[컴퓨터 네트워크] 18. 멀티미디어 네트워킹과 스트리밍

멀티미디어 애플리케이션 유형
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1. 저장된 미디어 스트리밍 (Streaming Stored Media)
   - 넷플릭스, 유튜브, 웨이브
   - 사전 녹화된 콘텐츠를 재생
   - 약간의 지연 허용 (버퍼링)

2. 실시간 스트리밍 (Live Streaming)
   - 트위치, 아프리카TV, 스포츠 중계
   - 실시간 콘텐츠를 약간의 지연으로 전달
   - 10초 이내 지연 목표

3. 대화형 실시간 (Interactive Real-Time)
   - VoIP (Skype, Zoom, Discord)
   - 화상 회의, 온라인 게임
   - 150ms 이내 지연 필요 (엄격)

비디오 압축 원리
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비압축 비디오:
  - 해상도: 1920 x 1080 (Full HD)
  - 색상: 24비트/픽셀
  - 프레임: 30fps
  - 비트레이트: 1920 x 1080 x 24 x 30 = 약 1.5 Gbps

압축 후:
  - H.264/AVC: 1~10 Mbps (Full HD)
  - H.265/HEVC: 0.5~5 Mbps (Full HD)

압축 기법:
  1. 공간적 중복 (Spatial Redundancy)
     - 프레임 내 인접 픽셀의 유사성 활용
     - I-프레임: 독립 압축

  2. 시간적 중복 (Temporal Redundancy)
     - 연속 프레임 간 차이만 인코딩
     - P-프레임: 이전 프레임과의 차이
     - B-프레임: 전후 프레임과의 차이

비트레이트 방식
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CBR (Constant Bit Rate):
  비트레이트 일정
  |_______________________________________
  |========================================
  |========================================
  +----------------------------------------> 시간

VBR (Variable Bit Rate):
  장면 복잡도에 따라 비트레이트 변동
  |         ___
  |   __   |   |  _    ___
  |__|  |__|   |_| |__|   |___
  +----------------------------------------> 시간
    정적  동적  정적 동적  정적

VBR이 일반적: 같은 평균 비트레이트에서 더 좋은 화질

HTTP 스트리밍 동작
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서버                              클라이언트
  |                                    |
  |<-- HTTP GET (비디오 파일 요청) ----|
  |                                    |
  |--- HTTP 응답 (비디오 데이터) ----->|
  |     TCP를 통해 순차적 전송         |
  |                                    | [수신 버퍼]
  |                                    |     |
  |                                    | [클라이언트 버퍼]
  |                                    |     |
  |                                    | [비디오 재생]

클라이언트 버퍼 동작:
  - 충분한 데이터가 쌓이면 재생 시작
  - TCP가 혼잡 제어로 전송률 조절
  - 버퍼가 비면 리버퍼링 (재생 중단)

DASH 동작 원리
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서버 측 준비:
  원본 비디오를 여러 비트레이트로 인코딩하고 청크로 분할

  비트레이트 1 (240p):  [C1][C2][C3][C4][C5]...  0.5 Mbps
  비트레이트 2 (480p):  [C1][C2][C3][C4][C5]...  1.5 Mbps
  비트레이트 3 (720p):  [C1][C2][C3][C4][C5]...  3.0 Mbps
  비트레이트 4 (1080p): [C1][C2][C3][C4][C5]...  6.0 Mbps
  비트레이트 5 (4K):    [C1][C2][C3][C4][C5]...  15.0 Mbps

  매니페스트 파일 (MPD): 각 청크의 URL과 비트레이트 정보

클라이언트 동작:
  1. 매니페스트 파일 다운로드
  2. 현재 가용 대역폭 측정
  3. 대역폭에 맞는 비트레이트의 다음 청크 요청
  4. 대역폭 변화에 따라 비트레이트 동적 조절

시간에 따른 비트레이트 변화:
  [720p][720p][1080p][1080p][480p][480p][720p][1080p]
                      ^대역폭 증가  ^대역폭 감소  ^복구

CDN 없이 vs CDN 사용
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CDN 없이:
  미국 서버 <=============> 한국 사용자 (지연 200ms+)
  미국 서버 <=============> 브라질 사용자 (지연 300ms+)
  미국 서버 <=============> 호주 사용자 (지연 250ms+)
  --> 한 서버에 부하 집중, 긴 지연

CDN 사용:
  [원본 서버]
       |
  [CDN 서버: 서울] <--> 한국 사용자 (지연 10ms)
  [CDN 서버: 상파울루] <--> 브라질 사용자 (지연 15ms)
  [CDN 서버: 시드니] <--> 호주 사용자 (지연 12ms)
  --> 사용자 근처에서 콘텐츠 전달

CDN 배치 전략
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1. Enter Deep (진입 전략)
   - ISP의 접속 네트워크 내부에 서버 배치
   - 사용자에 매우 가까움
   - 관리 어려움 (서버 수가 매우 많음)
   - Akamai 방식: 전 세계 24만+ 서버

2. Bring Home (집결 전략)
   - IXP(Internet Exchange Point) 근처에 대규모 서버 클러스터 배치
   - 관리 용이
   - 사용자와 약간 더 먼 거리
   - Limelight, Google CDN 방식

CDN 콘텐츠 전달 과정
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사용자가 video.example.com/movie.mp4 요청:

1. 사용자 브라우저가 DNS 조회: video.example.com
2. 원본 DNS가 CDN의 DNS로 CNAME 리다이렉트
3. CDN DNS가 사용자에게 가장 가까운 CDN 서버 IP 반환
4. 사용자가 CDN 서버에 직접 HTTP 요청
5. CDN 서버가 콘텐츠 전달 (캐시 히트 시 즉시, 미스 시 원본에서 가져옴)

DNS 기반 CDN 서버 선택:
  사용자 위치 --> Local DNS IP --> CDN DNS
  CDN DNS가 지리적으로 가장 가까운 서버 IP 반환

넷플릭스 스트리밍 아키텍처
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[넷플릭스 클라이언트 앱]
        |
        | 1. 로그인, 검색, 추천
        v
[AWS 클라우드] (넷플릭스 백엔드)
  - 사용자 인증
  - 콘텐츠 추천
  - DRM 라이선스
  - 매니페스트 파일 생성
        |
        | 2. 스트리밍 URL (CDN 서버 주소)
        v
[넷플릭스 클라이언트 앱]
        |
        | 3. DASH 기반 비디오 스트리밍
        v
[넷플릭스 Open Connect CDN]
  - 자체 CDN 인프라
  - ISP 내부에 OCA(Open Connect Appliance) 설치
  - 인기 콘텐츠 사전 배포 (off-peak 시간)

VoIP 요구사항
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- 허용 가능한 지연: 150ms 이하 (양호), 400ms 이하 (허용)
- 패킷 손실: 1~5% 손실은 FEC로 복구 가능
- 지터: 패킷 도착 간격의 변동 --> 플레이아웃 지연으로 보상

음성 인코딩:
  PCM: 8000 samples/sec x 8 bits = 64 Kbps
  패킷화: 20ms마다 160바이트 + 헤더 = 약 200바이트 패킷

지터 (Jitter) 문제
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송신 측: 패킷을 일정 간격(20ms)으로 전송
  |P1|  |P2|  |P3|  |P4|  |P5|  (20ms 간격)

네트워크를 거치면 도착 간격이 불규칙:
  |P1|    |P2||P3|      |P4|  |P5|  (가변 간격)

해결: 플레이아웃 버퍼 (Playout Buffer)
  - 수신된 패킷을 버퍼에 저장
  - 일정 지연 후 버퍼에서 균등 간격으로 재생

플레이아웃 지연 설정:
  고정 플레이아웃 지연:
    모든 패킷에 동일한 지연 적용
    지연이 크면: 패킷 손실 적지만 대화 지연 증가
    지연이 작으면: 대화 자연스럽지만 늦은 패킷 폐기

  적응형 플레이아웃 지연:
    말하는 구간(talkspurt) 사이에 지연을 조절
    네트워크 지연의 평균과 분산을 추정하여 동적 조절

VoIP 손실 복구 기법
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1. FEC (Forward Error Correction)
   방법 A: 중복 패킷 전송
     원본:  [P1][P2][P3][P4]
     XOR:   [P1^P2][P2^P3][P3^P4]
     P2 손실 시: P1^P2 XOR P1 = P2 복구

   방법 B: 저품질 복사본 끼워넣기
     [P1 고품질][P1 저품질 복사 | P2 고품질][P2 저품질 복사 | P3]
     P2 손실 시 P2 저품질 복사본으로 대체

2. 인터리빙 (Interleaving)
   원본:   [1,5,9,13] [2,6,10,14] [3,7,11,15] [4,8,12,16]
   인터리빙: [1,2,3,4] [5,6,7,8] [9,10,11,12] [13,14,15,16]

   한 패킷 손실 시 연속된 손실이 아닌 분산된 손실
   --> 보간(interpolation)으로 복구 가능

트래픽별 QoS 요구사항
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트래픽 유형  | 대역폭  | 지연    | 지터   | 손실
------------+---------+---------+--------+--------
이메일       | 낮음    | 무관    | 무관   | 0% 필요
웹 브라우징  | 중간    | 낮음    | 무관   | 0% 필요
파일 전송    | 높음    | 무관    | 무관   | 0% 필요
VoIP         | 낮음    | 매우 낮음| 낮음  | 일부 허용
비디오 스트리밍| 높음   | 낮음    | 낮음  | 일부 허용
온라인 게임  | 낮음    | 매우 낮음| 매우 낮음| 일부 허용

QoS 메커니즘
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1. 마킹 (Marking)
   - 패킷에 우선순위 표시
   - IP 헤더의 ToS/DSCP 필드 사용
   - 높은 우선순위: VoIP, 화상 회의
   - 낮은 우선순위: 파일 다운로드, 이메일

2. 폴리싱 (Policing)
   - 트래픽이 합의된 속도를 초과하지 않도록 제한
   - 토큰 버킷: 토큰이 일정 속도로 생성, 패킷 전송 시 소모

3. 스케줄링 (Scheduling)
   - 우선순위 큐잉, WFQ 등
   - 높은 우선순위 트래픽을 먼저 처리

4. 승인 제어 (Admission Control)
   - 네트워크가 새 플로우를 수용할 수 있는지 판단
   - 수용 불가 시 거부

토큰 버킷 알고리즘
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파라미터:
  r = 토큰 생성 속도 (tokens/sec)
  b = 버킷 크기 (최대 토큰 수)

동작:
  - 토큰이 r의 속도로 버킷에 축적
  - 패킷 전송 시 토큰 소모
  - 토큰이 없으면 패킷 대기 또는 폐기
  - 버킷이 가득 차면 새 토큰 폐기

효과:
  - 평균 전송률: r로 제한
  - 순간 버스트: b만큼 허용

  토큰 수
  b |____
    |    \___
    |        \___
    |    버스트   \___평균 r
    +-------------------> 시간

Diffserv 아키텍처
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인터넷에서 QoS를 제공하기 위한 확장 가능한 프레임워크

동작:
  1. 에지 라우터: 패킷 분류 및 마킹 (DSCP 설정)
  2. 코어 라우터: DSCP 값에 따른 차별화된 처리

DSCP (Differentiated Services Code Point):
  IP 헤더의 ToS 필드 6비트 사용

PHB (Per-Hop Behavior):
  - EF (Expedited Forwarding): 최우선 처리 (VoIP 등)
  - AF (Assured Forwarding): 보장된 전달 (4개 클래스)
  - BE (Best Effort): 기본 처리 (일반 트래픽)

장점: 확장 가능, 플로우별 상태 불필요
단점: 엄격한 QoS 보장 어려움