KR20050085549A - 통신 네트워크, 이 네트워크의 전송 속도 조정 장치 및방법, 실제 클럭 및 운영 체제 커널 기능 장치 - Google Patents

통신 네트워크, 이 네트워크의 전송 속도 조정 장치 및방법, 실제 클럭 및 운영 체제 커널 기능 장치 Download PDF

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KR20050085549A
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clocks
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퀴옹 리
더 샤하르 미하엘라 반
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코닌클리즈케 필립스 일렉트로닉스 엔.브이.
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Abstract

이른바 가변 주파수를 가진 "가상 클럭"이 제공되어서, 멀티미디어 스트리밍 서버가 변화하는 네트워크 상태에 맞게 전송 속도를 동적으로 조정하는 데 사용된다. 본 발명의 "가상 클럭" 시스템 및 방법은, 전송하는 모든 패킷에 타임 스탬프를 찍어서 이 타임 스탬프를 사용해서 서버가 특정 패킷의 전송을 미리 계획할 것을 기대하는 인터넷 실시간 전송 프로토콜(RTP)의 잠재적인 제한을 보상한다. 결과적으로, 전송 속도는 RTP가 사용될 때 인코딩된 멀티미디어 컨텐츠에 의해서 미리 정해진다. 본 발명에 따른 "가상 클럭"을 사용함으로써 스트리밍 서버는 이러한 RTP의 제한을 극복할 메커니즘을 가지고, 컨텐츠의 대역폭 요구와 사용가능한 네트워크의 대역폭 사이의 균형을 맞추는 방식으로 전송 속도 조정을 수행할 수 있다.

Description

통신 네트워크, 이 네트워크의 전송 속도 조정 장치 및 방법, 실제 클럭 및 운영 체제 커널 기능 장치{A SYSTEM AND METHOD FOR ADAPTING TRANSMISSION RATE OF A MULTIMEDIA STREAMING SERVER USING A “VIRTUAL CLOCK”}
본 발명은 네트워크를 통한 멀티미디어 스트리밍에 관한 것이다. 특히 본 발명은 스트리밍된 멀티미디어의 전송 속도를 변화하는 네트워크 상태에 적합하게 하는 것에 관한 것이다. 더 상세하게는 본 발명은 스트리밍 서버가 전송될 컨텐츠의 대역폭 요구와 인터넷의 사용가능한 대역폭의 균형을 맞추는 방식으로 동적인 전송 속도 조정을 수행하는 메커니즘과 같은 "가상 클럭"의 개념을 도입한다.
최신 스트리밍 서버의 설계 및 구현은 일반적으로 서버 애플리케이션을 호스팅하는 컴퓨터의 컴퓨터 클럭과 기본적으로 같은 일정 주파수 클럭을 포함한다. 이러한 일정한 클럭 속도에 따라서 패킷 스케쥴링 및 전송이 수행된다. 전송 속도는 인코딩된 컨텐츠에 의해서만 미리 정해진다. 이는 애플사가 개발한 다윈 스트리밍 서버의 구현으로 입증되며, 그 소스 코드는 예컨대
http://developer.apple.com/darwin/projects/streaming/
에서 공개적으로 사용할 수 있다.
패킷 스위칭 네트워크의 사용가능한 대역폭이 시간에 따라 변하기 때문에, 스트리밍 애플리케이션이 네트워크 상태에 따라서 전송 속도를 조정할 수 있어야 한다. 현재 사용가능한 전송 속도 조정 기술은 층 스위칭 및 선택 층 신청을 포함한다.
층 스위칭의 경우에, 서버는, 다른 품질로 인코딩된 따라서, 다른 비트 레이트로 인코딩된 같은 컨텐츠의 사본을 다수 보유하고 있다. 서버는 이들 사본들(또는 층들) 사이에서 동적으로 스위칭하면서 전송 속도를 조정할 수 있다.
선택 층 신청의 경우에, 서버는 FGS(Fine-Granular Scalability) 또는 다른 유사한 방식과 같은 크기 조정 가능 방식에 의해서 인코딩된 컨텐츠의 하나의 사본만을 저장한다. 크기 조정 가능 방식은 수신기 측에 연속해서 추가되어서 디코딩된 품질을 더 양호하게 할 수 있는 다중 누적층을 생성한다. 실시간으로, 서버는 예컨대 수신기에 의해 요청된, 즉 신청된 층의 서브 셋만을 전송한다. 수신기가 파악된 네트워크 상태에 따라서 그 층의 신청을 변화시킬 때, 전송 속도 조정이 이루어진다. 후자의 방식이 멀티캐스트하는데 널리 제안되었고, 통상적으로 수신기 구동식 층 멀티캐스팅이라고도 불린다.
이러한 기술의 제한은 조정의 조밀성(granularity)이다. 두 가지 방식 모두 성긴(coarse-grained) 전송 속도 조정만을 달성할 수 있다. 즉, 이들은 전송 속도를 충분히 빈번하지 않은 레벨로만 맞출 수 있다. 그러나, 실험을 통해서 동적인 백그라운드 트래픽 또는 무선 링크의 일시적인 저하로 인해서 네트워크 상태가 비교적 짧은 시간 비율(time scale) 동안 동적으로 변할 수 있다는 것을 알았다.
조정식 재생(playout) 기술이 제안되었다. 이 기술에서, 수신기는 비디오 재생 속도를 동적으로 변화시켜서 네트워크 혼잡이 발생했을 때 버퍼의 고갈 또는 과도를 방지한다. 그러나, 이러한 기술은 수신기 측에 대해서만 제안되었으며, 네트워크의 패킷 전송에는 영향을 미치지 않는다. 사실상, 본 발명과 이 제안된 조정식 재생 방식을 결합함으로써 더 효율적이고, 견고한 스트리밍 기술을 생성할 수 있다.
도 1a은 실제 클럭의 경우의 네트워크 인터페이스의 패킷 도달 시간을 도시하는 도면,
도 1b는 도 1a에 도시된 실제 클럭보다 더 큰 주파수를 가진 본 발명에 따른 "가상 클럭"의 경우의 네트워크 인터페이스의 패킷 도달 시간을 도시하는 도면,
도 1c는 도 1a에 도시된 실제 클럭보다 더 작은 주파수를 가진 본 발명에 따른 "가상 클럭"의 경우의 네트워크 인터페이스의 패킷 도달 시간을 도시하는 도면.
따라서, 스트리밍 애플리케이션에서의 조밀한 전송 속도 조정을 달성할 수 있는 방법이 매우 바람직하다. 본 발명은 멀티미디어 스트리밍 서버가 사용할 수 있는 가변 주파수를 가진 "가상 클럭"을 제공해서 변화하는 네트워크 상태에 적합하게 전송 속도를 동적으로 조정한다. 이 "가상 클럭"은 전송하는 모든 패킷에 타임 스탬프를 찍어서 이 타임 스탬프를 사용해서 서버가 특정 패킷의 전송을 미리 계획할 것을 기대하는, 인터넷 실시간 전송 프로토콜(RTP)의 잠재적인 제한을 보상한다. 결과적으로, 전송 속도는 RTP가 사용될 때 인코딩된 멀티미디어 컨텐츠에 의해서 미리 정해진다. 본 발명에 따른 "가상 클럭"을 제공함으로써 멀티미디어 스트리밍 서버는 이러한 RTP의 제한을 극복할 메커니즘을 가지고, 컨텐츠의 대역폭 요구와 사용가능한 네트워크의 대역폭 사이의 균형을 맞추는 방식으로 전송 속도 조정을 수행한다.
본 발명의 "가상 클럭"은 조밀한 전송 속도 조정의 문제를 해결한다. 스트리밍 서버는 타임 스탬프가 찍힌 RTP 패킷의 전송 계획을 세우기 위해 클럭을 필요로 한다. 클럭이 일정한 속도로 진행하면, 통상적으로 코딩 단계에서 생성되는 RTP 타임 스탬프에 의해 전송 속도가 미리 정해질 것이다.
이에 비해서, 본 발명에 따른 "가상 클럭"은 시간에 따라 변하는 주파수를 채택한다. 서버가 전송 계획을 세우는데 이러한 클럭이 사용되면, 이는 인코더가 미리 정한 전송 속도에 가변성을 추가할 수 있다. 이런식으로, 전송 속도는 변화하는 네트워크 상태에 맞춰서 탄력적으로 될 수 있다.
예컨대, 실제 클럭의 주파수가 도 1a에 도시된 바와 같이 1(100)이라고 가정한다. 도 1b 및 1c에 도시된 바와 같이, "가상 클럭"은 1보다 더 크거나(102) 혹은 더 작은(104) 주파수를 취할 수 있다. "가상 클럭"의 주파수가 1보다 더 크게 되면(102), 실제 클럭보다 더 빠르게 이동할 것이다. 따라서, RTP 패킷의 그룹의 타임 스탬프 시퀀스가 변하지 않고 유지되는 경우에도, 연속 패킷 사이의 간격(101)은 "가상 클럭"을 사용해서 이들의 계획을 세움으로써 더 짧아질 것이다. RTP 패킷은 통상보다 더 빈번하게 네트워크 인터페이스에 나타나서 인코더가 미리 정한 것 이상의 전송 속도로 증가시킨다. 이에 비해서, "가상 클럭"이 1보다 더 작은(104) 주파수를 취하면, 연속 패킷 사이의 간격(101)은 길어지고(105) 패킷은 통상 보다 적은 횟수로 네트워크 인터페이스에 나타나며, 이로써 인코더가 미리 정한 속보보다 전송 속도가 감소한다. "가상 클럭"의 주파수가 변할 때마다. 이에 대응해서 전송 속도도 변할 것이다. 따라서, 본 발명에 따른 "가상 클럭"은 스트리밍 애플리케이션이 타임 스탬프된 RTP 패킷의 시퀀스의 전송 속도를 네트워크 상태에 맞추는 효율적인 시스템 및 방법이다.
"가상 클럭"의 주파수 조정이 임의의 시간 비율에 대해서, 특히 작은 시간 비율에 대해서 수행될 수 있기 때문에, 본 발명의 "가상 클럭"은 조밀한 속도 조정에 사용될 수 있고, 이는 "가상 클럭"의 가장 중요한 특성이다. 위에 설명된 예에서와 같이 "가상 클럭"을 다른 방법과 조합함으로써, 스트리밍 서버는 큰 시간 비율 및 작은 시간 비율 모두에 대해서 그 전송 속도를 조정할 수 있어서, 동적인 네트워크 상태에 대해서 더 양호한 응답 성능을 달성한다. 응답 성능이 개선됨으로써, 네트워크 자원의 이용 효율 및 비디오 품질이 더 양호해진다.
f(t)가 "가상 클럭"의 주파수이고, R0(t)는 미리 정해진 RTP 패킷 전송 속도이며, RL(t)는 이 스트리밍 애플리케이션에 사용가능한 네트워크 대역폭이고, 실제 클럭의 주파수는 1이라고 가정한다. 또한 T가 실제 클럭과 "가상 클럭" 모두가 시공(time space)에서 같은 거리를 진행하는 시간이라고 가정한다. 즉,
(1)
이다.
바람직한 실시예에서, "가상 클럭"의 주파수는 다음과 같이 구성된다.
일 때, 이고, 여기서 τ는 에 의해 결정된다. (2)
식(1)은 매 T 시간 이후에, 2 클럭이 재동기화하도록 "가상 클럭"의 주파수를 구성하는 방법에 관한 일방적인 원리를 나타내는 것으로, 이는 실시간 스트리밍 애플리케이션에 필수적이다.
R0(t)는 서버에 저장된 인코딩된 컨텐츠로부터 획득된다. RL(t)는 서버의 네트워크 인터페이스 드라이버 혹은 네트워크 또는 수신기에 상주하는 전용 네트워크 구성요소에 의해 측정될 수 있으며, 이 구성 요소는 스트리밍 애플리케이션에 대해서 사용가능한 대역폭을 계산한다.
예컨대, 도 2에 도시된 바와 같은 가정용(200) 무선 스트리밍의 예에서, 무선 주파수 간섭 및 채널 페이딩으로 인해서, 무선 링크 성능(RL(t)와 같은)은 시간에 따라 변할 수 있다. 도 2에 도시된 바람직한 실시예예서, 드라이버가 RL(t)를 측정해서 측정 결과를 스트리밍 서버(206)로 전송함으로써 실시간으로 무선 링크 상태에 적합하게 전송 속도가 조절될 수 있도록, 모니터가 무선 네트워크 드라이버(203)에 위치될 수 있다. 이런식으로, 원치 않는 패킷 드롭이 방지될 수 있어서 전체적인 처리 성능이 향상될 수 있다.
다른 실시예에서, 호스트 컴퓨터에 의해서 스트리밍 애플리케이션에 실제 클럭 서비스와 병행해서 "가상 클럭" 서비스를 제공하기 위해서, 커널 기능 장치가 구현되며, 이는
void getvirtualclockfrequency(double demandbandwidth, double* virtualfrequency)
의 형태를 취한다.
이 기능 장치는 호출되었을 때, 네트워크 카드 드라이버 또는 하위층 프로토콜과 상호 작용해서, 가상 주파수를 서버에 리턴한다. 서버는 실제 클럭을 "가상 클럭"에 매핑시킨다.
도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 "가상 클럭"은 애플리케이션 층(300)에서 구현되지만, 그 주파수는 더 낮은 층에 의해 제어되며, 바람직한 실시예에서 이층은 링크 층(301)(또는 층 2)이다. 링크 층은 링크의 상태를 계속해서 모니터한다. 사용 가능한 성능이 목표로 하는 성능보다 높다면(제어 기준), 링크 층은 1보다 큰 클럭 주파수 f(t)(302)로 전송할 것이고, 반대의 경우에는 1보다 작은 주파수로 전송할 것이다.
위에 설명되고, 도면에 도시된 바와 같이 본 발명의 시스템 및 방법은 변화하는 네트워크 상태에 기초해서 "가상 클럭"을 제공한다. 본 발명의 사상 또는 범주를 벗어남없이 본 발명의 방법 및 시스템에 대한 다양한 변형 및 수정이 이루어질 수 있다는 것을 당업자는 이해할 것이다. 따라서, 본 발명은 첨부된 청구항 및 그 동등물의 범주 내에 있는 변형 및 수정을 포함하도록 의도되었다.

Claims (20)

  1. 인코딩된 컨텐츠에 기초해서, 스트리밍 애플리케이션의 미리 정해진 RTP 패킷 전송 속도(R0(t))를 측정하는 실제 클럭(100)과,
    상기 스트리밍 애플리케이션의 동적인 전송 속도를 측정하는, 주파수(f(t))를 가진 실제 클럭(102, 104)과,
    상기 스트리밍 애플리케이션의 상기 미리 정해진 동적 전송 속도로 복수의 RTP 패킷을 전송하는 스트리밍 서버(206)와,
    상기 스트리밍 애플리케이션의 사용가능한 대역폭(RL(t))(202)을 계산하는 네트워크 구성 요소(203)
    를 포함하되,
    상기 f(t)는 RL(t)(202) 및 R0(t)에 기초해서 동적으로 조정되는
    통신 네트워크(207).
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 스트리밍 서버(206)는 멀티미디어 스트리밍 서버인
    통신 네트워크(207).
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 실제 클럭(102, 104)의 상기 주파수(f(t))는, 상기 실제 클럭(100)이 주파수(f(t))=1를 갖고 있고, T가 상기 실제 클럭(100)과 상기 실제 클럭(102, 104) 모두가 시공(time space)에서 같은 거리를 지나는 시간이라면, 즉 이면, 일 때, 가 되도록 구성되며 - 여기서 τ는 에 의해 결정되고, R0(t)는 컨텐츠에 기초해서 미리 정해진 RTP 패킷 속도임 - , 매 T시간 이후마다, 상기 실제 클럭(100)과 상기 실제 클럭(102, 104)이 재동기화되는
    통신 네트워크(207).
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 RL(t)는 상기 스트리밍 서버(206)의 네트워크 인터페이스 드라이버, 상기 네트워크(207)에 상주하는 하나 이상의 전용 네트워크 구성 요소(203)의 세트 및 수신기의 하나 이상의 전용 구성 요소의 세트 중 하나에 의해 측정되는
    통신 네트워크(207).
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 네트워크(207)는 무선 네트워크이고,
    상기 수신기의 하나 이상의 전용 구성 요소의 세트는 상기 드라이버가 RL(t)(202)를 측정해서, 상기 측정된 RL(t)(202)를 상기 스트리밍 서버(206)로 전송하도록 상기 무선 네트워크 드라이버에 위치된 모니터인
    통신 네트워크(207).
  6. 스트리밍 서버(206)의 네트워크(207)에서의 전송 속도를 동적으로 조정하는 장치에 있어서,
    인코딩된 컨텐츠에 기초해서, 스트리밍 애플리케이션의 미리 정해진 RTP 패킷 전송 속도(R0(t))를 측정하는 실제 클럭(100)과,
    상기 스트리밍 애플리케이션의 동적인 전송 속도를 측정하는, 주파수(f(t))를 가진 실제 클럭(102, 104)과,
    상기 스트리밍 애플리케이션의 사용가능한 대역폭(RL(t))(202)을 계산하는 네트워크 구성 요소(203)
    를 포함하되,
    상기 f(t)는 RL(t)(202) 및 f(t)(302)에 기초해서 동적으로 조정되는
    장치.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 스트리밍 서버(206)는 멀티미디어 스트리밍 서버인
    장치.
  8. 제 6 항에 있어서,
    상기 실제 클럭(102, 104)의 상기 주파수(f(t))는, 상기 실제 클럭(100)이 주파수(f(t))=1를 갖고 있고, T가 상기 실제 클럭(100)과 상기 실제 클럭(102, 104) 모두가 시공에서 같은 거리를 지나는 시간이라면, 즉 이면, 일 때, 가 되도록 구성되며 - 여기서 τ는 에 의해 결정되고, R0(t)는 컨텐츠에 기초해서 미리 정해진 RTP 패킷 속도임 - , 매 T 시간 이후마다, 상기 실제 클럭(100)과 상기 실제 클럭(102, 104)이 재동기화되는
    장치.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 RL(t)는 상기 스트리밍 서버(206)의 네트워크 인터페이스 드라이버, 상기 네트워크(207)에 상주하는 하나 이상의 전용 네트워크 구성 요소(203)의 세트 및 수신기의 하나 이상의 전용 구성 요소의 세트 중 하나에 의해 측정되는
    장치.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 네트워크(207)는 무선 네트워크(207)이고,
    상기 수신기의 하나 이상의 전용 구성 요소의 세트는 상기 드라이버가 RL(t)(202)를 측정해서, 상기 측정된 RL(t)(202)를 상기 스트리밍 서버(206)로 전송하도록 상기 무선 네트워크 드라이버에 위치된 모니터인
    장치.
  11. 스트리밍 서버(206)로 하여금 동적인 전송 속도 조정을 수행할 수 있게 하는 실제 클럭(102, 104)과,
    인코딩된 컨텐츠에 기초해서, 스트리밍 애플리케이션의 미리 정해진 RTP 패킷 전송 속도(R0(t))를 측정하는 실제 클럭(100)과,
    상기 스트리밍 애플리케이션의 RTP 패킷 전송 속도를 측정하는 상기 실제 클럭(102, 104)의 주파수(f(t))를 동적으로 측정하는 수단과,
    상기 스트리밍 애플리케이션의 사용가능한 대역폭(RL(t))(202)을 계산하는 네트워크 구성 요소(203)
    를 포함하되,
    상기 f(t)(302)는 RL(t)(202) 및 R0(t)에 기초해서 동적으로 조정되는
    실제 클럭(102, 104).
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 스트리밍 서버(206)는 멀티미디어 스트리밍 서버인
    실제 클럭(102, 104).
  13. 제 11 항에 있어서,
    상기 실제 클럭(102, 104)의 상기 주파수(f(t))를 측정하는 수단은 f(t)의 주파수를, 상기 실제 클럭(100)이 주파수(f(t))=1를 갖고 있고, T가 상기 실제 클럭(100)과 상기 실제 클럭(102, 104) 모두가 시공에서 같은 거리를 지나는 시간이라면, 즉 이면, 일 때, 가 되도록 구성하는 모듈이며 - 여기서 τ는 에 의해 결정되고, 상기 R0(t)는 컨텐츠에 기초해서 미리 정해진 RTP 패킷 속도임 - , 매 T시간 이후마다, 상기 실제 클럭(100)과 상기 실제 클럭(102, 104)이 재동기화되는
    실제 클럭(102, 104).
  14. 제 11 항에 있어서,
    상기 RL(t)는 상기 서버의 네트워크 인터페이스 드라이버, 상기 네트워크(207)에 상주하는 하나 이상의 전용 네트워크 구성 요소(203)의 세트 및 상기 수신기의 하나 이상의 전용 구성 요소의 세트 중 하나에 의해 측정되며,
    상기 구성 요소(203)는 상기 스트리밍 애플리케이션의 사용가능한 대역폭을 계산하는
    실제 클럭(102, 104).
  15. 제 11 항에 있어서,
    상기 네트워크(207)는 무선 네트워크(207)이고,
    상기 수신기의 하나 이상의 전용 구성 요소의 세트는 상기 드라이버가 RL(t)(202)를 측정해서, 측정된 RL(t)(202)를 상기 스트리밍 서버(206)로 전송하도록 상기 무선 네트워크 드라이버에 위치된 모니터인
    실제 클럭(102, 104).
  16. 청구항 13에 개시된 상기 실제 클럭(102, 104)을 구현하는 프로토콜의 애플리케이션 층(300)의 운영 체제 커널 기능 장치에 있어서,
    상기 기능 장치는 상기 프로토콜의 하위 층(301)과 상호 작용해서 가상 주파수(f(t))(302)를 리턴하는
    운영 체제 커널 기능 장치.
  17. 스트리밍 서버(206)로 하여금, 네트워크(207)의 RTP 패킷 전송의 동적인 전송 속도 조정을 수행할 수 있게 하는 실제 클럭(102, 104)을 구현하는 방법에 있어서,
    인코딩된 컨텐츠에 기초해서, 스트리밍 애플리케이션의 미리 정해진 RTP 패킷 전송 속도(R0(t))를 측정하는 실제 클럭(100)을 제공하는 단계와,
    상기 스트리밍 애플리케이션의 RTP 패킷 전송 속도를 측정하는 상기 실제 클럭(102, 104)의 주파수(f(t))를 동적으로 구성하는 단계와,
    상기 스트리밍 애플리케이션의 사용가능한 대역폭(RL(t))(202)을 모니터하는 단계와,
    상기 RL(t)(202) 및 상기 (R0(t))에 에 기초해서 상기 f(t)(302)를 동적으로 조정하는 단계
    를 포함하는 방법.
  18. 제 17 항에 있어서,
    상기 구성 단계는
    a. 상기 실제 클럭(100)이 주파수(f(t))=1를 갖고 있고, T가 상기 실제 클럭(100)과 상기 실제 클럭(102, 104) 모두가 시공에서 같은 거리를 지나는 시간이라면, 즉 이면, 일 때, 를 계산하는 단계 - 여기서 τ는 에 의해 결정되고, 상기 R0(t)는 컨텐츠에 기초해서 미리 정해진 RTP 패킷 속도임 - 와,
    b. 매 T시간 이후마다, 상기 실제 클럭(100)과 상기 실제 클럭(102, 104)을 재동기화시키는 단계
    를 더 포함하는
    방법.
  19. 제 18 항에 있어서,
    상기 서버의 네트워크 인터페이스 드라이버, 상기 네트워크(207)에 상주하는 하나 이상의 전용 네트워크 구성 요소(203)의 세트 및 상기 수신기의 하나 이상의 전용 구성 요소의 세트 중 하나에 의해 상기 RL(t)를 측정하는 단계를 더 포함하되,
    상기 구성 요소(203)는 상기 스트리밍 애플리케이션의 사용가능한 대역폭을 계산하는
    방법.
  20. 제 18 항에 있어서,
    상기 네트워크(207)는 무선 네트워크(207)이고,
    상기 수신기의 하나 이상의 전용 구성 요소의 세트는 상기 무선 네트워크 드라이버에 위치된 모니터이며,
    상기 모니터 단계는
    c. 상기 모니터에 의해 상기 RL(t)(202)를 측정하는 단계와,
    d. 상기 측정된 상기 RL(t)(202)를 상기 스트리밍 서버(206)로 전송하는 단계
    를 더 포함하는
    방법.
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