멀티미디어 데이터 전송용 프로토콜 - RTP/RTCP, IS/RSVP, DS 의 소개 및 현황

1. 멀티미디어 데이터 전송용 프로토콜- RTP/RTCP, IS/RSVP, DS의 소개 및 현황 이계상 정보통신공학과 동의대학교 ksl@hyomin.dongeui.ac.kr

2. 목 차 • 배경 • 강좌 scope • RTP/RTCP • Integrated Services /RSVP • Differentiated Services • 요약 참고문헌

3. 배 경 • 인터넷 트래픽 양의 증가 • 이용자, host, 라우터, 응용, ISP의 증가 • 인터넷 트래픽 내용의 변화 • 기존 텍스트 위주에서 실시간 멀티미디어 트래픽으로 • 멀티미디어 트래픽 • 그래픽, 이미지, 오디오, 동영상, ... • 실시간 트래픽 (Rea-time Traffic) • Audio/Video Conference • 인터넷 폰 • 인터넷 방송 • Streaming A/V • … • 시간 제약성 고려, QoS 또는 CoS 보장 필요

4. 인터넷 트래픽 Real-time Elastic Interactive burst Interactive bulk Asynchronous bulk Intolerant Tolerant Circuit emulation Packet A/V Telnet NFS FTP E-mail

5. 강좌 Scope Audio/video traffic Audio/video traffic RTP/RTCP RTP/RTCP UDP/IP UDP/IP Best-Effort 서비스 인터넷 Differentiated Service Integrated Service /RSVP Integrated Service /RSVP

6. RTP/RTCP

7. 실시간 트래픽 전달: RTP 프로토콜 • RTP (Real-time Transport Protocol) • 실시간 트래픽 전달을 위한 새로운 프로토콜 • IEFT avt WG, RFC 1889 (H.225.0), RFC 1890 • A/V conference를 염두에 두고 설계 • 실시간 트래픽 • 엄격한 시간 제약성 (Tight time constraints) • live video conference의 예 Client plays back VC Server Video frames over network sample/encode/packetize buffer/decode/play

8. RTP Architecture • Application Layer Framing (ALF) • 간단한 Framework으로 복잡한 TCP를 대신함 • Framework는 기본적 동작과 메시지 포맷 정도만 규정 • 실시간 트래픽에 유리 • 예로, 대부분의 오디오 재생 알고리즘은 데이터의 손실 또는 순서 오류 보다는 과도한 지연에 약하기 때문 • Framework+ AddOn = Complete protocol for specific application H.261 MPEG Payload format JPEG Framework RTP UDP IP Network Tech.

9. 매 20 ms 마다 160 bytes 음성 source (PCM) 인터넷 RTP 기본 동작 • Time Stamping Real Time Data • Source가 모든 메시지에 Time Stamp 표시 • Receiver는 이를 받아 보고 메시지간 타이밍 정보를 추출 • Multicast Operation • A/V conference 염두 • 여러 참여자들이 멀티캐스트 그룹을 이룸 • Data traffic 뿐 아니라 control traffic도 그룹내에 멀티캐스트 됨 Receiver 규칙적 송신 불규칙적 수신

10. RTP 기본 동작 - Roles • Translator • 한 payload format에서 다른 format으로 변환 • 비디오 회의 예 WAN (<1.5Mbps) 모든 소스가 1 Mbps로 비디오 트래픽 발생 256 Kbps로 변환 전달 PC는 저해상도만 지원 Translator

11. RTP 기본 동작 - Roles (계속) • Mixer • 여러 소스 스트림을 하나로 통합 (오디오 회의에 적절) WAN (<128 Kbps) 모든 소스가 64 Kbps로 오디오 트래픽 발생 PC 단일 64 Kbps 스트림으로 통합 전달 Mixer

12. RTP 메시지 포맷 • 모든 메시지에 동일한 단일 포맷 • 매우 간결한 헤더 포맷 • BW 낭비 막고, 지연 시간을 줄이는 등 overhead 방지 IP Header Source port: 5004 Destination port: 5004 Datagram Length Checksum Vers Padd Exten Contributor MarkerPayload Sequence Number (2) ing(1)sion(1) count(4) (1) Type(7) (16) Time Stamp Synchronization Source Identifier (SSRC) (first) Contributing Source Identifier … (last) Contributing Source Identifier Application Data UDP Header RTP Header

13. RTP 기능 • Intra-media synchronization (Time Stamp) • 수신단에서 트래픽 동기 시간 회복 • Sequencing (Sequencing Number) • 패킷의 손실 검출, 순서 맞춤 • Payload Identification (Payload Type) • 모든 패킷이 payload type을 가짐으로써 망 QoS 변화에 따라 payload 형태 적응 가능 (예, 다른 encoding rule 적용) • Frame Identification (Marker) • 오디오/ 비디오의 frame 시작과 끝 구별 • Source Identification (SSRC) • 멀티캐스트 환경에서 여러 sender 중 트래픽 소스 를 구분

14. 실시간 트래픽 제어 : RTCP 프로토콜 • RTCP (Real Time Control Protocol) • RTP가 응용 데이터를 전달하는 단 하나의 메시지 유형만을 제공하므로, feedback 또는 response는 RTCP가 지원 • RTP와 분리된 프로토콜이지만, 밀접한 관계 • 짝수인 RTP port number 보다 1이 큰 port number 가짐 • QoS 관리, Inter-media Synchronization, Identification이 주 기능 • RTCP 메시지들 역시 멀티캐스트 됨 • 5개 메시지 유형

15. RTCP 메시지 유형 • Sender Report • 데이터 송신자가 주기적으로 수신자들에게 보내는 패킷 • 기간 중 보낸 데이터 패킷 수 및 바이트 수 정보를 알림 • 수신 데이터에 대한 Receiver report를 겸하기도 함 (Receiver blocks) • Receiver Report • (보낼 데이터가 없는) 수신자들이 송신자에게 주기적으로 보내는 패킷 • Sender report를 통해 받은 송신 패킷 정보를, 실제 수신한 패킷 수와 비교하여 패킷 손실율 및 누적 손실 패킷 수를 계산하여 포함시킴 • 또한, 수신한 최고 sequence number, Interarrival jitter, sender report의 최종 수신 시간 정보를 포함 • Report 시간 간격은 report 메시지로 네트워크 혼잡이 일어나지 않도록 계산되어야 함

16. RTCP 메시지 포맷 Sender Report 메시지 Receiver Report 메시지 V R cnt Ptype:200 Length SSRC of Sender NTP Time Stamp RTP Time Stamp Sender’s Packet Count Sender’s Byte Count SSRC of first source %Lost Cummulative Packets Lost Extended Highest Sequence Number Received Interarrival Jitter Time of Last Sender Report Time since Last Sender Report 2nd … last receiver block Application specific information V R cnt Ptype:201 Length SSRC of Sender SSRC of first source %Lost Cummulative Packets Lost Extended Highest Sequence Number Received Interarrival Jitter Time of Last Sender Report Time since Last Sender Report 2nd receiver block … Last receiver block Application specific information

17. RTCP 메시지 유형 • Source Description • 소스가 자신의 정보를 주기적으로 알림 (Identification) • 소스 이름 (CNANE), 사용자 이름, Email 주소, 전화번호, 주소, 응용 프로그램 명 등 • CNAME • 여러 RTP 스트림을 하나의 송신자에 연관시키는데 이용 • Inter-media synchronization • 예, 오디오/비디오 동기 • Bye • 소스가 conference를 떠날 때 사용 • Application Specific Message • reserved for application-specific features and experiments

18. More on RTP/RTCP • 전달 품질이 보장 되지 않는 Best effort 인터넷 전달 서비스를 가정한 End-to-end 프로토콜 • Connection 기능 없음 • QoS 보장을 위한 어떤 예약 자원 기능도 없음 • 보통 UDP와 같이 실시간 멀티미디어 응용을 위한Transport Protocol을 구성 • UDP에 timing, 순서유지 기능을 추가한 것으로 볼 수 있음 • 세션 제어 프로토콜(SIP, SDP)과 같이 쓰여 A/V conference • RTSP와 같이 쓰여 streaming 방송, 원격교육, AOD,VOD • H.323의 일부로 쓰여 VoIP

19. IP QoS • 인터넷 IP 계층에서QoS를 제공하고자 함 • Big Pipe vs. QoS Mechanism issue

20. Two IP QoS Approaches • QoS • 절대적 보장 • Per-flow • Flow 수: 大 • 주변 소규모 망 Integrated Service Differentiated Service • CoS (Class of Service) • 상대적 보장 • Per-class • Class 수: 小 • 코아 대규모 망

21. IS/RSVP

22. Integrated Services Architecture • 실시간 트래픽의 QoS 요구를 만족시켜 주기 위해 기존 IP 계층에 새로운 기능들 추가 • IETF intserv WG, RFC 1633 • Flow 별 QoS 만족: host-host, app-app Host Router Setup Reservation Application Reservation Routing AdmissionControl Data Classifier Scheduler Classifier Scheduler flow

23. ISA Components • Service Classes: Application이 받고자 하는 서비스 class를 선택 • Traffic Descriptors: Application이 자신의 트래픽 특성과 QoS 요구사항을 기술함 • Reservation (Signalling): Host가 router에, router는 인접한 또다른 router에, application이 선택한 서비스 class와 트래픽 특성 및 QoS 요구사항 등을 전달하며, 그에 상응한 자원 예약을 실행함 • Admission Control: 라우터 내의 가용 자원을 고려하여 Application이 요청한 서비스를 수락할지 거절할지를 결정 • Classifier: 입력된 패킷이 어느 flow에 속하는지를 알아냄 • Traffic Control:트래픽 계약을 기준으로 Policing, Dropping, Shaping • Scheduler: 패킷을 요청한 서비스와 QoS에 맞춰 송출 순서를 결정함

24. Service Classes • Guaranteed Services (RFC 2212) • 엄격한 QoS를 보장하는 서비스 • Data rate 보장, Bounded delay, No queueing loss • Hard real-time applications 또는 circuit emulation 등에 적용 • Controlled Load Services (RFC 2211) • 부하 적을 때의 Best effort 서비스와 근사한 서비스 • BW, delay, loss에 대한 절대적 보장은 없으나, network내에 충분한 자원을 확보함으로써, 높은 확률적 보장을 제공함 • Adaptive real-time applications에 적용 • Best Effort Services • 기존 인터넷에서와 같은 서비스

25. Traffic Descriptors • Flowspec • Service Class • Tspec • Application이 자신의 트래픽 형태를 기술하는 규격 • Guaranteed Service 예 • 최대 패킷 송출율 • 최대 전송 패킷 크기 • 토큰 버킷의 크기 • 토큰 버킷율 등 • Rspec • Application이 망에 요구하는 서비스 품질(QoS)을 기술하는 규격 • Guaranteed Service 예 • 요구 대역 • 지연 시간 허용치 등

26. RSVP • IS 구조에서 Reservation Protocol로 이용 • IETF rsvp WG, RFC2205 • Unicast 뿐 아니라 Multicast 환경에서 congestion을 미연에 방지하는 한 방안으로 채택한 자원 예약 방식을 위한 프로토콜 • Silmplex reservation • Reservation for unidirectional data flow • Receiver initiated reservation • Soft Reservation State

27. RSVP Operation • Path 메시지 • 경로 표시, 소스 트래픽 특성 전달 • Resv 메시지 • 경로를 역으로 따라서 요구된 QoS 보장을 위한 자원 예약 실행 • Receiver initiated reservation • Source는 자신의 트래픽 성격을 방송할 뿐이고, Receiver가 특정 소스 스트림과 QoS를 결정하여 예약을 시작함 PATH message (Last Hop, Tspec, …) Traffic source receiver QoS 결정 R R RESV message (Rspec)

28. Heterogeneous Receiver 지원 • Heterogeneous multicasting 환경에서 receiver initiated reservation은 효과적 PATH message Traffic source receiver High QoS R R receiver Low QoS R RESV Messages Merge RESV messages with different Rspec

29. Soft State • 각 라우터는 flow의 reservation state를 일정 시간 동안만 유지 • 따라서, application에 의해 주기적으로 refresh되어야 계속 유지됨 • 이를 위해 PATH, RESV 메시지를 주기적으로 교환 • 다음 상황에서 대처를 용이하게 함 • 루트가 변경될 때, • QoS 예약을 바꿀 때, • 멀티캐스트 그룹에 receiver가 들어오고 나갈 때 • 이 점이 ATM과 Frame Relay에서의 자원예약과 다른점 • ATM, Frame Relay는 connection에 대한 hard state를 유지

30. More Complex Scene • Multiple sender, Multiple receiver가 있는 multicasting PATH message Traffic source 1 receiver S1,S2, High QoS R R Traffic source 2 receiver S2, Low QoS R R RESP messages (Filterspec, Rspec)

31. IS 구조의 Scalability • Flow 별 QoS 만족 • 경로상 모든 라우터가 flow state 관리 • Core 라우터의 부담 증대 • 경유하는 flow의 수가 급증할 때 감당하기 힘듬 Scalability 문제 • 인터넷 주변의 작은 망에서는 유효 하나, 트래픽이 집중하는 core 망에서는 부적절

32. Differentiated Services

33. Differentiated Services • Backbone 망에서도 scalability를 갖는 QoS 방식으로 고안 • IS/RSVP 구조 보다 비용, 복잡도가 낮음 • IETF diffserv WG • 사실상 Class of Service (COS) 제공 • 상대적 서비스 품질을 제공

34. Basic • 입구 라우터에서 동일한 꼬리표 (DS byte)를 부착하게 된 모든 IP 패킷은, 이 후 경유하게 되는 모든 라우터에서 동일한 패킷 전달 서비스(Per-Hop Behavior)를 받게됨 • DSCP가 6 bit이므로 총 64 가지의 서비스 차별 등급 가능 IR R ER DS byte marking PHB IR: Ingress Router ER: Egress Router DS code point unused DS Byte

35. DS Architecture • 위 구조로 다양한 서비스의 실현이 가능하다. Service Level Agreement BW Broker Service Level Agreement Provider domain Customer domain IR ER • Traffic conditioning • Classification • Marking (DS byte) • Policing PHB Scheduling Traffic conditioning

36. PHB • Expedited Forwading (EF) PHB • Low loss, delay, jitter를 갖는 서비스 실현에 이용 • Arrival rate < Departure rate • Assured Forwarding (AF) PHB Group • Best effort 서비스 보다는 더 나으며 상대적으로 여러 등급을 갖는 서비스 실현에 이용 • 12개 PHB로 구성 • 4개의 스케쥴링 class와 각 class에 3 레벨의 패킷 dropping 등급으로 나뉨 • Default Forwarding (DF) PHB • 기존의 Best effort 서비스 실현에 이용

37. Traffic Conditioning • Classifier: • MF classifier: Multi Field 기준 • BA classifier: DS byte 기준 • Meter: 트래픽 프로파일을 기준으로 트래픽 측정 • Marker: DS byte marking • Shaper/Dropper: 트래픽 조절 Meter Shaper Dropper Classifier Marker

38. Services • PHB와 Traffic conditioning을 적절히 조합하여 다양한 서비스 실현 가능 • Premium Service: • low loss, delay, jitter 가짐 • Peak rate 초과 패킷 폐기, EF PHB 이용 • Leased Line, Internet telephony, Video Conferencing 등에 응용 • Assured Service 또는 Olympic Service: • Best effort 서비스 보다 나은 서비스 • 약정 초과 패킷은 더 높은 폐기 확률 부여, AF PHB 이용 • Better Web service of a company • Best-effort Service • DF PHB를 이용 기존의 Best effort 서비스 실현

39. Bandwidth Broker • SLA (Service Level Agreement) 수행 • Customer에게 어떤 서비스를 제공할지를 계약함 • 다른 DS domain의 BB와 서비스 계약 • Traffic conditioning에 관한 사항 포함 • Static 또는 Dynamic 방식 • Static: manual • Dynamic: RSVP, LDAP, ... • Service Configuration 수행 • Resource Allocation in Provider Domain • customer와 맺은 서비스 계약을 실현하기 위해 PHB mapping, Traffic conditioner setup 등을 행함 • Service Allocation in Customer Domain • Customer domain의 사용자에게 서비스 할당

40. DS 표준 현황 • 98.3월 WG 발족 후 빠른 표준화 진척 • DS byte 정의: 표준 RFC 2474 • Architecture: Informational RFC 2475 • Expedited Forwarding PHB: 표준 RFC 2598 • Assured Forwarding PHB: 표준 RFC 2597 • Framework: 아직 draft • Traffic Conditioner: draft

41. IS와 DS 연동 • IS는 주변망에, DS는 백본망에 위치 • RSVP 신호는 끝에서 끝으로 흘러가나, DS 망에서 무시됨 • ER 라우터는 IS 기능과 DS 기능 모두 가짐 PATH msg PATH msg RSVP receiver RSVP source ER1 BR1 BR2 ER2 DS IS/RSVP IS/RSVP RESV msg RESV msg

42. 요 약 • 인터넷에서 실시간 서비스 지원을 위해 고안된 프로토콜 소개 • RTP/RTCP, IS/RSVP, DS • RTP는 종단에서 실시간 트래픽 지원 노력 • IS와 DS는 인터넷 망내에서 QoS 내지는 CoS 지원 • IS와 DS는 상호 보완적

43. 참고문헌 • S. A. Thomas, IPng and the TCP/IP Protocols, Wiley, 1996 • H. Schulzrinne, et. al., The IETF Internet Telephony Architecture and Protocols, pp. 18-23, IEEE Net. Mag., May/Jun 1999 • W. Stallings, High Speed Networks, Prentice Hall, 1998 • X. Xiao and L. M. Ni, Internet QoS: the Big Picture, IEEE Network Mag., Mar/Apr., 1999 • C. Metz, Survey of Advance Internet Protocols, Tutorial at NGN ‘99 • 김대영, 차세대 인터넷 기술 동향, pp. 4-13, 정보과학회지, 1999.3 • 이근구, 성종진, 홍석원, 이계상, ATM상의 인터넷 서비스 기술 개론, 한국전자통신연구원, 1999.1 • 홍석원, ATM과 인터넷, KRNet 99 Tutorial, 1999.6 • 이계상, Differentiated Services 표준화 동향, 제7회 ION 워크샵, 1998.10 • 이계상, 인터넷 core 망 표준 기술 동향, pp. 80-95, TTA 저널, 1999.12 • 이계상, Diffserv over MPLS, 제4회 Internet-KIG Workshop, 1999.10 • K. S. Lee, Mapping issues in Supporting Differentiated Services over ATM, ICEIC’98, August 1998 • http://www.ietf.org for IETF RFCs and documents on RTP/RTCP, IS/RSVP, DS