[논문 리뷰] Transcoder Migration For Real Time Video Streaming Systems

Paul Farrow, Martin J. Reed외 2명|arXiv (Cornell University)|2015. 09. 27.

Video Coding and Compression Technologies참고 문헌 9인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 OpenFlow 기반 네트워크를 활용하여 실시간 4K 초고화질 영상 스트리밍을 위한 동적 트랜스코더 마이그레이션 시스템을 제안한다. 최적의 트랜스코더 위치를 위한 휴리스틱 알고리즘과 OpenFlow를 활용한 마이그레이션을 조합함으로써, 활성 스트리밍 중에도 거의 끈적임 없이 트랜스코더를 이동시킬 수 있으며, 클라이언트 측의 교란을 1초 미만으로 줄여 동적 네트워크 환경에서 QoS를 크게 향상시킨다.

ABSTRACT

The increase in real time ultra-high definition video services presents a challenging issue to current network infrastructures, because of its high bandwidth usage, which saturate network links. The required bandwidth is related to strict QoS requirements for digital media. There are systems in place currently to help reduce these problems, such as transcoders and application layer multicasting. However, these approaches are limited because they are usually implemented as static resources. In contrast, by using the OpenFlow based system presented in this paper, it is possible to provide a more effective approach using dynamic resources - by both optimally placing transcoders in the network, as well as by migrating them to different locations while the streaming is taking place. This migration mechanism provides a near seamless switchover with minimal interruption to the clients.

연구 동기 및 목표

• 제한된 네트워크 링크를 통해 실시간 4K 영상 스트리밍 시 높은 대역폭 소비 문제를 해결하기 위해.
• 정적 트랜스코더 및 멀티캐스트 시스템의 한계를 극복하기 위해, 트랜스코더의 동적이고 즉각적인 배치 및 마이그레이션을 가능하게 하기 위해.
• OpenFlow 기반의 트래픽 재지정을 통해 트랜스코더 마이그레이션 중 클라이언트 측의 교란을 최소화하기 위해.
• 클라이언트 분포와 부하를 기반으로 적응적으로 트랜스코더를 배치함으로써 네트워크 자원 활용도를 최적화하기 위해.
• 국제 간 4K 스트리밍 시나리오에서 OpenFlow 지원 마이그레이션의 성능을 표준 마이그레이션 방법과 비교 평가하기 위해.

제안 방법

• 전체 네트워크 부하를 최소화하면서도 QoS를 유지하기 위해 트랜스코더 위치 최적화를 위한 휴리스틱 알고리즘을 사용한다.
• OpenFlow 기반 스위치를 사용하여 스위치의 흐름 테이블 수정을 통해 트랜스코더 마이그레이션 중 동적으로 트래픽을 재지정한다.
• 클라우드 데이터센터 내 가상 머신을 활용하여 탄력적이고 확장 가능한 트랜스coding 자원을 제공한다.
• 제어 소프트웨어 레이어를 통해 OpenFlow FlowMod 메시지를 발행하여 스위치의 전달 규칙을 업데이트함으로써 트래픽 마이그레이션을 관리한다.
• 중복된 트래픽을 줄이고 대역폭 효율성을 향상시키기 위해 트랜스코더와 애플리케이션 계층 멀티캐스팅을 통합한다.
• 실시간 성능 모니터링(패킷 지연 및 클라이언트 교란)을 통해 국제 간 4K 영상 스트리밍을 사용한 마이그레이션 과정을 테스트한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 고객 분포의 변화에 대응하여 네트워크 부하를 줄이기 위해 트랜스코더 위치를 어떻게 동적으로 최적화할 수 있는가?
• RQ2 OpenFlow 지원 마이그레이션은 트랜스코더 이동 중 클라이언트 측 영상 교란에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 지연 및 스트림 연속성 측면에서 OpenFlow 지원 마이그레이션은 표준 마이그레이션 방법과 비교해 어떻게 성능이 뛰어나게 되는가?
• RQ4 실시간 4K 스트리밍에서 동적 트랜스코더 마이그레이션은 QoS와 대역폭 효율성 향상에 얼마나 기여할 수 있는가?
• RQ5 지속 중인 스트리밍 세션 동안 트랜스코더 위치를 재구성하는 동안에도 시스템은 높은 성능을 유지할 수 있는가?

주요 결과

• OpenFlow 지원 트랜스코더 마이그레이션은 클라이언트 측의 교란을 1초 미만의 지연으로 줄였으며, 영상 재생에 눈에 띄는 영향을 최소화했다.
• 표준 마이그레이션 방법은 스트림 재설립에 오랜 시간이 소요되어 심각한 지연과 영상 이상 현상(정지, 프레임 손실 포함)을 유발했다.
• 휴리스틱 알고리즘이 유전 알고리즘과 유사한 트랜스코더 위치 배치 결과를 도출했지만, 시간이 훨씬 적게 소요되어 스트리밍 중 자주 재최적화가 가능했다.
• 응용 계층 멀티캐스팅 지점으로서 트랜스코더를 사용함으로써 전체 네트워크 트래픽, 특히 장거리 링크에서의 트래픽이 크게 감소했다.
• OpenFlow 지원 전환 중 지연 피크가 거의 없이 거의 끈적임 없는 마이그레이션을 달성했으며, 95% 신뢰구간에서 확인되었다.
• 제어 소프트웨어는 OpenFlow 스위치 간의 흐름 테이블 업데이트를 성공적으로 관리하여 마이그레이션 중 정밀하고 저지연의 트래픽 재지정을 가능케 했다.