Ứng dụng IPv6 multicast trong truyền thông đa phương tiện

Ví dụchức năng broadcast trong một mạng của địa chỉ IPv4 được đảm nhiệm bằng một loại địachỉ multicast IPv6 có tên gọi địa chỉ multicast FF02::1.. Đối với hoạt động của địa chỉ IPv6, gia

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG

Luận văn được hoàn thành tại:

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG

Người hướng dẫn khoa học: TS LÊ MINH HIẾU………

Phản biện 1: ……… Phản biện 2: ………

Luận văn sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận văn thạc sĩ tại Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông

Vào lúc: giờ ngày tháng năm .

Có thể tìm hiểu luận văn tại:

- Thư viện của Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông

MỞ ĐẦU

Bước sang những năm đầu của thế kỷ XXI, ứng dụng của Internet phát triển nhằm cung cấp dịch vụ cho người dùng notebook, cellualar modem và thậm chí nó còn thâm nhập vào nhiều ứng dụng dân dụng khác như TV, máy pha cà phê… Để có thể đưa những khái niệm mới dựa trên cơ sở TCP/IP này thành hiện thực, TCP/IP phải mở rộng Nhưng một thực tế mà không chỉ giới chuyên môn, mà ngay cả các ISP cũng nhận thức được đó là tài nguyên mạng ngày càng hạn hẹp Việc phát triển về thiết bị, cơ sở hạ tầng, nhân lực… không phải là một khó khăn lớn Vấn đề ở đây là địa chỉ IP, không gian địa chỉ IP ngày càng cạn kiệt, càng về sau địa chỉ IP (IPv4) không thể đáp ứng nhu cầu mở rộng mạng đó Bước tiến quan trọng mang tính chiến lược đối với kế hoạch mở rộng này là việc nghiên cứu cho

ra đời một thế hệ sau của giao thức IP, đó chính là IP version 6

Hiện nay nhu cầu phân phối các dịch vụ nghe nhìn đa phương tiện đa phương tiệnđang trở thành nhu cầu phổ biến và thiết yếu của xã hội Thì việc sử dụng các phương thức truyền cũng như là dải địa chỉ multicast là lựa chọn được hướng đến IPv6 cũng không loại trừ dải địa chỉ này Vì vậy luận văn nghiên cứu đánh giá khả năng sử dụng địa chỉ IPv6multicast trong việc truyền dịch vụ đa phương tiện

Luận văn sử dụng phương pháp nghiên cứu truyền thống, tham khảo các tài liệu nghiên cứu, các chuẩn của các tổ chức viễn thông quốc tế như ITU, IEEE… Nghiên cứu thực nghiệm tại đơn vị, mô hình hóa mô phỏng trên máy tính

Để hoàn thành luận văn này không thể không nhắc đến công lao hướng dẫn của TS

Lê Minh Hiếu Em xin gửi lời chân thành cảm ơn đến sự giúp đỡ nhiệt tình của thầy trong thời gian vừa qua Luận văn còn nhiều hạn chế kính mong nhận được sự đóng góp từ hội đồng bảo vệ để ngày càng hoàn thiện hơn Tôi xin chân thành cảm ơn!

Học viên

Vũ Thị Hoàng Yến

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ IPv6

Thực tế hiện nay là không gian địa chỉ IP đang ngày càng cạn kiệt, càng về sau địa chỉ IP (IPv4) không thể đáp ứng nhu cầu mở rộng mạng lưới truyền thông Bước tiến quan trọng mang tính chiến lược đối với kế hoạch mở rộng này là việc nghiên cứu cho ra đời một thế hệ sau của giao thức IP, đó chính là IP version 6

Chương 1 của luận văn sẽ trình bày những vấn đề tổng quan của IPv6

1.1 Cấu trúc địa chỉ IPv6

1.1.1 Khái niệm và cách biểu diễn địa chỉ IPv6

Địa chỉ IPv6 có chiều dài gấp 4 lần chiều dài địa chỉ IPv4, gồm 128 bít Địa chỉ IPv6được biểu diễn dưới dạng một dãy chữ số hexa

Để biểu diễn 128 bít nhị phân IPv6 thành dãy chữ số hexa decimal, người ta chia 128bít này thành các nhóm 4 bít, chuyển đổi từng nhóm 4 bít thành số hexa tương ứng và nhóm

4 số hexa thành một nhóm phân cách bởi dấu “:” Kết quả, một địa chỉ IPv6 được biểu diễnthành một dãy số gồm 8 nhóm số hexa cách nhau bởi dấu “:”, mỗi nhóm gồm 4 chữ số hexa

1.1.2 Cấu trúc địa chỉ IPv6

Cấu trúc chung của một địa chỉ IPv6 thường thấy như sau:

Hình 1.1 Cấu trúc địa chỉ IPv6

Trong 128 bít địa chỉ IPv6, có một số bít thực hiện chức năng xác định

1.1.3 Các loại địa chỉ IPv6

Địa chỉ IPv6 không còn khái niệm broadcast Theo cách thức gói tin được gửi đến đích, IPv6 gồm 3 loại địa chỉ sau:

- Unicast: Địa chỉ unicast xác định một giao diện duy nhất Trong mô hình định tuyến, các gói tin có địa chỉ đích là địa chỉ unicast chỉ được gửi đến một địa chỉ duy nhất Địa chỉ unicast sử dụng trong giao tiếp một – một

- Multicast: Địa chỉ multicast định danh một nhóm nhiều giao diện Gói tin có địa chỉđích là địa chỉ multicast sẽ được gửi tới tất cả các giao diện trong nhóm được gắn địa chỉ đó

Trong địa chỉ IPv6 không còn tồn tại khái niệm địa chỉ broadcast Mọi chức năng củađịa chỉ broadcast trong IPv4 được đảm nhiệm thay thế bởi địa chỉ IPv6 multicast Ví dụchức năng broadcast trong một mạng của địa chỉ IPv4 được đảm nhiệm bằng một loại địachỉ multicast IPv6 có tên gọi địa chỉ multicast (FF02::1)

- Anycast: Anycast là khái niệm mới của địa chỉ IPv6 Địa chỉ anycast cũng xác định tập nhiều giao diện Tuy nhiên, trong mô hình định tuyến, gói tin có đích đến là địa chỉanycast chỉ được gửi tới một giao diện duy nhất trong tập hợp Giao diện đó là giao diện

“gần nhất” theo khái niệm của thủ tục định tuyến

- Link-local: Là địa chỉ do thiết bị tự động tạo ra khi khởi động, dùng để giao tiếp trong phạm vi một đường kết nối, trong các quy trình và thủ tục cơ bản của IPv6

1.2 Cơ chế hoạt động của IPv6

Thủ tục IP phiên bản 6 thực hiện những thay đổi lớn, không chỉ ở bản thân Internet Protocol, mà trong toàn thể bộ thủ tục TCP/IP, thực hiện tiêu chuẩn hoá và tổ hợp nhiều chức năng, quy trình riêng biệt của giao tiếp giữa những thiết bị nội bộ Đối với hoạt động của địa chỉ IPv6, giao tiếp giữa các node trong một đường kết nối là vô cùng quan trọng Do vậy, IPv6 phát triển một thủ tục mới đảm nhiệm giao tiếp giữa những node thuộc một đường link (được khái niệm hoá là những node lân cận – neighbor), tên là IPv6 Neighbor Discovery – ND Địa chỉ IPv6 cũng thực hiện đồng nhất hoá các thông điệp sử dụng trong quá trình giao tiếp nội bộ Toàn bộ những quy trình giao tiếp này sử dụng các thông điệp ICMPv6 ICMPv6, ND (Neighbor Discovery), MLD (Multicast Listener Discovery) là những thủ tục thiết yếu cho hoạt động của IPv6 MLD và ND hoạt động trên nền các thông điệp ICMPv6

1.2.1 ICMPv6

Như chúng ta đã biết, Internet Control Message Protocol (ICMP), là một thủ tục bắt buộc tổ hợp cùng với giao thức IP Các thông điệp ICMP, truyền tải bằng những gói tin, được sử dụng cho mục đích thông báo liên quan đến hoạt động và những vận hành không trôi chảy của mạng ICMP được sử dụng rộng rãi trong IPv4 với mục đích báo lỗi và điều khiển truyền tải IP Khi có lỗi xảy ra trong quá trình truyền tải gói tin IP, router đang xử lý hoặc node nhận gói tin sẽ thông báo vấn đề cho node gửi để node gửi có thể truyền lại gói tin hoặc tiếp tục thực hiện những chu trình xử lý lỗi khác ICMP bao gồm những thông điệp phản hồi (echo message) phục vụ cho những chương trình chẩn đoán mạng như ping, traceroute, và những thông điệp báo lỗi

Một số chức năng của ICMP như sau:

- Thông báo lỗi mạng

- Thông báo tắc nghẽn mạng

- Hỗ trợ xử lý sự cố

- Thông báo thời gian timeout

1.2.2 MLD (Multicast Listioner Discovery)

Multicast là một trong những hoạt động đặc trưng của thế hệ địa chỉ IPv6 Việc quản

lý quan hệ multicast, hỗ trợ cho định tuyến multicast là vô cùng cần thiết và quan trọng.Trong IPv6, việc quản lý quan hệ multicast được thực thi bởi một thủ tục, hoạt động trên nền các thông điệp ICMPv6, là Multicast Listener Discovery-MLD Thủ tục này thay thế cho Internet Group Management Protocol phiên bản 2 (IGMPv2) trong IPv4 MLD có một điểm khác biệt cơ bản với IGMPv2 là nó sử dụng chính thông điệp ICMPv6 (IP Protocol 58), chứ không định nghĩa tập hợp thông điệp riêng

Multicast Listener Discovery sử dụng một nhóm ba thông điệp ICMPv6 Các thông điệp này được trao đổi giữa router và node, cho phép một router khám phá ra trên mỗi giao diện gắn trực tiếp với nó những node là thành viên của nhóm multicast, sẵn sàng nhận gói tin được gửi tới địa chỉ multicast đó (node đang "nghe" lưu lượng), cũng như những địa chỉmulticast đang được các node này quan tâm

1.2.3 ND (Neighbor Discovery)

Thủ tục thứ hai hoạt động trên nền những thông điệp ICMPv6 là Neighbor Discovery

- ND Neighbor Discovery là một thủ tục mới của địa chỉ IPv6 ND phụ trách toàn bộ giao tiếp giữa các node IPv6 trên cùng một đường link (các neighbor node) Những quy trình hoạt động giao tiếp này (giữa host với host, giữa host với router) là thiết yếu đối với hoạt động của thế hệ địa chỉ IPv6 ND đảm nhiệm những chức năng mà các thủ tục ARP, ICMP Router Discovery, và ICMP Redirect thực hiện trong địa chỉ IPv4 Đồng thời cũng cung cấp nhiều chức năng khác nữa

1.2.4 Một số quy trình hoạt động của IPv6

1.2.4.1 Phân giải địa chỉ

Trong địa chỉ IPv4, quy trình này được đảm nhiệm bởi thủ tục ARP Node cần phân giải địa chỉ sẽ gửi gói tin truy vấn tới địa chỉ đích là địa chỉ broadcast, tác động đến mọi node khác trên đường link

Khi một IPv6 node cần tìm địa chỉ lớp link-layer (ví dụ địa chỉ MAC trên đường link Ethernet) tương ứng với một địa chỉ unicast IPv6 nào đó, thay vì gửi gói tin truy vấn tới địa chỉ multicast mọi node phạm vi link (FF02::1) để tác động tới mọi node trên đường link tương đương địa chỉ broadcast trong IPv4, node đó chỉ gửi tới địa chỉ Multicast Solicited Node tương ứng địa chỉ unicast cần phân giải.

Để thực hiện quy trình phân giải địa chỉ, hai node IPv6 trong một đường link trao đổi thông điệp Neighbor Solicitation và Neighbor Advertisement

1.2.4.2 Kiểm tra khả năng tới node lân cận

Thông điệp Neighbor Solicitation và Neighbor Advertisement được sử dụng trong

quá trình phân giải địa chỉ, kiểm tra trùng lặp địa chỉ, cũng được sử dụng cho những mục đích khác, như quá trình kiểm tra tính có thể đạt tới của một node lân cận (reachability) Các IPv6 node duy trì bảng thông tin về các neighbor của mình gọi là neighbor cache, và sẽ cập nhật bảng này khi có sự thay đổi tình trạng mạng Bảng này lưu thông tin đối với cả router

và host

1.2.4.3 Tìm kiếm router

Đối với hoạt động của địa chỉ IPv6, sự trao đổi giữa các host với nhau, giữa host với router là rất quan trọng Trong mạng, router là thiết bị đảm nhiệm việc chuyển tiếp lưu lượng của các host từ mạng này sang mạng khác Một host phải nhờ vào router để có thể gửi thông tin tới những node nằm ngoài đường kết nối của mình Do vậy, trước khi một host có thể thực hiện các hoạt động giao tiếp với mạng bên ngoài, nó cần tìm một router và học được những thông tin quan trọng về router, cũng như về mạng Trong thế hệ địa chỉ IPv6, để

có thể cấu hình địa chỉ, cũng như có những thông số cho hoạt động, IPv6 host cần tìm thấy router và nhận được những thông tin từ router trên đường kết nối Router IPv6 ngoài việc đảm trách chuyển tiếp gói tin cho host còn đảm nhiệm một hoạt động không thể thiếu là quảng bá sự hiện diện của mình và cung cấp các tham số trợ giúp host trên đường kết nối cấu hình địa chỉ và các tham số hoạt động Thực hiện những hoạt động trao đổi thông tin giữa host và router là một nhiệm vụ rất quan trọng của thủ tục Neighbor Discovery

1.2.4.4 Cấu hình tự động địa chỉ IPv6 cho node

Địa chỉ IPv6 được cải tiến để có thể giảm thiểu những cấu hình nhân công 64 bít cuối của địa chỉ IPv6 luôn dành để định danh giao diện 64 bít định danh này có thể tự động cấu hình từ địa chỉ card mạng hoặc gán một cách tự động Nhờ quy trình giao tiếp trên đường link của thủ tục Neighbor Discovery, IPv6 host có thể liên lạc với router trên đường

kết nối để nhận các thông tin về prefix trên link và những tham số hoạt động khác Do vậy, các node trong IPv6 có hai cách thức cấu hình địa chỉ: cấu hình địa chỉ bằng tay (quá trình cấu hình địa chỉ cho giao diện, tạo route… được thực hiện qua các lệnh cấu hình bằng tay), hoặc cấu hình địa chỉ tự động.

CHƯƠNG II: IPv6 MULTICAST2.1 Cấu trúc, định dạng địa chỉ IPv6 Multicast

2.1.1 Cấu trúc, định dạng

Địa chỉ multicast là một phần phức tạp song rất đặc thù của địa chỉ IPv6 Trong hoạt động của địa chỉ IPv6, không tồn tại khái niệm địa chỉ broadcast Chức năng của địa chỉBroadcast IPv4 được đảm nhiệm bởi một số các dạng địa chỉ IPv6 multicast Địa chỉ IPv6multicast thay thế cho cả địa chỉ broadcast và multicast IPv4

IPv6 có nhiều dạng địa chỉ multicast Mỗi dạng có phạm vi hoạt động tương ứng Một trạm IPv6 nhất định sẽ “nghe” lưu lượng của một số loại địa chỉ IPv6 multicast Trạm IPv6

có thể nghe lưu lượng của nhiều loại địa chỉ multicast tại cùng thời điểm Trạm cũng có thểgia nhập hoặc rời bỏ một nhóm multicast tại bất cứ thời điểm nào

Một multicast địa chỉ IPv6 được sử dụng để xác định một nhóm các giao diện, mà thường xác định vị trí trên các nút khác nhau Một node có thể tham gia một hoặc nhiều nhóm multicast Các gói tin multicast đi đến địa chỉ của một nhóm multicast được gửi đến tất cả các giao diện, được xác định bởi các địa chỉ nhóm

Hình 2.1 Định dạng địa chỉ IPv6 multicast

2.1.2 Phân loại địa chỉ multicast

2.1.2.1 Địa chỉ thường

Theo định nghĩa trong RFC 4291, thường được giao multicast địa chỉ IPv6 được liệt

kê trong bảng sau:

Bảng 2.1 Bảng phân loại địa chỉ IPv6 Multicast

FF0x:: không bao giờ được giao cho bất kỳ nhóm multicast Bảo lưu các địa chỉ multicast Các địa chỉ multicast FF01:: 1 (interface-local)

FF02:: 1 (link-local) Tất cả các nút địa chỉ multicast

FF01::2 (interface-local)

FF02:: 2 (link-local)

FF05:: 2 (site-local)

Tất cả các nhóm định tuyến địa chỉ

Địa chỉ Multicast Mô tả

FF02:: 1: FFxx: xxxx

Solicited-node địa chỉ multicast: Một nút trong địa chỉ multicast được hình thành bằng cách lấy lệnh 24 bit thấp của địa chỉ (unicast hoặc anycast) và gắn thêm các bit với tiền tố FF02:: 1: FF00:: / 104 Ví dụ, các nút địa chỉ multicast solicited tương ứng với địa chỉIPv6 4037:: 01:800:200 E: 8C6C là FF02:: 1: FF0E: 8C6C

Lưu ý: "X" được liệt kê trong bảng đại diện cho một số thập lục phân trong khoảng

từ 0 đến F

2.1.2.2 Địa chỉ IPv6 Multicast có nhúng RP

Người ta định nghĩa khái niệm địa chỉ RP nhúng (Embedded Rendezvous Point), với IPv6 multicast, là một thủ thuật mới Nó chỉ đơn giản là nhúng các địa chỉ IPv6 RP như là một phần của địa chỉ nhóm multicast Bằng cách này, khi một router multicast thấy địa chỉnhóm, nó có thể trích xuất các RP và bắt đầu sử dụng nó cho các cây được chia sẻ ngay lập tức, bản chất là đã được mã hóa cứng trên router và nói với các RP khác rằng anh ta là RPcùng nhóm Tất cả các router khác trong mạng tự động tìm hiểu các địa chỉ RP từ địa chỉnhóm Vì vậy 128 bit địa chỉ RP không thể được nhúng vào 128 bit nhóm mà vẫn còn không gian cho việc nhận đạng nhóm

2.1.2.3 Địa chỉ IPv6 Multicast SSM

Địa chỉ SSM multicast IPv6 cũng dựa trên các địa chỉ multicast định dạng unicast tiền tố, nơi Plen và các trường tiền tố mạng được thiết lập là 0 Kết quả là, các địa chỉ IPv6SSM multicast cư trú trong phạm vi của FF3x::/32, trong đó x là một trường căn cứ xác định phạm vi địa chỉ

2.1.2.4 Địa chỉ MAC Multicast IPv6

Một địa chỉ MAC multicast IPv6 có trật tự cao 16 bit là 0x3333, trật tự 32 bit thấp chứa đầy đủ thứ tự 32 bit thấp của địa chỉ multicast IPv6, do đó tạo thành một multicast 48-bit địa chỉ MAC Như được thể hiện trong hình dưới, địa chỉ MAC của địa chỉ multicast IPv6: FF1E::F30E:101 là 33-33-F3-0E-01-01

Hình 2.5 Ví dụ tạo thành địa chỉ MAC multicast IPv6 từ địa chỉ MAC

2.2 Cơ chế hoạt động của IPv6 Multicast

2.2.1 Nhóm multicast

Một đặc điểm quan trọng của IP Multicast là nhóm Multicast Việc xây dựng một nhóm Multicast bắt đầu với một server đang chạy một ứng dụng Multicast như audio, video Khi một server được xây dựng, một địa chỉ Multicast được gán cho ứng dụng đó và tất cả các thành viên của nó Một nhóm Multicast được cấp phát cho một địa chỉ multicastđại diện cho nhóm đó Số lượng thành viên của nhóm có thể là 0, 1 hay nhiều thành viên Các thành viên có thể nằm tại các mạng con khác nhau

Khi một host muốn gia nhập một nhóm, nó gửi một bản tin IGMP chứa địa chỉmulticast của nhóm mong muốn tới Mrouter cục bộ của nó (Mrouter là các router có hỗ trợMulticast Một trong những chức năng của router này là giúp các host trên các mạng gắn liền với nó truy nhập hệ thống phân phối Multicast) Sau khi Mrouter nhận bản tin IGMP từcác host, nó chuyển tiếp tất cả lưu lượng Multicast cho nhóm các host đó Các host có thểgia nhập nhóm hoặc rời bỏ khỏi nhóm bất cứ lúc nào

đó, một đường hầm cho phép lưu lượng Multicast truyền liên tục giữa 2 Mrouter thông quacác router Unicast

Hình 2.6 Minh họa đường hầm multicast

2.2.3 Biên dịch địa chỉ multicast

Để gửi một gói tin multicast IPv6 qua Ethernet, cách thực hiện đơn giản là lấy 32 bít cuối của địa chỉ IPv6 đích và gắn thêm “33-33”; và sử dụng nó như là địa chỉ Ethernet đích

Do đó, một gói tin IPv6 được gửi đến FF02::1:FF68:12CB sẽ được gửi đến địa chỉ Ethernet 33-33-FF-68-12-CB Bất kỳ máy chủ lưu trữ quan tâm đến các gói tin cho địa chỉ IPv6 được

dự kiến sẽ lắng nghe các địa chỉ Ethernet tương ứng

Hình 2.7 Chuyển đổi địa chỉ multicast thành địa chỉ Ethernet/FDDI

2.2.4 Định tuyến và chuyển tiếp

Trong việc triển khai IPv6 multicast, quá trình định tuyến và chuyển tiếp gói tin multicast IPv6 được thực hiện theo ba hình thức sau:

 Mỗi giao thức định tuyến multicast IPv6 sở hữu một bảng định tuyến riêng biệt, chẳng hạn như bảng thông tin định tuyến IPv6 PIM

 Các thông tin định tuyến của các giao thức định tuyến multicast IPv6 khác nhau tạo thành một bảng thông tin định tuyến IPv6 chung

 Các bảng thông tin chuyển tiếp multicast IPv6 được sử dụng trực tiếp để thực hiện chuyển phát gói tin multicast IPv6 Bảng này làm căn cứ để chuyển tiếp gói tin multicast IPv6

Một bảng chuyển tiếp multicast IPv6 bao gồm một cặp (S, G) cho biết thông tin địnhtuyến để chuyển tiếp gói tin multicast IPv6 từ một nguồn tới một nhóm multicast IPv6 Nếu