전송 계층 - RTP 프로토콜

실시간 서비스
멀티미디어 서비스 환경의 변화
기존: 비디오, 오디오 파일 전체를 다운로드한 후 서비스

실시간 스트리밍 서비스 등장
데이터 변형/분실 오류를 복구하는 기능이 상대적으로 덜 중요
도착 순서, 패킷의 지연 간격, 데이터 압축 등이 중요

TCP
• 패킷의 순서와 신뢰성이 지나치게 강조
• 패킷 재전송 기능과 복잡한 흐름 제어로 부적합
UDP
• 기능이 단순하여 빠른 전송 가능
• 순서를 보장하지 못함

 

가장 현실적인 대안은 UDP에 순서 번호 기능을 추가하는 것
• RTP (Real Time Protocol)

 

RTP의 특징

1. 데이터 순서 정렬을 위해 타임스탬프(time stamp) 방식 사용

2. 프로토콜 동작이 응용프로그램의 라이브러리 형태로 구현되는 ALF(Application Level Function) 방식 사용하여,

  프로토콜 내부에 위치하는 버퍼의 크기를 각 응용 프로그램마다 별도로 관리하기 용이.

  응용 환경이 요구하는 알고리즘에 따라 버퍼 크기를 개별적으로 조절 가능

3. 제한적인 형태로 실시간 응용 서비스를 제공하는 프로토콜로 자원 예약이나 QoS 보장과 같은 기능은 제공하지 못하기 때문에 실시간 동영상 서비스 지원에는 무리가 있음

실시간 요구사항

일반 데이터 서비스 환경 : 파일 전송, 전자 메일 등 => 신뢰성이 중요, 성능과 지연 문제는 덜 중요

 

실시간 데이터 서비스 환경 => 전송 시간이 중요
송신 프로세스가 전송한 데이터의 전송 간격을 수신 프로세스에 그대로 유지하며 정해진 시간 내에 도착하는 지의 여부가 중요
특정 시간 내에 도착하지 못하면 무용지물
신뢰성은 덜 중요

버퍼의 역할

실시간 전송

시간 간격이 가변적인 데이터를 즉시 전송하지 않고 지연 버퍼를 사용하여 간격을 일정하게 보정

간격 보정을 위해 지연 버퍼에 저장되는 시간이 필요하므로(지연 버퍼에 약간의 데이터를 미리 저장하는 버퍼링 작업이 필요)

수신 프로세스에 첫 번째 데이터가 전달되는 시점은 조금 늦춰진다. 

제한시간을 넘기는 경우 재생할 수 없으므로 폐기함.

지연 (Latency)
송신 프로세스에서 전송한 데이터의 출발시간과 수신 프로세스에 도착한 시간의 차이, 대역폭, 네트워크 구조, 라우팅 방식, 전송 프로토콜 종류 등으로부터 영향

 

지터

지터 분포

지터 분포 : 데이터그램의 도착 지연 시간의 분포(도착 시간이 일정하지 않고 불규칙적으로 도착하는 정도)

(a) : 송신 호스트에서 전송 간격이 균일하게 출발했던 데이터그램이 수신 호스트에 도착할 때 간격이 일정하지 않음

(b) : 지터 분포, 송수신 호스트 사이의 데이터그램 간격 차이 

RTP의 데이터 전송

RTP의 동작 원리
작고 빠른 전송 기능을 지원하는 UDP 프로토콜 위에서 구현
데이터그램 분실이나 도착 순서 변경 등의 오류는 RTP에서 해결
UDP에서 제공하는 포트 주소 기능을 이용하여 송수신 프로세스 간 연결 관리
하나의 완전한 프로그램 단위로 구현되지 않고, 기능별로 개별적으로 구현됨
응용서비스의 종류에 따라 요구 조건이 다른 기능들이 추가되는 형식으로 RTP 모듈이 완성됨

RTP 구조

위 그림은 비디오 데이터를 전송하는 데 필요한 인코딩 표준 모듈과 RTP의 관계를 설명한다.

RTP는 다수의 사용자가 하나의 세션을 사용하여 실시간 데이터 전송 가능
• Session은 컴퓨터 네트워크와 프로그래밍에서 여러 사용자가 시스템과 상호작용하는 동안의 지속적인 연결이나 상태를 의미. 일반적으로 세션은 사용자가 애플리케이션이나 서비스에 로그인하고, 작업을 수행하며, 로그 아웃할 때까지의 기간을 포함

RTP에서의 세션 : RTP 참가자 사이의 연관성으로 그룹을 형성하여 멀티캐스트 전송을 지원

 

RTP 릴레이 (Relay) 지원 : 믹서, 트랜슬레이터

릴레이: 데이터 전송 과정에서 송수신 프로세스가 직접 데이터를 전송할 수 없는 상황에서 데이터를 중개하는 기능
예: 송수신 프로세스 사이에 방화벽이 설치되거나, 데이터 형식이 다를 경우 => 릴레이가 필요한 처리를 수행(데이터 전송 가능하게 함)

 

믹서(Mixer) : 데이터그램 스트림의 믹싱

여러 송신 프로세스로부터 RTP 데이터그램 스트림을 받고 적절히 조합하여 새로운 데이터그램 스트림을 생성

데이터 형식이 변하거나 믹싱 기능이 수행될 수 있음

믹싱 과정에서 데이터그램 스트림에 대한 시간 정보 제공

이렇게 만든어진 데이터그램 스트림은 여러 수신 프로세스에 전달됨

 

스트림 : 데이터그램을 연속으로 전송한다는 의미 => 연속데이터 그램은 시간에 민감 => 시간 정보 제공

트랜슬레이터(Translator) : 특정한 변환 작업

입력된 각 RTP 데이터그램을 하나 이상의 출력용 데이터그램으로 만들어 줌 (데이터 형식 변화 가능)
예 1) 고해상도 비디오 신호를 처리할 능력이 없는 특정 수신 프로세스에게 전송

       트랜슬레이터가 고해상도의 비디오 신호를 저해상도로 변환하여 수신 프로세스가 처리할 수 있도록 도와줌

예 2) 입력된 멀티캐스트 RTP 데이터그램을 복사하여 다수의 유니캐스트 수신 프로세스에게 전송

 

RTP 헤더 구조

RTP 고정 헤더의 구조

응용 환경과 관련된 가변 크기의 헤더 추가 가능
처음 12 바이트는 모든 RTP 패킷에 존재

CSRC (Contributing Source) 구분자는 믹서에 의해 추가된 경우 사용

 

RTP는 음성과 영상 데이터의 동기에 필요한 시간 정보, 데이터그램의 분실이나 도착 순서 변경 등의 오류 검출 기능 제공

멀티캐스트 전송 지원, 그룹에서 누가 전송했는지 확인을 위해 송신 구분자 필드 존재
• Synchronization Source Identifier (SSRC): 송신자가 생성하고 전송하는 식별자.

                                                                          RTP 세션 내에서 특정 송신자를 식별하는 데 사용
• Contributing Source Identifier (CSRC): 수신자가 받는 정보. 여러 송신자의 기여를 식별하는 데 사용

주요 필드
Version (2비트): 현재 2
Padding: 패딩 바이트 존재 여부 표시
Extension: 고정 헤더 뒤에 확장 헤더가 이어지는지 여부
CSRC Count (4비트): CSRC 구분자 개수
Marker (1비트) : 임의의 표식을 위해 사용, 보통 데이터 스트림의 경계점을 표시, 오디오 스트림에서는 새로운 곡의 시작
Payload Type (7비트): 페이로드 유형 (RFC 3551)
Sequence Number : 분실, 순서 번호 변경 오류 검출
Timestamp : 데이트그램의 생성 시기

SSRC Identifier(SSRC 구분자) : 임의 세션 내 RTP 페이로드의 발신지가 어디인지를 구분하는 고유 번호, 랜덤 생성된 32비트 숫자
CSRC Identifier : 여러 개 존재 가능 (믹서가 제공하는 구분자)

 

각 미디어가 별도의 RTP 세션 이용
오디오와 비디오가 별도의 세션으로 전송
RTP 헤더에서 동기화에 필요한 시간 정보 제공
페이로드 유형 지정 방식을 통해 다양한 종류의 데이터와 압축 형식 지원

 

RTP 제어 프로토콜 (RTCP, RTP Control Protocol)

RTP 데이터 전송 프로토콜 : 세션 참가자 사이의 멀티캐스트 기능을 이용한 사용자 데이터의 전송 담당

RTCP, RTP 제어 프로토콜 : 제어와 관련된 기능 수행

 

UDP를 하부 계층으로 사용
세션 참가자는 다른 모든 멤버에게 RTCP 패킷을 주기적으로 전송

 

RTCP 주요 기능
QoS(Quality of Service)와 혼잡 제어

세션에서의 데이터 분배 과정에서 발생하는 서비스 품질에 관한 피드백 기능을 지원

멀티캐스팅 과정에서의 세션 멤버의 데이터 송수신 과정이 어떻게 이루어졌는지 판단을 위한 보고서 작성

• 송신 프로세스의 전송률, 수신 프로세스의 패킷 분실, 지터 등

 

Identification(구분자)

RTCP 패킷에는 RTCP 송신 프로세스에 관한 구분자 정보가 포함됨

서로 다른 세션에서 발신된 스트림 정보들을 서로 연관시키는 근거 제공

 

세션 크기

RTCP의 올바른 동작을 위해서는 세션 참가자들 사이의 RTCP 패킷의 주기적 전송이 필요함.

세션 참가자가 증가할수록 RTCP 패킷의 전송률 감소

RTCP 패킷의 트래픽이 많아지면 세션 전체의 트래픽도 증가하기 때문에 RTCP 패킷의 트래픽을 제한한다.

일반적으로 RTCP 패킷의 최대 전송률은 5초당 1 패킷이 되도록 알고리즘이 동작한다.

RTCP 패킷의 종류와 역할

종류	역할
SR (Sender Report), RR (Receiver Report)	데이터 전송 품질 피드백
SDES (Source Description)	세션 내에서 각각의 송신자에 대한 정보를 제공하는 데 사용 세션 참여자들이 서로를 식별하고, 관련된 추가 정보를 교환
BYE (Goodbye)	송신 프로세스가 더 이상 존재하지 않음 수신 프로세스가 무한정 기다리지 않게 함
Application Defined Packet	응용 환경에 따른 기능 점검 용도

 

참고 자료 :

쉽게 배우는 데이터 통신과 컴퓨터 네트워크 3판 - 박기현 지음