불안정한 네트워크

TCP/IP의 특성상 데이터를 전송할 때, 각 패킷이 목적지까지 도달하기까지 어떠한 경로를 이용하는지 알기는 쉽지 않습니다. 목적지가 정해진 경우에는 대개 ping 명령을 이용하여 ICMP(Internet Control Message Protocol)를 통해 간단한 테스트를 수행할 수는 있으나, 명칭에서 유추할 수 있듯, 데이터가 전달되는 프로토콜인 UDP 혹은 TCP와는 별개의 프로토콜을 사용하는 것이기 때문에 실제 데이터를 전송할때 특성은 ping에서 보여준 결과와 다르게 나타날 수 있습니다. 이러한 경우를 종단간 (end-to-end) 네트워크 상태에 대해서 예측이 불가능하다고 이야기하고 있으며 대게 다음과 같은 조건에서 불확실성은 더 높아지게 됩니다.

1. 대역폭이 현저하게 큰 경우 (>= 1Gbps)
2. 네트워크 경로가 긴 경우 (Hop의 수가 많아 패킷 도달 시간이 늘어나는 경우)
3. 경로 내에 불특정 다수가 사용하는 무선 네트워크가 포함된 경우

불안정한 네트워크라는 추상적인 용어는 결국, 전달하고자 하는 데이터가 원하는 시간안에 도착하지 못함을 의미하게 됩니다. 네트워크 상에 가용한 대역폭이 증가하면서 예상치 못한 문제들이 발생하게 되는데, 이 문제는 이미 BDP(Bandwidth-Delay Product)로 정의되어 ACK 혹은 NACK 없이 네트워크 상에 떠돌게 되는 데이터의 양이 불확실성을 야기한다고 설명하고 있습니다. 본 글에서는 네트워크 상태를 판단할때 패킷 유실율을 고려하여 불확실성의 척도를 정의하고자 합니다. 불확실성의 척도는 위 세가지 조건을 각각 대역폭(B), 딜레이(D), 패킷 유실률(L)로 단순화하여 그 세기(Strength) 값으로 환산할 수 있습니다.

불확실성 척도 = B × D × w (1 + L) 

위와 같이 정의한 불확실성의 척도를 이용하여 두 네트워크 상태를 비교한다면 다음과 같이 됩니다.

패킷 유실률을 얼마나 큰 요소로 간주할 것이냐에 따라 가중치인 w 값을 조절할 수 있으나, 문제를 단순화하기 위해서 1의 값을 가지는 것으로 하였습니다. 위 테이블에서 계산된 값은 경로 A가 경로 B보다 더 큰값을 가지게 되는데 이를 정의한 불확실성의 척도 개념에서 해석하자면, 경로 A가 좀 더 강한 세기의 불확실성을 가지고 있다고 말할 수 있습니다. 이 값은 통상적으로 대역폭이 높고 종단간 딜레이가 적다는 것이 데이터 전송에 유리할 것으로 여겨지는 것과는 상반되는 내용일 수 있습니다. 그러나 여기서 주의해야할 점은 불확실성의 척도는 단순히 두 네트워크의 상태를 비교하기 위한 개념일뿐이며, 상태의 좋고 나쁨을 의미하는 것은 아니라는 것입니다.

전송 관점에서 고품질 영상

영상 전송이 원할하게 잘 되고 있다는 판단을 할때는 시각적으로 보여지는 정보에 따라 주관적으로 판단하는 경우가 많습니다. 예를들어 FHD와 UHD, 혹은 10fps와 60fps 라는 단순 영상 속성 정보를 제공했을때, 당연하게도 해상도가 더 큰 UHD와 움직임이 부드럽게 보일것이라고 예상되는 60fps가 더 높은 품질의 영상일 것이라고 예상할 수 있습니다. 그러나 실시간 영상 송출하는 경우에는 영상 속성으로는 품질을 정의할 수 없는 한계가 있습니다.

$ ffmpeg -f avfoundation -i 0  -s 640x480 -r 25 -c:v libx264 -b:v 2M -maxrate 2M -bufsize 1M output.mp4

$ gst-launch-1.0 \
    avfvideosrc ! video/x-raw,format=NV12,width=640,height=480,framerate=25/1 ! videoconvert ! \
    x264enc tune=zerolatency bitrate=2048 ! \
    h264parse ! mp4mux fragment-duration=1000 ! filesink location=./output.mp4

위 두 명령은 각각 ffmpeg과 GStreamer를 이용하여, Apple Mac의 카메라 인터페이스를 이용하여 영상을 획득하고 x264 라이브러리를 이용하여 H.264로 영상 압축을 수행한 뒤 mp4 포맷으로 레코딩을 수행하는 것입니다. ffmpeg의 경우에는 약간 모호하지만, GStreamer 명령을 통해서 본다면 영상의 해상도, 프레임 수는 카메라에서 원본 영상을 얻는 것과 관련 있는 속성임을 쉽게 유추할 수 있습니다. 다만 주목할 만한 것은 인코딩 부분의 bitrate 입니다. 위 두 명령모두 2Mbps를 대역폭으로 설정하였는데, 이는 영상 인코딩 후 출력 대역폭을 의미합니다. 즉, 카메라 부분의 해상도, 프레임 수 등의 변경은 인코더의 입력 데이터 양과 관련이 있기 때문에, 인코더 출력 대역폭 설정을 변경하지 않고 해상도 등의 속성을 변경한다면 높은 해상도에서도 낮은 품질의 영상을 얻게 됩니다. 반면에 카메라의 속성을 변경하지 않고 인코더의 출력 대역폭을 증가시키면 보다 원본에 가까운 고품질의 영상을 획득 할 수 있습니다. 여러가지 복잡한 상황을 모두 제외하고 단순화한다면, 고품질 영상을 전송한다는 것은 더 많은 데이터를 전송해야한다는 것을 의미하게 됩니다.

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