동영상 스트리밍 서비스를 위한 캐슁 알고리즘

Abstract

본 논문에서 QoS 네트워크상에서 프락시 서버의 저장공간이 한정되어 있는 상황에서 클라이언트의 요구되는 버퍼 크기를 최소화 하는 효율적인 비디오 캐슁 알고리즘을 제안하고자 한다. 프락시 서버는 채널 대역폭 감소, 응답시간 감소, 네트워크 부하 감소, 네트워크 모니터링, 서버부하 감소 및 강인성을 증가시키기 위해 현재에도 널리 사용되고 있다. 일반적으로 프락시 서버는 클라이언트와 가까운 곳에 위치해 있으며, 클라이언트가 요청 메시지를 보냈을 때 프락시 서버는 메세지를 확인하여, 만약 자신이 서버를 대신하여 서비스가 가능하면 대신 서비스를 제공해주고, 만약 불가능할 때에는 요청 메세지를 서버로 전송하여, 클라이언트가 서버로부터 서비스를 제공받을 수 있도록 한다. 이때 프락시 서버는 다른 클라이언트의 요청에 대비하여, 데이터를 자신의 저장공간에 저장해둔다. 최근들어 이러한 프락시 서버의 역할은 끊김없는 동영상 스트리밍을 위해 기능이 확장되고 있는 추세이다. 하지만 프락시 서버의 저장공간이 한정되어 있으므로 다른 데이터에 비해 크기가 매우 큰 동영상 데이터를 저장하는 것은 비효율적일 수 있다. 이러한 문제를 해결하기위한 대안으로 비디오 데이터의 일부분 만을 캐슁하는 방법이 제안되었다. 이때, 어느 부분의 데이터를 저장할 것인지는 매우 중요한 문제이다. 왜냐하면, 압축된 비디오 데이터는 variable-bit-rate 특성을 가지고 있으며, 다른 데이터에 비해 매우 큰 사이즈를 가지고 있기 때문이다. 이러한 압축된 비디오 특성상 클라이언트에서 요구되는 버퍼사이즈와 채널 대역폭은 캐슁하고자 하는 프레임의 위치와 사이즈에 의해 변화되게 된다. 그러므로 본 논문에서는 클라이언트에서 요구되는 버퍼사이즈를 최소화 하는 캐슁 기법에 대해 제안을 하고 이를 다수의 비디오로 확장하고자 한다. 세부적인 사항은 다음과 같다.먼저 본 논문에서 QoS 네트워크상에서 클라이언트의 요구되는 버퍼사이즈를 최소화 하기 위한 프레임 선택기반의 캐슁 알고리즘을 제안하고자 한다. 버퍼사이즈를 최소화 하기 위하여 제안한 알고리즘은 정규화된 버퍼 크기를 이용하며, 다른 알고리즘들에 비해서 요구되는 버퍼크기와 채널 대역폭이 작다는 것을 보여준다.그리고 이러한 캐슁 알고리즘을 다수의 비디오로 확장하여 클라이언트에서 요구되는 버퍼 크기와 채널 대역폭을 감소시키기 위한 메타파일 기반의 캐슁 알고리즘을 제안하고자 한다. 본 논문에서 제안한 캐슁 알고리즘은 사용자 요구패턴을 고려하여 윈도우 기반으로 국소 최소점을 회피하여 효율적으로 동작하고 있음을 보여주고, 실험 결과에서 다른 캐슁 알고리즘들에 비교하여 보다 좋은 성능을 가지고 있음을 보여준다.

This dissertation presents an effective video caching algorithm which minimizes the buffer size of clients under the condition of proxy server with finite storage size over QoS networks. Proxy server has been widely employed to reduce channel bandwidth, reduce initial latency, reduce network stress, monitor network, lighten server loads, and enhance robustness. Proxy server is closely located to clients. When a client wants some data, proxy server intercepts the request message and provides the data if possible. Otherwise it contacts the remote original server, and then saves the received data in storage devices and forwards them to the client. Recently, proxy server has been extended to seamless video services over network. However, it is almost impossible to store all data at proxy server in the case of video since proxy server generally has a limited storage size. The partial caching algorithms have been suggested as an alternative method to whole caching algorithms. In the partial caching algorithm, it is very important to determine which parts of data must be stored at proxy server because of characteristics of compressed video data. First, compressed video data shows variable-bit-rate due to the generic characteristics of entropy coder and scene change/inconstant motion change from underlying video. Second, the compressed video data requires more storage space compared to Web-based applications. Under the general condition of compressed video data, the required client’s buffer size and channel bandwidth after caching a video frame depends on the relative frame position in the time axis as well as the frame size. In this dissertation, we propose an effective caching algorithm to minimize the client’s buffer size which selects the cached frame using the normalized buffer size and a dynamic replacing algorithm with low computational complexity based on metafile for multiple video. The details are as follow:First, we propose a new caching algorithm for a single video which is frame-wise caching algorithm to minimize client's buffer size over QoS networks. In order to minimize client's buffer size, the proposed caching algorithm employs the normalized buffer size. And, we show that the proposed caching algorithm performs better than the comparative caching algorithms in term of the required client's buffer size and channel bandwidth.Second, we propose a dynamic replacing algorithm for multiple video traffics based on the metafile constructed by caching algorithm to minimize client’s buffer size over QoS networks. The main contribution of the proposed replacing algorithm is that they provide the near global optimal solution for multiple videos based on the sliding window method, and especially the proposed replacing algorithm efficiently updates the cached frames considering the changed user access pattern with a low computational complexity. And, experimental results show the superior performance of the proposed algorithm.