KR100681710B1 - Ｐ2ｐ네트웍에서의 대용량 파일분배 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 P2P 시스템에서 대용량 파일을 전송할 때 상황에 맞는 적절한 사용자 선택과 슬라이스 선택을 위한 알고리즘을 포함하는, 파일분배 방법에 관한 것으로서, (1) 파일을 전송하려는 어느 사용자가 P2P 시스템의 다른 사용자들에게 쿼리 메시지를 보내는 단계 (2) 다른 사용자들이 쿼리 메시지를 받으면 자신이 그 파일을 보유하고 있는지 여부를 확인하고 그렇다면 응답 메시지를 보내는 단계 (3) 잠시 후 여러 응답 메시지를 받은 후에, 이를 바탕으로 다른 사용자들의 상태정보를 파악하여, 이러한 정보에 근거하여 현재 다른 사용자들과의 전송 연결이 적고 적은 수의 파일을 공유하고 있으며 대역폭이 좋은 사용자에게 최대 요청 범위 내에서 요청 메시지를 보내는 단계 (4) 사용자가 요청 메시지를 받으면 '전송 스케줄링 알고리즘'에 근거하여 분배를 해 줄 준비를 시작하는 단계(단, 여기서 전송 스케줄링 알고리즘은, 전체 파일을 모두 갖고 있는 '소스 사용자'와 파일의 일부분만을 갖고 있는 '다운로드 사용자'로 구분하여 서로 다른 방식으로 우선권을 부여함 - 로 구성된다.
P2P, 파일분배, 네트웍

Description

Ｐ2Ｐ네트웍에서의 대용량 파일분배 방법 {Method of large file distribution in P2P networks}
도1은 P2P 파일분배 시스템의 전이율.
도2는 λs를 고정시켰을 때의 성능을 나타내는 그래프.
도3은 ν를 고정시켰을 때의 성능을 나타내는 그래프.
도4는 시스템 사용자수의 변화를 나타내는 분포도.
도5는 사용자와 전송량과의 관계를 나타내는 분포도.
도6은 시스템간의 전송시간을 비교하는 그래프.
도7은 다운로드와 업로드간의 관계를 나타내는 분포도.
본 발명은 P2P 시스템에서 대용량 파일을 전송할 때 상황에 맞는 적절한 사용자 선택과 슬라이스 선택을 위한 알고리즘을 포함하는, 파일분배 방법에 관한 것이다.
인터넷 환경에서 서버기반 방법으로 대용량 파일을 전송할 때, 전송을 받고 자 하는 사용자가 증가할수록 이들에게 일정한 품질의 서비스를 제공하기 위해서는 설비를 추가하거나 하는 등의 비용이 발생하는 작업이 필요하다. 그러나 P2P 파일 분배를 사용하면 각각의 사용자들이 클라이언트인 동시에 서버의 역할을 하게 되어 서비스를 요구하는 양이 증가하게 될 경우에도 그에 따라 서비스 할 수 있는 양도 증가하게 된다. 사용자들이 전송을 받으면서 동시에 다른 사용자에게 전송을 해주려면 파일을 여러 개의 작은 슬라이스로 나누어 그것을 하나의 분배 단위로 보고 파일 분배를 하는 것이 효율적이다. 이 때 각 사용자들이 현재 상태 정보를 얻고 이를 바탕으로 어떤 슬라이스를, 다른 어떤 사용자들에게 먼저 요청해야 하는지에 대한 알고리즘이 필요하다. 또 사용자가 서비스를 요청 받으면 모든 요청을 처리할 수 없기 때문에 어떤 사용자에게 먼저 서비스를 해주어야 시스템 사용자들 각자의 만족도를 충족시킬 수 있는가를 결정하는 것이 필요하다.
이에, 본 발명자들은 P2P 시스템에서 대용량 파일을 전송할 때에 필요한, 상황에 맞는 적절한 사용자 선택과 슬라이스 선택 알고리즘을 개발하였다. 이러한 알고리즘의 목적은 파일 분배의 부하를 시스템에 있는 모든 사용자에게 공평하게 분배하는 것이다. 이하에서는, 먼저 마르코프 모델에 적용시킨 P2P 파일 분배를 분석해보고 시뮬레이션을 통해 본 발명에 따른 알고리즘의 효과를 검증하기로 한다.
<발명의 개요>
본 발명은 P2P 시스템에서 사용자들 간에 대용량 파일을 전송할 때의 파일 분배 알고리즘에 관한 것으로서,
(1) 파일을 전송하려는 어느 사용자가 P2P 시스템의 다른 사용자들에게 쿼리 메시지를 보내는 단계 - 여기서 쿼리 메시지는 시스템 상황이 변화된 것을 감지하기 위해서 주기적으로 최대 쿼리 연결 수 이내에서 전송한다.
(2) 다른 사용자들이 쿼리 메시지를 받으면 자신이 그 파일을 보유하고 있는지 여부를 확인하고 그렇다면 응답 메시지를 보내는 단계 - 이 메시지에는 자신이 보유하고 있는 슬라이스의 분포, 파일의 개수, 자신이 전송해 주고 있는 각종 통계자료, 네트워크 대역폭과 같은 정보들이 포함되어 있다.
(3) 잠시 후 여러 응답 메시지를 받은 후에, 이를 바탕으로 다른 사용자들의 상태정보를 파악하여, 이러한 정보에 근거하여 현재 다른 사용자들과의 전송 연결이 적고 적은 수의 파일을 공유하고 있으며 대역폭이 좋은 사용자에게 최대 요청 범위 내에서 요청 메시지를 보내는 단계 - 상태정보란 위 (3)번 항에서 언급한 응답 메시지에 포함되어 있는 상기 정보들을 지칭하는 것이며, 이런 것들을 종합적으로 통계 처리해 요청 메시지를 보낸다.
(4) 사용자가 요청 메시지를 받으면 '전송 스케줄링 알고리즘'에 근거하여 분배를 해 줄 준비를 시작하는 단계 - 단, 여기서 전송 스케줄링 알고리즘은, 전체 파일을 모두 갖고 있는 '소스 사용자'와 파일의 일부분만을 갖고 있는 '다운로드 사용자'로 구분하여, 상기 소스 사용자의 경우에는 높은 대역폭을 가지고 오래 접속한 사용자에게 높은 우선권을 주고, 상기 다운로드 사용자의 경우에는 자기 자신에게 더 많은 데이터를 주는 사용자에게 높은 우선권을 준다.
위의 구성에 덧붙여, 상기 (1)단계를 수행하기 이전에, 현재의 사용자들이 가장 적게 갖고 있는 슬라이스를 선택함으로써 슬라이스 크기를 결정하는 단계가 추가될 수도 있다.
이하 본 발명의 바람직한 실시예에 대해서 구체적으로 설명한다.
<실시예의 설명>
한 시스템에서 너무 작은 슬라이스 크기는 상태정보 교환이나 파일을 얻기 위한 빈번한 재접속으로 인한 부하가 생기게 되고, 너무 큰 슬라이스 크기는 P2P 파일 분배의 장점을 이용하지 못하게 된다. 따라서 적당한 슬라이스 크기를 정하는 것이 중요하다(미리 설명하지만, 본 실시예에서는 슬라이스 크기를 256kB로 정하였다). 시스템의 파일 분배 절차를 살펴보도록 하겠다.
특정 파일에 관심이 있고 그 파일을 얻으려고 하는 어떤 사용자 "HYUN"이 있다고 가정할 때, HYUN은 P2P 시스템의 다른 사용자들에게 쿼리 메시지를 보낸다. 다른 사용자들은 쿼리 메시지를 받으면 자신이 그 파일을 보유하고 있는지 여부를 확인하고 그렇다면 응답 메시지를 보낸다. 이 메시지에는 자신이 보유하고 있는 슬라이스의 분포, 파일의 개수, 자신이 전송해 주고 있는 각종 통계자료, 네트워크 대역폭과 같은 정보들이 포함되어 있다. HYUN은 시스템 상황이 변화된 것을 감지하기 위해서 주기적으로 최대 쿼리 연결 수 이내에서 쿼리 메시지를 보낸다.
잠시 후 여러 응답 메시지를 받으면 HYUN은 이를 바탕으로 다른 사용자들의 상태를 알 수 있다. HYUN은 이러한 정보를 바탕으로 현재 다른 사용자들과의 전송 연결이 적고 적은 수의 파일을 공유하고 있으며 대역폭이 좋은 사용자에게 최대 요청 범위 내에서 요청 메시지를 보낸다. 이러한 사용자 선택 알고리즘의 목적은 사용자들의 유휴 시간을 줄이기 위해서이다. 유휴 시간이란 사용자가 다른 사용자에게 전송을 하지 않고 있는 시간을 의미한다. 이러한 이유는 사용자가 전송해 줄 대상을 발견하지 못하였기 때문이다. 본 발명의 시스템은 위와 같은 요청 알고리즘을 갖고 있기 때문에 유휴 시간을 감소시킬 수 있다.
사용자가 요청 메시지를 받으면 분배를 해 줄 준비를 시작한다. 그러나 사용자가 모든 요청에 대해서 서비스할 수 없기 때문에 전송 스케줄링 알고리즘이 필요하다. 이 시스템에서는 사용자를 두 가지 분류로 나눈다. 하나는 전체 파일을 모두 갖고 있는 소스 사용자, 다른 하나는 파일의 일부분만을 갖고 있는 다운로드 사용자 이다. 이런 식으로 사용자를 분류하는 이유는 모든 사용자는 이기적이고 각기 다른 목적이 있다는 가정 때문이다. 그렇다면 각각의 사용자들이 상이한 선택 알고리즘을 갖는 것은 당연하다. 소스 사용자의 목적은 가능한 자기 자신의 부하를 줄이면서 그 파일을 갖는 소스 사용자를 많이 만드는 것이고, 다운로드 사용자의 목적은 자기 자신이 받는 전송 속도를 높여서 빠르게 다운로드를 완료하는 것이다.
먼저 소스 사용자의 경우를 살펴보겠다. 소스 사용자는 높은 대역폭을 가지고 오래 접속한 사용자에게 높은 우선권을 준다. 그 이유는 높은 대역폭을 가진 사용자일수록 빨리 다른 사용자들에게 그 데이터를 전송할 수 있기 때문이다. 또 로그를 살펴보면 오래 접속해 있는 사용자일수록 그렇지 않은 사용자보다 더욱 더 P2P 시스템에 오래 접속해 있다. 그래서 이러한 사용자들에게 높은 우선권을 주는 것이다. 다음은 다운로드 사용자의 경우를 살펴보자. 다운로드 사용자는 자기 자신에게 더 많은 데이터를 주는 사용자에게 높은 우선권을 준다. 이러한 알고리즘은 파일 분배 시스템에서 모든 사용자들이 다른 사용자들에게 적극적으로 데이터를 줄 수 있는 동기 부여가 될 것이다.
슬라이스 선택은 사용자 선택만큼이나 중요하다. 만약 어떤 슬라이스가 한 사용자만 갖고 있다면 그 사용자가 접속을 종료하면 결국 시스템의 모든 사용자가 완전히 다운로드를 완료할 수 없다. 그래서 제안된 시스템에서는 이러한 상황을 예방하기 위해서 슬라이스 선택 알고리즘을 사용한다. 사용자들이 다음에 전송할 슬라이스를 고를 때, 현재 시스템의 사용자들이 가장 적게 갖고 있는 슬라이스를 선택하는 것이다. 본 발명의 알고리즘은 전체 슬라이스의 분포를 균일하게 하기 위한 것으로서 위와 같은 상황을 방지하는 노력의 일환으로 개발된 것이다.
마르코프 모델을 통한 P2P 파일 분배에 대한 소개가 있었다[Xiangying Yang and Gustavo de Veciana, "Service Capacity of Peer to Peer Networks", In Proceedings of IEEE INFOCOM 2004, Hong Kong, Mar. 2004]. 여기서 우리는 본 발명의 시스템에 적합하도록 마르코프 모델을 확장하겠다.
먼저 시스템의 모든 사용자들이 특정 파일에 관심이 있고, 시스템에 언제나 접속해 있고, 모든 슬라이스를 갖고 있는 한 개의 서버가 있다고 하자. 또 이 시스템에 적합한 마르코프 모델은 2차원 상태 (x,y)를 가진다. 여기서 x는 다운로드 사용자의 수, y는 소스 사용자의 수이다. 모든 프로세스는 포아송 분포를 따른다고 하자. "다운로드 사용자의 도착율은 λd", "소스 사용자 도착율은 λs", "사용자가 서비스할 수 있는 서비스율은 μ", "파일 다운로드를 완료한 사용자가 시스템을 떠나는 율은 ν"와 같이 정의된 기호를 가지고 표1에 P2P 파일분배 시스템의 전이율(transition rate)을 나타내었고 도1에 전이율을 도시하였다.
New Peer Arrival q((x,y),(x+1,y)) = λd
Source Peer Arrival q((x,y),(x,y+1)) = λs
Service a Peer q((x,y),(x-1,y+1)) = μ(x+y+1)
Source Peer Departure q((x,y),(x,y-1)) = νy
위에서 얻어진 전이율을 바탕으로 Q 행렬을 만들 수 있고 행렬 연산을 통해서 안정 상태의 분포를 알 수 있다. 또 매개 변수를 바꾸어 가면서 이 시스템에서의 평균 다운로드 사용자의 수, 평균 소스 사용자의 수, 평균 다운로드 완료 시간을 구할 수 있다.
256MB 크기의 파일을 분배하는 경우를 살펴보자. 대부분의 사용자가 하향 속도가 상향 속도보다 좋은 비대칭형 회선에 접속해 있기 때문에 여기서는 상향 대역폭 1Mbps, 하향 대역폭은 그 이상으로 정의하였다. 이러한 환경에서 대역폭을 전부 사용한다면 서버가 한 사용자에게 데이터를 전송한다면 다운로드 시간은 30분, 1/2시간이 된다. 따라서 우리는 값을 2.0으로 정하고 λd 값을 1.0에서 10.0으로 변화시키고, λs 값을 1.0에서 3.0으로 변화시키고, ν값을 3.0에서 9.0으로 변화시키면서 알 수 있는 여러 가지 평균값들의 경향을 알아보겠다.
도2에서 보듯이 λd 값이 증가함에 따라 평균 다운로드 사용자의 수와 소스 사용자의 수가 증가함을 알 수 있다. λd 값이 일정할 경우에는 ν값이 증가함에 따라 다운로드 사용자의 수가 증가하고 소스 사용자의 수가 감소한다. 이러한 결과는 매우 직관적이다. 사용자들이 시스템에 많이 접속할수록 사용자의 수가 증가하고 사용자들이 파일을 얻고 빨리 나갈수록 전송속도가 느려져 다운로드 사용자의 수가 증가하는 것이다.
다운로드 시간에 대해서 살펴본다. 서버가 1Mbps 상향 속도를 가지고 256MB의 파일을 분배한다고 하자. 만약 파일 분배가 서버 기반의 전통적인 방식을 사용한다고 하면 평균 다운로드 시간은 "(1/2) X (접속된사용자수)" 이다. 그러나 도1에서도 알 수 있듯이 P2P 파일 분배 시스템에서의 다운로드 시간은 훨씬 작은 것을 알 수 있다. 게다가 ν 값이 작을 때에는 λd 값이 커짐에 따라 다운로드 시간이 오히려 줄어드는 것을 알 수 있다. 또 λd 값이 일정할 경우에는 ν값이 증가함에 따라 다운로드 시간이 증가하고 있는 것을 알 수 있다. 이러한 결과를 통해서 P2P 파일 분배 시스템이 확장성을 가지고 있고 소스 사용자들이 시스템에서 오래 머무르게 하는 것이 중요하다는 것을 알 수 있다.
도3에서 볼 수 있듯이 평균 다운로드 시간은 λs 값이 증가할수록 감소한다. 그러나 λs 값이 다운로드 시간에 미치는 영향은 ν값보다 작음을 알 수 있다. 이러한 이유는 일반적으로 소스 사용자가 떠나는 율이 도착율보다 크기 때문이다.
<시뮬레이션>
본 발명에 따른 방법의 효율성을 알아보기 위해서 여러 실험을 수행하였다. 실험은 시뮬레이션을 기반으로 이루어졌다. 먼저 시스템에 참가하는 모든 사용자가 특정 파일에 관심이 있고 동시에 다른 여러 가지 네트워크 자원이 필요한 응용 프로그램을 수행하고 있다고 하자. 따라서 사용자들의 상향 속도는 3장에 설명한 것과 다르게 1Mbps 미만이다. 시스템의 시뮬레이션 매개변수는 표2에 정리하였다.
분배하는 파일 크기 256MB
총 시뮬레이션 시간 10 시간
사용자 도착 율 10
사용자 떠남 율 3, 6, 또는 9
최대 쿼리 연결 수 16
최대 다운로드 연결 수 8
최대 업로드 연결 수 4
먼저 시스템에서 사용자 수의 변화를 살펴보도록 하겠다. 도4에서 보듯이 처음 분배를 시작했을 때 다운로드 사용자의 수가 급속히 증가함을 알 수 있다. 그리고 얼마 후 다운로드 사용자의 수가 증가함을 멈추고 안정화된다. 이러한 현상은 P2P 파일 분배 시스템의 확장성에 기인한다. 소스 사용자의 수를 살펴보면 약 2시간 뒤 처음으로 나타난 뒤 그 후로는 계속 일정한 범위 내에서 그 수를 유지하고 있는 것을 알 수 있다.
도5는 시스템의 전체 사용자와 전체 전송량과의 관계를 보여준다. 이 시스템에서 사용자는 서버의 역할도 병행하기 때문에 사용자가 많다는 것은 파일을 전송해줄 수 있는 자원을 갖고 있다는 것을 의미한다. 그렇기 때문에 도5의 두 그래프가 비슷한 모양을 갖게 된다. 이를 통해서 사용자 수가 증가할수록 시스템의 전체 전송량은 많아지고, 서비스를 받으려 하는 사용자가 늘어나도 파일을 얻는데 필요한 시간은 이에 크게 영향을 받지 않는다는 것이다.
본 발명에서 제안한 시스템의 선택 알고리즘과 단순한 대역폭 기반 알고리즘을 비교해보자. 도6에서 보듯이 본 발명에 따른 시스템의 다운로드 시간이 짧음을 알 수 있다. 그리고 도7은 사용자가 전송을 받을 때의 다운로드 속도와 업로드 속도와의 관계를 나타낸 것이다. 단순 대역폭 기반 선택 알고리즘을 사용한 시스템에서는 업로드 속도가 느린 그래프의 아래쪽에 많은 분포가 있음을 알 수 있다. 이러한 이유는 요청 메시지가 사용자들 간에 골고루 보내지지 않고 특정 사용자에게만 집중되기 때문이다. 그러나 본 발명의 경우에는 적절한 선택 알고리즘으로 다운로드 속도와 업로드 속도와의 양의 상관 관계가 있음을 알 수 있다.
일반적으로 대역폭 기반 알고리즘을 사용하였을 때 더 좋은 성능을 나타낼 것이라고 생각할 수 있다. 그러나 위의 결과를 보면 그렇지 않은 것을 알 수 있다. 높은 대역폭을 갖고 있는 사용자들에게 다운로드 사용자들의 요청이 집중되고, 업로드를 하는데 합리적인 알고리즘을 갖고 있지 않기 때문에 어떤 사용자에게는 너무 많은 요청이 집중되고 또 다른 사용자들에게는 너무 적은 요청 메시지가 오게 된다. 이러한 요인이 위와 같은 그래프가 나오게 된 주요한 원인이다.
본 발명의 시스템에서는 이러한 알고리즘의 추가로 사용자들간에 공정성뿐만 아니라 더불어 효율성도 가지게 된 것을 알 수 있다. 본 발명에서 얻어진 또 다른 효과는 P2P 파일 분배에 관한 것이다. 발명자들의 분석과 실험 결과를 통해서 제안된 P2P 파일 분배 시스템이 확장성을 높여줄 수 있는 기회를 준다는 것을 알 수 있었다. 그래서 이러한 P2P 파일 분배 시스템이 기존의 서버 기반 파일 분배 기법의 좋은 대안이 될 수 있음을 주장한다.

Claims (6)

  1. P2P 시스템에서 사용자들 간에 대용량 파일을 전송할 때의 파일 분배 알고리즘에 있어서,
    (1) 현재의 사용자들이 가장 적게 갖고 있는 슬라이스를 선택함으로써 슬라이스 크기를 결정하는 단계,
    (2) 파일을 전송하려는 어느 사용자가 P2P 시스템의 다른 사용자들에게 시스템 상황이 변화되는 것을 감지하기 위해서 주기적으로 전송쿼리 메시지를 보내는 단계,
    (3) 다른 사용자들이 쿼리 메시지를 받으면 자신이 그 파일을 보유하고 있는지 여부를 확인하여 보유하고 있다면 이 응답 사용자가 보유하고 있는 슬라이스의 분포, 파일의 개수, 자신이 전송해 주고 있는 각종 통계자료, 네트워크 대역폭의 상태정보를 포함하는 응답 메시지를 보내는 단계,
    (4) 상기 (3) 단계에서 수신한 응답메시지에 대한 응답으로서, 이 응답메시지 내에 포함된 다른 사용자들의 상태정보를 파악하여, 이 상태정보에 근거하여 현재 다른 사용자들과의 전송 연결이 적고, 적은 수의 파일을 공유하고 있으며, 대역폭이 좋은 사용자에게 최대 요청 범위 내에서 요청 메시지를 전송하는 단계,
    (5) 사용자가 요청 메시지를 받으면 '전송 스케줄링 알고리즘'에 근거하여 분배를 해 줄 준비를 시작하는 단계를 포함하되,
    상기 전송 스케줄링 알고리즘은, 전체 파일을 모두 갖고 있는 '소스 사용자'와 파일의 일부분만을 갖고 있는 '다운로드 사용자'로 구분하여 각기 다른 우선권을 주되, 소스 사용자의 경우에는 높은 대역폭을 가지고 오래 접속한 사용자에게 높은 우선권을 주고, 다운로드 사용자의 경우에는 자기 자신에게 더 많은 데이터를 주는 사용자에게 높은 우선권을 주는 것을 특징으로 하는 P2P 네트웍에서의 대용량 파일분배 방법.
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