KR100326534B1 - 분산 시스템에서의 멀티캐스팅 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 패킷의 손실에 의해 화질이 저하되는 것을 방지하도록 한 분산 시스템에서의 멀티캐스팅 방법에 관한 것이다.
본 발명에 따른 분산 시스템에서의 멀티캐스팅 방법은 픽쳐 그룹 단위로 압축된 영상 파일에서 그 픽쳐 그룹의 위치정보를 인덱싱하여 인덱싱 파일을 마련하는 단계와, 멀티캐스팅시 인덱싱 파일을 이용하여 압축된 영상 파일을 픽쳐 그룹 단위의 패킷으로 패킷화하여 전송하는 단계를 포함한다.
이에 따라, 특정 패킷이 손실된다 할지라도 그 외의 다른 패킷들은 디코딩이 가능하여 화질이 저하되는 것을 방지할 수 있음과 아울러 패킷의 시작 위치가 GOP의 시작 위치이므로 디코딩을 위해 픽쳐그룹의 시작 위치를 찾는 처리 시간을 줄일 수 있게 된다.

Description

분산 시스템에서의 멀티캐스팅 방법{Multicasting Method of Distributed System}
본 발명은 분산 시스템에서의 멀티캐스팅 방법에 관한 것으로, 특히 패킷의 손실에 의해 화질이 저하되는 것을 방지하도록 한 분산 시스템에서의 멀티캐스팅 방법에 관한 것이다.
영상 정보를 취급하는 디지털 기술의 발달에 따라 네트워크 통신망을 통해 기존의 텔레비젼 방송이나 화상 통신과 같은 영상정보 서비스를 제공하는 주문형 비디오(Video on Demand : 이하 'VOD'라 함) 시스템에 관한 연구가 활발히 진행되고 있다. VOD 시스템에서는 영상정보를 포함한 다양한 멀티미디어정보 서비스를 클라이언트(Client)에게 순시적으로 제공한다. VOD 시스템에서는 서비스하는 영상정보의 형태에 따라 영상 전용선, LAN(Local Area Network), ISDN(Integrated Services Digital Network)과 같은 공중회선 및 인터넷(Internet) 등을 통해 영상정보를 제공한다. VOD 시스템에서 영상정보는 MPEG(Moving Picture Experts Group : 이하 'MPEG'라 함) 등의 파일 형태로 압축되어 전송되어진다. MPEG은 LAN 등의 통신망에서 고화질의 동영상을 전송하기 위하여 사용되고 있는 영상신호의 압축방법이다. 각각의 클라이언트는 VOD 서버(Server)에서 전송한 MPEG 형태의 영상신호를 수신하여 MPEG 디코딩을 통해 압축된 신호들을 복원하여 영상으로 출력시키게 된다.
VOD 서버에서 영상정보를 전송하는 방법으로는 유니캐스팅 방법과 멀티캐스팅 방법이 있다. 유니캐스팅 방법에서는 하나의 서버, 즉 송신자와 하나의 클라이언트, 즉 수신자가 일대일로 채널을 맺어 통신하도록 되어 있다. VOD 시스템에서 사내 방송, 강의, 회의 등과 같은 방송형 서비스를 유니캐스팅 방법으로 제공할 경우, 서버는 동일한 정보 스트림(Stream)을 모든 클라이언트에게 전송해야 한다. 즉 동일한 정보 스트림을 n개의 클라이언트가 서비스 받는다면, 서버의 입장에서는 n개의 스트림을 반복적으로 전송해야 한다. 하지만 VOD 시스템에서는 서버가 가진 자원 및 네트워크 속도에 제한이 있기 때문에 여러 클라이언트에 동시에 제공할 수 있는 정보 스트림의 수에는 한계가 있다. 또한 네트워크 대역폭의 제한으로 인해서도 서비스 가능한 스트림의 수가 제한을 받는다. 이러한 제한으로 인해 유니캐스팅 서비스에서는 전송상의 비효율성을 갖게 된다.
이와는 달리 멀티캐스팅 방법에서는 하나의 서버와 다수의 클라이언트가 1:n으로 채널을 맺어 통신을 한다. 즉 서버는 하나의 정보 스트림만을 네트워크 상에 방송 형태로 전송을 하고, 모든 클라이언트는 네트워크 상으로 방송된 동일한 스트림을 각각 개별적으로 수신하는 형태를 갖는다. 이러한 방법에 의해 멀티캐스팅 방법에서는 유니캐스팅 방법에 비해 클라이언트 수를 증가시킬 수 있게 된다. 그리고 서버 입장에서는 한 개의 스트림만 전송하면 되기 때문에, 멀티캐스팅 방법에서는 서버 자원의 사용을 효과적으로 줄일 수 있다. 또한 하나의 스트림만이 네트워크에서 서비스되기 때문에 네트워크 트래픽이 줄어들게 된다.
하지만, 멀티캐스팅 방법에 있어서도 정보 스트림을 패킷 단위로 나누어 전송하는 방법에 있어서 문제점을 가지고 있다. 서버에서는 영상 정보 스트림을 압축한 MPEG 영상 파일을 네트워크 상에 전송한다. 멀티캐스팅 서비스에서 제공되는 MPEG 영상 파일은 도 1에 도시된 바와 같이 픽쳐 그룹(Group of Pictures : 이하 'GOP'라 함) 단위로 이루어져 있다. 각각의 GOP들은 하나 이상의 화상 프레임 신호들을 포함하게 된다. 각각의 GOP들은 그에 포함되는 프레임의 수에 따라 서로 다른 크기를 갖는다. 도 1을 참조하면, 각각의 GOP들은 I 픽쳐, B 픽쳐, P 픽쳐로 구성된다. I 픽쳐는 압축되지 않은 완전한 영상정보를 가지고 있으며, B 또는 P 픽쳐는 I 픽쳐에 포함된 영상정보들 중 동적인 화상, 즉 움직이는 부분에 대한 압축된 영상정보를 가지고 있다. 즉 B 또는 P 픽쳐는 I 픽쳐에 대해 의존성을 가지고 있다. 이에 따라 네트워크 상에서 MPEG 파일이 전송되는 과정에서 GOP의 일부분이 누락되거나 손실된다면, 수신하는 클라이언트에서는 GOP의 전체 또는 그 대부분을 디코딩할 수 없게 되는 문제가 발생한다. 이와 같은 문제에 대해 도 2를 결부하여 상세히 설명하기로 한다.
도 2는 도 1에 도시된 MPEG 파일을 전송하기 위해 종래의 VOD 서버에서 사용하고 있는 패킷 구성 방법을 나타낸 도면이다. 도 2에 도시된 바와 같이 GOP 단위로 구성된 MPEG파일은 서버에서 패킷 단위로 네트워크 상에 전송된다. 패킷은 패킷헤더와 패킷바디로 구성된다. 패킷헤더는 패킷의 크기 및 파일에서의 옵셋(Offset) 등에 대한 정보를 가지며, 패킷바디는 GOP 데이터를 갖게 된다. 도 2에 도시된 바와 같이 MPEG 파일을 구성하는 각각의 GOP들은 그에 포함된 프레임 수에 따라 크기를 달리하고 있지만, 실제 서버에서 MPEG 파일의 전송 단위가 되는패킷은 모두 일정한 크기를 갖는다. 즉 종래의 파일 전송방법에서는 GOP 단위와 패킷 단위가 일치하지 않는다. 이와 같이 GOP 단위와 패킷 단위가 일치하지 않는 종래의 전송방법에 있어서는 다음과 같은 문제가 발생한다. 도 2에서 패킷 3이 전송 중에 손실되었다고 가정하면, 파일 스트림을 수신한 클라이언트에서는 패킷 3을 디코딩하지 못하게 됨과 아울러 패킷 3의 손실로 인해 패킷 2와 패킷 4의 디코딩 시에도 영향을 받게 된다. 이는 각각의 GOP에 있어서 압축영상인 B 픽쳐 및 P 픽쳐와 압축되지 않은 완전한 영상인 I 픽쳐가 서로 상호 의존성을 갖기 때문이다. 도 2에서 패킷 1과 패킷 2는 정확히 수신되었으므로 GOP1은 완전히 디코딩될 수 있다. 하지만 GOP2는 패킷 3의 손실로 인해 그에 포함된 픽쳐의 일부가 손실되어 일부분만 디코딩이 가능해진다. 이 때에는 대개 완전한 영상정보를 가진 I 픽쳐만이 디코딩 가능하게 된다. GOP3는 패킷 3의 손실로 인해 그 전체가 디코딩이 불가능하다. 그 이유는 GOP3의 B 픽쳐 및 P 픽쳐는 패킷 4를 통해 수신되지만, GOP3의 I 픽쳐가 패킷 3으로 인해 손실되었기 때문이다. 각각의 GOP에서 B 픽쳐 및 P 픽쳐는 I 픽쳐에 의존해 압축된 영상이기 때문에 I 픽쳐가 없으면 디코딩이 불가능하다. GOP4는 패킷 4와 패킷 5가 정확히 수신되기 때문에 그 전체가 완전히 디코딩될 수 있게 된다.
이와 같이 MPEG 파일을 구성하는 GOP의 단위와 동일하지 않은 크기의 패킷 단위로 멀티캐스팅하는 종래의 방법에 있어서는, 멀티캐스팅 도중 하나의 패킷이 손실되면 손실된 패킷의 앞/ 뒤 패킷까지도 그의 일부분 또는 전체를 디코딩할 수 없게 된다. 즉 실제 손실된 데이터의 두 배에 해당하는 스트림 데이터를 디코딩할수 없게 된다. 이러한 문제는 클라이언트에서 스트림 데이터의 디코딩을 통해 영상정보를 화면으로 출력할 때 극심한 화질의 저하를 초래한다. MPEG 파일을 구성하는 GOP와 GOP 간의 경계점은 영상으로 화면에 출력될 때의 프레임과 프레임 간의 경계점이 된다. 그러나 종래의 전송방법에 있어서는 GOP의 경계와 전송 단위인 패킷의 경계가 서로 일치하지 않기 때문에 패킷이 손실될 경우 도 3에 도시된 바와 같이 일부 영상이 도중에 끊어져 화면상에 출력되는 현상이 발생한다. GOP 단위로 패킷단위가 구성되어 서버로부터 전송된다면 각각의 패킷은 화면상에 연속적으로 출력되는 각각의 프레임을 담당하게 된다. 이러한 경우 어느 한 패킷이 손실된다할지라도 손실된 패킷에 해당하는 어느 한 프레임의 앞 프레임과 뒤 프레임은 완전한 영상을 갖게 되므로 클라이언트에서 디코딩한 화면은 시청자의 눈에는 자연스럽게 보여져 별 문제가 되지 않는다. 하지만 도 2에 도시된 바와 같이 GOP 단위로 패킷이 구성되지 않을 경우에는 패킷의 경계점이 화면 프레임의 경계점이 아니다. 이로 인해 전송 과정에서 패킷이 손실되었을 경우에는 도 3에 도시된 바와 같이 디코딩되어져 보여지는 한 화면에 두 개의 프레임이 동시에 보여져 화면의 끊어짐 내지는 일그러짐 현상이 발생하게 된다. 멀티캐스팅 방법의 경우 각 클라이언트는 잃어버린 패킷에 대해 서버에 재전송을 요청할 수 없기 때문에 일그러진 화면을 보상할 수 없게 된다. VOD 시스템에서는 고화질의 동영상을 서비스하기 위해 MPEG 파일을 사용하고 있는데, 이와 같은 화질의 저하는 VOD 서비스 본래의 목적에 반하는 심각한 문제가 된다.
이와 같은 화질 저하 문제 외에도 종래의 데이터 스트리밍 기법에서는 각 클라이언트에서 디코딩을 위한 처리 시간이 길다는 단점을 가지고 있다. 각 클라이언트는 MPEG 파일을 수신하여 디코딩하기 위하여 패킷 내에서 GOP의 시작 위치를 실시간으로 찾는다. 또한 전송 과정에서 패킷이 손실되었을 경우에는 디코딩을 위한 새로운 GOP의 위치를 실시간으로 찾게 된다. 즉 도 2에 도시된 경우에 있어서는 패킷 3의 손실로 인해 GOP4의 디코딩을 위해서 패킷 4에서 GOP4의 시작 위치를 바이너리 서치를 통하여 새로 찾아야 한다. GOP 단위가 아닌 다른 크기의 패킷으로 서버에서 데이터를 스트리밍하는 종래의 경우에 있어서, 클라이언트는 GOP의 시작 위치를 찾기 위하여 바이너리 서치(Binary Search)를 해야 하므로 처리 시간을 많이 차지하게 된다.
따라서, 본 발명의 목적은 패킷의 손실에 의해 화질이 저하되는 것을 방지하도록 한 분산 시스템에서의 멀티캐스팅 방법을 제공함에 있다.
본 발명의 다른 목적은 전송된 패킷을 디코딩하기 위한 처리 시간이 줄어들도록 한 분산 시스템에서의 멀티캐스팅 방법을 제공함에 있다.
도 1은 주문형 비디오 시스템에서 제공되는 압축된 영상 파일의 구성을 나타낸 도면.
도 2는 종래의 주문형 비디오 시스템의 서버에서 압축된 영상 파일을 전송하기 위한 패킷 구성 방법을 나타낸 도면.
도 3은 종래의 주문형 비디오 시스템에서 패킷이 손실되었을 경우 발생하는 화질 저하 문제를 나타낸 도면.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 주문형 비디오 시스템의 구성을 나타낸 도면.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 주문형 비디오 시스템의 멀티캐스팅 방법에 있어서 서버로부터 스트리밍되는 패킷 구성을 나타낸 도면.
< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 >
20 : 서버 22 : 스위치(또는 허브)
24 : 클라이언트
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 분산 시스템에서의 멀티캐스팅 방법은 픽쳐 그룹 단위로 압축된 영상 파일에서 그 픽쳐 그룹의 위치정보를 인덱싱하여 인덱싱 파일을 마련하는 단계와, 멀티캐스팅시 인덱싱 파일을 이용하여 압축된 영상 파일을 픽쳐 그룹 단위의 패킷으로 패킷화하여 전송하는 단계를 포함한다.
상기 목적 외에 본 발명의 다른 목적 및 특징들은 첨부도면을 참조한 실시 예에 대한 설명을 통하여 명백하게 드러나게 될 것이다.
이하, 도 4 내지 도 5를 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예에 대하여 설명하기로 한다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 VOD 시스템의 구성을 나타낸 도면이다. 도 4를 참조하면, 서버(20)는 GOP 단위로 구성된 MPEG 파일과 MPEG 파일의 GOP 위치 정보를 가지는 인덱스 파일을 저장한다. 서버(20)와 각 클라이언트(24)는 스위치(또는 허브)(22)를 통해 연결된다. 도면에 도시된 바와 같이 본 발명의 VOD 시스템에서는 서버(20)가 MPEG 파일을 클라이언트(24)에 스트리밍할 때 GOP 단위로 패킷화하여 스트리밍한다.
본 발명에 따른 VOD 시스템에 있어서, 서버(20)는 다음과 같은 순서로 MPEG 파일을 멀티캐스팅한다. 먼저 서버(20)에서는 MPEG 파일을 서비스하기 위하여 등록을 할 때에 MPEG 파일의 GOP 위치를 찾는 인덱싱 작업을 수행한다. 이러한 인덱싱 작업은 멀티캐스팅과 동시에 실시간으로 이루어질 필요가 없다. 그리하여 서비스 이용율이 적은 야간 시간에 자동으로 수행하도록 설정한다. 또는 다른 퍼스널 컴퓨터에서 인덱싱 작업을 수행한 후 그 결과 파일인 인덱싱 파일만을 서버(20)에 전송하도록 하는 방법을 사용할 수도 있다. 이에 따라 GOP 위치를 찾는 인덱싱 작업은 서버(20)에 큰 부하로 작용하지는 않게 된다. 인덱싱 작업이 종료된 후, 서버(20)는 멀티캐스팅을 시작한다. VOD 시스템 관리자의 조작에 의해 특정 시간에멀티캐스팅을 시작한다. 또는 VOD 시스템 관리자가 멀티캐스팅할 시간을 미리 예약해 두면, 그 시간에 서버(20)가 자동적으로 멀티캐스팅을 시작할 수도 있다. 멀티캐스팅 시작시에 서버(20)는 인덱스 파일을 자체 메모리에 로드(Load)한다. 인덱스 파일은 MPEG 파일의 GOP에 대한 위치 정보만을 갖기 때문에 메모리에 로드할 수 있을 만큼 충분히 작다. 그 다음 서버(20)는 인덱스 정보를 차례대로 읽으면서 인덱스 정보에 따라 전송할 MPEG 파일을 GOP 단위로 패킷화한다. 본 발명에 따른 VOD 시스템의 멀티캐스팅 방법에 있어서 서버로부터 스트리밍되는 패킷 구성을 나타낸 것이 도 5에 도시되어 있다. 각각의 패킷은 패킷 헤더와 패킷 바디로 구성된다. 패킷 헤더는 패킷의 크기, 파일에서의 옵셋(Offset) 등에 대한 정보를 가지며, 패킷 바디는 GOP 데이터를 갖는다. 각각의 GOP들은 서로 의존성을 갖는 I, B 그리고 P 픽쳐를 포함한다. 본 발명에서는 하나의 패킷이 하나의 GOP에만 대응한다. 즉 종래의 경우에는 GOP의 크기와는 무관하게 각 패킷의 크기가 모두 고정되었지만, 본 발명에 있어서는 포함되는 프레임 또는 데이터량에 따라 크기를 달리하는 각각의 GOP에 대응하여 패킷의 크기가 가변적으로 달라지게 된다. 특정 GOP 내에 포함된 I, B 그리고 P 픽쳐는 다른 GOP에는 의존성을 갖지 않기 때문에 GOP 단위로 구성된 각각의 패킷은 서로 독립적인 상태에 있게 된다. 이와 같은 패킷들은 스위치(또는 허브)(22)를 통해 각각의 클라이언트(24)에 전송된다. 각 클라이언트(24)는 전송된 패킷에서 패킷 헤더를 제거하고, GOP 데이터가 포함된 패킷 바디를 디코딩하여 화면에 영상으로 출력시키게 된다.
본 발명에서는 패킷이 GOP 단위로 구성되기 때문에 전송 과정에서 일부 패킷이 손실될지라도 화면의 끊어짐 현상이 발생하지 않는다. 각 클라이언트(24)는 전송된 패킷들을 GOP 단위로 디코딩하게 된다. 패킷이 손실되는 경우 손실된 패킷에 포함된 GOP는 디코딩이 불가능하지만, 각각의 패킷들은 서로 독립적인 상태에 있기 때문에 종래의 경우와는 달리 손실된 패킷 이외의 모든 패킷은 디코딩이 가능하다. 즉 도 5에서 GOP3를 포함하는 패킷 3이 손실되었다면, 클라이언트는 그 외의 GOP1, GOP2, GOP4만을 디코딩하여 화면에 디스플레이 할 수 있다. 패킷 사이의 경계점은 화면 프레임 간의 경계점이 되기 때문에 화면상으로는 손실된 패킷에 포함된 특정 프레임만이 누락되어 표시된다. 그렇지만 프레임들은 연속적으로 빠르게 출력되므로 사람의 눈에는 패킷의 손실을 인식하지 못할 정도로 자연스럽게 디스플레이 되게 된다. 또한 GOP 단위로 패킷화하여 멀티캐스팅할 경우, 패킷의 시작 위치가 GOP의 시작 위치가 되기 때문에 GOP의 시작 위치를 찾는 작업 시간을 줄일 수 있다. 이에 따라 디코딩을 위한 처리시간을 줄일 수 있게 된다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 분산 시스템의 멀티캐스팅 방법에서는 MPEG 파일을 GOP 단위로 패킷화하여 전송함으로써 패킷 손실시 손실된 패킷 이외의 모든 패킷은 디코딩이 가능해진다. 이에 따라 패킷 손실시에도 GOP 단위로 디코딩되어 화면에 디스플레이되기 때문에 화질이 저하되는 문제를 방지할 수 있게 된다. 또한 패킷의 시작 위치가 GOP의 시작 위치이므로 디코딩을 위해 GOP의 시작 위치를 찾는 처리 시간을 줄일 수 있게 된다.
이상 설명한 내용을 통해 당업자라면 본 발명의 기술사상을 일탈하지 아니하는 범위에서 다양한 변경 및 수정이 가능함을 알 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 기술적 범위는 명세서의 상세한 설명에 기재된 내용으로 한정되는 것이 아니라 특허 청구의 범위에 의해 정하여 져야만 할 것이다.

Claims (4)

  1. 분산 시스템의 서버에서 압축 영상 파일을 멀티캐스팅하는 방법에 있어서,
    픽쳐 그룹 단위로 압축된 영상 파일에서 그 픽쳐 그룹의 위치정보를 인덱싱하여 인덱싱 파일을 마련하는 단계와,
    상기 멀티캐스팅시 상기 인덱싱 파일을 이용하여 상기 압축된 영상 파일을 상기 픽쳐 그룹 단위의 패킷으로 패킷화하여 전송하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 분산 시스템에 있어서의 멀티캐스팅 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 픽쳐 그룹은 완전한 영상 정보와,
    상기 영상 정보에 의존성을 갖는 압축된 영상 정보들을 포함하는 것을 특징으로 하는 분산 시스템에 있어서의 멀티캐스팅 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 패킷은 그 패킷의 정보를 갖는 패킷 헤더와,
    상기 픽쳐 그룹 정보를 갖는 패킷 바디를 포함하는 것을 특징으로 하는 분산 시스템에 있어서의 멀티캐스팅 방법.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 전송 패킷을 수신하는 클라이언트에서 상기 패킷 헤더를 제거하는 단계와,
    상기 패킷 바디에 포함된 상기 픽쳐 그룹 정보를 디코딩하여 화면으로 출력하는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 분산 시스템에 있어서의 멀티캐스팅 방법.
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