KR100931375B1 - 개선된 파라미터 산출방법이 적용된 데이터 스트림 전송률 제어방법 및 데이터 스트리밍 서버 - Google Patents

개선된 파라미터 산출방법이 적용된 데이터 스트림 전송률 제어방법 및 데이터 스트리밍 서버 Download PDF

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Abstract

본 발명은 개선된 파라미터 산출방법이 적용된 TCP 전송률 측정을 통한 데이터 스트림 전송 제어방법 및 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 TCP의 전송률을 보다 정확하게 계산하여 전송되는 비디오 스트림의 전송률을 효율적으로 조절함으로써 경쟁하는 TCP트래픽과 친화적으로 동작하며 네트워크 대역폭을 보다 공평하게 사용하도록 하는 개선된 파라미터를 이용한 데이터 스트림 전송 제어방법 및 시스템에 관한 것이다.
상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 멀티미디어 데이터 스트림 전송의 전송률 제어방법은 수신된 RTCP 제어 메시지로부터 종단 간 지연, 재전송 타임아웃 파라미터 및 패킷 손실 이벤트 정보를 산출하고, 패킷 손실 이벤트 정보를 기반으로 패킷 손실률을 산출하는 제1단계와, 산출된 패킷 손실률, 종단 간 지연 및 재전송 타임아웃 파라미터를 이용하여 TCP 평균 전송률을 계산하는 제2단계와, 계산된 TCP 평균 전송률을 이용하여 데이터 스트림의 전송률을 조절하는 제3단계를 포함하여 이루어질 수 있다.
비디오 스트리밍, 데이터 스트림, RTP 프로토콜, 전송률 제어

Description

개선된 파라미터 산출방법이 적용된 데이터 스트림 전송률 제어방법 및 데이터 스트리밍 서버{ＥＦＦＩＣＩＥＮＴ ＤＡＴＡ ＳＴＲＥＡＭＩＮＧ ＭＥＴＨＯＤ ＵＳＩＮＧ ＥＦＦＩＣＩＥＮ ＴＰＡＲＡＭＥＴＥＲＳ ＡＮＤ ＤＡＴＡ ＳＴＲＥＡＭＩＮＧ ＳＥＲＶＥＲ}
본 발명은 개선된 파라미터 산출방법이 적용된 TCP 전송률 측정을 통한 데이터 스트림 전송 제어방법 및 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 TCP의 전송률을 보다 정확하게 계산하여 전송되는 비디오 스트림의 전송률을 효율적으로 조절함으로써 경쟁하는 TCP트래픽과 친화적으로 동작하며 네트워크 대역폭을 보다 공평하게 사용하도록 하는 개선된 파라미터를 이용한 데이터 스트림 전송 제어방법 및 시스템에 관한 것이다.
오늘날 인터넷을 통한 비디오 스트리밍 기술은 방송, 교육 등 다양한 인터넷 콘텐츠의 형태로 적용되고 있으며 그 사용이 날로 증가하고 있다. 특히, 최근 UCC 등의 활성화로 인해 인터넷에서 효율적인 비디오 스트리밍 기술에 대한 요구가 점차 높아지고 있다. 비디오 스트리밍 기술은 다른 통신 기술과는 달리 고유한 특성이 있으며 특히, 실시간성과 영상 품질 등의 특성에 민감하고 어느 정도의 패킷 손 실을 허용하며 전송률을 기반으로 동작하는 측면이 있다. 따라서 멀티미디어 트래픽의 이러한 본질적인 특징으로 인하여 신뢰적인 패킷 전달을 수행하는 TCP는 스트리밍 서비스의 전송 프로토콜로는 적합하지 않고, 대부분의 멀티미디어 트래픽은 UDP를 사용하게 되었다.
인터넷을 통한 비디오 스트리밍 응용에서 TCP 친화적인 전송률 조절기법은 네트워크의 안정성을 향상시키고 프로토콜 간의 형평성을 향상시킨다. 이러한 혼잡 제어 메커니즘이 없는 경우 네트워크 환경에서 여러 트래픽 간의 대역폭 경쟁이 적절하게 제어되지 않아 트래픽의 효율적이 전송이 불가능하고 네트워크 불안정과 통신 품질의 저하를 초래하게 된다. 따라서, 네트워크 안정성을 향상시키고 TCP 트래픽과 non-TCP 트래픽 간의 형평성을 향상시키기 위해 TCP 친화적인 전송률 조절 기법들이 연구되어 왔다.
TCP 친화적인 전송률 조절 기법의 대표적인 예는 파드예(Padhye)가 제안한 TCP 전송률 모델링 공식을 이용하는 기법이다. Padhye는 TCP Reno를 기반으로 TCP 플로우의 평균 전송률을 종단 간 지연, 재전송 타임아웃, 패킷 손실률, 세그먼트 크기와 같은 파라미터를 사용하여 수학적 공식으로 모델링하였다.
이러한 수학적 모델링 기법에 기반하여 TCP 플로우의 평균 전송률은 종단 간 지연과 패킷 손실률에 의해 계산되며, 여기에서 패킷 손실률은 일정 구간에서 전체 보내진 패킷의 수에 대한 손실된 패킷의 비율로 계산된다.
Padhye의 TCP 전송률 모델링 공식은 현재 네트워크의 상태에서 TCP 플로우의 평균 전송률을 정확하게 계산할 수 있다는 장점으로 인해 TCP 플로우와 친화적이며 공평하게 전송률을 조절하는 것을 목적으로 가지는 비디오 스트림 전송 기법에 관련한 연구들에서 빈번하게 사용되고 있다.
한편, RTP(Real-time transport protocol)/RTCP(RTP control protocol) 모델 기반의 비디오 스트림 전송 기법으로 LDA(Loss Delay-based Adaptation) 기법이 있다. LDA는 RTCP의 제어 메시지를 이용하여 TCP의 평균 전송률을 계산하는데 사용되는 파라미터인 종단간 지연, 패킷 손실률, 재전송 타임아웃을 계산한다. RTCP 제어메시지로부터 얻은 세 가지 파라미터들은 동일한 네트워크 환경에서 대역폭을 경쟁하는 TCP 플로우의 평균 전송률을 계산할 수 있다.
이렇게 하여 계산된 TCP의 평균 전송률은 LDA에서 전송하는 비디오 스트림의 전송률 조절에 사용되며, 이를 통해 경쟁하는 TCP 플로우와의 친화성 및 형평성을 향상시키게 된다.
인터넷의 주요 트래픽에 사용되는 전송 프로토콜인 TCP는 비디오나 오디오와 같은 멀티미디어 스트림의 전송에는 적절하지 않으므로 대부분의 멀티미디어 스트리밍에서는 전송 프로토콜로 UDP(User Daragram Protocol)를 기반으로 하는 RTP를 사용하게 된다. 하지만, 혼잡 제어 메커니즘이 없는 UDP 기반의 RTP를 전송 프로토콜로 사용함으로써 네트워크의 불안정을 발생시키게 되며 TCP를 사용하는 트래픽과 네트워크 자원을 공평하게 사용하지 못하는 문제점을 가지게 된다.
LDA 기법은 TCP 친화적인 전송률 조절을 위해 Padhye 공식을 사용하나 네트워크 혼잡상태에서 Padhye 공식의 산출값을 그대로 사용하는 경우, 공식에 사용되는 파라미터들의 부정확성으로 인해 공식의 산출값은 실제 TCP 평균 전송률에 비해 작은 값으로 계산되며 전송률의 변화가 크게 발생한다는 문제점이 있다.
이러한 문제점을 해결하기 위해 추가적인 알고리즘을 사용하여 전송률의 변화를 완화하는 방안이 고려될 수 있으나, 여전히 부정확한 파리미터 값들로 인해 정확한 TCP 평균 전송률을 구하지 못하는 문제가 있으며 부정확한 TCP 평균 전송률 값으로 인해 트래픽을 효율적으로 제어하지 못하고 별도의 알고리즘을 추가로 적용해야 하는 문제가 있다.
본 발명은 상기의 문제점들을 해결하기 위해 안출된 것으로써, 본 발명에 따른 개선된 파라미터 산출방법을 적용한 전송률 측정 및 제어방법은 개선되 파라미터 산출방법을 통해 TCP의 전송률을 보다 정확하게 계산하여 전송되는 비디오 스트림의 전송률을 보다 효율적으로 조절함으로써 경쟁하는 TCP 트래픽과 친화적으로 동작하며 네트워크 대역폭을 보다 공평하게 사용할 수 있도록 함을 목적으로 한다.
또한, 추가적인 알고리즘의 적용없이 TCP의 평균 전송률을 보다 정확하게 계산함으로써 비디오 스트림의 전송률을 직접적으로 조절할 수 있도록 함으로 목적으로 한다.
상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 멀티미디어 데이터 스트림 전송의 전송률 제어방법은 수신된 RTCP 제어 메시지로부터 종단 간 지연, 재전송 타임아웃 파라미터 및 패킷 손실 이벤트 정보를 산출하고, 패킷 손실 이벤트 정보를 기반으로 패킷 손실률을 산출하는 제1단계와, 산출된 패킷 손실률, 종단 간 지연 및 재전송 타임아웃 파라미터를 이용하여 TCP 평균 전송률을 계산하는 제2단계와, 계산된 TCP 평균 전송률을 이용하여 데이터 스트림의 전송률을 조절하는 제3단계를 포함하여 이루어질 수 있다.
또한 전술한 구성에서, 패킷 손실 이벤트 정보는 소정의 주기 내에서 패킷 손실이 발생하였는지 여부일 수 있다.
또한 전술한 구성에서, 소정의 주기는 하나의 알티씨피(RTCP) 주기이고, 상기 패킷 손실률은 하기의 수학식에 의해 계산되는 것일 수 있다.
<수학식>
Figure 112009029372118-pat00001
또한 전술한 구성에서, 수신된 RTCP 제어 메시지에 포함된 종단 간 지연 파라미터는 저대역 필터링이 수행된 것이고, 상기 종단 간 지연 파라미터에 대하여 저대역 필터링을 다시 수행하여 보정하는 단계를 더 포함할 수 있다.
또한 전술한 구성에서, 저대역 필터링은 하기의 수학식의 계산에 의해 이루어질 수 있다.
<수학식>
Figure 112009029372118-pat00002
또한 전술한 구성에서, 재전송 타임아웃 파라미터는 상기 보정된 종단 간 지연 값과 종단 간 지연의 편차성분의 합으로 계산될 수 있다.
또한 전술한 구성에서, 재전송 타임아웃 파라미터는 하기의 수학식에 의해 계산될 수 있다.
<수학식>
Figure 112009029372118-pat00003
또한, 본 발명의 특징적인 양상에 따른 멀티미디어 데이터 스트림 전송의 전송률 제어방법은 수신된 RTCP 제어 메시지로부터 패킷 손실 정보, 종단 간 지연 파라미터를 산출하고 상기 패킷 손실 정보를 이용하여 네트워크 상태를 판단하는 제1단계와, 네트워크 상태가 혼잡상태로 판단된 경우, 상기 패킷 손실 정보로부터 패킷 손실 이벤트 정보 및 상기 패킷 손실 이벤트 정보에 기반한 패킷 손실률을 산출하고, 저대역 필터링을 이용하여 상기 종단 간 지연 파라미터를 보정하며, 상기 보정된 종단 간 지연 파라미터를 이용하여 재전송 타임아웃을 산출하는 제2단계와, 산출된 패킷 손실률 및 재전송 타임아웃, 상기 보정된 종단 간 지연 파라미터를 이용하여 TCP 평균 전송률을 계산하는 제3단계와, 계산된 TCP 평균 전송률을 이용하여 상기 멀티미디어 데이터 스트림의 전송률을 조절하는 제4단계를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한 전술한 구성에서, 패킷 손실 이벤트 정보는 소정의 주기 내에서 패킷 손실이 발생하였는지 여부인 것을 특징으로 할 수 있다.
또한 전술한 구성에서, 네트워크 상태가 안정상태로 판단된 경우, 하나의 RTCP 주기마다 전송률을 선형적으로 증가시키는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한 전술한 구성에서, 선형적으로 증가되는 전송률의 크기는 하나의 종단 간 지연마다 하나의 패킷 크기 만큼 증가하도록 계산되어 결정될 수 있다.
또한 전술한 구성에서, 네트워크 상태가 혼잡 상태인 경우, 전송률의 조절은 하기의 수학식의 계산에 의해 수행될 수 있다.
<수학식>
Figure 112009029372118-pat00004
또한, 본 발명의 특징적인 양상에 따른 멀티미디어 데이터 스트리밍 서버는 비디오 데이터, 오디오 데이터를 포함하는 멀티미디어 데이터를 저장하는 메모리와, 스트리밍 서비스를 위해 상기 멀티미디어 데이터를 인코딩하는 인코더와, 인코딩 된 데이터 스트림을 전송하고 RTCP 제어 메시지를 수신하는 통신모듈과, 패킷 손실 이벤트에 근거하여 상기 RTCP 제어 메시지로부터 패킷 손실률을 산출하며 상기 산출된 패킷 손실률을 이용하여 네트워크상태를 판단하는 네트워크상태판단모듈과, 판단된 네트워크 상태에 따라 상기 데이터 스트림의 전송률을 제어하는 전송제어모듈을 포함하여 이루어질 수 있다.
또한 전술한 구성에서, 네트워크상태판단모듈은 상기 RTCP 제어 메시지로부터 종단 간 지연 파라미터를 더 산출하며, 상기 종단 간 지연 파라미터에 대해 저대역 필터링을 수행하여 종단 간 지연 파라미터를 보정하고, 상기 보정된 종단 간 지연 파라미터를 이용하여 재전송 타임 아웃 파라미터를 산출할 수 있다.
또한 전술한 구성에서, 전송제어모듈은 네트워크 상태가 안정 상태인 경우에는 하나의 종단 간 지연마다 하나의 패킷 크기의 비율로 전송률을 선형적으로 증가시키는 것을 특징으로 하며, 상기 네트워크 상태가 혼잡 상태인 경우에는 상기 산출된 패킷 손실률, 보정된 종단 간 지연 및 상기 재전송 타임 아웃 파라미터를 이용하여 TCP 평균 전송률을 계산하고 상기 데이터 스트림의 전송률을 제어할 수 있다.
본 발명에 따르면 네트워크 상태가 혼잡하여 패킷 손실이 발생할 경우, 개선된 파라미터 산출 방법을 사용하여 경쟁하는 TCP의 전송률을 보다 정확하게 계산하여 전송되는 비디오 스트림의 전송률을 조절함으로써 경쟁하는 TCP 트래픽과 친화적으로 동작하며 네트워크 대역폭을 보다 공평하게 사용할 수 있도록 한다.
경쟁하는 TCP의 평균 전송률에 대한 정확한 계산을 바탕으로 추가적인 알고리즘의 적용없이 네트워크 상태에 따라 비디오 스트림 데이터의 전송률을 적절하게 조절하며 이를 통해 전송되는 비디오 스트림의 전송률 변화를 줄이고, 경쟁하는 TCP 트래픽과의 친화성 및 형평성을 크게 개선하고, 스트리밍 서비스의 품질을 개선할 수 있다.
상술한 내용과 더불어 추가되는 본 발명의 특징적인 양상들은 첨부된 도면을 참조하여 설명되는 바람직한 실시예들을 통하여 더욱 명백해질 것이다. 이하에서는 본 발명의 이러한 실시예들을 통해 당업자가 본 발명을 용이하게 이해하고 재현할 수 있도록 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 스트리밍 서비스 시스템의 개략도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 스트리밍 서비스 시스템은 인터넷과 같은 네트워크를 통해 통신하는 스트리밍 서버(110)와 적어도 하나 이상의 스트리밍 클라이언트 단말(120)을 포함하여 구성된다.
스트리밍 서버(110)는 스트리밍 서비스에 제공될 비디오 데이터, 오디오 데이터 등의 멀티미디어 데이터를 저장하는 메모리(111), 스트리밍 서비스를 위해 상기 비디오 데이터 등을 인코딩하는 인코더(112), 인코딩 된 데이터 프레임들을 전송하고 RTCP 제어메시지를 수신하는 통신모듈(113), 패킷 손실률 등의 파라미터를 계산하며 네트워크상태를 판단하는 네트워크상태판단모듈(114), 데이터 스트림의 전송률을 제어하는 전송제어모듈(115)을 포함한다.
통신모듈(113)은 RTP 프로토콜을 사용하여 인코딩된 데이터를 전송하며, RTCP 제어 메시지를 수신한다. 일반적으로 RTCP 제어 메시지를 수신하는 포트는 RTP 프로토콜을 사용하여 데이터를 전송하는 포트의 인접 상위 포트를 사용하는 것이 일반적이나 사용자가 포트의 설정을 변경할 수 있다.
네트워크상태판단모듈(114)은 RTCP 주기마다 RTCP 제어메시지를 수신하여 패킷손실률(Packet loss rate), 종단 간 지연(Round-trip delay time), 재전송 타임아웃(Retransmission time-out)과 같은 파라미터를 계산한다. 또한, 계산된 패킷손 실률을 통해 네트워크상태가 안정상태 또는 혼잡상태인지 판단한다.
RTCP 주기는 스트리밍 클라이언트 단말(120)이 스트리밍 서버(110)로 RTCP 제어 메시지를 송신하는 주기 즉, 시간 간격을 의미한다.
전송률제어모듈(115)은 네트워크상태판단모듈(114)의 네트워크상태 판단에 따라 통신모듈(113)이 전송하는 데이터 스트림의 전송률을 제어한다.
스트리밍 클라이언트 단말(120)은 스트리밍 서버(110)로부터 전송된 데이터 스트림을 수신하고 RTCP 제어메시지를 RTCP 프로토콜을 사용하여 스트리밍 서버(110)로 주기적으로 전송하는 통신모듈(121), 수신된 데이터 스트림을 일시적으로 저장하는 버퍼(122), 버퍼에 저장된 데이터 스트림을 디코딩하는 디코더(123), 디코딩된 데이터를 출력하는 출력부(124)를 포함하여 구성된다.
통신모듈(121)은 스트리밍 서버(110)로 RTCP 제어 메시지를 주기적으로 송신한다. RTCP 제어메시지는 스트리밍 서버(110)가 패킷 손실률, 종단 간 지연, 재전송 타임아웃과 같은 파라미터를 보다 정확하게 산출할 수 있도록 기초 정보를 제공한다. 버퍼(122)는 통신모듈(121)이 수신한 데이터 스트림이 순차적으로 디코딩되어 출력되도록 상기 데이터 스트림을 일시적으로 저장한다. 디코더(123)는 버퍼로부터 출력되는 데이터스트림을 순차적으로 디코딩하며, 출력부(124)는 디코딩된 비디오 스트림을 디스플레이하거나 기타 데이터 스트림을 출력한다.
일반적으로 TCP 플로우의 평균 전송률은 패킷 손실율, 종단 간 지연, 재전송 타임아웃 등과 같은 파라미터의 함수로 이루어지며, 종래의 방법의 하나인 하기의 수학식1에 의해 구해질 수 있다.
[수학식1]
Figure 112009029372118-pat00005
여기서, T는 TCP 플로우의 일정 구간에서의 평균 전송률을 나타내며, tRTT는 데이터 스트림이 전달되는 네트워크에서의 종단 간 지연을, S는 전송되는 데이터의 패킷 크기(또는 세그먼트)를 의미한다. p는 패킷 손실률을 의미하며, tRTO는 TCP가 가지고 있는 재전송 타이머의 타임아웃 값을 의미한다. 상기 수식에 따라, TCP 플로우의 평균 전송률은 종단 간 지연과 패킷 손실률 등에 의해 계산된다.
다음으로 본 발명의 일 실시예에 따른 패킷 손실률 산출 방법에 대하여 상술하기로 한다.
종래의 패킷 손실률 산출 방법은 일정 구간에서 전송된 전체 패킷의 수에 대한 손실된 패킷 수의 비율로써 계산한다. 그러나, 이러한 패킷 수 기반의 패킷 손실률의 산출은 상대적으로 큰 값으로 결정되며 실제 TCP의 평균 전송률에 비해 작은 TCP 전송률을 산출하게 한다. 또한, 연속적인 패킷 손실이 발생할 경우, 전송률 의 변화에 큰 영향을 끼치게 되어 비디오 스트리밍 서비스의 품질의 저하를 가져올 수 있다.
이러한 단점을 개선하여 보다 정확한 TCP 평균 전송률을 산출하고 전송률의 변화가 크지않고 점진적으로 변화하도록 하기 위해, 패킷 수 기반이 아닌 패킷 손실 이벤트 기반으로 패킷 손실률을 산출할 수 있다. 패킷 손실 이벤트 기반의 패킷 손실률 산출은 하나 이상의 패킷 손실이 발생하더라도 하나의 패킷 손실 이벤트로 간주하므로 패킷 수 기반의 방법에 비해 패킷 손실률이 작고, 손실률의 변화도 작아진다. 이와 같은 방법으로 데이터 스트림의 전송률을 안정하게 변화시킬 수 있으며 경쟁하는 TCP와의 형평성을 향상시킬 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 패킷 손실 이벤트 기반의 패킷 손실률은 하기의 수학식2-1에 의해 구할 수 있다.
[수학식2-1]
Figure 112009029372118-pat00006
여기서, Pn은 n번째 RTCP 주기가 끝나고 계산된 패킷손실률을 의미한다.
NPi는 i번째 RTCP 주기에서 스트리밍 서버가 전송한 패킷 수(Number of Packets)를 의미한다. Li는 i번째 RTCP 주기에서의 손실이벤트(Loss event)의 의미이며, i번째 RTCP 주기에서 손실이벤트가 있는 경우 Li=1이고, i번째 RTCP 주기에서 손실이벤트가 없는 경우 Li=0이 됨을 의미한다. 패킷 손실이벤트가 있다는 것은 해당 RTCP 주기 내에서 적어도 하나이상의 패킷이 손실되어진 경우를 뜻하고, 패킷 손실이벤트가 없다는 것은 해당 RTCP 주기 내에서 하나도 패킷이 손실되지 않은 경우를 뜻하는 것이다.
따라서, 상기 수학식2의 분모부분의 의미는 1번째 RTCP 주기부터 n번째 RTCP 주기까지 스트리밍 서버가 전송한 패킷 수를 1번째 RTCP 주기부터 n번째 RTCP 주기까지 누적된 손실이벤트 발생 횟수로 나눈 값을 의미한다.
또한 Ln의 경우를 살펴보면, Ln값은 n번째 RTCP 주기에서 패킷 손실이벤트가 있는 경우 Ln=1이고, n번째 RTCP 주기에서 패킷 손실이벤트가 없는 경우 Ln=0이 된다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, NPi는 i번째 RTCP 주기에서 스트리밍 서버가 전송한 패킷 중 성공적으로 클라이언트 단말에서 수신된 패킷 수로 계산될 수도 있다. 또한, 패킷 손실률을 첫번째 RTCP 주기부터 계산하는 것이 아니라 소정의 주기 동안 예컨대, 최근 10개의 RTCP 주기 동안만을 누적하여 패캣손실률을 계산할 수도 있다. 이 경우 패킷손실률을 구하는 수학식은 아래의 [수학식2-2]과 같다.
[수학식2-2]
Figure 112009029372118-pat00007
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 패킷 손실률 산출 방법을 설명하기 위하여 도시한 것이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 하나의 RTCP 주기마다 10개의 데이터 패킷이 전송된다고 가정하고, 임의의 패킷 손실 발생을 'x'라고 표시하면 각각의 패킷 손실에 따른 종래의 방법과 본 발명에 따른 패킷 손실률 산출 방법에 의한 결과를 구할 수 있다.
도 2에 도시된 바와 같이, 처음 네 RTCP 주기 동안은 패킷 손실이 발생하지 않고 다섯번 째 RTCP 주기에서 하나의 패킷 손실이 일어난다. 이 경우 5 RTCP 주기동안 총 50패킷이 전송되고 하나의 패킷 손실 및 하나의 패킷 손실 이벤트가 발생 했으므로 종래의 방법과 본 발명의 실시예에 의한 방법에 의하면 모두 0.02의 패킷손실률이 산출된다.
그러나, 7번째 RTCP 주기에는 2개의 패킷 손실이 발생하지만, 2개의 패킷 손실이 하나의 패킷 손실 이벤트로 간주되므로, 종래의 방법에 따르면 총 7 RTCP 주 기 동안 70개의 패킷이 전송되고 3개의 패킷이 손실 되었으므로 패킷 손실률은 3/70으로 계산되나, 본 발명에 따르면 2 건의 패킷 손실 이벤트로 처리되므로 패킷 손실률은 2/70으로 계산된다. 이후의 패킷 손실률은 각각 누적된 12 RTCP 주기 및 13 RTCP 주기 동안의 패킷 손실률을 계산한 것이다.
패킷 손실 이벤트는 본 실시예와 같이 반드시 하나의 RTCP 주기 내에서 일어난 모든 패킷 손실을 하나의 이벤트로 처리할 수 있지만 반드시 이에 국한하는 것은 아니며 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 2개의 RTCP 주기 내에서 일어나는 패킷 손실을 하나의 패킷 손실 이벤트로 처리하도록 할 수도 있다.
이벤트 기반의 패킷 손실률 산출 방법은 하나의 RTCP 주기 내에서 연속적인 패킷 손실이 발생하더라도 하나의 패킷 손실 이벤트로 처리하여 연속적인 패킷 손실에 따른 패킷 손실률의 변화를 줄일 수 있고, 패킷 손실률이 종래의 방법에 의한 산출값보다 줄어드는 것을 확인할 수 있다. 따라서, 이벤트 기반의 패킷 손실률을 통해 TCP 평균 전송률을 구하는 경우 경쟁하는 TCP와의 형평성이 향상되는 동시에 전송률의 변화 폭이 줄어드는 효과가 있다.
종단 간 지연은 종단 간 지연의 변화 크기를 줄이기 위해 종래의 저대역 필터링 방식을 사용한다. 이는 하기의 수학식3에 의해 이루어질 수 있다.
[수학식3]
Figure 112009029372118-pat00008
여기서 tSRTT는 부드럽게 필터링 한 종단 간 지연을 의미하고, tCurrentRTT는 현재의 종단 간 지연을 의미하며, α는 스무딩 팩터(smoothing factor)로써 0.8내지 0.9를 선택하는 것이 바람직하다. 상기의 식을 통해 현재의 종단 간 지연 값을 사용하여 부드럽게 종단 간 지연값의 변화를 줄일 수 있다.
그러나 한 번의 저대역 필터링의 적용은 하나의 RTCP 구간 안에서는 변화 정도가 작도록 할 수 있지만 각 RTCP 구간마다의 종단 간 지연은 여전히 크게 변화할 수 있으므로, 본 발명에서는 이러한 종단 간 지연의 변화 정도를 줄이기 위해 각 RTCP 주기마다 RTCP 제어 메시지를 통해 스트리밍 서버로 보고 된 종단 간 지연에 대해 다시 저대역 필터링을 적용하여 개선된 종단 간 지연 값을 산출한다. 즉, RTCP 제어메시지를 송신하는 스트리밍 클라이언트 단말에서 저대역 필터링을 하여 종단 간 지연 값을 개선한 후, 그리고 각 RTCP 제어 메시지를 수신하는 스트리밍 서버에서 다시 한 번 저대역 필터링을 적용하여 보다 개선된 종단 간 지연 값을 산출할 수 있다.
개선된 재전송 타임아웃 값은 개선된 종단 간 지연 값을 이용하여 구할 수 있으며, 이는 하기의 수학식4에 의해 산출될 수 있다.
[수학식4]
Figure 112009029372118-pat00009
여기서 tRTO는 재전송 타임아웃 파라미터를 의미하며, SRTTVariation은 이 전의 종단 간 지연에 대한 편차 성분을 의미한다. 재전송 타임아웃 파라미터는 현재의 종단 간 지연 파라미터에 이 전의 종단 간 지연에 대한 편차 성분을 합하여 계산한다.
다음으로, 본 발명의 일 실시예에 따라 네트워크 상태에 따른 데이트 스트림의 전송률을 제어하는 방법에 대하여 설명하기로 한다.
스트리밍 서버(110)가 인코딩 된 데이터를 RTP 프로토콜을 이용하여 스트리밍하는 한편, 스트리밍 클라이언트 단말(120)은 주기적으로 RTCP 제어 메시지를 송신한다.
RTCP 제어메시지는 RTP 프로토콜과 함께 사용되는 프로토콜로써 이에 대한 기본적인 기능과 패킷 구조는 RTP 스펙 RFC 3550에 정의되어 있다. RTCP는 RTP 흐름과 관련하여 네트워크 환경에 대한 정보를 알 수 있는 각종 통계들과 제어 정보를 제공한다. 그러나, 어떠한 미디어 스트림 자체를 전송하지는 않는다. RTCP의 주요 기능은 스트리밍 멀티미디어 세션에 참여하는 대상에게 QoS(Quality of Service)에 통계 정보를 전송함으로써 서비스 품질에 대한 피드백을 제공하는 것이다. RTCP는 전송된 옥텟(octet), 패킷 카운트(packet count), 손실 패킷 카운트(lost packet count), 지터(jitter), 전송 간 지연(Round-trip delay time)과 같은 정보와 미디어 연결에 대한 통계들을 수집한다.
스트리밍 서버는 이러한 정보를 이용하여 서비스 품질을 제어하고 파라미터들을 산출 또는 제어할 수 있다.
도 3은 네트워크 상태에 따른 전송률 제어 알고리즘을 도시한 것이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 스트리밍 서버(110)가 RTCP 제어 메시지를 RTCP 주기마다 수신하면, 네트워크상태판단모듈은 손실 패킷 정보를 추출하여 패킷 손실률 p가 0이면 안정상태, 패킷 손실률 p가 0을 초과하는 경우 혼잡 상태로 판단한다.
혼잡상태(Congestion State)로 판단되면, RTCP 제어 메시지에 포함된 패킷 손실 정보를 이전에 누적된 패킷 손실 정보와 스트리밍서버가 전송한 총 패킷 수를 이용하여 이벤트 정보에 기반한 패킷 손실률을 산출한다. 이벤트 정보에 기반한 패킷 손실률은 전술한 수학식2-1에 의하여 산출될 수 있다. 이 패킷손실률을 pnew라고 하자.
다음으로, 수신된 RTCP 제어 메시지로부터 전송 간 지연(tSRTT) 값을 산출한다. 상기 전송 간 지연(tSRTT) 파라미터는 스트리밍 클라이언트 단말(120)에서 저대역 필터링을 거쳐 얻어진 값이다. 스트리밍 서버는 상기 전송 간 지연(tSRTT)파라미터에 다시 저대력 필터링을 수행하여 전송 간 지연(tSRTT) 파라미터를 보정한다. 이 러한 보정을 통하여 RTCP 주기마다 전송 간 지연(tSRTT) 파라미터 값이 크게 변화하는 것을 줄이고 부드러운 변화 값을 얻을 수 있다. 이렇게 보정된 전송간 지연 파라미터를 tSRTTnew라고 하자.
또한, 보정된 전송 간 지연 파라미터를 이용하여 재전송 타임아웃(tSRTO) 파라미터를 산출할 수 있다. 재전송 타임아웃 파라미터를 산출하는 공식은 전술한 바와 같다.
다음으로, 상기 수학식1보다 정확한 TCP 평균 전송률 Tnew를 구한다.
[수학식5]
Figure 112009029372118-pat00010
여기서, 각 파라미터 값은 수학식1의 파라미터 값을 보정하여 개선된 파라미터를 구한 것이므로 각 파라미터 들에 대한 설명은 생략한다. 위와 같이 보다 정확한 TCP 평균 전송률 Tnew를 구하면, 데이터 스트림의 평균 전송률(Sending Rate)을 상기 Tnew와 같게 설정하도록 제어하여 실제의 TCP 평균 전송률과 형평성 있는 전송률을 갖도록 제어할 수 있다.
만일 패킷 손실이 발생하지 아니하여 네트워크 상태가 안정상태(Stable State)로 판단된 경우라면 전송률제어모듈은 데이터 스트림의 전송률을 선형적으로 증가시킨다. 이 때 데이터 스트림의 전송률 증가율은 하나의 종단 간 지연마다 하나의 패킷 크기 만큼 증가시킨다. 이는 기존의 TCP에서 전송률의 선형적인 증가율에 일치시킨 것이다. 그러나, 본 발명에 따른 전송률의 조절 주기는 종단 간 지연마다 이루어지는 것이 아니라 하나의 RTCP 주기마다 이루어지므로 TCP 전송률 조절주기에 맞추어 데이터 스트림의 전송률을 조절하기 위해 전송률 증가분을 계산할 필요가 있다. 이를 위해, 하나의 RTCP 주기에서 증가시킬 패킷 수인 PInc를 먼저 구하고(PInc는 RTCP 주기를 종단 간 지연으로 나눈 값이 된다), 이를 다시 종단 간 지연으로 나누어 전송률 증가 성분 RInc를 구한다.
전송률 제어모듈은 현재의 전송률(Current Rate)에 위에서 구한 전송률 증가성분 RInc를 더하여 다음 RTCP 주기에서 데이터 스트림의 전송률(Sending Rate)을 설정하게 된다.
이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 여러 실시예를 설명하였지만, 상기의 실시예들이 본 발명의 권리범위를 제한하는 것이 아니며 전술한 실시예에 국한되지 않고 본 발명의 기술 사상이 허용하는 범위 내에서 다양하게 변형하여 실시할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 스트리밍 서비스 시스템의 개략도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 패킷 손실률 산출 방법을 설명하기 위하여 도시한 것이다.
도 3은 네트워크 상태에 따른 전송률 제어 알고리즘을 도시한 것이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
110. 스트리밍 서버 111. 메모리
112. 인코더 113. 통신모듈
114. 네트워크상태판단모듈 115. 전송률제어모듈
120. 스트리밍 클라이언트 단말 121. 통신모듈
122. 버퍼 123. 디코더
124. 출력부

Claims (15)

  1. 멀티미디어 데이터 스트리밍 서버에 의해 수행되는 멀티미디어 데이터 스트림 전송의 전송률 제어방법에 있어서,
    네트워크상태판단모듈이, 수신된 RTCP 제어 메시지로부터 종단 간 지연, 재전송 타임아웃 파라미터 및 패킷 손실 이벤트 정보를 산출하고, 상기 멀티미디어 데이터 스트림의 전송률의 급격한 변화를 방지하기 위하여 상기 패킷 손실 이벤트 정보를 기반으로 패킷 손실률을 산출하는 제1단계;
    전송제어모듈이, 상기 산출된 패킷 손실률, 종단 간 지연 및 재전송 타임아웃 파라미터를 이용하여 TCP 평균 전송률을 계산하는 제2단계; 및
    전송제어모듈이, 상기 계산된 TCP 평균 전송률을 이용하여 데이터 스트림의 전송률을 조절하는 제3단계를 포함하되,
    상기 패킷 손실 이벤트 정보는 하나의 RTCP 주기 내에서 복수의 패킷 손실이 발생하더라도 상기 복수의 패킷 손실을 하나의 패킷 손실 이벤트로 처리하여 생성된 정보인 것을 특징으로 하는 데이터 스트림 전송의 전송률 제어방법.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 패킷 손실률은 하기의 수학식에 의해 계산되는 것을 특징으로 하는 데이터 스트림 전송의 전송률 제어방법.
    <수학식>
    Figure 112009061115928-pat00011
  4. 제1항에 있어서,
    상기 수신된 RTCP 제어 메시지에 포함된 종단 간 지연 파라미터는 저대역 필터링이 수행된 것이고, 상기 종단 간 지연 파라미터에 대하여 저대역 필터링을 다시 수행하여 보정하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 데이터 스트림 전송의 전송률 제어방법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 저대역 필터링은 하기의 수학식의 계산에 의해 이루어지는 것을 특징으로 하는 데이터 스트림 전송의 전송률 제어방법.
    <수학식>
    Figure 112009029372118-pat00012
  6. 제4항에 있어서,
    재전송 타임아웃 파라미터는 상기 보정된 종단 간 지연 값과 종단 간 지연의 편차성분의 합으로 계산되는 것을 특징으로 하는 데이터 스트림 전송의 전송률 제어방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 재전송 타임아웃 파라미터는 하기의 수학식에 의해 계산되는 것을 특징으로 하는 데이터 스트림 전송의 전송률 제어방법.
    <수학식>
    Figure 112009029372118-pat00013
  8. 멀티미디어 데이터 스트리밍 서버에 의해 수행되는 멀티미디어 데이터 스트림 전송의 전송률 제어방법에 있어서,
    수신된 RTCP 제어 메시지로부터 패킷 손실 정보, 종단 간 지연 파라미터를 산출하고 상기 패킷 손실 정보를 이용하여 네트워크 상태를 판단하는 제1단계;
    상기 네트워크 상태가 혼잡상태로 판단된 경우, 상기 멀티미디어 데이터 스트림의 전송률의 급격한 변화를 방지하기 위해 상기 패킷 손실 정보로부터 패킷 손실 이벤트 정보 및 상기 패킷 손실 이벤트 정보에 기반한 패킷 손실률을 산출하고, 저대역 필터링을 이용하여 상기 종단 간 지연 파라미터를 보정하며, 상기 보정된 종단 간 지연 파라미터를 이용하여 재전송 타임아웃을 산출하는 제2단계;
    상기 산출된 패킷 손실률 및 재전송 타임아웃, 상기 보정된 종단 간 지연 파라미터를 이용하여 TCP 평균 전송률을 계산하는 제3단계; 및
    상기 계산된 TCP 평균 전송률을 이용하여 상기 멀티미디어 데이터 스트림의 전송률을 조절하는 제4단계를 포함하되,
    상기 패킷 손실 이벤트 정보는 하나의 RTCP 주기 내에서 패킷 손실이 발생하였는지 여부인 것을 특징으로 하는 데이터 스트림 전송의 전송률 제어방법.
  9. 삭제
  10. 제8항에 있어서,
    상기 네트워크 상태가 안정상태로 판단된 경우, 하나의 RTCP 주기마다 전송률을 선형적으로 증가시키는 것을 특징으로 하는 데이터 스트림 전송의 전송률 제어방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 선형적으로 증가되는 전송률의 크기는 하나의 종단 간 지연마다 하나의 패킷 크기 만큼 증가하도록 계산되어 결정되는 것을 특징으로 하는 데이터 스트림 전송의 전송률 제어방법.
  12. 제11항에 있어서, 상기 네트워크 상태가 혼잡 상태인 경우,
    상기 전송률의 조절은 하기의 수학식의 계산에 의해 수행되는 것을 특징으로 하는 데이터 스트림 전송의 전송률 제어방법.
    <수학식>
    Figure 112009029372118-pat00014
  13. 비디오 데이터, 오디오 데이터를 포함하는 멀티미디어 데이터를 저장하는 메모리;
    스트리밍 서비스를 위해 상기 멀티미디어 데이터를 인코딩하는 인코더;
    인코딩 된 데이터 스트림을 전송하고 RTCP 제어 메시지를 수신하는 통신모듈;
    상기 멀티미디어 데이터의 전송률의 급격한 변화를 방지하기 위해 패킷 손실 이벤트에 근거하여 상기 RTCP 제어 메시지로부터 패킷 손실률을 산출하며 상기 산출된 패킷 손실률을 이용하여 네트워크상태를 판단하는 네트워크상태판단모듈; 및
    상기 판단된 네트워크 상태에 따라 상기 데이터 스트림의 전송률을 제어하는 전송제어모듈을 포함하되,
    상기 패킷 손실 이벤트 정보는 하나의 RTCP 주기 내에서 복수의 패킷 손실이 발생하더라도 상기 복수의 패킷 손실을 하나의 패킷 손실 이벤트로 처리하여 생성된 정보인 것을 특징으로 하는 멀티미디어 데이터 스트리밍 서버.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 네트워크상태판단모듈은 상기 RTCP 제어 메시지로부터 종단 간 지연 파라미터를 더 산출하며, 상기 종단 간 지연 파라미터에 대해 저대역 필터링을 수행하여 종단 간 지연 파라미터를 보정하고, 상기 보정된 종단 간 지연 파라미터를 이용하여 재전송 타임 아웃 파라미터를 산출하는 것을 특징으로 하는 멀티미디어 데이터 스트리밍 서버.
  15. 제14항에 있어서, 상기 전송제어모듈은,
    상기 네트워크 상태가 안정 상태인 경우에는 하나의 종단 간 지연마다 하나의 패킷 크기의 비율로 전송률을 선형적으로 증가시키는 것을 특징으로 하며, 상기 네트워크 상태가 혼잡 상태인 경우에는 상기 산출된 패킷 손실률, 보정된 종단 간 지연 및 상기 재전송 타임 아웃 파라미터를 이용하여 TCP 평균 전송률을 계산하고 상기 데이터 스트림의 전송률을 제어하는 것을 특징으로 하는 멀티미디어 데이터 스트리밍 서버.
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