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멀티코어 임베디드 시스템을 이용한 저전력 멀티미디어 데이터 보호에 관한 연구

  • 김학재 (Kim Hak Jae, 대학원 전산학과 전산과학전공)

초록/요약

최근, 반도체 집적도의 물리적인 한계와 클록 속도를 높임으로써 발생하는 발열 문제를 해결하기 위한 대안으로 멀티코어 기술이 등장하였고, 전력대비 성능이 우수한 특성으로 임베디드 시장에서 보편화되고 있다. 그러나, 멀티코어 시스템에서는 단일코어 시스템에서 작성된 프로그램의 성능을 보장받을 수 없다. 즉, 멀티코어 시스템에서는 복수개의 코어로 연산량을 고르게 분산시키는 병렬 처리를 적용해야 프로그램의 성능을 보장받을 수 있다. 본 연구에서는 디지털 비디오 압축 표준으로써 비교적 다양한 산업 분야에서 응용되는 MPEG-2 인코더를 효율적인 병렬처리를 통해서 속도 및 에너지 효율적으로 멀티코어 시스템 환경에 적용하는 방법을 제안한다. 우선, 정적 할당(static assignment) 방식으로 부하분산(load balancing)하여 병렬처리를 적용한 기존의 ALPBench의 벤치마크를 분석하여 부하분산의 정확도가 낮은 부분을 찾는다. 또한, 분석한 결과를 기반으로 부하분산의 정확도가 낮은 부분에 부분적으로 동적 할당(dynamic assignment) 방식을 적용하여 프로그램의 성능을 개선한다. 추가적으로 본 논문에서는 기존의 단일코어에서 멀티미디어 데이터를 안전하게 보호하는 방법을 멀티코어에 적합하도록 개선하였다. 대용량의 디지털 멀티미디어 콘텐츠의 보안 문제를 해결하기 위해서 성능 및 보안성을 동시에 고려한 기존의 선택적 암호화(selective encryption) 방법이 있다. 특히, 선택적 암호화 방법 중 SECMPEG는 MPEG의 인코더와 블록 암호화 알고리즘이 밀결합(tightly-coupled)된 형태로 수행된다. 따라서, 본 연구에서는 단일코어 시스템 환경에서 적용된 기존 SECMPEG(보안 레벨 3)을 정확한 부하분산을 통해서 멀티코어 시스템 환경에 적합하게 적용하는 방법을 제안한다. 제안한 방법의 타당성을 확인하기 위해, 구현 및 실험을 통하여 기존의 방법과 제안한 방법을 비교 및 분석하여 검증하였다.

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목차

1. 서론 1

2. 임베디드 멀티코어 기술 3
2.1. 병렬처리 3
2.1.1. 싱글코어와 멀티코어 3
2.1.2. 병렬처리 4
2.1.3. 데이터 종속성 6
2.1.4. 동기화 7
2.1.5. 하드웨어에 따른 병렬성 9
2.2. 다양한 병렬처리 시스템 11
2.2.1. 메모리의 종류 11
2.2.2. 분산 컴퓨터 12
2.2.3. 전용 하드웨어를 통한 병렬처리 13
2.2.4. 멀티코어 프로세서 13

3. 디지털 비디오 압축 및 보호 16
3.1. 디지털 비디오 압축 16
3.1.1. 영상 압축 16
3.1.2. MPEG-2 인코더 18
3.2. 디지털 비디오 데이터 보안 24
3.2.1. 암호화 알고리즘의 분류 24
3.2.2. 멀티미디어 데이터의 암호화 25

4. 멀티코어 시스템에서 효율적인 디지털 비디오 보호 29
4.1. MPEG-2 인코더의 효율적인 병렬처리 29
4.1.1. MPEG-2 인코더의 병렬성 분석 29
4.1.1.1. 기존 MPEG-2 인코더의 병렬처리 29
4.1.1.2. MPEG-2 인코더의 프레임별 성능 분석 31
4.1.1.3. MPEG-2 인코더의 매크로블록별 부하분산 분석 33
4.1.2. 멀티코어 시스템 기반 MPEG-2 인코더의 병렬처리 방법 36
4.2. 에너지 효율적인 비디오 데이터 보호 39

5. 구현 및 성능 분석 45
5.1. 병렬처리 실험환경 45
5.1.1. 에너지 소비 모델 45
5.1.2. 멀티코어용 병렬 시뮬레이터 46
5.2. 실험 결과 49
5.2.1. MPEG-2 인코더의 병렬처리 성능 결과 49
5.2.2. SECMPEG 보안 레벨 3의 성능 결과 57

6. 결론 59

참고문헌 61

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