[네트워크] 콘텐츠 분배 네트워크(CDN)

 

서론

오늘날 많은 인터넷 비디오 회사들은 날마다 수많은 사용자들에게 수 Mbps의 비디오 스트림을 분배하고 있습니다. 유튜브 같은 회사는 수천만에 이르는 소장 비디오를 가지고 매일 수억 명의 사용자들에게 스트리밍 서비스를 제공합니다. 이 엄청난 스트리밍 트래픽을 전 세계에 걸친 지점에 끊김 없이 안정적으로 제공하는 일은 매우 큰 문제입니다. 

이번 게시글에서는 이러한 문제를 해결하기 위해 거의 대부분의 비디오 스트리밍 회사들이 이용하는 콘텐츠 분배 네트워크(Contents Distribution Network, CDN)에 대해 정리해 보겠습니다.

 

콘텐츠 분배 네트워크(Contents Distribution Network, CDN)

CDN은 다수의 지점에 분산된 서버들을 운영하며, 비디오 및 다른 형태의 웹 콘텐츠 데이터의 복사본을 이들 분산 서버에 저장합니다. 사용자는 최선의 서비스와 사용자 경험(user experience)을 제공할 수 있는 지점의 CDN 서버로 연결됩니다. CDN은 콘텐츠 제공자가 소유한 사설 CDN일 수 있으며, 예를 들어 유튜브의 비디오는 구글의 CDN을 통해 분배됩니다. 또는 제 3자가 운영하는 CDN을 통해 다수의 콘텐츠 제공자가 서비스할 수 도 있습니다. Akamai, Limelight, 그리고 Level-3가 제 3자가 운영하는 CDN에 속합니다.

CND은 일반적으로 서버의 위치에 대해 다음 두 가지 철학 중 하나를 채용하고 있습니다.

종류	특징	장단점
Enter Deep	서버 클러스터를 세계 곳곳의 접속 네트워크에 구축함으로써 ISP의 접속 네트워크로 깊숙이 들어가는 것이다.	- 서버를 최대한 사용자 가까이에 위치시켜 사용자가 CDN 서버 사이의 링크 및 라우터 수를 줄이고, 사용자가 경험하는 지연 시간 및 처리율을 향상시킨다. - 고도로 분산된 설계로 인해 서버 클러스터르 유지 관리하는 비용이 커진다.
Bring Home	보다 적은 수의 핵심 지점에 큰 규모의 서버 클러스터를 구축하여 ISP를 Home으로 가져오는 개념이다.	- Enter Deep 방식에 비해 유지 및 관리 비용이 줄어들지만 사용자가 느끼는 지연시간과 처리율은 상대적으로 나빠진다.

서버 클러스터의 위치가 정해지면 CDN은 콘텐츠의 복사본을 이들 클러스터에 저장합니다. CDN은 각 클러스터마다 모든 비디오의 복사본을 전부 유지할 필요는 없는데, 이는 어떤 비디오는 인기가 거의 없거나 일부 특정 국가에서만 인기가 있을 수 있기 때문입니다. 실제로 CND은 클러스터에 대해 Push 방식이 아닌 Pull 방식을 사용합니다. 어떤 사용자가 지역 클러스터에 없는 비디오를 요청하면, 해당 비디오를 중앙 서버나 다른 클러스터로부터 전송받아 사용자에게 서비스하는 동시에 복사본을 만들어 저장합니다.

인터넷 캐시와 마찬가지로 클러스터의 저장 공간이 가득 차면 자주 사용되지 않는 비디오 데이터는 삭제됩니다.

 

CND 동작

CND을 구축하는 두 가지 방식에 대해 알았으니, 이제 CDN의 구체적인 동작에 대해 알아보겠습니다. 사용자 호스트의 웹 브라우저가 URL을 지정함으로써 특정 비디오의 재생을 요청하면 CDN은 그 요청을 가로채고 아래와 같은 행동을 합니다.

1. 가로챈 시점에서 클라이언트에게 가장 적당한 CDN 클러스터를 선택하고,
2. 클라이언트의 요청을 해당 클러스터의 서버로 연결합니다.

조금만 더 자세히 사용자의 요청을 가로채고 다른 곳으로 연결하는 절차에 대해 살펴보겠습니다.

NetCinema라는 콘텐츠 제공자가 KingCDN이라는 CDN 업체를 이용해 비디오를 고객에게 분배한다고 가정합시다. NetCinema의 웹 페이지에는 각 비디오가 "video"라는 문자열과 고유한 ID를 포함하는 URL을 할당받습니다. 예를 들어 블랙핑크 뮤직비디오는 http://video.netcinema.com/6Y7B23V 라는URL을 할당받습니다. 아래 그림과 같이 6단계의 과정이 일어납니다.

DNS는 사용자 요청을 CDN 서버로 보낸다.

1. 사용자가 NetCinema의 웹페이지를 방문한다.
2. 사용자가 http://video.netcinema.com/6Y7B23V 링크를 클릭하면, 사용자의 호스트는 video.netcinema.com에 대한 DNS query를 보낸다.
3. 사용자의 지역 DNS 서버(LDNS)는 호스트 이름의 "video"문자열을 감지하고는, 해당 query를 Netcinema의 책임 DNS 서버로 전달한다. NetCinema 책임 DNS 서버는 해당 DNS query를 KingCDN으로 연결하기 위해 IP 주소 대신에 KingCDN의 호스트 이름(예: a1105.kingcdn.com)을 LDNS에게 알려준다.
4. 이 시점부터 DNS query는 KingCDN의 사설 DNS 구조로 들어가게 된다. 사용자의 LDNS는 a1105.kingcdn.com에 대한 두 번째 query를 보내고 이는 kingCDN의 DNS에 의해 KingCDN 콘텐츠 서버의 IP 주소로 변환되어 LDNS에게 응답된다. 이때, 클라이언트가 콘텐츠를 전송받게 될 서버가 결정된다.
5. LDNS는 콘텐츠를 제공할 CND 서버의 IP 주소를 사용자 호스트에게 알려준다.
6. 클라이언트는 KingCND 서버의 IP 주소를 얻고 나면, 해당 IP 주소로 직접 TCP 연결을 설정하고 비디오에 대한 HTTP Get 요청을 전송한다.