포커스
홍강운* 윤장우** 류원***
컴퓨터 게임은 저장 매체 유통에서 PC통신/인터넷을 통한 배포로의 진화를 거쳐 원격에서 실행 되는 게임영상을 게이머에게 전달하는 스트리밍 게임 서비스로 발전하고 있다. 하지만, 사용자 입 력에 대한 높은 반응성, 고화질 게임영상에 대한 욕구, 가변적인 네트워크 상태에서도 서비스 품질 유지, 비용 효율적인 서비스 시스템 구축 및 운용 등에 대한 스트리밍 게임 서비스의 한계를 극복 해야 한다[1]. 이에 대한 발전된 형태로서 대규모 클라우드 서버에서 게임코드를 실행시키고 하드 웨어 기반 호스트 렌더링을 이용하여 네트워크를 통해 고화질의 영상을 제공하는 클라우드 기반 게임 스트리밍 기술이 제시되고 있다. 플랫폼 독립적인 사용자 환경 지원, 동적 자원할당을 위한 가상화 환경 구축 등의 클라우드 기술을 활용할 수 있고, 통신망의 넓은 대역폭과 인코딩 및 스트 리밍 기술의 발전을 통해 지연시간을 개선할 수 있다. 본 고에서는 클라우드 기반 게임 스트리밍 서비스의 게임 가상화 기술을 정리하고 관련 업계 동향을 살펴보고자 한다.
Ⅰ. 서 론
Ⅱ. 게임 가상화란
Ⅲ. 게임 가상화 요소기술 Ⅳ. 국내외 기술 동향
V. 결 론
* ETRI 가상화플랫폼연구팀/선임연구원
** ETRI 가상화플랫폼연구팀/팀장
*** ETRI 스마트스크린융합연구부/부장
클라우드 컴퓨팅은 사용자가 네트워크
에 접속할 수 있다면 시간과 장소에 구애 받지 않고 데이터 공유와 협업이 가능할 뿐 아니라 비용 효율적인 컴퓨팅 자원으로 활용할 수 있어, 웹하드에 개인 데이터를 저장하는 것부터 다국적 기업의 직원간 협 업에 이르기까지 광범위하게 활용되고 있다. 이와 함께, 초고속 인터넷 및 고사양의 개인 스마트 단말의 급속한 보급, 고품질 멀티미디어 서비스로의 소비자 기호 변화, 인터넷을 이용한 혁신적이고 개방적인 콘 텐츠 유통방식 등에 따라 원격에서 원하는 멀티미디어 콘텐츠를 제공하는 클라우드
기반 비디오 서비스가 빠르게 확산되고 있다.
최근에는 컴퓨터 게임 유통에도 활용되어 비디오 서비스에 한정하지 않고 게임 응용 및 컴퓨팅 자원 가상화를 통해 고품질의 게임을 제공하는 클라우드 기반 게임 스트리밍 서비스가 개발되기에 이르렀다. 본 고에서는 클라우드 기반 게임 스트리밍 서비스에서 필 요로 하는 게임 가상화 기술을 요소기술별로 정리하고 관련 업계 동향을 살펴보고자 한다.
II. 게임 가상화란
게임 가상화란 클라우드 기반의 게임 서비스를 제공하는데 필요한 구성요소인 게임 서 버, 전송 네트워크, 게임 단말 각각의 기능을 추상화함으로써 전체적인 서비스의 flexibility, efficiency, elasticity 향상을 추구하는 기술이다. 즉, 비용 효율적인 클라우드 기반의 게임 스트리밍을 제공하려면 다양한 게임 서비스 플랫폼과 많은 수의 가입자를 수용하기 위해
서버, GPU, 네트워크, 입력장치를 추상화하는 게임 가상화 기술이 필요하다.
CLINET
SERVER
Rendering
Keyboard/ Mouse
Decoding
NIC
IP Network
NIC CPU
Encoding Rendering
Capturing
III. 게임 가상화 요소기술
1. 서버 가상화
서버 가상화 기술은 단일 물리 서버를 다수의 가상 서버로 분할하여 가상 서버별로 서 로 다른 운영체제와 응용을 실행시킬 수 있도록 하는 기술이다. 가상 서버들은 가상 머신 모니터(Virtual Machine Monitor)의 중재를 통해 서버의 가상화된 자원을 공유한다.
User
Software
User
Software
User
Software
Xeno-Aware
Guest OS (XenoLinux)
Xeno-Aware
Device Drivers
Guest OS (XenoBSD)
Xeno-Aware
Device Drivers
Guest OS (XenoXP)
Xeno-Aware
Device Drivers
Control
Interface
Virtual
X86 CPU
Virtual
Phy mem
Virtual network
Virtual blockdev
H/W(SMP x86, phy mem, enet, SCS/IDE)
(그림 2) 서버 가상화 개념도[10]
보통 단일 서버에서 독립적인 다수의 웹 서버를 운용하는데 사용되는 서버 가상화 기
술은 서버 자원의 efficiency, utilization, flexibility 를 극대화시킬 수 있다. 또한, 더 적은 수의 물리 서버를 사용하여 서비스에 필요한 성능을 제공할 수 있어 하드웨어 유지보수와 운용에 소요되는 비용을 감소시킬 수 있다.
서버 가상화는 컴퓨팅 자원의 추상화 수준에 따라 ISA(Instruction Set Architecture) 수준 가상화, HAL(Hardware Abstraction Layer), OS, 라이브러리, Programming Language 의 수준 가상화로 분류될 수 있다. ISA 수준 가상화는 QEMU, Bochs 와 같이 게스트 아 키텍처의 인스트럭션을 호스트 아키텍처에 대응되는 인스트럭션으로 변환하는 에뮬레이터 형태로 구현된다. OS 수준 가상화는 Jail, Linux Kernel-mode 가상화와 같이 가상화된 시 스템 콜 인터페이스를 통해 구현되고, 라이브러리 수준 가상화는 WINE, WABI 와 같이 응용에서 호출하는 API 를 후킹하는 방식으로 구현되며, Programming Language 수준 가상화는 JVM, Microsoft .NET CLI 와 같이 응용으로 가상화를 구현하는 방식이다. 마지 막으로, HAL 수준 가상화는 가상 머신 모니터가 하드웨어와 OS 사이에서 구현되어 OS 에 가상화된 하드웨어를 제공하고, ISA 수준 가상화 에뮬레이터에 비해 인스트럭션 변환 시의 지연시간을 감소시킬 수 있어 대부분의 상용 가상화 솔루션이 이 방식을 따른다[8]. 하드웨어 기반 가상화 기술은 가상화된 플랫폼의 기능을 가속함으로써 기존 소프트웨
어 기반 가상화 솔루션의 유연성과 견고성을 향상시킨다. 구체적으로, 게스트 OS 와 VMM 사이의 플랫폼 제어 전송 속도를 향상시키고 VMM 이 특정 I/O 장치를 특정 게스트 OS
에 안전하게 할당할 수 있도록 하며 어댑터 기반 가속화를 통해 가상화 네트워크 최적화
를 지원한다.
2. GPU 가상화
GPU 가속기능을 활용한 가상 데스크탑 환경(VDI)은 최근 은행, 기업, 공공기관에서 스마트워크 환경으로서 활용되고 있으며 모바일 환경에서도 빠르게 확산되고 있다. 따라 서, GPU 가상화를 통해 GPU 가속기능을 효율적으로 호스트 렌터링에 적용하는 것이 중 요하다. 또한, VDI 외에 고성능을 요구하는 게임이나 CAD 와 같은 그래픽 분야에서도 VM-to-GPU consolidation ratio 를 개선하여 경제성을 높이기 위해 GPU 가상화를 필요 로 한다[2],[7].
GPU 를 가상화 하기 위해서는 여러 제조사의 서로 다른 제품에 대해 공통 GPU 형상 을 정의하기 위해 GPU 를 모델링할 필요가 있다. 하지만, GPU 는 구조상 매우 복잡할 뿐 만 아니라 GPU 세대마다 급격하게 변화하는 양상을 띠고 있어 반가상화 형태로 GPU 가 상화를 구현하는 것이 효율적이다.
GPU 가상화는 에뮬레이션 모드와 Pass-Through 모드로 구분된다. 에뮬레이션 모드 는 게스트로부터 전달된 Graphic API Call 이 호스트나 하이퍼바이저에서 동작하는 그래 픽 드라이버를 통해 GPU 에 전달되는 방식이고, Pass-Through 모드는 CPU 의 가상화
지원기능을 통해 VM 내 그래픽 드라이버와 GPU 가 연결되는 방식이다.
Management Domain
VM
GPU Application
VM
GPU Application
Traditional Device Drivers
Mgmt Extension
GPU Backend
CUDAAPI GPU Frontend Guest OS
CUDAAPI GPU Frontend Guest OS
(그림 3) GPU 가상화 개념도[9]
반가상화에서는 VM 과 하이퍼바이저 간의 직접 연동을 위해 게스트 OS 의 소스코드
를 수정할 필요가 있다. 하지만, Microsoft Windows 와 같이 상용 OS 의 소스코드 변경이 불가능한 경우에는 게스트 OS 로서 사용할 수 없는 심각한 문제가 발생한다. 대신, 게스트 OS 의 소스코드 수정없이 바이너리 코드를 변환하여 사용할 수도 있지만, 반가상화 방식 보다도 성능 오버헤드가 증가하는 단점이 있다. 또한, CPU 제조사들은 Pass Through 모 드를 지원함으로써 반가상화와 바이너리 코드 변환 과정을 없앨 수 있다.
3. 입력장치 가상화
입력장치 가상화는 게임 서버와 단말이 물리적으로 떨어져있는 환경에서 원격 단말에 연결된 게임 패드와 같은 입력장치로부터의 키 눌림 등의 정보를 게임 서버로 전달하여 처리하기 위해 필요한 기술이다. 입력장치 가상화는 USB 리디렉션 방식으로 구현되며 입 력정보는 리모트 디스플레이 프로토콜의 가상 채널을 통해 전달된다.
(그림 4) VMware Architecture[13]
IV. 국내외 기술 동향
1. 서버 가상화
가. VMware
VMware 는 하드웨어 에뮬레이션 방식으로 x86 기반 가상화 솔루션을 출시한 이후 지속적으로 기술을 주도해 왔으며, 호스트 기반 가상화(Workstation, VMware Server)와 하이퍼바이저 기반 가상화(ESX Server) 솔루션을 갖추고 있다.
VMware 의 VirtualCenter 는 가상화 환경 관리 도구로서 가상머신 관리 및 권한설정, 서버 간 부하 통합, 가상머신의 동적 이동을 위한 VMotion, 하드웨어 자원의 동적 이동을 위한 DRS 을 제공한다. VMware 는 게스트 OS 로서 Windows 95/98/NT/2K/2003/XP/
3.1/MS-DOS6, Linux(Red Hat, SUSE, Mandrake, Caldera), FreeBSD(3.x, 4.0-4.9), Novell(NetWare 4, 5, 6)을 지원하며, 관리자는 VirtualCenter 를 이용하여 수천 개의 Windows NT, Windows 2000, Windows 2003, Linux, NetWare 서버를 관리할 수 있다.
(그림 5) Xen Architecture[18]
나. Xen
Xen 은 오픈소스로서 일반적으로 오픈 소스 프로젝트는 폐쇄형 제품과 상충될 수 있으 나 Intel, AMD, RedHat, Novell, Microsoft 등의 벤더들이 Xen 을 지원한다[5].
Xen 의 하이퍼바이저는 소프트웨어 추상화 계층으로서 CPU 스케줄링과 메모리 분할을 수행한다. 하지만, 네트워크 장치나 저장 장치에 대한 I/O 명령은 관여하지 않는다. I/O 자 원 접근에 대해서는 Domain0 가상머신에서 게스트 가상머신과의 통신을 통해 처리된다. 일반 가상머신인 DomainU 은 하이퍼바이저나 Domain0 를 통해 하드웨어에 접근할 수 있다. 또한, DomainU 는 반가상화와 전가상화로 구분되며, 반가상화는 게스트 OS 커널이 수정되어야 하고 CPU 와 메모리 자원은 hypercall 을 통해 하이퍼바이저에서 처리된다. 전가상화는 게스트 OS 커널이 수정될 필요가 없고 게스트 OS 와 하드웨어 사이의 통신을
(그림 6) Hyper-V Architecture[10]
다. Microsoft Hyper-V
Hyper-V 는 서버 가상화를 위한 관리도구를 제공한다. 주요기능으로는 64 비트 기본 Hypervisor 기반 가상화, 32 비트 및 64 비트 가상 컴퓨터를 동시에 실행하는 기능, 단일
프로세서 및 다중 프로세서 가상 컴퓨터, 실행 중인 가상 컴퓨터의 상태, 데이터 및 하드
웨어 구성을 캡처하는 가상 컴퓨터 스냅숏, 대용량 가상 컴퓨터 메모리 지원, VLAN(가상 LAN) 지원, MMC(Microsoft Management Console) 관리 스냅인, 스크립팅 및 관리를 위해 문서화된 WMI(Windows Management Instrumentation) 인터페이스가 있다.
또한, Windows Server 2008 R2 의 Hyper-V 에는 실시간 마이그레이션, 동적 가상 컴퓨터 저장소, 향상된 프로세서 지원, 향상된 네트워킹 지원 기능이 추가되었다.
라. Intel 과 AMD 의 하드웨어 기반 가상화 기술 지원
Intel 의 VT 기술은 Intel 프로세서 기술에 기반한 서버 플랫폼의 모든 측면을 지원하 며, FlexMigration 과 FlexPriority 가상화 기술이 적용되어 워크로드 마이그레이션을 지 원하고, Direct I/O 를 위한 가상화 기술(VT-d)을 통해 데이터 이동 속도를 향상시키고 가 상화 성능 오버헤드를 감소시킨다. 또한, 연결성을 위한 가상화 기술(VT-c)을 이용하여 CPU Utilization 과 시스템 지연시간을 감소시킨다[4],[11].
AMD 의 AMD-V 기술은 현재 버전 2.0 으로서 x86 시스템 아키텍처의 하드웨어 확장 을 통해 x86 명령어 세트에 대한 가상화를 확장하여 소프트웨어 솔루션보다 효율적인 가
(그림 7) Nvidia VGX Software Architecture[17]
상머신 생성 및 실행 기능을 제공하고, 가상머신 간의 효율적인 전환을 통한 빠른 애플리
케이션 응답성을 제공하여 하드웨어 기반으로 가상머신의 메모리를 관리하며 가상머신의 실시간 마이그레이션이 가능하다. 또한, 하이퍼바이저를 통하지 않고 가상머신에서의 장치 에 대한 Directed I/O 가상화 성능을 향상시킨다[3].
2. GPU 가상화
학술논문이나 발표자료가 아닌 전시회에서 공개되는 클라우드 기반 게임 스트리밍 업 체의 시연을 보는 것만으로는 해당 업체에서 GPU 가상화 이슈를 어떻게 해결하고 있는 지를 파악하기 어렵다. 단지, 서버 가상화 기술이나 Remote Display Protocol 기술 현황 등을 통해 GPU 를 가상화하는지 아닌지 정도를 짐작할 수 있고, 이를 통해 업체마다 서 로 다른 기술로 GPU 가상화 이슈에 대응하고 있음을 알 수 있다.
이러한 상황에서 Nvidia 는 최근 GPU Technology Conference 2012(GTC2012)에서 주목할 만한 솔루션을 공개하였다. 이 행사에서 Nvidia 는 향후 로드맵을 제시하였으며, 기존 GPU 의 적용 분야를 그래픽과 컴퓨팅에서 클라우드로 확장하는 것과 클라우드 지원 을 위한 클라우드 GPU 기술을 소개하였다. 특히, Nvidia GPU 의 클라우드 기술을 활용하 기 위한 공통 소프트웨어 구조인 VGX 소프트웨어 구조는 단순 응용부터 디자인까지 다 양한 VDI 분야에 적용될 수 있는 GPU 가상화 방안을 제시한다. VGX 소프트웨어 구조에 서 VGX Hypervisor 는 서로 다른 VM 간에 GPU 를 공유할 수 있도록 중재하는 기능을
(그림 8) Nvidia GeForce GRID[12]
(그림 9) Nvidia Cloud GPU Ecosystem
담당한다. VGX Hypervisor 는 Nvidia VGX 에 의존적인 기능이므로 VMWare, Citrix 등
은 Nvidia 와 협력하여 VGX Hypervisor 를 기존 서버 가상화 솔루션에 포함시킬 예정이다.
Nvidia 는 이에 그치지 않고 VGX 구조를 적용하여 GeForce GRID 라는 라이선스 기 반의 GPU 가상화 솔루션을 제공할 예정이다. 이를 통해 Nvidia 는 서버 OEM 업체, 서버 가상화 솔루션 업체와 함께 가상화 서비스를 제공하고, 게임 개발사, 클라우드 게임 미들 웨어 업체와 함께 클라우드 서비스를 제공하는 사업모델을 구축한다.
3. 입력장치 가상화
Microsoft RDP 7.1 with RemoteFX 는 RemoteFX USB Redirection 기능에서 마우스,
(그림 10) HP RGS 의 입력장치 가상화[15]
키보드 등의 USB 장치를 RDP 의 가상 채널을 통해 호스트로 리디렉션한다. 호스트에서
는 장치에 대한 드라이버를 구동하기 때문에 통일성 있는 인터페이스를 제공할 수 있고 클라이언트에서는 장치 드라이버를 구동할 필요가 없이 장치를 사용할 수 있다[19]. 또한, Citrix HDX 는 Plug-n-Play 기능에서 클라이언트에 연결된 MP3 플레이어, 디지털 카메 라, 스마트폰, 스캐너 등 주변 장치에 대한 연결을 가상화된 환경에서 제공한다. 그 외에 도 Quest EOP, VMware PCoIP, HP RGS 등의 프로토콜에서도 원격의 USB 장치에 대한 연결성을 지원한다.
4. 클라우드 기반 게임 스트리밍 기술 동향
게임 스트리밍 서비스의 선도기업인 OnLive 는 Full Game 서비스 제공을 목적으로 서 버에서 게임을 구동하여 렌더링을 수행한 후 데이터를 인코딩하여 사용자에게 전송하고 단말에 전용 클라이언트를 설치하여 게임 서비스를 제공한다. 서비스 지연시간을 줄이기 위해 자체 하드웨어 가속기를 이용하고 서버와 단말 간의 거리를 제한함으로써 네트워크 지연시간을 개선한다.
최근 소니에 피인수된 GaiKai 는 서버 상에서 비디오 게임을 실행시키며, 영상과 음향 을 동시에 인코딩하여 인터넷을 통해 사용자에게 전달한다. 사용자가 별도의 다운로드 없 이 정해진 시간에 게임의 데모를 직접 체험해보고 구매 결정을 도와주는 것을 목적으로
(그림 11) OnLive 솔루션[16]
(그림 12) LG 전자 스마트 TV 에서 시연중인 GaiKai 솔루션[6]
한다. GTC2012 의 keynote 연설에서 게임 스트리밍 기술을 시연하기도 했던 GaiKai 는
LG 전자 및 삼성전자 등 스마트 TV 제조업체와 협력하여 스마트 TV 사용자에게 가상 게 임 콘솔을 제공하는 솔루션을 개발중에 있다.
V. 결 론
인프라 환경과 서비스에 대한 개인 선호도가 변화함에 따라 클라우드 컴퓨팅 기술은 비디오 서비스에 활용되는 것에 그치지 않고, 높은 반응성, 고화질, 비용 효율적인 게임서 버 구축/운용이 요구되는 게임 스트리밍 서비스에도 적용되고 있다. 따라서, 게임 스트리 밍 서비스에서는 서버, GPU, 입력장치 등에 대한 게임 가상화 기술이 중요하다. 이에 본 고를 통해 클라우드 기반 게임 스트리밍 서비스를 위한 게임 가상화 기술에 대해 살펴보 았다.
<참 고 문 헌>
[1] 임충규, 김성수, 김경일, 원종호, 박창준, "클라우드 컴퓨팅 기반의 게임 스트리밍 기술 동향," ETRI, 전자통신동향분석, 제 26 권 제 1 호, 2011. 2.
[2] 권원옥, 김학영, "고성능 VDI 프로토콜 기술 동향," 정보통신산업진흥원, 주간기술동향, 통권 1546 호,
2012. 5. 16.
[3] 김진미, 안창원, 정영우, 박종근, 고광원, 변일수, 우영춘, "차세대 컴퓨팅을 위한 가상화 기술," ETRI, 전자통신동향분석, 제 23 권 제 4 호, 2008. 2.
[4] 류승완, 이석준, 최고봉, 오동옥, "가상화 기술의 동향과 전망," 정보통신산업진흥원, 주간기술동향, 통 권 1342 호, 2008. 4. 16.
[5] "서버 가상화 기술 동향," 정보통신산업진흥원, 주간기술동향, 통권 1302 호, 2007. 6. 27.
[6] NVIDIA. 지포스 그리드 클라우드 게이밍 플랫폼 런칭. http://www.nvidia.co.kr/object/cloud-
gaming-geforce-grid-press-20120517-kr.html
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ACM SIGOPS Operating Systems Review, v.43 n.3, July 2009.
[8] S. Nanda and T. Chiueh, "A Survey on Virtualization Technologies," Technical Report ECSL- TR-179, SUNY at Stony Brook, Feb. 2005.
[9] Vishakha Gupta, Ada Gavrilovska, Karsten Schwan, Harshvardhan Kharche, Niraj Tolia, Vanish Talwar, Parthasarathy Ranganathan, "GViM: GPU-accelerated virtual machines," Proceedings of the 3rd ACM Workshop on System-level Virtualization for High Performance Computing, Nuremburg, Germany, March 31-31, 2009, pp.17-24.
[10] Paul Barham, Boris Dragovic, Keir Fraser, Steven Hand, Tim Harris, Alex Ho, Rolf Neugebauer, Ian Pratt, Andrew Warfield, "Xen and the art of virtualization," Proceedings of the nineteenth ACM symposium on Operating systems principles, October 19-22, 2003, Bolton Landing, NY, USA
[11]R. Uhlig, G. Neiger, D. Rodgers, A. L. Santoni, F. C. M. Martins, A. V. Anderson, S. M. Bennett, A.
Kagi, F. H. Leung, L. Smith, "Intel virtualization technology," Computer, Vol.38, No.5, May 2005, pp.48-56.
[12] F. Diard. Accelerating Cloud Graphics. http://developer.download.nvidia.com/GTC/PDF/ GTC2012/PresentationPDF/S0627-GTC2012-Accelerated-Cloud-Graphics.pdf.
[13] VMware. Virtualization Overview. http://www.vmware.com/pdf/virtualization.pdf
[14]Microsoft. Hyper-V Architecture. http://technet.microsoft.com/en-us/library/cc768520(BTS.10). aspx
[15] HP. Advantages and implementation of HP Remote Graphics Software. http://h20331.www2.hp.com/Hpsub/downloads/RGS_WP_April09.pdf
[16] OnLive gaming in the cloud has gone live. http://www.geekwithlaptop.com/onlive-gaming-in- the-cloud-has-gone-live
[17] W. Wade. Graphics in the Cloud. http://developer.download.nvidia.com/GTC/PDF/GTC2012/ PresentationPDF/S0254-GTC2012-Graphics-Cloud.pdf.
[18] Red Hat. Xen. http://docs.redhat.com/docs/en-US/Red_Hat_Enterprise_Linux/5/html/Virtualization/
glos.html
[19] Microsoft. Microsoft RemoteFX. http://technet.microsoft.com/en-us/library/ff817578(v=ws.10). aspx
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