멀티미디어 데이터 통신 및 분산 멀티미디어 시스템

1. 멀티미디어 데이터 통신 및 분산 멀티미디어 시스템

2. 목차 • 네트워크 개요 • 데이터 통신 네트워크 기반 기술 • 멀티미디어 통신을 위한 네트워크 • 멀티미디어 트래픽을 위한 네트워크 지원 • 분산 멀티미디어 시스템 • 요약 및 참고 문헌

3. 네트워크 정의 • 네트워크란 정보를 효과적으로 교환하고, 처리하기 위한 통신 시스템 • 호스트 컴퓨터 혹은 연결 장치들은 전송 매체로 서로 연결되어, 네트워크를 형성 • 근거리 통신 네트워크(LAN: Local Area Network)와 원거리 통신 네트워크(WAN: Wide Area Network)를 통칭 • 논리적으로 노드(node)와 링크(link)로 구성 • 노드는 호스트 컴퓨터 또는 연결 장치를 의미 • 링크는 정보가 전송되는 전송 매체를 의미

4. 네트워크 발전 모습

5. 네트워크 발전 모습 (계속)

6. 네트워크 분류

7. 통신 프로토콜 • 한 시스템이 다른 시스템과 원활하게 통신하기 위하여 사전에 정의된 약속 • 컴퓨터 시스템 간의 통신에서는 정확한 규칙을 미리 정해 놓고 규칙을 준수하며 통신하는 것이 필요

8. OSI 모델 • 등장 배경 • 컴퓨터 네트워크 초기에 각 제조업체들은 통신 프로토콜과 통신 기기를 독자적으로 개발 • 서로 다른 컴퓨터 시스템들을 연결하여 통신하려는 수요가 증대되면서 시스템 간의 호환성 문제가 제기 • 목적 • OSI 모델은 하드웨어나 소프트웨어의 변화 없이 서로 다른 시스템 사이에 통신이 가능한 네트워크를 설계하기 위해 고안됨

9. OSI 모델- 계층 구조

10. TCP/IP • TCP/IP(Transmission Control Protocol/Internet-working Protocol): 현재 인터넷에서 사용되고 있는 통신 프로토콜 • TCP/IP는 OSI 모델보다 먼저 개발됨 • OSI 모델의 계층 구조와 유사한 계층 구조를 가짐 • OSI 모델은 7 계층으로 이루어진 반면, TCP/IP는 물리 계층, 데이터링크 계층, 네트워크 계층, 전송 계층, 응용 계층의 5 계층으로 이루어져, TCP/IP에는 세션 계층과 표현 계층이 존재하지 않음 • TCP/IP의 각 계층은 OSI 모델의 해당 계층과 유사한 기능을 담당하고, TCP/IP의 응용 계층은 OSI 모델의 세션 계층, 표현 계층, 응용 계층의 기능을 담당

11. TCP/IP와 OSI 모델의 계층 구조

12. 전송 매체 • 데이터 신호가 전달되는 물리적 경로이며 링크라고도 함 • 송신 시스템에서 신호로 표현된 데이터는 전송 매체를 통하여 수신 시스템까지 전달 • 각 전송 매체의 고유한 성질은 통신의 품질과 전송 한계를 결정

13. 트위스트-페어 케이블 • 전화 시스템에서 사용되어 널리 알려져 있으며, 건물 내의 통신 회선에도 사용됨 • 디지털 신호와 아날로그 신호를 모두 전송

14. 트위스트-페어 케이블(계속) • 다른 전송 매체에 비해 설치가 쉬우며, 가격이 저렴하고, 잘 휘어지는 장점을 가짐 • 전송 거리와 전송 속도에 제한이 있다는 단점을 가짐 • 아날로그 신호의 전송을 위해서는 5~6 km 마다 신호 증폭기가 필요하고, 디지털 신호의 전송을 위해서는 2~3 km 마다 리피터(repeater)가 필요

15. 동축 케이블 • 동축 케이블은 LAN, WAN, 케이블 TV 등 여러 용도의 전송 매체로서 사용됨 • 다른 전송 매체에 비해 외부로부터 간섭 현상을 적게 받고, 뛰어난 주파수 특성을 가져 고속 데이터 전송에 이용

16. 광섬유 케이블 • 빛 신호를 여러 겹의 유리로 된 섬유를 통하여 전송 • 광섬유는 간섭으로부터 자유로우며, 수 km를 가기까지 감쇠가 발생하지 않아 장거리 전송에 이용 가능, 넓은 대역폭을 제공함 전송 원리

17. LAN(Local Area Network) • 빛 신호를 여러 겹의 유리로 된 섬유를 통하여 전송 • 광섬유는 간섭으로부터 자유로우며, 수 km를 가기까지 감쇠가 발생하지 않아 장거리 전송에 이용 가능, 넓은 대역폭을 제공함

18. 네트워크 토폴로지 링 구조 스타 구조 버스 구조 하이브리드 구조

19. 네트워크 접근 방식 • 공동의 전송로를 이용할 때 충돌 없이 통신하기 위한 제어 절차가 필요하며, 이 절차에 따라 네트워크 접근 방식이 정의됨 • 네트워크 토폴로지와 관련이 깊으며 CSMA/CD는 버스 구조에서, 토큰 방식은 링 구조에서 주로 사용됨 • CSMA/CD(Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection) • 토큰 방식 • TDMA(Time Division Multiple Access)

20. 전송 방식 • 베이스밴드는 전송로 상에 하나의 데이터 흐름 즉 하나의 채널만을 전송하는 방식 • 브로드밴드는 전송로 상에 여러 데이터 흐름 즉 여러 채널들을 전송하는 방식 • 다중화란 하나의 전송로를 분할하여 여러 신호들을 동시에 송/수신할 수 있는 다수의 채널을 구성하는 기술 • 한 전송로 상에 여러 신호를 실어 보내려면 다중화(multiplexing) 기술이 필요 • 대표적인 다중화 방식으로는 하나의 회선을 다수의 주파수 대역으로 분할하여 다중화하는 주파수 분할 다중 방식(FDM: frequency division multiplexing)과 하나의 회선을 다수의 아주 짧은 시간 간격으로 분할하여 다중화하는 시분할 다중 방식(TDM: time division multiplexing) 등이 있다.

21. 대표적인 LAN • 이더넷(ethernet) • 토큰 링 • FDDI(Fiber Distributed Data Interface) • 고속 이더넷(fast ethernet) • 기가비트 이더넷(gigabit ethernet)

22. 이더넷 • 버스 토폴로지를 가지며, CSMA/CD 네트워크 접근 방법을 이용하여 10 Mbps 속도로 통신 • 전송 방식은 베이스밴드 방식을 사용하며, 전송 매체로는 동축 케이블을 사용 • 주로 소형 LAN에 널리 사용

23. 토큰 링 • 링 토폴로지를 가지며, 토큰 링 네트워크 접근 방법을 이용하여 4~16 Mbps 속도로 통신 • 전송 방식은 베이스밴드 방식을 사용 • 전송 매체로 동축 케이블 혹은 광섬유 케이블을 사용하며, 소형에서 대형 LAN에 사용됨

24. FDDI • 링 네트워크 토폴로지를 가지며, 100 Mbps 속도로 통신 • 전송 방식은 브로드밴드 방식을 사용하며, 전송 매체로는 광섬유 케이블을 사용하며, 대형 LAN 혹은 고속 백본(backbone) LAN으로 사용됨 • FDDI는 이중 광섬유 케이블을 연결하여 이중 링(dual ring)을 구현 • 대부분의 데이터 전송은 1차 링에서 이루어지며, 2차 링은 1차 링에 문제가 발생한 경우에 사용 • 비교적 높은 고장 감내성(fault-tolerant)을 제공

25. 고속 이더넷 • 표준 이더넷 기술을 발전시킨 것이며, 스타 토폴로지를 사용하여 최대 100 Mbps 속도로 통신 • 전송 매체로는 트위스트-페어 케이블 혹은 광섬유 케이블을 사용

26. 기가비트 이더넷 • 최대 1000 Mbps 속도로 통신하며, 주로 고속 백본 LAN으로 사용되거나 멀티미디어 서버와 연결하여 사용됨 • 고속 이더넷 혹은 기가비트 이더넷은 기존의 이더넷과 같은 방식으로 관리할 수 있어, 네트워크 관리자들에게 편의성을 제공

27. 교환 기술 • n 개의 노드가 서로 연결되어 통신하기 위해서는 이론적으로 n(n-1)/2 개의 전송로가 필요하나 교환기의 사용으로 전송로의 수를 줄임 • 교환기(switch)는 일시적으로 둘 이상의 노드들을 일시적으로 서로 연결시켜 주는 역할을 담당 • 회선 교환 • 패킷 교환 • 메시지 교환

28. 회선 교환 • 전화 연결에 널리 사용되고 있는 교환 방식으로, 두 노드를 연결하기 위하여 네트워크 상의 전송로를 물리적으로 연결 • 회선이 설정된 후 두 노드들은 독점적으로 전송로를 사용 • 연결이 형성된 두 노드들 간의 통신이 끝나면, 물리적인 연결도 해제 • 전송로에서 데이터가 고정된 전송률로 지연없이 연속적으로 전달됨

29. 패킷 교환 • 데이터를 패킷(packet)이라는 단위 크기로 나누어 전송 • 데이터의 크기가 큰 경우에는 여러 개의 패킷으로 나뉘어 전송 • 각 패킷은 데이터 정보 외에도 목적지 주소 등의 관리 정보를 포함한 헤더(header)를 가지며, 각 노드는 헤더 정보를 이용하여 패킷이 전달될 다음 노드를 결정하고 전송 • 가상 회선(virtual circuit) 방식 • 데이터그램(datagram) 방식

30. 메시지 교환 • 메시지를 패킷으로 나누지 않고 전체 메시지를 전달 • 특정한 전송로를 미리 설정해 두지 않음 • 송신 측과 수신 측 사이의 노드들은 전체 메시지를 수신하여 버퍼에 저장해 둔 후, 수신 측 주소를 이용하여 다음 노드를 결정 • 메시지의 크기가 노드의 버퍼 크기보다 크면 전송이 불가능하다는 단점이 있어, 현재는 거의 사용되지 않음

31. 가입자 네트워크 • 가입자와 네트워크를 연결하는 통신 구간을 의미 • 고속 네트워크 서비스에 대한 요구가 증대됨에 따라 디지털 가입자 회선, 동축 케이블, 광섬유 기술 등의 다양한 기술이 등장 • ISDN • xDSL • 케이블 모뎀 • 광섬유 케이블 전송로

32. ISDN • ISDN(Integrated Services Digital Network)은 종합 서비스와 디지털 통신망 개념을 기반으로 하는 종합 서비스 디지털 네트워크를 의미 • 텍스트 이외 오디오, 영상 등 다양한 형태의 데이터를 통합적으로 처리하는 것을 목적 • 가입자는 서비스 별로 별도의 회선 없이 하나의 디지털 회선을 통하여 서비스를 받음 • 디지털 신호는 아날로그 신호에 비해 잡음에 강하고 정보의 손실이 적어 빠른 전송 속도를 제공 • ISDN을 사용하는 경우에는 128 Kbps의 속도를 얻음

33. 디지털 가입자 회선(xDSL) • xDSL은 고속 모뎀 기술로서, Mbps 단위의 높은 속도를 제공 • HDSL, SDSL, ADSL, VDSL 등 여러 종류의 기술을 포함

34. HDSL • HDSL(High data rate Digital Subscriber Line)은 두 개의 트위스트-페어 케이블을 이용 • 전송 속도는 최대 1.5~2 Mbps로 대칭적 전송 방식을 지원 • HDSL은 기존 전화선을 이용하므로 설치 비용이 저렴 • 가입자 단말 장치의 설치 없이 가정의 전화 콘센트 교체만으로 데이터 전송이 가능

35. SDSL • SDSL(Single-line Digital Subscriber Line)은 1.544 Mbps로 대칭적 전송을 지원 • 하나의 트위스트-페어 케이블을 사용한다는 점과 전송 거리가 3.6 km로 제한된다는 점이 HDSL과 다름

36. ADSL • ADSL(Asymmetric Digital Subscriber Line)은 상향 전송보다 하향 전송이 더 많은 곳에 적합하도록, 비대칭적으로 설계됨 • 대부분의 응용 프로그램들은 사용자 측에서 서비스 제공자 측으로의 상향 전송보다 서비스 제공자 측에서 사용자 측으로의 하향 전송량이 더 많음 • 하향 전송 속도는 1.5∼9 Mbps • 상향 전송 속도는 16∼640 Kbps

37. VDSL • VDSL(Very high data rate Digital Subscriber Line)은 역시 비대칭적으로 설계됨 • 상향 전송의 경우 1.5~2.3 Mbps • 하향 전송의 경우 13~52 Mbps • VDSL은 이론상 최대 52 Mbps까지 전송할 수 있어 VOD, HDTV, 화상 회의 등과 같은 높은 대역폭을 요구하는 멀티미디어 서비스를 구현 가능하게 하는 기술 • VDSL은 ADSL보다 전송 기술이 간단하며, xDSL 기술 중 가장 뛰어난 전송 속도를 보임

38. 케이블 모뎀 • 케이블 TV(CATV) 네트워크는 방송국에서 가입자에게 TV 신호를 전달하기 위해 설계된 네트워크이나, 고속의 가입자 네트워크로 이용됨 • CATV 회선을 이용하는 CATV 네트워크는 이론상 최대 46 Mbps의 속도를 제공 • CATV 모뎀은 가입자 수가 증가할수록 전송 속도가 떨어지며 노이즈(noise)에 민감함

39. 광섬유 케이블 전송로 • FTTH(Fiber To The Home) • 광섬유 케이블을 각 가정까지 설치하여 광가입자 네트워크를 구축 • FTTO(Fiber To The Office) • 대규모 사무실 건물까지 광섬유 케이블을 설치 • 대규모 사무실의 경우 전화, 팩스, 그리고 고속 데이터와 이미지 등 고속의·통신 서비스에 대한 수요가 있음 • FTTC(Fiber To The Curb) • 대규모 주거 단지의 원격 노드까지를 광섬유 케이블로 연결 • 원격 노드에서 가입자까지는 ADSL 혹은 VDSL 기술 등이 이용됨

40. 멀티미디어 트래픽 요구 사항 • 트래픽 요구 사항은 실시간적 특성을 만족시키는 것과 관련이 깊음 • 지연과 지터에 대한 제한 • 높은 대역폭의 요구 • 신뢰성 보장

41. 실시간적 특성 • 지연과 지터에 대한 보장 • 사운드와 동영상 같은 멀티미디어 데이터는 ‘실시간성’ 이라는 트래픽 요구 사항을 가짐 • 사운드와 동영상 데이터는 샘플링(sampling)된 비율에 따라 지속적으로 재생되어야 하는데, 만약, 데이터가 제시간에 전송되지 않으면, 재생 프로세스는 일시적으로 멈추게 됨 • 실시간 특성을 만족시키기 위해서는 서비스 제공자와 사용자 사이에서 패킷 지연 및 지터가 발생하지 않도록 해야 함 • 지연(delay)이란, 발신지에서 수신지까지 패킷이 전달되는데 소요되는 시간이 느려지는 현상 • 지터(jitter)란 수신지에 도착하는 패킷들의 지연되는 정도가 임의적으로 변화되는 현상

42. 높은 대역폭의 요구 • 멀티미디어 응용 프로그램들은 전통적인 텍스트 기반 응용 프로그램보다 높은 대역폭을 요구 • 압축이 되더라도 여전히 높은 대역폭을 요구하는 경우가 많으며, 모든 멀티미디어 통신에 압축 기법이 적용 가능한 것은 아님 사운드 데이터의 대역폭 요구 사항 이미지 데이터의 대역폭 요구 사항

43. 신뢰성 보장 • 데이터가 분실(lost)되거나 손상(damaged)된 것을 오류(error)라고 하며, 서로 다른 미디어 타입들은 확연히 다른 오류 요구 사항을 가짐 • 오류 시에 오류 은닉(error concealment) 기술이 주로 사용됨 • 이 기술은 정확히 전달된 데이터로부터 손실된 정보를 예측하여 보상하는 기법

44. 멀티미디어 서비스 요구 사항 • 멀티미디어 응용 프로그램이 적절히 동작하기 위해 필요한 기능 • 멀티캐스팅 지원 • 세션 관리 • 보안

45. 멀티캐스팅 지원 • 멀티캐스팅(multicasting)이란 하나의 송신 측이 다수의 수신 측과 동시에 통신하는 것을 의미 • 대부분의 분산 멀티미디어 응용 프로그램은 이 기능을 필요로 함 • 멀티캐스팅이 통신 네트워크에서 자연스럽게 지원되지 않으면, 멀티미디어 응용 프로그램을 구현하는데 상당한 노력이 필요하며, 대역폭을 비효율적으로 사용할 수도 있음

46. 세션 관리 • 미디어 기술(media description) • 미디어 관련 기술 정보는 멀티미디어 응용 프로그램이 세션 정보를 분배할 때 사용 • 세션 정보란, 세션에서 사용되는 미디어 타입(사운드, 이미지, 텍스트 등), 미디어 인코딩 기법(PCM, MPEG 2 등), 세션의 시작 시각, 세션의 끝 시각, 통신할 호스트들의 IP 주소 등을 의미 • 세션 통지(session announcement) • 세션 통지란 세션이 시작되기 이전에 세션 참가자들에게 미래의 세션 정보를 알려주는 것 • 세션 통지를 통해 각 라디오 방송국의 프로그램 스케줄 정보를 서비스 사용자들에게 알려줄 수 있고, 서비스 사용자들은 자신이 원하는 프로그램을 청취할 수 있음

47. 세션 관리 (계속) • 세션 인지(session identification) • 하나의 멀티미디어 세션은 여러 미디어 스트림으로 이루어지는 경우가 있으며, 각 세션을 멀티미디어 응용 프로그램에 알려줘야 할 필요성이 있음 • 예를 들어 사운드와 동영상 같은 연속적인 미디어 스트림과 텍스트와 정지 영상 같은 이산적인(discrete) 미디어 스트림으로 한 세션이 이루어진 경우, 연속적인 미디어와 이산적인 미디어는 별도로 인지될 필요가 있음 • 세션 제어(session control) • 멀티미디어 세션은 여러 미디어 스트림들을 가질 수 있으며, 각 데이터 스트림들 내의 정보들은 서로 연관됨. 사용자에게 보여질 단계에서 이러한 연관 관계들이 유지되어야 하는데, 이것을 멀티미디어 동기화라고 부름 • 동기화는 각 미디어 패킷 내에 타임스탬프(timestamp)를 첨부하는 방식을 이용하여 이루어짐

48. 보안 • 온라인 서비스의 증대와 디지털 지적 재산권 문제가 부각되면서 보안이 중요한 문제로 인식됨 • 무결성(integrity) • 데이터는 전송 중에 변경되어서는 안됨 • 신빙성(authenticity) • 데이터는 믿을 수 있는 송신 측이 전송한 것이어야 함 • 암호화(encryption) • 데이터는 제 3자에 의해 해독(decipher)되어서는 안됨

49. 실시간 트래픽 지원 • 패킷 지연과 지터를 특정 수치보다 낮게 제한이 필요 • 패킷 지연과 지터는 전송 상의 여러 단계와 관련됨 • 패킷 처리 지연 • 패킷 전송 지연 • 패킷 전파 지연 • 라우팅 및 큐잉 지연 • 각 단계에서 지연과 지터를 줄이기 위한 다양한 기법들이 사용됨

50. 높은 대역폭에 대한 지원 • 승인 제어와 대역폭 예약과 트래픽 정책 기법을 이용하여 높은 대역폭을 지원 • 응용 프로그램은 트래픽 특성에 대한 허가를 ‘승인 제어 모듈’에게 요청 • 승인 제어 모듈은 라우팅 패스(path) 상의 연결 장치들의 대역폭, 버퍼 자원 등을 예약하여, 응용 프로그램에게 허가한 자원을 보장 • 트래픽 정책 기법은 응용 프로그램이 허가된 자원 이상을 사용하지 않도록 관리