애플리케이션의 품질을 향상시키기 위한 가장 간단한 해결책은 돈으로 해결하는 것이다. 즉, 자원 경쟁이 일어나지 않도록 네트워크 전반에 걸쳐 충분한 링크 용량을 제공함으로써, 네트워크 혼잡과 그에 따른 지연 및 손실이 전혀 발생하지 않도록 하는 것이다. 충분한 링크 용량이 있다면, 패킷들은 대기 지연 없이, 손실 없이 오늘날의 인터넷을 빠르게 통과할 수 있다. 이는 이상적인 해결책으로, 멀티미디어 응용은 완벽하게 동작하고, 사용자들도 만족하며, 인터넷의 best-effort 구조를 변경하지 않고도 달성 가능하기 때문이다. 이때 중요한 질문은 아래와 같다:

• 이러한 이상적인 상태를 달성하기 위해 얼마나 대역폭이 요구되는가?
• 그리고 그만한 대역폭을 제공하는 것이 ISP의 사업적 관점에서 실현 가능한가?

이때 특정 수준의 성능을 달성하기 위해서, 주어진 토폴로지에서 네트워크 링크에 얼마나 많은 용량을 제공할 것인가에 대한 질문은 대역폭 할당(bandwidth provisioning) 문제라 불린다. 이를 좀더 고차원적으로 확장한 문제는 라우터를 어디에 배치하고, 어떤 링크로 연결하고, 링크에 어떤 용량을 부여할 것인가를 설계하여 원하는 end system 사이의 성능을 달성하는 것으로, 이는 네트워크 차원화(network dimensioning) 문제라고 불린다. 이 문제를 해결하기 위해서는 아래와 같은 요소에 대해 파악해야 한다:

• 네트워크 end system 사이의 트래픽 수요 모델을 만들어 두 end system 사이에 얼마나 많은 데이터가 오가는지를 수학적·통계적으로 예측해야 한다.
  • call-level 모델: 사용자들이 얼마나 자주 세션을 시작하는지에 대해 모델링
  • packet-level 모델: 세션이 시작된 이후 실제로 패킷이 얼마나 자주, 어떤 패턴으로 생성되는가를 모델링한다.
  • 트래픽 부하는 시간에 따라 변화할 수 있다는 점도 고려해야 한다.
• 정의된 성능 요구 사항
  • 예를 들어, 지연에 민감한 트래픽(예: VoIP 애플리케이션)을 지원하기 위한 요구사항은 "패킷의 종단 간 지연이 허용 가능한 최대 지연을 초과할 확률이 일정 값보다 작아야 한다"와 같이 정의될 수 있다.
• 주어진 트래픽 모델에 대한 end system 성능을 예측하는 모델과, 이에 대해 최소 비용의 대역폭 할당을 위한 최적화 기법

Providing Multiple Classes of Service

자세한 내용은 Providing Multiple Classes of Service 문서를 참조하십시오.