Ip Multicast Và Ứng Dụng.pdf

Output file ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TRƯƠNG CÔNG ÁI IP MULTICAST VÀ ỨNG DỤNG LUẬN VĂN THẠC SĨ Hà Nội – 2009 LỜI CẢM ƠN Tôi xin chân thành cảm ơn TS Ngô Khánh Vân, ngƣời đã tận[.]

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

TRƯƠNG CÔNG ÁI

IP MULTICAST VÀ ỨNG DỤNG

LUẬN VĂN THẠC SĨ

Hà Nội – 2009

Tôi xin chân thành cảm ơn các thầy cô trong trường Đại Học Công Nghệ, Đại Học Quốc Gia Hà Nội đã giảng dạy, truyền đạt và tạo điều kiện học tập tốt nhất cho tôi trong suốt thời gian học tập cũng như trong quá trình thực hiện luận văn

Hà Nội, tháng 08 năm 2009

Trương Công Ái

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN

MỤC LỤC

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

DANH SÁCH HÌNH VẼ

DANH SÁCH CÁC BẢNG

MỞ ĐẦU 1

1 Đặt vấn đề 1

2 Đối tượng và mục tiêu luận văn 1

3 Hướng tiếp cận 2

4 Kết cấu của luận văn 2

CHƯƠNG 1 3

CƠ BẢN VỀ IP MULTICAST 3

1.1 Mở đầu 3

1.2 Các thành phần tham gia vào truyền thông multicast 5

1.3 Địa chỉ multicast 7

1.4 Cây phân phối multicast 9

1.4.1 Cây nguồn 9

1.4.2 Cây chia sẻ 10

1.5 Chuyển tiếp multicast 13

1.6 Đường trục multicast 15

1.7 Giao thức quản lý nhóm Internet 17

1.7.1 Giao thức IGMPv1 17

1.7.1.1 Thông điệp Host Membership Report 18

1.7.1.2 Thông điệp Host Membership Query 19

1.7.2 Giao thức IGMPv2 19

1.7.2.1 Lựa chọn router truy vấn 20

1.7.2.2 Thông điệp rời nhóm 21

1.7.2.3 Truy vấn cho từng nhóm 21

1.7.3 Giao thức IGMPv3 21

1.7.3.1 Lọc dữ liệu 21

1.7.3.2 Thông điệp IGMPv3 Host Membership Query 22

1.7.3.3 Thông điệp IGMPv3 Host Membership Report 23

CHƯƠNG 2 25

ĐỊNH TUYẾN MULTICAST 25

2.1 Giao thức định tuyến multicast véctơ khoảng cách 25

2.1.1 Tìm kiếm hàng xóm 25

2.1.2 Trao đổi thông báo định tuyến 26

2.1.3 Cắt nhánh 29

2.1.4 Ghép nhánh 30

2.2 Giao thức PIM Dense Mode 32

2.2.1 Tìm kiếm hàng xóm 32

2.2.1.1 Thông điệp Hello 32

2.2.1.2 Router được chỉ định 32

2.2.1.3 Cây phân phối multicast 33

2.2.2 Cắt nhánh 34

2.2.3 Cơ chế xác nhận 36

2.2.4 Ghép nhánh 37

2.3 PIM Sparse Mode 38

2.3.1 Mô hình tham gia 38

2.3.2 Cây chia sẻ 39

2.3.2.1 Tham gia cây chia sẻ 39

2.3.2.2 Cắt nhánh trên cây chia sẻ 42

2.3.3 Cây đường đi ngắn nhất 44

2.3.3.1 Tham gia cây đường đi ngắn nhất 44

2.3.3.2 Cắt nhánh trên cây đường đi ngắn nhất 46

2.3.4 Thông điệp Join/Prune 47

2.3.5 Đăng ký nguồn dữ liệu 48

2.3.5.1 Thông điệp PIM Register 48

2.3.5.2 Thông điệp PIM Register – Stop 49

2.3.6 Chuyển từ cây chia sẻ sang cây đường đi ngắn nhất 49

2.4 Giao thức Multicast Open Shortest Path First 53

2.4.1 Định tuyến multicast trong vùng 53

2.4.2 Định tuyến multicast trên nhiều vùng 55

2.4.3 Định tuyến multicast trên các vùng tự trị 58

CHƯƠNG 3 60

SỬ DỤNG ACCESS GRID XÂY DỰNG 60

HỆ THỐNG HỘI NGHỊ TRUYỀN HÌNH DỰA TRÊN IP MULTICAST 60

3.1 Các khái niệm chung về dịch vụ hội nghị truyền hình 60

3.1.1 Hệ thống hội nghị truyền hình 61

3.1.2 Các thành phần cơ bản của hội nghị truyền hình 62

3.2 Giao thức RTP 63

3.2.1 Khuôn dạng RTP header 63

3.2.2 Các ứng dụng sử dụng RTP 64

3.2.2.1 Thoại hội nghị đơn giản 64

3.2.2.2 Thoại và truyền hình hội nghị 66

3.2.2.3 Bộ trộn và bộ biên dịch 66

3.3 Đồng bộ luồng hình ảnh và âm thanh 67

3.4 Sử dụng Access Grid xây dựng một hội nghị truyền hình 69

3.4.1 Các thành phần của Access Grid 69

3.4.2 Sử dụng Access Grid client để tham gia vào hội nghị truyền hình 72

KẾT LUẬN 75

HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI 76 TÀI LIỆU THAM KHẢO

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

ABR Area Border Router Router biên vùng

hội nghị truyền hình

ASBR Autonomous System

Border Routers

Router trên biên vùng tự trị

DR Designated Router Router được lựa chọn

DVMRP Distance Vector Multicast

Routing Protocol

Giao thức định tuyến multicast

véc-tơ khoảng cách IGMP Internet Group

Management Protocol

Giao thức quản lý nhóm Internet

LSA Link-State Advertisement Thông điệp quảng bá trạng thái liên

kết MABR Multicast Area Border

Router

Router biên vùng multicast

MBONE Multicast Backbone Đường trục multicast

MOSPF Multicast Open Shortest

Path First

Giao thức định tuyến multicast dựa trên thuật toán đường đi ngắn nhất MCU Multipoint Control Unit Bộ điều khiển đa điểm

OSPF Open Shortest Path First Giao thức định tuyến unicast dựa

trên thuật toán đường đi ngắn nhất

PIM Protocol Independent

Multicast

Giao thức định tuyến multicast độc lập

PIM-DM Protocol Independent

Multicast Dense Mode

Giao thức định tuyến multicast độc lập theo mô hình tập trung

PIM-SM Protocol Independent

Multicast Sparse Mode

Giao thức định tuyến multicast độc lập theo mô hình phân tán

RAT Robust Audio Tool Công cụ truyền âm thanh trong ứng

dụng hội nghị truyền hình RIP Routing Information

Protocol

Giao thức thông tin định tuyến

RPF Reverse Path Forwarding Kiểm tra đường dẫn ngược

RTCP Real Time Transport

SPT Shortest Path Tree Cây đường đi ngắn nhất

TTL Time To Live Thời gian tồn tại gói tin

VIC Video Conference Ứng dụng video trong hội nghị

truyền hình

DANH SÁCH HÌNH VẼ

Hình 1.1: Truyền thông unicast và multicast 3

Hình 1.2: Các thành phần tham gia vào truyền thông multicast 6

Hình 1.3: Định dạng của địa chỉ IP lớp D 7

Hình 1.4: Ánh xạ địa chỉ IP multicast sang địa chỉ MAC 8

Hình 1.5: Cây đường đi ngắn nhất của host A 9

Hình 1.6: Cây đường đi ngắn nhất của host B 10

Hình 1.7: Cây chia sẻ 11

Hình 1.8: Cây chia sẻ hai chiều 12

Hình 1.9: Cây chia sẻ một chiều sử dụng cây SPT 12

Hình 1.10: Cây chia sẻ một chiều sử dụng định tuyến unicast 13

Hình 1.11: Giới hạn TTL 14

Hình 1.12: Cơ chế đường hầm liên kết các ốc đảo multicast 15

Hình 1.13: Đóng gói IP multicast theo cơ chế tunneling 16

Hình 1.14: Cơ chế đường hầm liên kết các MRouter 16

Hình 1.15: Thông điệp IGMPv1 18

Hình 1.16: Thông điệp IGMPv2 19

Hình 2.1: Tìm hàng xóm trong DVMRP 26

Hình 2.2: Trao đổi định tuyến DVMRP bước 1 27

Hình 2.3: Trao đổi định tuyến DVMRP bước 2 27

Hình 2.4: Trao đổi định tuyến DVMRP bước 3 28

Hình 2.5: Cắt nhánh trong DVMRP bước 1 29

Hình 2.6: Cắt nhánh trong DVMRP bước 2 30

Hình 2.7: Ghép nhánh trong DVMRP bước 1 31

Hình 2.8: Ghép nhánh trong DVMRP bước 2 31

Hình 2.9: Cây phân phối PIM-DM 34

Hình 2.10: Cắt nhánh trong PIM-DM bước 1 35

Hình 2.11: Cắt nhánh trong PIM-DM bước 2 35

Hình 2.12: Cắt nhánh trong PIM-DM bước 3 36

Hình 2.13: Xác nhận trong PIM-DM 37

Hình 2.14: Ghép nhánh trong PIM-DM 38

Hình 2.15: Tham gia cây chia sẻ PIM bước 1 39

Hình 2.16: Tham gia cây chia sẻ PIM bước 2 40

Hinh 2.17: Tham gia cây chia sẻ PIM bước 3 41

Hình 2.18: Tham gia cây chia sẻ PIM bước 4 41

Hình 2.19: Tham gia cây chia sẻ PIM bước 5 42

Hình 2.20: Tham gia cây chia sẻ PIM bước 6 42

Hình 2.21: Cắt nhánh trên cây chia sẻ bước 1 43

Hình 2.22: Cắt nhánh trên cây chia sẻ bước 2 43

Hình 2.23: Cắt nhánh trên cây chia sẻ bước 3 44

Hình 2.24: Tham gia cây đường đi ngắn nhất bước 1 45

Hình 2.25: Tham gia cây đường đi ngắn nhất bước 2 45

Hình 2.26: Tham gia cây đường đi ngắn nhất bước 3 46

Hình 2.27: Cắt nhánh trên cây đường đi ngắn nhất bước 1 46

Hình 2.28: Cắt nhánh trên cây đường đi ngắn nhất bước 2 47

Hình 2.29: Cắt nhánh trên cây đường đi ngắn nhất bước 3 47

Hình 2.30: Chuyển sang cây SPT bước 1 50

Hình 2.31: Chuyển sang cây SPT bước 2 50

Hình 2.32: Cắt bỏ nguồn khỏi cây chia sẻ bước 3 51

Hình 2.33: Cắt bỏ nguồn khỏi cây chia sẻ bước 4 52

Hình 2.34: Cắt bỏ nguồn khỏi cây chia sẻ bước 5 52

Hình 2.35: Vùng MOSPF chứa nguồn và thành viên nhóm G 54

Hình 2.36: Cây đường đi ngắn nhất MOSPF SPT cho mạng N3 và N4 55

Hình 2.37: Thông điệp nhóm tóm tắt trong vùng đường trục 56

Hình 2.38: Cây đường đi ngắn nhất SPT trong vùng đường trục 57

Hình 2.39: Nguồn trong vùng không phải đường trục 58

Hình 2.40: Lưu lượng multicast xuống các miền MOSPF 59

Hình 3.1: Thành phần của hội nghị truyền hình 62

Hình 3.2: Khuôn dạng RTP header 63

Hình 3.3: Các thành phần của Access Grid 69

Hình 3.4: Desktop node 70

Hình 3.5: Office node 71

Hình 3.6: Room node 71

Hình 3.7: Mối quan hệ giữa multicast và Access Grid 72

Hình 3.8: Profile Dialog 72

Hình 3.9: Điền địa chỉ virtual venue để kết nối 72

Hình 3.10: Venue client 73

Hình 3.11: Cửa sổ video 73

Hình 3.12: Cửa sổ audio 74

DANH SÁCH CÁC BẢNG

Bảng 1.1: Các trường trong thông điệp IGMPv1 18

Bảng 1.2: Các trường trong thông điệp IGMPv2 20

Bảng 1.3: Các trường trong thông điệp IGMPv3 Host Membership Query 22

Bảng 1.4: Các trường trong thông điệp IGMPv3 Host Membership Report 24

MỞ ĐẦU

1 Đặt vấn đề

Ngày nay mạng Internet và các ứng dụng trên mạng ngày càng trở nên thông dụng, vì thế có một lượng rất lớn các thông tin cần phải chuyển tiếp đến nhiều nơi trong cùng một thời gian Phần lớn các ứng dụng trên mạng hiện nay

sử dụng phương pháp truyền dữ liệu unicast, đây là phương pháp truyền dữ liệu

từ điểm tới điểm, tức là dữ được truyền từ một người gửi tới một người nhận Tuy nhiên với một số ứng dụng yêu cầu phải thường xuyên gửi dữ liệu từ một điểm tới nhiều điểm, dữ liệu được gửi từ một người gửi tới nhiều người nhận, phương pháp truyền dữ liệu unicast trở nên không hiệu quả Trong trường hợp này, các ứng dụng sử dụng unicast phải đóng gói cùng một dữ liệu nhiều lần và lần lượt gửi chúng từ điểm tới điểm Một cách khác để thực hiện việc truyền dữ liệu từ điểm đến nhiều điểm là sử dụng broadcast, đây là phương pháp gửi dữ liệu từ một điểm đến tất cả các điểm Dễ thấy rằng cả hai phương pháp trên đều gây nên những sự lãng phí tài nguyên mạng, khi đó multicast là một sự thay thế tốt nhất, phương pháp này giúp ta tiết kiệm được băng thông mạng cũng như cải thiện được tốc độ truyền dữ liệu Multicast là phương pháp truyền dữ liệu từ điểm tới nhiều điểm, trong đó một nguồn gửi sẽ gửi lưu lượng tới một nhóm nguồn nhận thông qua địa chỉ nhóm multicast Trong phương pháp multicast có các giao thức cho phép các máy tính có thể gia nhập vào nhóm để nhận dữ liệu hay rời bỏ nhóm một cách dễ dàng, các giao thức định tuyến cũng được xây dựng cho phép các ứng dụng có thể gửi dữ liệu một cách hiệu quả trên mạng

2 Đối tượng và mục tiêu luận văn

Xuất phát từ vấn đề nêu trên, luận văn xác định IP multicast là đối tượng nghiên cứu với những vấn đề tập trung chủ yếu như sau:

Tìm hiểu các thành phần cơ bản của quá trình truyền dữ liệu multicast gồm: địa chỉ multicast, cây multicast, chuyển tiếp multicast cũng như quá trình tham gia nhóm multicast thông qua giao thức Internet Group Management Protocol

Tìm hiểu các giao thức định tuyến cơ bản được sử dụng trong truyền thông

multicast như giao thức định tuyến Distance Vector Multicast Routing

Protocol, giao thức định tuyến Protocol Independent Multicast và giao thức

định tuyến Multicast Open Shortest Path First

Tìm hiểu khả năng áp dụng của multicast trong ứng dụng thời gian thực

3 Hướng tiếp cận

Với mục tiêu là tìm hiểu công nghệ IP multicast, luận văn được tiếp cận

theo hướng tập trung nghiên cứu các khái niệm, tìm hiểu các giao thức phổ biến

của multicast từ đó chỉ ra được các ưu điểm, nhược điểm cũng như khả năng áp

dụng của IP multicast vào các ứng dụng

4 Kết cấu của luận văn

Luận văn gồm phần mở đầu, 03 chương và kết luận

Chương 1: Trình bày các vấn đề cơ bản của IP multicast như địa chỉ

multicast, cây phân phối multicast, chuyển tiếp multicast và quá trình tham

gia nhóm multicast

Chương 2: Trình bày các giao thức định tuyến được sử dụng trong truyền

thông multicast gồm giao thức định tuyến Distance Vector Multicast

Routing Protocol, giao thức định tuyến Protocol Independent Multicast theo

hai mô hình tập trung và phân tán và giao thức định tuyến Multicast Open

Shortest Path First

Chương 3: Tìm hiểu về hội nghị truyền hình, ứng dụng phần mềm Access

Grid để xây dựng hệ thống hội nghị truyền hình dựa trên IP multicast

Cuối cùng là kết luận và hướng nghiên cứu tiếp theo của luận văn

CHƯƠNG 1

CƠ BẢN VỀ IP MULTICAST 1.1 Mở đầu

IP multicast là một nhóm các công nghệ và tiêu chuẩn cho phép việc truyền tải đa điểm – đa điểm như hội nghị, hay truyền tài điểm – đa điểm như việc quảng bá âm thanh, video trên Internet Việc ứng dụng công nghệ này ngày càng phát triển do nhu cầu ngày càng cao đối với các ứng dụng đa phương tiện và sự cải tiến công nghệ IP multicast

Multicast là thuật ngữ kỹ thuật, có nghĩa một gói tin có thể được gửi đến nhiều nơi trong cùng thời điểm Cách thức thông thường trong việc truyền thông tin trên Internet là sử dụng các giao thức unicast, các giao thức này gửi các gói tin đến mỗi điểm thu tại một thời điểm Trên mạng multicast, một gói tin có thể được gửi từ một máy tính đến một vài máy tính khác, thay vì gửi gói tin đó lần lượt đến từng máy tính Do 5, 10 hay 100 máy có thể nhận được cùng gói tin nên băng thông được tiết kiệm Khi sử dụng multicast để gửi đi gói tin thì không cần thiết phải biết địa chỉ của những người cần nhận luồng tin multicast đó: dữ liệu được quảng bá theo một phương thức mà những người quan tâm đến nó có thể nhận được

Hình 1.1: Truyền thông unicast và multicast Các mạng hỗ trợ multicast cung cấp nhiều dịch vụ và các ứng dụng cho người sử dụng đầu cuối Nhiều ứng dụng hỗ trợ multicast là các ứng dụng đa phương tiện, tuy nhiên còn có nhiều loại ứng dụng khác nhau sử dụng công nghệ

IP multicast cho các mục đích không phải đa phương tiện Các ứng dụng thời gian thực bao gồm: truyền hình trực tiếp, đài phát thanh, hội nghị truyền hình, các ứng dụng không phải thời gian thực như truyền file, dữ liệu, video theo yêu cầu …

Truyền tải multicast đưa lại nhiều ưu điểm so với unicast truyền thống Băng thông của mạng được tận dụng hiệu quả hơn do nhiều luồng dữ liệu được thay thế bởi một luồng dữ liệu multicast Công nghệ này đem lại chất lượng tối

ưu do cần ít bản sao dữ liệu để chuyển đi và xử lý tại các nút mạng Để có thể có được các ưu điểm của IP multicast, thì khả năng định tuyến multicast phải được

hỗ trợ tại các nút mạng Tùy thuộc vào chính sách sử dụng và nhu cầu của người

sử dụng, thì các vấn đề liền quan đến định tuyến, độ tin cậy, đánh địa chỉ mạng

và các giao thức truyền tải đa phương tiện có tầm quan trọng đối với nhà vận hành mạng

Multicast không chỉ đem lại lợi ích cho người sử dụng đầu cuối Hầu hết các ứng dụng multicast là dựa trên UDP, việc sử dụng giao thức này có thể dẫn đến các ảnh hưởng phụ không mong muốn (các gói tin có thể bị hủy) so với các ứng dụng unicast tương tự dựa trên TCP Tuy nhiên, việc thiếu kiểm soát nghẽn

có thể dẫn đến việc suy giảm chất lượng mạng tổng thể Các gói tin trùng có thể thỉnh thoảng được tạo ra khi các topo mạng multicast thay đổi Trong tương lai việc triển khai IPv6 sẽ đem lại multicast có sẵn cho người sử dụng mạng Phần mềm định tuyến tin cậy hơn với các giao thức mới sẽ tận dụng được hạ tầng mạng Với multicast có sẵn, các vấn đề định tuyến sẽ được giải quyết dễ dàng hơn và băng thông sẽ được tiết kiệm hơn

Multicast là một công nghệ tương đối mới cho phép các khách hàng được hưởng lợi từ các ứng dụng thời gian thực mà đáng ra phải yêu cầu một lượng băng thông cực lớn Công nghệ này cho phép nhiều loại công ty đưa các sản phẩm của họ đến các nhóm người với chi phí thấp so với unicast Multicast giảm lưu lượng mạng và tiết kiệm băng thông cho phép người dùng khai thác khả năng

sử dụng cực đại có thể của Internet Multicast cung cấp cho các người sử dụng liên quan đến Internet (các người sử dụng đầu cuối, nhà vận hành mạng, ISP và

các công ty liên quan khác) giải pháp khả thi kinh tế và kỹ thuật cho vấn đề truyển tải khối lượng thông tin lớn đến các nhóm người dùng được lựa chọn

Để có được multicast trên Internet hay các mạng Intranet, cách đầu tiên là kết nối các ốc đảo mạng hỗ trợ multicast với các đường hầm IP multicast Do các đường hầm này không khả phân cấp và không đưa lại các ưu điểm kế thừa của multicast, bước kế tiếp là thay thế hạ tầng đường hầm với hạ tầng định tuyến multicast thực sự Công nghệ multicast hiện tại đưa ra các thách thức khác nhau cho việc định tuyến và đánh địa chỉ, hiện nay thử thách lớn nhất là để thiết lập hạ tầng toàn cầu có tính tin cậy và có tính khả phân cấp tương tự như hạ tầng mạng Internet unicast ngày nay

Trong khi giao thức mạng IP tự bản thân nó cung cấp các cơ chế kế thừa đối với IP multicast, các giao thức lớp cao hơn không hỗ trợ nó Mặc dù các giao thức không tin cậy như UDP, RTP có thể sử dụng trên nóc của IP multicast, TCP

và các giao thức truyền tải tin cậy hơn trong các môi trường unicast không hộ trợ multicast Do vậy các giao thức truyền tải multicast phải được phát triển và vì thế không có giao thức truyền tải mục đích chung cho mọi trường hợp, tuy nhiên lại xuất hiện các giao thức khả cấu hình cao và các giao thức được chuyên biệt cao cho các mục đích truyền tải tin cậy đặc biệt trong môi trường IP multicast

1.2 Các thành phần tham gia vào truyền thông multicast

Để tham gia vào quá trình trao đổi dữ liệu các máy tính và router cần hỗ trợ giao thức multicast, khi đó các máy có thể gửi hay nhận lưu lượng multicast Máy nguồn gửi dữ liệu multicast tới một địa chỉ nhóm, đây là một địa chỉ lớp D Các máy trạm muốn nhận các gói tin multicast sẽ liên hệ với router cục bộ để đăng ký tham gia nhóm và nhận dữ liệu Các router sẽ sử dụng một giao thức định tuyến multicast để xác định các mạng con có các thành viên của nhóm và chuyển dữ liệu multicast tới các máy nhận Nếu mạng con không có thành viên của nhóm, router sẽ không chuyển dữ liệu tới mạng đó Ta sẽ tìm hiểu các thành thành phần tham gia vào truyền thông multicast và hoạt động của chúng trong mạng qua minh hoạ trên hình 1.2:

Hình 1.2: Các thành phần tham gia vào truyền thông multicast

Trong mô phỏng trên hình 1.2 các hoạt động diễn ra như sau:

Host A trong Subnet 1 là một nguồn multicast và gửi dữ liệu multicast tới địa chỉ nhóm

Host B trong Subnet 1 gửi yêu cầu tham gia nhóm tới router cục bộ của nó Bởi vì Host B đã gia nhập vào nhóm nên giao diện mạng của nó sẽ lắng nghe các gói dữ liệu gửi tới địa chỉ nhóm Các máy tính còn lại trong Subnet 1 không tham gia nhóm nên chúng sẽ lọc bỏ các lưu lượng gửi tới địa chỉ nhóm multicast

Router sẽ chuyển dữ liệu multicast tới tất cả các mạng con có thành viên của nhóm Trong trường hợp này, router sẽ chuyển dữ liệu từ Subnet 1 tới Subnet 3

Host C trong Subnet 3 đã tham gia vào nhóm do đó nó sẽ nhận dữ liệu multicast

Host D trong Subnet 3 gửi yêu cầu tới router để tham gia nhóm, sau khi tham gia nhóm giao diện mạng của nó sẽ lắng nghe và nhận các dữ liệu gửi tới địa chỉ nhóm

Các thành phần tham gia vào truyền thông multicast:

Host (bao gồm nguồn hoặc đích): là các là các máy tính tham gia kết nối vào mạng và hỗ trợ quá trình gửi và nhận dữ liệu multicast

Router: là các router hỗ trợ giao thức multicast, nó có khả năng xử lý các yêu cầu tham gia hay rời nhóm và có giao thức định tuyến multicast để xác định và chuyển dữ liệu tới các mạng con

Địa chỉ multicast: là địa chỉ lớp D, nó chính là địa chỉ của nhóm multicast Nhóm multicast: là một tập các thiết bị đầu cuối lắng nghe dữ liệu gửi tới một địa chỉ multicast

MBone: viết tắt của từ Internet multicast backbone là một phần của Internet

hỗ trợ quá trình định tuyến và gửi dữ liệu multicast

1.3 Địa chỉ multicast

Các router phải có phương thức để phân biệt dữ liệu dạng multicast với dạng unicast hay broadcast Điều này thực hiện thông qua việc gán địa chỉ IP, bằng cách dùng địa chỉ lớp D từ 224.0.0.0 đến 239.255.255.255 cho multicast các thiết bị mạng có thể nhanh chóng lọc ra các địa chỉ multicast bằng cách đọc 4 bit bên trái của một địa chỉ Bốn bit này của một địa chỉ multicast luôn luôn bằng

1110, hình 1.3 thể hiện định dạng của một địa chỉ lớp D

Hình 1.3: Định dạng của địa chỉ IP lớp D Làm thế nào để một router kết hợp một địa chỉ multicast của IP với một địa chỉ MAC Do không có cơ chế tương đương với giao thức phân giải địa chỉ như trong truyền thông unicast, một dạng giá trị đặc biệt dành riêng cho địa chỉ MAC của multicast sẽ được dùng Các địa chỉ này bắt đầu bằng 01005E, phần 28 bit sau của địa chỉ IP multicast sẽ được ánh xạ vào 23 bit thấp của địa chỉ MAC bằng một giải thuật đơn giản

28 bits

Hình 1.4: Ánh xạ địa chỉ IP multicast sang địa chỉ MAC

Hình 1.4 cho thấy cơ chế ánh xạ địa chỉ, chỉ có 23 bit cuối của địa chỉ là được chép từ địa chỉ IP sang địa chỉ MAC Tuy nhiên chú ý rằng có 5 bit của địa chỉ IP không được chuyển sang địa chỉ MAC Ánh xạ này làm nảy sinh một vấn

đề là có thể có 32 địa chỉ multicast khác nhau có thể ánh xạ vào cùng một địa chỉ MAC Sự nhập nhằng này dẫn đến một vấn đề nhỏ khi host multicast nhận một Ethernet frame của địa chỉ multicast Một địa chỉ MAC có thể tương ứng với 32 địa chỉ IP multicast khác nhau Vì vậy, khi một host nhận dữ liệu nó kiểm tra tất

cả các frame có MAC mà nó quan tâm Sau đó host này phải kiểm tra phần địa chỉ IP bên trong mỗi frame để nhận ra phần địa chỉ của từng nhóm multicast Sau đây là một số không gian địa chỉ được dành riêng của multicast:

Toàn bộ không gian địa chỉ multicast: 224.0.0.0 - 239.255.255.255

Địa chỉ link-local: 224.0.0.0 - 224.0.0.255 được dùng bởi các giao thức định tuyến Router sẽ không chuyển các gói tin có địa chỉ này Các địa chỉ bao gồm địa chỉ tất cả các host 224.0.0.1, tất cả các router 224.0.0.2, tất cả các OSPF router 224.0.0.5 … đây là địa chỉ các nhóm cố định vì các địa chỉ này được xác định trước

Khoảng địa chỉ dành cho quản trị 239.0.0.0 - 239.255.255.255 được dùng trong các miền multicast khác nhau, giống như dãy địa chỉ dành riêng trong RFC1918 Địa chỉ này không được sử dụng giữa các miền multicast nên nó

có thể được dùng lại nhiều lần

28 bit Ánh xạ sang địa chỉ MAC Multicast

MAC Address 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 1 1 1 0 1 0

5 bit Không sử dụng

IP Multicast Address

224 - 239

Địa chỉ toàn cục 224.0.1.0 - 238.255.255.255 được dùng bởi bất cứ đối tượng nào Các địa chỉ này được sử dụng trên Internet vì vậy địa chỉ này phải duy nhất

1.4 Cây phân phối multicast

Để phân phối dữ liệu multicast tới tới tất cả các máy nhận, cây phân phối multicast được sử dụng, nó có tác dụng điều khiển đường đi của dữ liệu truyền trên mạng Có hai loại cơ bản của cây phân phối multicast là cây nguồn và cây chia sẻ

1.4.1 Cây nguồn

Dạng đơn giản nhất của cây phân phối là cây nguồn,với gốc của nó chính là nguồn dữ liệu multicast và các nhánh của nó dẫn tới các đầu cuối nhận dữ liệu trên mạng Do loại cây này sử dụng đường đi ngắn nhất nên còn có tên là cây đường đi ngắn nhất (Shortest Path Tree – SPT) Hình 1.5 biểu diễn một ví dụ của cây SPT cho nhóm 224.1.1.1 có gốc tại host A là nguồn dữ liệu và hai máy nhận

là host B và host C

Hình 1.5: Cây đường đi ngắn nhất của host A

Hình 1.6: Cây đường đi ngắn nhất của host B

Ký hiệu đặc biệt (S, G) chỉ ra một cây SPT trong đó S là địa chỉ IP của nguồn dữ liệu và G là địa chỉ của nhóm multicast Áp dụng cho mạng như trên hình 1.5 ký hiệu có thể được viết như sau (192.1.1.1, 224.1.1.1) Mỗi ký hiệu (S, G) ứng với một nguồn gửi dữ liệu vì thế nếu host B cũng gửi dữ liệu tới nhóm 224.1.1.1 và các host A và C là các máy nhận thì ký hiệu (S, G) ứng với nguồn B

sẽ là (192.2.2.2, 224.1.1.1) như trong hình 1.6

1.4.2 Cây chia sẻ

Không có gốc ứng với từng nguồn như cây nguồn, các cây chia sẻ sử dụng một gốc chung duy nhất tại một điểm đã chọn trên mạng Gốc chia sẻ này còn được gọi là điểm hẹn (Rendezvous Point – RP) Hình 1.7 thể hiện một cây chia

sẻ cho nhóm 224.2.2.2 với gốc cây tại router D Khi sử dụng cây chia sẻ, nguồn phải gửi lưu lượng của nó tới gốc và sau đó lưu lượng này được chuyển tiếp theo các nhánh của cây đến các đầu cuối nhận dữ liệu

Trong hình 1.7 dữ liệu multicast từ host A và host D được gửi tới gốc cây là router D và theo nhánh cây đến hai máy nhận là host B và host C Bởi vì tất cả

các nguồn trong nhóm multicast cùng sử dụng chung một cây chia sẻ, một ký hiệu (*, G) được sử dụng để biểu diễn cây Trong đó ký hiệu * có nghĩa là tất cả các nguồn và G biểu diễn địa chỉ nhóm multicast Vì thế cây chia sẻ trong hình 1.7 có thể được viết (*, 224.2.2.2)

Hình 1.7: Cây chia sẻ Cây chia sẻ được chia làm hai loại: cây một chiều và cây hai chiều Trong cây hai chiều dữ liệu có thể truyền lên và xuống để tới tất cả các máy nhận Hình 1.8 thể hiện một ví dụ của cây chia sẻ hai chiều, trong đó dữ liệu từ host B được gửi ngược lên gốc cây và từ gốc cây được gửi xuống router B đến router A và đến máy nhận

Cây chia sẻ một chiều chỉ cho dữ liệu multicast đi xuống theo chiều từ gốc cây đến các máy nhận Vì thế nguồn dữ liệu cần sử dụng một cách khác để gửi

dữ liệu tới gốc cây và từ đó chuyển tới các máy nhận Một phương pháp được sử dụng đó là cho gốc của cây chia sẻ tham gia vào một cây SPT có gốc là nguồn dữ liệu Hình 1.9 minh họa một cây chia sẻ một chiều trong đó gốc của cây tham gia vào cây SPT có gốc là host B và dữ liệu được gửi từ B tới gốc Khi gốc cây nhận

dữ liệu nó sẽ gửi dữ liệu xuống các nhánh để tới các máy nhận Giao thức định tuyến PIM sử dụng phương pháp này để lấy dữ liệu từ nguồn tới router RP

Hình 1.8: Cây chia sẻ hai chiều

Hình 1.9: Cây chia sẻ một chiều sử dụng cây SPT

Hình 1.10: Cây chia sẻ một chiều sử dụng định tuyến unicast

Một cách khác để gửi dữ liệu multicast tới gốc cây là cho gốc cây kết nối trực tiếp với nguồn và dữ liệu được gửi tới gốc thông qua phương thức unicast Giao thức định tuyến CBT sử dụng phương pháp này khi một máy nguồn chỉ gửi

dữ liệu tới nhóm (máy nguồn chỉ gửi dữ liệu và không nhận dữ liệu từ nhóm) Trong hình 1.10 host A là nguồn chỉ gửi dữ liệu nó không tham gia vào nhóm multicast vì thế nó không thuộc một nhánh trên cây chia sẻ

Trong ví dụ trên router A đóng gói dữ liệu multicast từ host A và sử dụng định tuyến unicast để gửi gói tin trực tiếp đến gốc cây Tại gốc cây dữ liệu được

mở gói và gửi xuống các nhánh cây để tới máy nhận

1.5 Chuyển tiếp multicast

Trong cơ chế định tuyến unicast, lưu lượng được chuyển tiếp qua mạng theo một đường duy nhất từ nguồn tới đích Router unicast không thực sự quan tâm đến địa chỉ nguồn, nó chỉ quan tâm đến địa chỉ đích và cách để chuyển tiếp lưu lượng tới đích Router quét bảng định tuyến của nó và chuyển tiếp một bản sao duy nhất qua giao diện hướng đến đích Trong cơ chế multicast nguồn gửi dữ