Rate adaptation for network bandwidth fluctuation is one of the important and challenging issues in video streaming using P2P overlay multicast. Without proper adaptation scheme for varying network bandwidth, there always exists possibility of significant loss from the shortage of available bandwidth, which have a seriously bad influence on the stream quality.
We studied on P2P video streaming scheme in peer-to-peer network, which adaptively adjusts the stream rate from multiple partner peers using frame type aware scheduler according to the network bandwidth of the supplying peer nodes. For each partner, by allocating the request quantity based on its bandwidth condition, frame type aware scheduler decreases excessive request of stream data which not only consumes the available bandwidth but also has no benefit for stream quality. In order to reduce tree management complexity, we proposed rate adaptation scheme on top of the peer-to-peer data driven mechanism where, for streaming data, each overlay node requests missing stream chunks (segments) to multiple partners based on the information of buffer contents of each partner.
Proposed streaming rate adaptation scheme significantly decreases uselessly received video frames without degrading streaming quality. Especially, when the bandwidth supply is insufficient, the effectiveness of proposed scheme significantly increases.
멀티미디어 스트리밍 서비스를 제공하는 어플리케이션들은 하나의 혹은 여러 개의 소스로부터 다수의 사용자에게 스트림 데이터를 전송하는 것을 특징으로 한다. IP 멀티캐스트를 이용한 멀티미디어 전송방법에는 네트웍 인프라의 수정, 멀티캐스트 트리의 글로벌한 지원 등의 어려움이 내재되어 있다. 그 대안으로 연구자들은 응용 계층(application layer)에서 멀티캐스트를 제공함으로써 문제를 해결하려 했다. 즉, 스트림 서비스에 참여하는 노드들 간에 응용계층에서 전송 구조를 구성하여 멀티캐스트 기능을 구현하려는 시도이다.
오버레이 멀티캐스트 방식의 스트림 전송 기법은 사용자 노드가 가진 강력한 버퍼링(buffering) 능력과 상위계층(upper layer)의 정보를 바탕으로 좀 더 효율적인 판단을 할 수 있어 시스템에 더 많은 융통성(flexibility)을 가져다 준다. 하지만, 이러한 장점에도 불구하고 이 방식의 큰 취약점 중 하나는 참여하는 노드들의 가용 대역폭을 미리 결정하거나 참조하기 힘들다는 점이다. 이종적인 네트웍 대역폭 환경에서의 적응 기법의 부재는 오버레이 멀티캐스트 기법을 다양한 기기 및 네트웍 환경에 적용하기 어렵게 만들고 있다.
응용 계층에서의 멀티캐스트 방식에는 크게 트리(tree), 다중 트리(multiple tree), 매시(mesh)와 같이 미리 명시된 전송구조를 바탕으로 소스로부터 사용자들에게 스트림 데이터를 전송하는 방식과 명시된 전송구조 없이 상황에 따라 peer-to-peer 방식으로 전송하는 방식이 있다. 오버레이 전송구조에 참여하는 사용자들의 잦은 동적 행동을 고려한다면 세밀한 전송구조를 가지는 방식보다 명시된 전송구조가 없는 peer-to-peer 방식이 사용자가 사용하는 단말에 맞는 적응적인 전송이 가능한 장점이 있다. 명시적인 전송구조가 필요한 경우에는 사용자의 네트웍 특성을 반영하기 위하여 전송구조가 수정되어야 하므로 복잡도가 증가될 수 있다.
본 연구에서는 참여하는 오버레이 노드들의 네트웍 대역폭에 따라 적응적으로 스트림 전송률을 조절하는 인터넷 상에서의 멀티미디어 스트리밍 기법 을 제안한다. 제안된 적응 기법은 스트림 데이터의 질에 이득이 없는 불필요한 스트림 데이터의 전송을 줄여 대역폭의 낭비를 막고 주어진 대역폭 상황에서 최상의 스트림 질을 제공하기 위한 방법을 제시한다. 제안된 기법은 특정한 전송구조 관리의 복잡도를 줄이기 위해 peer-to-peer 기반의 data-driven방식의 전송방법을 바탕으로 하여 각 노드가 스트림 데이터를 여러 개의 부모(파트너)들로부터 대역폭에 준하여 요청하는 방식을 따른다.
제안된 기법에서 하나의 노드가 멀티미디어 스트림을 전송 받기 위해서는 부모(파트너) 노드들을 선택하고, 이 노드들이 갖고 있는 데이터 중 자신에게 필요한 것을 결정하여 각 노드들에게 요청하는 과정을 따른다. 데이터 가용성에 기반한 peer-to-peer 환경에서 적응적인 멀티미디어 전송이 이루어지기 위해서는 데이터를 교환하기 위한 전 과정에 거쳐 이러한 사항이 반영되어야 한다. 적응 기법을 제공하기 위하여 스트림 전송의 기본 단위인 세그먼트의 구성 방법과 세그먼트 별로 타입을 기술할 수 있는 버퍼 맵을 제안하고 이를 바탕으로 스케줄링 알고리즘을 제시한다. 세그먼트는 멀티미디어 스트림 데이터의 비디오 프레임 타입들 사이의 의존성에 기반 하여 분류된 타입을 가지며 버퍼 맵은 이러한 세그먼트들을 비트 플래그 형식으로 표현한다. 스케줄링 알고리즘은 버퍼 맵에 명시된 세그먼트의 타입을 바탕으로 대역폭에 맞는 타입을 선택적으로 요청함으로써 스트림 전송률을 조절한다.
제안된 기법은 ns2 를 이용하여 디코딩이 가능한 비디오 프레임의 비율과 받은 세그먼트들의 세그먼트의 타입 별 분포를 각각 매트릭으로 평가하였다. 시뮬레이션 결과를 통해 본 연구에서 제안한 프로토콜이 이전의 비슷한 연구 에 비해 더 나은 비디오 질을 보여줌과 동시에 불필요한 대역폭 낭비를 줄이는데 효과를 보여주는 것을 확인하였다.
