Nghiên cứu multicast ip ứng dụng cho iptv,luận văn thạc sĩ kỹ thuật điện tử

Từ đề xuất triển khai mang hình thức thương mại, IP Multicast được sử dụng trong các mạng IP vào giữa những năm 1990 và đã triển khai rộng rãi trong các ứng dụng theo yêu cầu về phương t

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS TRỊNH QUANG KHẢI

CHƯƠNG I:

TỔNG QUAN VỀ IP MULTICAST

1.1 Giới thiệu chung:

Một yếu tố quan trọng trong Multicasting là hiệu quả trong việc truyền dẫn IP Multicast so với những phương pháp truyền dẫn khác, đây là cơ chế cơ bản và đang được ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực truyền dữ liệu gói

Từ đề xuất triển khai mang hình thức thương mại, IP Multicast được sử dụng trong các mạng IP vào giữa những năm 1990 và đã triển khai rộng rãi trong các ứng dụng theo yêu cầu về phương thức truyền dữ liệu như phân phối tín hiệu video và audio giải trí kỹ thuật số, cung cấp băng thông cho các

dữ liệu tài chính, mạng máy tính, thông tin cho thị trường chứng khoán, cơ sở

dữ liệu, phân phối phần mềm và bộ nhớ đệm cho các trang web

Luận văn này đề cập những thông tin về công nghệ IP Multicast, các ứng dụng của nó với trọng tâm là nghiên cứu phương thức truyền dữ liệu gói tín hiệu truyền hình dựa trên nền IP - hiện nay đang được sử dụng với tên IPTV

IPTV dựa trên các phương pháp tiếp cận, công nghệ và những giao thức để cung cấp các tín hiệu truyền hình thương mại chuẩn video Standard-Definition (SD) và chuẩn video giải trí chất lượng High-Definition (HD) với thời gian thực và theo yêu cầu nội dung cũng như chất lượng trên nền IP Để đáp ứng tất cả các chất lượng đòi hỏi phải có chất lượng dịch vụ QoS và QoE, truy cập có điều kiện, quản lý sự mất tín hiệu (đối với sự kiện thể thao), hệ thống cảnh báo khẩn cấp (EAS), quản lý chương trình xem

Thông thường IPTV sử dụng MPEG-4 (Moving Pictures Expert Group 4) mã hóa để cung cấp cho người sử dụng từ 200-300 kênh SD và khoảng 20-

40 kênh HD, người xem có thể chuyển đổi các kênh trong vòng 2s hoặc ít hơn, hỗ trợ các bộ giải mã Set Top Box và nhiều kênh chương trình trong một địa chỉ duy nhất Cần lưu ý không được nhầm lẫn IPTV với việc phân phối đơn giản tín hiệu video dựa trên nền IP

IPTV hỗ trợ tất cả các doanh nghiệp khai thác, thanh toán, cung cấp và yêu cầu bảo vệ nội dung có liên quan đến phân phối video thương mại Ngoài việc gửi nội dung đến TV, nội dung cũng có thể xem được trên máy tính cá nhân

IP Multicast cũng thường sử dụng để hỗ trợ phương thức truyền theo DVB-H DVB-H là một chuẩn được phát triển từ chuẩn DVB-T (Terrestrial)

So với chuẩn DVB-T, DVB-H chủ yếu nhắm vào thiết bị thu giúp giảm năng lượng tiêu thụ ở đầu thu và tăng cường tín hiệu truyền bằng cơ chế tự sửa lỗi trong môi trường di động

DVB-H giao tiếp với cách tiếp cận vào công nghệ để cung cấp cho dịch

vụ thương mại với chất lượng trung bình, thời gian thực tuyến tính và nội dung video theo yêu cầu đến người dùng, thiết bị di động và PDA

1.2 Sự cần thiết của giao thức IP Multicast

Có ba phương thức truyền tải thông tin giữa các hệ thống trong mạng

IP: Unicast, Broadcast và Multicast

Trong các mạng IP truyền thống, một gói tin thường được gửi từ một nguồn đến một địa chỉ duy nhất (truyền dẫn Unicast) Ở cách khác, gói tin có thể được gửi đến tất cả các thiết bị trên mạng (truyền dẫn Broadcast)

Tuy nhiên ngày nay trong các ứng dụng giải trí đa phương tiện đòi hỏi phải có một cơ chế truyền cho phép tốn ít băng thông, phương thức truyền Multicast ra đời giúp thông tin liên lạc giữa các nhóm của các thiết bị thông tin được truyền đến một địa chỉ Multicast duy nhất và nhận được bởi bất kỳ thiết bị có nhu cầu cần có được thông tin đó IP Multicast, một phần mở rộng của IP cần thiết để giải quyết những nhu cầu thông tin liên lạc hiệu quả mà chiếm ít băng thông trong hệ thống mạng Theo thuật ngữ của nó, IP Multicast đã được phát triển để hỗ trợ giao tiếp hiệu quả giữa nguồn và nhiều điểm đến từ xa Ta có thể phân biệt các hệ thống thông tin liên lạc giữa các hệ thống trong mạng IP bằng các trình bày sau:

- Truyền dẫn Unicast

Truyền dẫn Unicast, hay còn gọi là kết nối điểm - điểm Trong hình thức truyền dẫn này, nhiều host muốn nhận thông tin từ một bên gửi thì bên gửi đó phải truyền nhiều gói tin đến các bên nhận Điều này sẽ dẫn đến gia tăng băng thông khi có quá nhiều bên nhận làm quá tải băng thông và không hiệu quả về nguồn và bộ đệm

- Truyền dẫn Broadcast:

Kiểu truyền dẫn này cho phép truyền gói tin từ một địa điểm tới tất cả các host hay còn gọi là kiểu kết nối điểm – đa điểm trên một mạng con mà không quan tâm đến việc một số host không có nhu cầu nhận nó Kiểu truyền dẫn này được coi là một kiểu chiếm băng thông nhất do việc sử dụng tài nguyên băng thông không hề hiệu quả

Hình 1.2 Minh hoạ cho truyền dẫn Broadcast

- Truyền dẫn Multicast:

Một địa chỉ Multicast cho phép phân phối dữ liệu tới một tập hợp các host đã được cấu hình như những thành viên của một nhóm Multicast trong các mạng con phân tán khác nhau Đây là phương pháp kết nối đa điểm, trong

đó chỉ các host có nhu cầu nhận dữ liệu mới tham gia vào nhóm Điều này hạn chế tối đa sự lãng phí băng thông trên mạng, hơn nữa còn nhờ cơ chế gửi gói dữ liệu Multicast mà băng thông được tiết kiệm triệt để

Hình 1.3 Minh hoạ cho truyền dẫn Multicast

Từ những cách phân phối trên ứng dụng Multicast được áp dụng tốt nhất để phân phối dữ liệu tài nguyên thời gian thực, giải trí truyền hình số qua mạng IP (IPTV thương mại), Internet radio, hội nghị truyền hình đa điểm, dạy học từ xa, phương tiện truyền thông ứng dụng và truyền thông doanh nghiệp

Các ứng dụng khác bao gồm phân phối mô phỏng tương tác, phân phối trò chơi trực tuyến Các giao thức IP Multicast và các công nghệ cơ bản cho phép phân phối hiệu quả dữ liệu, thoại và video với một số lượng lớn người

sử dụng, từ hàng trăm đến hàng ngàn đến hàng triệu người dùng Công nghệ

IP Multicast có được khả năng mở rộng, nâng cấp, rất quan trọng trong cách thức phân phối cho các thể loại ứng dụng trong IPTV

Trong lĩnh vực IPTV, với xu hướng hiện nay đối với việc cung cấp các tín hiệu truyền hình chất lượng cao HDTV, tốc độ truyền yêu cầu là 12 Mbps

và mong muốn cung cấp cho người dùng cho một số lượng lớn các kênh (200

- 300 kênh) cần có một cơ chế hiệu quả cho việc cung cấp một tín hiệu từ 1 -

2 Gbps tổng hợp cho số lượng lớn người dùng Nếu một nguồn phải cung cấp

1 Gbps tín hiệu đến 1.000.000 người nhận bằng cách truyền băng thông trên mạng lõi, nó sẽ yêu cầu cấu trúc mạng có đường truyền 1Pbps do đó rất khó thực hiện Ngược lại, nếu các nguồn có thể gửi 1 Gbps lưu lượng truy cập đến

50 điểm phân phối thiết bị đầu cuối (headend), mỗi điểm sử dụng phân phối một mạng lưới người dùng đạt 20.000 thuê bao, mạng lõi cần hỗ trợ chỉ 50 Gbps Với các lý do trên, IP Multicast được xem như là một công nghệ băng thông tối ưu hóa quản lý phương thức truyền tải bằng cách đồng thời cung cấp một luồng thông tin đến một số lượng lớn người dùng

Một trong những nguyên tắc quan trọng thiết kế của IP Multicast là cho phép người nhận dịch vụ tham gia vào luồng thông tin, vì thế hỗ trợ mô hình phân phối các kiểu thông tin Một nguyên tắc quan trọng thứ hai là khả năng

hỗ trợ tối ưu việc sắp xếp hợp lý và phân phối các nội dung đến người nhận rất nhanh Những nguyên tắc này cho phép sử dụng băng thông hiệu quả làm nền tảng cho cơ sở hạ tầng mạng

Vấn đề bảo mật trong môi trường Multicast được giải quyết thông qua

hệ thống truy cập có điều kiện cung cấp mã hóa đường truyền trên từng chương trình Một chương trình tương đương với một kênh video, cụ thể hơn

là một tín hiệu video chuẩn (MPEG-2 / 4) cùng với một Program ID (PID)

1.3 Khái niệm về giao thức Multicast cơ bản:

Truyền thông Multicast được dựa trên việc xây dựng của một nhóm người nhận (host) có mối quan tâm trong việc tiếp nhận một luồng thông tin đặc biệt, nó có thể là thoại, video hoặc dữ liệu Không có hạn chế về địa lý hoặc ranh giới, thuộc về một nhóm, miễn là các máy chủ có kết nối mạng (băng thông rộng)

Máy chủ muốn nhận được dữ liệu dành cho một nhóm cụ thể tham gia vào nhóm bằng cách sử dụng một giao thức quản lý nhóm: máy chủ / máy thu thì phải trở thành thành viên của nhóm để nhận được các luồng dữ liệu Nhóm

IP của máy chủ đã gia nhập nhóm và muốn nhận được lưu lượng truy cập gửi đến nhóm này cụ thể được xác định bởi địa chỉ Multicast, như được thảo luận dưới đây

Cơ chế truyền Multicast cho phân phối đa điểm có sẵn ở cả hai lớp liên kết dữ liệu (lớp 2) và lớp mạng (lớp 3) Tập trung nhiều vào lớp 3 của hệ thống nền IP Các mạng cục bộ (LAN) tiếp cận đến Multicast, nhưng các ứng dụng trong IPTV thương mại đòi hỏi khả năng mở rộng trong môi trường diện rộng

Cách truyền tải Multicast ở lớp 3 liên quan đến một số cơ chế Dưới đây, luận văn phác thảo một cách ngắn gọn các khái niệm quan trọng

cũng phải có một cơ chế sắp xếp địa chỉ lớp 3 lên các địa chỉ Multicast lớp 2 của các mạng LAN cơ bản Địa chỉ Ethernet Multicast có một số hex 01 trong byte đầu tiên của 6 octet địa chỉ đến IANA quản lý sự phân công của địa chỉ

IP ở lớp 3 và được giao không gian địa chỉ lớp D để sử dụng cho IP Multicast Một địa chỉ lớp D bao gồm 1110 như các bit bậc cao hơn trong Octet đầu tiên, theo sau là một địa chỉ nhóm 28-bit Một địa chỉ trong byte đầu tiên 1110-

0000 bắt đầu từ 224 trong các ký hiệu chấm thập phân, một địa chỉ điển hình

có thể được 224.10.10.1 Tất cả các địa chỉ nhóm IP Multicast thuộc phạm vi 224.0.0.0-239.255.255.255 Ngoài ra, tất cả các host IPv6 được yêu cầu để hỗ trợ Multicasting Việc sắp xếp của địa chỉ IP Multicast đến các địa chỉ Ethernet lấy 23 bit thấp hơn của địa chỉ lớp D và sắp xếp chúng vào một khối địa chỉ Ethernet đã được phân bổ cho Multicast

Đăng ký máy chủ động (Dynamic Host Registration): Đó phải là một

cơ chế thông báo cho mạng mà một máy chủ (host) là một thành viên của một nhóm cụ thể Đối với mạng IP, IGMP phục vụ mục đích này

Chuyển tiếp lưu lượng Multicast (Multicast Payload Forwarding): Ứng dụng IP Multicast tiểu biểu tận dụng UDP ở lớp vận chuyển và IP tại tầng mạng UDP là giao thức không có sự chuyển giao bảo đảm, nó cũng thiếu cơ chế quản lý tắc nghẽn [chẳng hạn như những người sử dụng trong TCP] Các ứng dụng thời gian thực như việc phân phối video thương mại trực tiếp không thể tận dụng một cơ chế truyền lại (chẳng hạn như sử dụng trong giao thức TCP) Trong một số trường hợp, các phần của mạng phải là hệ đơn công (chẳng hạn như một liên kết vệ tinh) ngăn ngừa một cách thiết thực việc truyền lại end-to-end Do đó, nguy cơ tồn tại cho các chương trình phát tín hiệu âm thanh và video bị suy thoái nội dung do mất gói tin Để hạn chế tối đa các gói dữ liệu bị mất, phải cung cấp băng thông đầy đủ và giữ các mạng

phân phối đơn giản IP QoS, RTP và 802.1p ở lớp 2 thường được sử dụng để quản lý QoS Để giảm thiểu sai lạc bit trong gói tin, FEC có thể được sử dụng một cơ chế tiên tiến có thể cải thiện tỉ lệ bit lỗi (BER)

Định tuyến Multicast (Multicast Routing): Một mạng Multicast đòi hỏi một cơ chế để xây dựng cây phân phối để xác định một con đường chuyển tiếp duy nhất giữa các mạng con của nguồn nội dung và mỗi mạng con có chứa các thành viên của nhóm Multicast, cụ thể ở các máy nhận Một nguyên tắc sử dụng trong việc xây dựng các cây phân phối để đảm bảo rằng nhiều nhất là một bản sao của mỗi gói được chuyển tiếp trên mỗi nhánh của cây Điều này được thực hiện bằng cách xác định có đủ thông tin hình học tôpô thời gian thực tại các bộ định tuyến Multicast của các máy chủ nguồn để xây dựng một cây bao trùm bắt nguồn từ bộ định tuyến khác và cung cấp kết nối cho các thiết bị định tuyến Multicast địa phương của mỗi máy chủ nhận được Một router Multicast chuyển tiếp các gói tin Multicast đến hai loại thiết bị: thiết bị định tuyến phụ thuộc vào nguồn đến và các máy nhận (các máy chủ)

là thành viên của một nhóm Multicast đặc biệt

Đối với IP Multicast, có một số giao thức định tuyến Multicast có thể được sử dụng để có được kiến trúc hình học tôpô thời gian thực Các giao thức định tuyến có thể được sử dụng PIM, DVMRP, MOSPF và CBT Các giao thức định tuyến Multicast xây dựng cây phân phối bằng cách kiểm tra bảng định tuyến chuyển tiếp có chứa thông tin Unicast thay thế PIM và CBT

sử dụng bảng chuyển tiếp Unicast của router Các giao thức khác sử dụng bảng định tuyến Unicast thay thế cụ thể của họ DVMRP sử dụng giao thức vector khoảng cách định tuyến để xác định làm thế nào để tạo ra cây phân phối dựa trên nguồn, trong khi MOSPF sử dụng bảng trạng thái kết nối của nó

giao thức định tuyến DM, trong khi CBT và PIM SM là các giao thức định tuyến SM PIM là giao thức được sử dụng rộng rãi nhất

Cụ thể, PIM Phiên bản 2 (PIMv2) là một giao thức cung cấp nội miền Multicast chuyển tiếp cho tất cả các Unicast nằm bên dưới giao thức định tuyến [Ví dụ, Open Shortest Path First (OSPF) hoặc BGP, độc lập với các giao thức Unicast nội tại Hai chế độ tồn tại: PIM SM và PIM DM]

PIM DM là một giao thức định tuyến Multicast sử dụng cơ sở thông tin đinh tuyến Unicast cơ bản để tràn từ các gói tin Multicast đến tất cả các bộ định tuyến Multicast PIM DM gửi dữ liệu Multicast cho tất cả các máy nhận tiềm năng Trong PIM DM, tín hiệu Multicast ban đầu tràn ngập tất cả các phân đoạn của mạng PIM DM giả định hầu hết các máy nhận (máy chủ, máy tính, người xem truyền hình, điện thoại di động) muốn nhận Multicast, vì vậy giao thức chuyển tiếp các gói tin Multicast ở khắp mọi nơi và sau đó bộ định tuyến cắt bớt trong cây phân phối nơi không cần thiết PIM hiện nay đang được sử dụng cho các ứng dụng IPTV, thông thường DM được sử dụng trong mạng xương sống, tuy nhiên, SM cũng có thể được sử dụng trong một số ứng dụng hoặc các phần của mạng tổng thể

Trong SM PIM, chỉ có các phân đoạn mạng với các máy nhận hoạt động một cách rõ ràng yêu cầu dữ liệu Multicast được chuyển tiếp lưu lượng truy cập PIM SM dựa vào một yêu cầu tham gia rõ ràng trước khi cố gắng gửi dữ liệu Multicast cho các máy nhận của một nhóm Multicast Trong một mạng PIM SM, các bộ nguồn phải gửi lưu lượng truy cập của họ, giao thức này lần lượt chuyển tiếp đến máy thu trên một cây phân phối chia sẻ SM hoạt động bằng các bộ định tuyến tham gia gửi tin nhắn PIM để bắt đầu nguồn cấp

dữ liệu Multicast được gửi qua liên kết Giả định trong SM mà số ít người dùng cần các thông tin Multicast và do đó PIM SM bắt đầu mà không có sự

tràn của tín hiệu Multicast Nói ngắn gọn, router-to-router PIM là nguyên nhân làm cho các luồng thông tin Multicast được chuyển tiếp qua các liên kết đến nơi nó là cần thiết Đây là các tiêu chuẩn hiện hành đối với các nhà cung cấp dịch vụ Internet (ISP) hỗ trợ Internet Multicast

Một RP đóng vai trò là nơi gặp gỡ cho các nguồn và các máy nhận của

dữ liệu Multicast Đó là yêu cầu trong các mạng chạy PIM SM và cần thiết để bắt đầu các phiên làm việc mới với các nguồn và các máy nhận Trong mạng PIM SM, các bộ nguồn gửi lưu lượng truy cập của mình cho RP, đây là bước chuyển tiếp cho các máy nhận ở đường xuống trên một cây phân phối chia sẻ

Designated Router (DR) là bộ định tuyến trên mạng con được chọn để kiểm soát các đường Multicast cho các thành viên trên mạng con trực thuộc Máy nhận sẽ gửi một IGMP Join message đến bộ định tuyến Multicast được chỉ định này Vận chuyển IP Multicast truyền từ nguồn Multicast được phân phối trên cây, thông qua các bộ định tuyến được chỉ định đến các máy nhận trong mạng con Khi các bộ định tuyến được chỉ định của máy nhận biết về bộ nguồn, nó sẽ gửi một PIM Join message trực tiếp đến bộ định tuyến các nguồn tạo ra một cây phân phối dựa trên nguồn, từ nguồn đến máy nhận Cây nguồn này không bao gồm các RP trừ khi RP nằm trong đường đi ngắn nhất giữa nguồn và máy nhận

Auto-RP là một cơ chế mà một router PIM của nhóm RP ánh xạ cần thiết cho PIM SM Auto-RP tự động hóa sự phân phối của các ánh xạ nhóm

RP Để auto-RP làm việc, một bộ định tuyến phải được chỉ định như một tác nhân RP ánh xạ nhận được tin nhắn thông báo RP từ các RP và giải quyết xung đột trong hệ thống Bootstrap Router (BSR) là một cơ chế khác với một router PIM của nhóm RP ánh xạ cần thiết cho PIM SM BSR hoạt động tương

tiếp các thông tin RP cho nhóm Thông tin RP được phân phối thông qua các tin nhắn BSR được thực hiện trong thông điệp PIM Những tin nhắn PIM là những tin nhắn liên kết nội bộ Multicast chạy từ router PIM đến router PIM Mỗi phương pháp để cấu hình một RP đều có điểm mạnh, điểm yếu của nó và phức tạp Auto-RP thường được sử dụng trong một mạng IP Multicast thông thường do đơn giản để thiết lập cấu hình, cũng được thử nghiệm và ổn định

IGMP (phiên bản 1, 2, và 3) là giao thức được sử dụng bởi máy chủ IP phiên bản 4 (IPv4) để giao tiếp với các quốc gia thành viên nhóm Multicast đến bộ định tuyến Multicast IGMP được sử dụng để tự động đăng ký các máy chủ/các máy nhận cá nhân trên một mạng con cụ thể (LAN) cho một nhóm Multicast IGMPv1 được định nghĩa là một cơ chế cơ bản, nó hỗ trợ thông báo Membership Query (MQ) và thông báo Membership Report (MR) Hầu hết các triển khai thực hiện hiện nay sử dụng IGMPv2, phiên bản 2 cho biết thêm thông báo Leave Group (LG) Phiên bản 3 giúp nhận thức về nguồn cho phép IGMP cho phép danh sách thành viên nhóm được duy trì tự động Các máy chủ (người dùng) sẽ gửi một thông báo IGMP hoặc tham gia đến bộ định tuyến để được gia nhập trong nhóm Định kỳ, router sẽ gửi một truy vấn

để tìm hiểu những máy chủ (người sử dụng) nào vẫn là một phần của một nhóm với một thông báo Nếu máy chủ có nhu cầu tiếp tục nhóm thành viên của nó, nó phản ứng để truy vấn với một thông báo Nếu máy chủ không gửi một thông báo, router cắt bớt danh sách nhóm để xóa máy chủ đó, điều này giúp loại bỏ các mạng truyền dẫn không cần thiết Với IGMPv2, một máy chủ

có thể gửi một tin nhắn rời khỏi nhóm để cảnh báo router rằng nó không còn tham gia vào một nhóm Multicast, điều này cho phép router cắt bớt danh sách nhóm để xóa máy chủ này trước khi việc truy vấn tiếp theo được diễn ra, do

đó giảm thiểu khoảng thời gian trong khi những sự truyền dẫn không cần thiết được chuyển tiếp vào mạng

Các giao thức Multicast, cơ chế cơ bản bao gồm:

 IGMP snooping là một phương pháp mà theo đó một bộ chuyển đổi có thể hạn chế các gói tin Multicast chỉ đến các cổng có yêu cầu luồng IGMP

 MLDv2 là giao thức cho phép máy chủ thông báo cho những bộ định tuyến lân cận của nó với mong muốn nhận được tín hiệu truyền đi của IPv6 Multicast, nó cũng tương tự và dựa trên IGMPv3 được sử dụng trong bối cảnh IPv4

 STUB Multicast routing là một cơ chế cho phép các thông báo IGMP được chuyển tiếp thông qua một router PIM không kích hoạt tới một router PIM kích hoạt

 PIM SSM là một giao thức Multicast chỉ sử dụng cây chuyển tiếp dựa trên nguồn IGMPv3 được sử dụng để hỗ trợ SSM SSM mapping là một sự sắp xếp cho phép SSM định tuyến để xảy ra mà không cần IGMPv3 hiện diện SSM mapping sử dụng các bảng cấu hình tĩnh hoặc việc phát hiện Domain Name System (DNS) của địa chỉ nguồn cho một kênh SSM

 MSDP là một giao thức cho phép nhiều domain PIM SM để chia sẻ thông tin về các nguồn hoạt động Giao thức công bố/thông báo các nguồn hoạt động với các thiết bị MSDP ngang hàng

 MPBGP là một giao thức xác định phần mở rộng multiprotocol đến BGP, các giao thức định tuyến liên miền Unicast hỗ trợ thông tin định tuyến Multicast cụ thể MPBGP làm tăng BGP để kích hoạt định tuyến

thống BGP Nó mang nhiều phiên bản các đường truyền cho định tuyến Unicast cũng như định tuyến Multicast

 Pragmatic General Multicast (PGM) là một giao thức truyền tải Multicast đáng tin cậy cho các ứng dụng yêu cầu Giao thức đảm bảo rằng một máy nhận trong một nhóm Multicast nhận được tất cả các gói

dữ liệu được truyền đi trực tiếp hoặc thông qua việc truyền lại các gói

dữ liệu bị mất PGM có thể phát hiện mất gói tin không thể khôi phục

 RGMP là một giao thức hạn chế IP Multicast trên thiết bị chuyển mạch chỉ có router kèm theo

Hình 1.4 Minh họa các giao thức trong bối cảnh của mạng Multicast điển

hình

Cần lưu ý rằng việc thiết kế mạng IP Multicast là khá phức tạp Do đó, một sai lầm đơn giản trong thiết kế sẽ thúc đẩy lưu lượng truy cập vào giao diện nhiều và dễ dàng ngập lụt và tràn ngập router cùng các giao diện chuyển đổi

1.4 IPTV và các ứng dụng DVB-H

IP Multicast hiện nay được ứng dụng thương mại trong lĩnh vực IPTV

và DVB-H Các ứng dụng như truyền dữ liệu quảng bá (datacasting) trong thị trường chứng khoán hoặc dữ liệu tài chính khác có xu hướng sử dụng các mạng multihop lớn, việc cắt bớt thường được sử dụng, các ứng dụng như tín hiệu video rất nhạy với độ trễ end-to-end, chập chờn, mất gói tin, sự cân nhắc QoS rất quan trọng và được thực hiện bằng cách sử dụng một cấu trúc mạng đơn giản

Các dịch vụ IPTV cho phép xem nội dung chất lượng cao và kèm sự điều hướng của người tiêu dùng, công nghệ này đang được áp dụng và sẵn sàng thương mại hóa Các dịch vụ IPTV cho phép cung cấp SD và HD video đến khách hàng của họ bằng việc hỗ trợ các chiến lược Triple play chính là việc cung cấp các dịch vụ thoại, Internet, và video cho người dùng Quadruple play thêm dịch vụ không dây Với sự sụt giảm đáng kể trong doanh thu từ các dịch vụ thoại truyền thống và thoại qua IP (VoIP) đối với các dịch vụ Internet băng thông rộng được cung cấp trên cơ sở hạ tầng truyền hình cáp và với sự chuyển đổi của nhiều khách hàng từ các dịch vụ có dây đến không dây, các hãng điện thoại truyền thống nhận ra chính họ cần tạo ra doanh thu mới bằng cách tìm kiếm để cung cấp các dịch vụ cung cấp tín hiệu video cho khách hàng của họ Các hãng điện thoại truyền thống nhận ra thách thức bản thân họ trong lĩnh vực thoại (VoIP và các nhà cung cấp khác), dịch vụ Internet của họ

dịch vụ video mới ra đời và được thách thức do thiếu phát triển công nghệ Multimedia là một cách để cải thiện doanh thu viễn thông

Các công ty viễn thông cho việc phân phối địa phương được sử dụng hoàn toàn trên Digital Subscriber Line (DSL) DSL có một phạm vi băng thông khoảng 1,5 Mbps vào những năm 90 Do đó, việc sử dụng các kỹ thuật

mã hóa MPEG-1 hoạt động ở 1,5 Mbps hạn chế nơi truy cập vào tín hiệu video vào một khách hàng tại bất kỳ điểm nào lúc đó Ngoài ra, cơ sở hạ tầng cốt lõi ATM giá thành đắt tiền

Trong những năm giữa đến cuối 2000, nổi bật lên là một cơ sở hạ tầng

IP với IP Multicast là cơ chế tốt nhất để phân phối video giải trí của các công

ty viễn thông, cung cấp 200–300 kênh và cung cấp ba ứng dụng kèm theo tín hiệu video với chất lượng cao, tiêu chuần MPEG-4 Mô hình phân phối hiện nay là các dịch vụ DSL hiện đại và tiến tới là VDSL/VDSL2 và FTTH Các công ty viễn thông cấp 2 và 3 có thể dựa vào VDSL/VDSL2 cho những năm tiếp theo

DVB-H là một phương thức hoạt động phát triển từ kỹ thuật của DVB Project Office Organization nhắm mục tiêu đến các thiết bị cầm tay, các thiết

bị chạy bằng pin như điện thoại di động, PDA Nó đề cập đến các yêu cầu đáng tin cậy, tốc độ cao, tiếp nhận dữ liệu tốc độ cao, đối với một số ứng dụng di động, bao gồm tín hiệu video thời gian thực cho các thiết bị cầm tay Các hệ thống DVB-H thông thường sử dụng IP Multicast DVB-H đang tạo ra

sự quan tâm đáng kể trong việc phát sóng trong thế giới viễn thông và các dịch vụ DVB-H được dự kiến sẽ bắt đầu vào thời điểm này Những người ủng

hộ ngành công nghiệp hy vọng sẽ nhìn thấy 300 triệu điện thoại di động DVB-H được triển khai vào năm 2009 Các giao thức DVB-H đang được tiêu chuẩn hóa thông qua ETSI

Hình 1.5 Minh họa một ứng dụng IPTV đơn giản hóa từ góc độ cơ sở hạ tầng

Digital Video Broadcasting (DVB) là một tập đoàn của hơn 300 công

ty trong các lĩnh vực phát thanh truyền hình và sản xuất, làm việc hợp tác để thiết lập các tiêu chuẩn chung quốc tế cho phát thanh truyền hình kỹ thuật số Các tiêu chuẩn DVB-đã trở thành tiêu chuẩn quốc tế hàng đầu, thường được gọi là DVB, và sự lựa chọn chấp nhận được cho các công nghệ là cho phép sự hiệu quả, chi phí-hiệu quả, chất lượng cao hơn, và phát thanh truyền hình kỹ thuật số tương thích Các tiêu chuẩn DVB cho truyền hình kỹ thuật số đã được áp dụng ở Vương quốc Anh, trên khắp lục địa châu Âu, Trung Đông, Nam Mỹ, và ở Úc

DVB-H được dựa trên DVB-T, một tiêu chuẩn kỹ thuật số để truyền tín hiệu truyền hình Khi DVB-T lần đầu tiên được xuất hiện vào năm 1997, nó không được thiết kế để nhắm vào các máy nhận di động Tuy nhiên, dịch vụ

di động DVB-T đã được đưa vào trong một số quốc gia DVB-T được triển khai tại hơn 50 quốc gia Tuy nhiên, một tiêu chuẩn mới được tìm kiếm, cụ thể là DVB-H

Mặc dù sự tiếp nhận DVB-T di động thành công nhưng mối quan tâm lớn với bất kỳ thiết bị cầm tay là tuổi thọ pin Tiêu thụ điện năng hiện tại và

dự kiến của DVB-T là quá cao để hỗ trợ các máy thu cầm tay Các yêu cầu khác cho DVB-H là một khả năng nhận được 15 Mbps trong một kênh 8 MHz

và một mạng diện rộng Single Frequency (SFN) ở tốc độ cao

Thay vì truyền tải dữ liệu liên tục như trong DVB-T, DVB-H sử dụng một cơ chế mà tại đó dữ liệu sẽ tràn ngập ở một thời gian Điều này có nghĩa rằng máy nhận không mất nhiều thời gian hoạt động, như vậy nó có thể được ngắt, điều đó nghĩa là tín hiệu điều khiển thông minh Kết quả là tiết kiệm năng lượng của khoảng 90% và nhiều hơn nữa trong một số trường hợp

Hình 1.6 Sơ đồ khối các cấp của hệ thống mạng DVB - H

Việc bổ sung có tùy chọn, mức độ dồn kênh, về phía chương trình sửa lỗi có nghĩa là các sự truyền dẫn DVB-H có thể nhanh hơn Điều này là thuận lợi khi xem xét các môi trường xung đột và các thiết bị thu cầm tay với thiết

kế ăng-ten không tốt

Giống như DVB-T, DVB-H có thể được sử dụng trên môi trường kênh

6, 7 và 8 MHz Tuy nhiên, tùy chọn 5-MHz cũng quy định cụ thể để sử dụng trong môi trường không broadcast Một yêu cầu quan trọng ban đầu và một tính năng quan trọng của DVB-H là nó có thể cùng tồn tại với DVB-T trong cùng một hệ thống ghép Vì vậy, một nhà điều hành có thể lựa chọn để có hai dịch vụ DVB-T và một dịch vụ DVB-H trong cùng một hệ thống ghép DVB-

T tổng thể

Phát thanh truyền hình là một cách hiệu quả để đạt được nhiều người dùng với một dịch vụ duy nhất DVB-H kết hợp phát sóng với một bộ các biện pháp để đảm bảo rằng các máy nhận tín hiệu có thể hoạt động từ pin, di động và lý tưởng với viễn thông 3G, cung cấp các dịch vụ đa phương tiện hai chiều đối xứng và không đối xứng

1.5 Kết luận:

Trong các mô hình truyền dẫn gói dữ liệu được giới thiệu trong chương này cho thấy rõ phương thức truyền theo kiểu Multicast có nhiều ưu điểm và hiệu quả hơn so với các phương thức truyền khác như Broadcast hay Unicast Phương thức truyền Multicast trên nền IP hiện nay đang được các nhà cung cấp mạng triển khai thực tế và hiệu quả về băng thông đã được chứng minh qua các nghiên cứu của chủ nhiệm đề tài khi tham quan thực tế một số công ty cung cấp tín hiệu IPTV ở Việt Nam như VTC, SPT…

Từ chương này, có thể hiểu một cách khái quát các vấn đề triển khai

mô hình truyền dẫn IP Multicast và là tiền đề cho chương sau với nội dung định địa chỉ cho IP Multicast và các giao thức định hướng lưu lượng IP Multicast

CHƯƠNG II

ĐỊA CHỈ IP MULTICAST

Thông tin đa hướng được nhắc đến khi đề cập đến việc gửi cùng một nội dung tới nhiều địa chỉ cùng một lúc Nhóm hoặc các nhóm được đề cập đến thường có tính linh động rất cao (người dùng có thể gia nhập hoặc ra khỏi nhóm tùy ý), hơn nữa, thời gian gia nhập hay tách nhóm được dự kiến

sẽ xảy ra trong 1 - 2s (ví dụ như việc đổi kênh khi đang xem TV)

Trong môi trường đa hướng, việc chia sẻ quyền điều khiển giữa các nhóm người dùng là một nhu cầu cần thiết Nguồn không biết và xác định rõ địa chỉ IP của từng cá nhân, vì như vậy sẽ phải xử lý một số lượng lớn thông tin của người dùng hiện hành Vì vậy, cần một cơ chế để hoàn thành việc phân phối thông tin một cách hiệu quả Điều này được thực hiện nhờ vào địa chỉ IP Multicast và địa chỉ MAC dùng để điểu khiển truy nhập dữ liệu Multicast

2.1 Địa chỉ IP Multicast

Địa chỉ Multicast được xác định trong nhóm các máy chủ tham gia chia

sẻ việc tiếp nhận các nội dung dành cho một nhóm tham gia truy cập dữ liệu

Có thể hiểu tương tự như một đài truyền hình hay một đài phát sóng radio Khi người dùng chuyển kênh, ví dụ như kênh 7 HTV, người dùng đó tham gia vào nhóm người xem (người tiếp nhận) để tiếp nhận những hình ảnh mà kênh HTV7 phát ra Sau đó người dùng lại tiếp tục chuyển kênh, ví dụ kênh 4 (VTV3), người dùng đó lại tham gia vào nhóm người xem (người tiếp nhận)

để tiếp nhận hình ảnh mà VTV3 sản xuất và phân phối

Trong IP Multicast hoạt động tương tự được thực hiện bằng cách sử

IP chứa địa chỉ IP của chính họ và một địa chỉ Multicast (đa hướng) đóng vai trò như địa chỉ đích Ví dụ HTV7 có thể tạo ra chương trình với địa chỉ 239.10.10.1, VTV3 có thể tạo ra chương trình với địa chỉ 239.10.10.2 và tương tự

Các nhóm địa chỉ IP Multicast có phạm vi từ 224.0.0.0 – 239.255.255.255 [xem hình 2.1] Cho mỗi địa chỉ Multicast, tồn tại một giá trị

0 hay nhiều host (receiver) để giám sát các gói tin truyền tới địa chỉ đó Một nhóm các thiết bị như vậy được gọi là host group

IP Multicast sử dụng địa chỉ lớp D từ 224.0.0.0 đến 239.255.255.255,

để cho các thiết bị mạng có thể dễ dàng xác định được 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 1 1 1 0

Hinh 2.1 Định dạng của địa chỉ IP lớp D Các host gửi các gói thông tin tới một group xác định không cần phải là thành viên của group đó và host thậm chí còn không cần biết các thành viên hiện hành trong group Như phần trên, địa chỉ nguồn cho các gói IP Multicast thì luôn luôn là địa chỉ nguồn unicast

Có 2 loại host groups:

- Host groups cố định: Những ứng dụng thuộc nhóm này có một địa chỉ IP được gán cố định Một group cố định vẫn tiếp tục tồn tại ngay cả khi không

có thành viên Các thành viên trong group thì không cố định, host (receiver)

có thể gia nhập hoặc rời group tùy ý

- Host groups tạm thời: Bất cứ nhóm nào không phải cố định thì được định nghĩa là tạm thời Group được tạo ra khi cần xử lý những nhu cầu động Groups tạm thời không tồn tại khi số member giảm xuống bằng 0

Địa chỉ trong khoảng 224.0.0.0 – 224.0.0.255 được để dành cho giao thức mạng trong mạng nội bộ Giao thức mạng sử dụng những địa chỉ này để cho việc tự động phát hiện router và để giao tiếp thông tin routing Các gói IP

có địa chỉ này sẽ không bị router chuyển tiếp, chúng vẫn giữ trạng thái nội vùng trong phân khúc LAN

Phạm vi kết nối nội vùng được gán tĩnh 224.0.0.0/24 Các địa chỉ từ 224.0.1.0 tới 238.255.255.255 đươc hiểu như các địa chỉ phạm vi toàn cầu Các địa chỉ được sử dụng để truyền thông tin Multicast qua mạng Internet và giữa các tổ chức Một số các địa chỉ này đã được dành riêng sử dụng, chẳng hạn như Network Time Protocol (NTP) (224.0.1.1)

Bên trong AS thì không gian của phạm vi địa chỉ giới hạn có thể được chia nhỏ để phân ranh giới Multicast nội bộ, điều này cũng cho phép tái sử dụng địa chỉ giữa các vùng con

2.1.2 Địa chỉ Multicast cho các ứng dụng GLOP:

Phạm vi địa chỉ 233.0.0.0/8 nên được để dành sẵn cho những địa chỉ định tĩnh của những tổ chức đã có số AS đặt sẵn, số AS của domain được nhúng vào octet (octet được dùng để chỉ đơn vị dữ liệu có chứa lượng thông

địa chỉ multicast cho các AS Ví dụ, nếu 1 tổ chức có AS 5662 được gán cho, viết bằng nhị phân, đệm trái với những số 0, sẽ thành 0001-0110-0001-1110 (thập lục 161E) Chuyển octet thứ tự đầu vào octet thứ 2 của địa chỉ và octet sau vào octet thứ 3 của địa chỉ, ta có 233.22.30.0 Một ví dụ khác, nếu một tổ chức có AS 62010, viết thành 1111-0010-0011-1010 (thập lục F23A), nhìn vào 2 octet F2 và 3A ta chuyển thành 242 và 58 hệ thập phân Tương đương với mạng con 233.242.58.0 sẽ được để dự trữ cho tổ chức được phân số AS này

2.1.3 Định địa chỉ IPv4:

Trong IPv4 địa chỉ host là một giá trị 32-bit chứa trong mạng và miền host Địa chỉ Internet thường có năm lớp địa chỉ: các lớp xác định kích thước của mạng và miền host Địa chỉ Internet thường được hiển thị trong định dạng

ký hiệu chấm thập phân XXX.XXX.XXX.XXX cũng có thể được chuyển thành nhị phân hoặc thập lục phân Ví dụ, 192.168.8.4 Chuyển sang dạng nhị phân là 11000000|10101000|00001000|00000100, dạng thập lục phân C0-A8-08-04

Hình 2.2 Các lớp mạng IPv4 truyền thống

2.2 Địa chỉ Multicast lớp 2:

Theo quy định của (IEEE) 802.3 LAN, một card giao tiếp mạng được nối vào đường LAN vật lý chỉ chấp nhận:

 Các cấu trúc được định sẵn cho card như đã được định nghĩa bởi địa chỉ MAC đích và địa chỉ MAC đươc tích hợp trong thẻ NIC

 Một địa chỉ MAC broadcast (địa chỉ broadcast là 0xFFFF.FFFF.FFFF) Một số cơ chế cần được định nghĩa đến nhiều máy chủ có thể nhận được cùng một gói dữ liệu và vẫn có thể phân biệt giữa các nhóm multicast Trong tiêu chuẩn IEEE 802.3, bit 0 của octet đầu tiên dùng để xác định là broadcast hoặc cấu trúc multicast Số bit này của Broadcast hay Multicast biểu thị cấu trúc được định sẵn cho một group tùy ý của hosts hoặc tất cả các hosts trong mạng IP multicast sử dụng khả năng này để truyền các gói tin IP đến một nhóm các hosts trên một đoạn mạng LAN

Ánh xạ địa chỉ IP Multicast sang địa chỉ MAC

IANA sở hữu một khối địa chỉ MAC Ethernet có thể được phân bổ cho địa chỉ Multicast: 0100.5E00.0000-0100.5E7F.FFFF Với phương pháp này,

23 bit trong địa chỉ Ethernet được ứng với địa chỉ nhóm IP Multicast 23 bit cuối của địa chỉ nhóm IP multicast được ánh xạ vào 23 bit trong địa chỉ Ethernet Tuy nhiên, vì 5 bit đầu của địa chỉ IP Multicast bị bỏ đi, nên kết quả tạo ra không phải là duy nhất Cụ thể hơn, có thể có tới 32 nhóm Multicast ID khác nhau được ánh xạ cho cùng một địa chỉ Ethernet Tình trạng này cần được lưu ý khi thiết kế một hệ thống

Hình 2.3 Ánh xạ địa chỉ IP Multicast sang địa chỉ MAC

Hình 2.4 Ví dụ ánh xạ địa chỉ IP Multicast sang địa chỉ MAC

2.3 Địa chỉ lớp MPEG

Trong lĩnh vực video có một địa chỉ cộng thêm thường được sử dụng Đây là Packet Identifier (PID) Các nhà khai thác thường duy trì các bảng cho thấy cả hai địa chỉ IP Multicast và PID như là một cách để quản lý việc cung cấp nội dung

Tiêu chuẩn MPEG-2 và MPEG-4 định nghĩa ba lớp: âm thanh, video và

hệ thống Các lớp hệ thống hỗ trợ đồng bộ hóa và đan xen của nhiều luồng dữ

liệu nén, khởi tạo, quản lý bộ đệm và xác định thời gian Các lớp âm thanh và video xác định cú pháp và ngữ nghĩa tương ứng của ElementaryStreams(ESs)

ES là ngõ ra của một bộ mã hóa MPEG và thường chứa video kỹ thuật số nén,

âm thanh kỹ thuật số nén, dữ liệu kỹ thuật số và dữ liệu điều khiển kỹ thuật

số Thông tin ứng với đơn vị truy cập (một đơn vị cơ bản của mã hóa), chẳng hạn như một khung hình video Mỗi ES lần lượt là ngõ vào cho một bộ xử lý MPEG-2 tích lũy các dữ liệu vào một luồng dữ liệu của các gói Packetized Elementary Stream (PES) Một PES thường có chứa một số lượng không thể tách rời các ES, trong đó cho thấy cả cấu trúc ghép và các định dạng đối tượng giao thức dữ liệu (PDU)

PES sau đó được tới ánh xạ tới đơn vị Transport Stream (TS), mỗi một gói MPEG-2 TS mang 184 octet dữ liệu lưu lượng bắt đầu bằng một header

có bốn octet (32-bit) Các gói tin là đơn vị cơ bản của dữ liệu trong một TS Chúng bao gồm một byte đồng bộ (0 x 47), cùng các flag và một PID13-bit và một số trường vận chuyển khác (một số tùy chọn), phần còn lại của gói tin bao gồm lưu lượng Các đặc tính cho truyền dẫn DVB thêm 16 byte của phương pháp sửa chuyển tiếp lỗi Reed-Solomon để tạo ra một gói dài 204 bytes [Xem hình 2.4]

PID là một trường 13-bit được sử dụng để xác định các dòng mà gói tin (ví dụ, các gói tin PES tương ứng cho ES) tạo ra bởi các bộ ghép PID cho phép người nhận phân biệt được dòng mà mỗi gói tin được nhận, nó cho phép người nhận chấp nhận hoặc từ chối các gói tin PES ở một mức độ cao

mà không tạo gánh nặng lên máy thu khi buộc nó xử lý thêm Thường thì sẽ chỉ có một PES (hoặc một phần của PES đơn) trong một gói TS (tuy nhiên trong một số trường hợp, một gói cho PES có thể nối qua nhiều gói dữ liệu TS

để phần lớn các gói dữ liệu TS chứa dữ liệu liên tục trong lưu lượng của

chúng) MPEG TS thường được gói gọn trong User Datagram Protocol (UDP)

và sau đó trong IP

Lưu ý: phương pháp tiếp cận truyền thống sử dụng PID để xác định nội dung,

trong các ứng dụng IPTV, các địa chỉ IP Multicast được sử dụng để xác định nội dung Đồng thời, hệ thống IPTV mới nhất dùng các PES MPEG-4 mã hóa

Hình 2.5 Ghép giữa PES và TS Cuối cùng, một dòng IPTV bao gồm các gói có kích thước cố định, trong đó mỗi gói mang một số để xác định dòng được gọi là PID Các gói tin MPEG được tổng hợp vào một gói tin IP, các gói tin IP được truyền bằng cách sử dụng phương thức IP Multicast PID chứa video, âm thanh hoặc các thông tin dữ liệu cụ thể

Để hiển thị một kênh của truyền hình kỹ thuật IPTV, ứng dụng dựa trên DVB sẽ cấu hình trình điều khiển trong máy thu để chuyển qua chúng các gói tin với một bộ PID cụ thể, ví dụ, PID121có chứa video và PID131 có chứa âm thanh (các gói dữ liệu này sau đó được gửi đến các bộ giải mã MPEG, hardware-based hay software-base) Vì vậy, máy thu hoặc bộ ghép kênh chọn

lọc các luồng dữ liệu cơ bản từ các TS thành từng phần bằng cách tìm các gói tin xác định bởi cùng một PID

Chương trình là các nhóm của một hoặc nhiều dòng PID có liên quan với nhau.Ví dụ, một TS được sử dụng trong IPTV có thể chứa năm chương trình để đại diện cho năm kênh video Giả sử rằng mỗi kênh bao gồm một dòng video, một hoặc hai dòng âm thanh và dữ liệu Một máy thu muốn chuyển qua một kênh cụ thể phải giải mã lưu lượng của PID kết hợp với chương trình của nó Nó có thể loại bỏ các nội dung của tất cả các PID khác

DVB là hiện thân của khái niệm "các kênh ảo” với phong cách tương tự như ATM Các kênh ảo được xác định bởi PID và cũng được biết đến một cách gọi là các PID, các gói dữ liệu DVB được truyền qua mạng vệ tinh (ta có thể nghĩ rằng các gói DVB tương tự như một cell của ATM, nhưng với độ dài

và định dạng khác nhau) Máy thu tìm kiếm PID cụ thể đã được cấu hình để thu lại và sau đó đưa vào mạng lưới viễn thông

Đối với truyền dẫn vệ tinh và để phù hợp với công nghệ đang tồn tại MPEG-2, các TS tiếp tục được đóng gói trong Multiprotocol Encapsulation

và sau đó phân đoạn một lần nữa và đặt vào các TS thông qua một thiết bị được gọi là IPEncapsulator (IPE) MPE sử dụng để truyền dữ liệu vượt quá chiều dài của các cell DVB, giống như ATM Adaptation Lớp5 (AAL5) được

sử dụng cho một chức năng tương tự nhưng với ATM MPE cho phép người

ta có thể đóng gói các gói dữ liệu IP vào MPEG-2 TS

Các IPE xử lý ghép kênh thống kê và tạo điều kiện thuận lợi cho sự cùng tồn tại IPE tiếp nhận các gói dữ liệu IP từ một kết nối Ethernet và đóng gói các gói dữ liệu bằng cách sử dụng MPE và sau đó ánh xạ các dòng này vào một MPEG-2 TS Một khi các thiết bị đã đóng gói dữ liệu, IPE chuyển tiếp các gói dữ liệu đến một liên kết vệ tinh

Hình 2.6 Bó giao thức IPE

Lưu ý: Các IPE thường không sử dụng nếu đầu ra của các cổng lớp 2 được kết nối với một router để truyền trên mạng mặt đất, trong trường hợp này phần đầu chuyển chịu trách nhiệm cho việc bao phủ và phân phối phù hợp lưu lượng truy cập cho người tiêu dùng đầu cuối

2.4 Kết luận:

Trong chương này giới thiệu về địa chỉ IP Multicast, làm rõ các giới hạn phạm vi địa chỉ IP dành cho nhà cung cấp Các nhóm địa chỉ IP Multicast

có phạm vi từ 224.0.0.0 – 239.255.255.255

Định địa chỉ Multicast cho các ứng dụng GLOP chính là cơ chế phân

bố định địa chỉ cho người dùng (AS)

Hiểu rõ về việc định địa chỉ IPv4 và địa chỉ Multicast lớp 2, việc ánh xạ

từ địa chỉ IP Multicast sang lớp MAC

Vấn đề nhận dạng gói tin (PID) cũng được đề cập trong chương này dùng để quản lý việc cung cấp nội dung dữ liệu truyền

CHƯƠNG III

CHUYỂN TIẾP LƯU LƯỢNG MULTICAST

Để có thể nhận các dữ liệu gói, ta cần phải định địa chỉ IP Multicast cho các gói dữ liệu, một vấn đề cần quan tâm nữa đó là làm sao phân phối lưu lượng cho các địa chỉ IP Multicast đó Vì vậy trong chương này sẽ xem xét các cơ chế được sử dụng trong IP Multicast để truyền tải thông tin cho người nhận Nó bao gồm Multicasting trên một đoạn LAN, Multicasting trên mạng con địa phương không yêu cầu định hướng Multicast hoặc sử dụng các thuật toán định hướng Multicast Trên một mạng con chia sẻ dữ liệu thì một máy chủ lưu trữ mã nguồn, không nhất thiết phải là thành viên của nhóm, chỉ cần truyền đi một gói dữ liệu Multicast, gói tin sẽ được nhận bởi bất kỳ máy chủ thành viên nào đã được kết nối với hệ thống Nhưng để cho Multicast mở rộng, vượt ra ngoài mạng con địa phương, mạng con phải được gắn liền với một router có khả năng Multicast, mà chính nó phải gắn liền với các router có khả năng Multicast khác Điều này đòi hỏi ba cơ chế:

1 Xây dựng cây phân phối

2 Hiện diện của một giao thức Multicast routing

3 Hiện diện của một giao thức quản lý nhóm ở rìa ngoài mà cho phép các Multicast router của mạng con theo dõi sự hiện diện của thành viên nhóm liên kết trực thuộc, nếu dữ liệu Multicast đến, router biết gửi bản sao chép của

dữ liệu này qua đường kết nối nào

3.1 Multicasting trên một phân đoạn mạng LAN

Quá trình truyền dẫn tại nguồn xây dựng một dòng của gói dữ liệu với một địa chỉ IP Multicast đích xác định Các driver mạng gốc đóng gói các gói

dữ liệu với một cấu trúc Ethernet bao gồm các địa chỉ nguồn Ethernet và một điểm địa chỉ Ethernet đích thích hợp Quá trình này sau đó sẽ gửi các gói tin đến đích Trong điều hướng lưu lượng IP Unicast, việc đóng gói các gói tin IP Multicast vào một cấu trúc Ethernet với địa chỉ MAC của thiết bị nhận sử dụng Address Resolution Protocol (giao thức phân giải địa chỉ ARP) Khi đó một bản đồ tĩnh đã được xác định tạo ra điểm đến địa chỉ MAC (địa chỉ Multicast Ethernet) Trong một mạng Ethernet, Multicasting được hỗ trợ bằng cách thiết lập các octet thứ tự liên kết dữ liệu địa chỉ là 0-01 Multicast địa chỉ

IP 32-bit là ánh xạ tới một địa chỉ Ethernet bằng cách đặt thấp thứ tự 23 bit của địa chỉ lớp D vào thấp thứ tự 23 bit của các khối địa chỉ IANA Bởi vì thứ

tự cao 5 bit của nhóm IP Multicast không được sử dụng, 32 nhóm Multicast cấp IP khác nhau được ánh xạ tới cùng một địa chỉ Ethernet Quá trình đích thông báo cho các trình điều khiển thiết bị mạng của nó mà nó mong nhận được gói tin đến một địa chỉ IP Multicast cho các driver thiết bị cho phép tiếp nhận các gói tin cho địa chỉ IP Multicast

3.2 Multicasting giữa mạng phân đoạn

Giao thức routing Multicast đã được phát triển để truyền tải các gói dữ liệu qua một mạng định tuyến trong khi cùng lúc đó tìm cách để tránh lặp lại việc routing Có hai chức năng cần thiết để hỗ trợ truyền Multicast trên một mạng định tuyến

Hình 3.1 Sự tạo thành gói thông tin Multicast

 Xác định người tham gia Multicast: có khả năng xác định nếu một gói tin Multicast được chuyển tiếp vào một mạng lưới cụ thể

 Xác định phạm vi Multicast: Môi trường TTL trong một gói tin Multicast được sử dụng để xác định phạm vi của việc truyền dữ liệu

Giá trị trong môi trường này giảm đi ở mỗi router mà gói tin đi qua

Khi máy chủ hoặc một router có khả năng Multicast nhận được gói dữ liệu, việc xử lý gói phụ thuộc vào cả hai địa chỉ IP đích và giá trị TTL:

Nếu TTL= 0, các gói dữ liệu bị hạn chế cho các máy chủ nguồn

Nếu TTL= 1, gói dữ liệu đến tất cả người dùng/máy chủ trên mạng con là thành viên của nhóm Các bộ định tuyến Multicast sụt lần giá trị đến khi bằng

0

Nếu TTL>1, gói dữ liệu đến tất cả người dùng/máy chủ trên mạng con là thành viên của nhóm Các thao tác được thực hiện bằng các bộ định tuyến Multicast phụ thuộc vào địa chỉ nhóm:

 Địa chỉ ở trong các khối 224.0.0.0 - 224.0.0.255: các bộ định tuyến Multicast không chuyển tiếp các gói dữ liệu với địa chỉ đích trong phạm vi này bởi bộ địa chỉ này được dành cho các ứng dụng Multicast single-hop Tuy nhiên router có khả năng Multicast không chuyển tiếp các gói dữ liệu, một host vẫn phải báo cáo thành viên trong nhóm trong phạm vi này, báo cáo được sử dụng để thông báo cho các máy chủ khác

trên mạng con rằng các máy chủ báo cáo là một thành viên của nhóm

 Địa chỉ bên ngoài khối 224.0.0.0 - 224.0.0.255: Những gói dữ liệu được chuyển tiếp bằng các router có khả năng Multicast nhưng giá trị

TTL được giảm đi một ở từng giai đoạn

Cơ chế này cho phép một máy chủ định vị các máy chủ/người dùng gần nhất đang tìm kiếm một địa chỉ Multicast cụ thể Các máy chủ nguồn gửi đi gói dữ liệu với giá trị TTL là 1 (cùng mạng con) và chờ đợi câu trả lời Nếu không nhận được hồi đáp, các máy chủ nguồn sẽ gửi lại gói dữ liệu với một giá trị TTL là 2 Nếu không nhận được hồi báo, host vẫn tiếp tục tăng giá trị TTL cho đến khi người sử dụng gần nhất được tìm thấy

3.3 Cây phân phối Multicast:

Các bộ định tuyến Multicast có khả năng tạo ra cây phân phối logic kiểm soát đường dẫn mà lưu lượng IP Multicast thông qua mạng để cung cấp lưu lượng truy cập vào tất cả các máy thu Các cơ chế tồn tại để tạo ra và duy trì cây phân phối thuật toán Multicast khác nhau (ví dụ như PIM, CBT, DVMRP) sử dụng kỹ thuật khác nhau để thiết lập cây phân phối Có thể phân loại thuật toán vào các thuật toán cây source-based hoặc thuật toán cây share-based Các thuật toán khác nhau có đặc tính tỉ lệ khác nhau và các đặc tính của cây kết quả cũng có sự khác biệt, ví dụ như độ trễ end-to-end

Các thành viên của nhóm Multicast có thể tham gia hoặc rời khỏi tại bất kỳ điểm nào trong thời gian Do đó, các cây phân phối phải được tự động cập nhật Khi tất cả các máy thu hoạt động trên nhánh cụ thể yêu cầu dừng truy cập lưu lượng cho một nhóm Multicast xác định, các router có khả năng Multicast sẽ lược bỏ nhánh đó khỏi cây phân phối và dừng chuyển tiếp lưu lượng truy cập vào nhánh đó Nếu một máy thu trên nhánh đó được kích hoạt

và yêu cầu lưu lượng Multicast, các router có khả năng Multicast sẽ tự động thay đổi cây phân phối và bắt đầu chuyển tiếp lưu lượng truy cập một lần nữa Lưu ý rằng IP Multicast không yêu cầu người gửi phải là thành viên nhóm của nhóm

Có một vài phương pháp để chuyển tiếp lưu lượng IP Multicast từ các nguồn đến các host thu Đầu tiên ta sắp xếp một nhóm bao gồm các host thu với một địa chỉ lớp D chung để đạt được sự phân phối lưu lượng Multicast hiệu quả Bước tiếp theo là tạo ra một tập hợp các đường phân phối Multicast cho các router sử dụng Các giao thức được xây dựng trong các router giúp xây dựng cây phân phối Multicast để chuyển tiếp các gói Giao thức chuyển tiếp Multicast chủ yếu sử dụng một trong hai kỹ thuật sau:

3.3.1 Cây nguồn (source tree)

Dạng đơn giản nhất của cây phân phối Multicast là cây nguồn có gốc là nguồn Multicast và các nhánh của nó có dạng cây mở rộng dọc theo mạng đến các điểm thu Nó là một cây đường ngắn nhất (SPT)

Hình dưới đây là ví dụ về một SPT cho nhóm 224.1.1.1 có gốc đặt tại nguồn, host A và 2 máy thu được nối đến, host B và host C Kí hiệu (S,G) cho một SPT ở đó S là địa chỉIP nguồn và G là địa chỉ nhóm Multicast Ở ví dụ dưới đây SPT có kí hiệu là (192.1.1.1, 224.1.1.1)

Kí hiệu (S,G) chỉ ra sự tồn tại của một SPT cho mỗi nguồn riêng biệt gửi đến một nhóm Ví dụ nếu host B cũng đang gửi lưu lượng đến nhóm 224.1.1.1 và host A và C đang nhận, thì khi đó cũng tồn tại một SPT riêng với

kí hiệu là (192.2.2.2, 224.1.1.1)

Hình 3.2 Ví dụ về cây nguồn 3.3.2 Cây chia sẻ (shared-tree)

Phương pháp chuyển tiếp cây chia sẻ có nhiều ưu thế nhất trong phân phối Multicast Phương pháp chuyển tiếp này là một sự lựa chọn tốt hơn so với phương pháp cây chung gốc khi môi trường Multicast bao gồm các nhóm Multicast phân bố rải rác với những kết nối bậc thấp

Hình 3.3 Ví dụ về cây chia sẻ Phương pháp cây chia sẻ sử dụng một Mrouter trung tâm, đôi khi được coi như một router lõi Các host nguồn Multicast gửi các gói Multicast của chúng tới router lõi này, và lần lượt chuyển tiếp các gói này qua cây chia sẻ đến các thành viên của nhóm Một cây chia sẻ sử dụng một cây đơn giữa các nguồn và các thành viên nhóm

Trên đây là một ví dụ về cây chia sẻ cho nhóm 224.2.2.2 với gốc đặt tại router D Khi sử dụng cây chia sẻ này, các nguồn phải gửi lưu lượng của chúng đến gốc và sau đó lưu lượng được chuyển tiếp xuống cây chia sẻ đến tất cả các máy thu

Trong ví dụ trên, lưu lượng Multicast từ các host nguồn A và D chuyển đến gốc (Router D) và sau đó được chuyển xuống 2 điểm nhận theo cây chia

Cả SPT và shared-tree đều là loop-free Các bản tin chỉ được nhân lên tại các điểm có nhánh cây

Các thành viên của các nhóm Multicast có thể gia nhập hoặc rời nhóm bất cứ thời điểm nào do đó cây phân ph

inh hoạt Khi tất cả các host của một nhánh Multicast nào đó ngừng yêu cầu nhận lưu lượng đối với nhóm Multicast nào đó, các router phải xóa nhánh

đó ra khỏi cây phân phối Multicast, và ngừng chuyển lưu lượng xuống nhánh

đó Nếu một host trên nhánh đó hoạt động trở lại và yêu cầu lưu lượng Multicast thì router phải linh động thay đổi cây phân phối và chuyển lưu lượng cho nhánh đó trở lại

Các SPT có ưu điểm trong việc tạo ra đường dẫn tối ưu nguồn và các máy thu Điều này đảm bảo t

Sự tối ưu này có giá của nó đó là các router phải duy trì thông tin đường dẫn từ nó đến nguồn Trong một mạng có hàng nghìn nguồn và hàng nghìn điểm nhận thì điều này nhanh chóng trở thành vấn đề về tài nguyên trên cácrouter Sự tiêu thụ bộ nhớ của bảng định tuyến Multicast là một vấn đề đáng quan tâm của người thiết kế

Các cây chia sẻ có ưu điểm trong việc hạn chế số trạng thái của mỗi router Do đó bộ nhớ yêu cầu cho toàn m

uy nhiên, hạn chế của cây chia sẻ là đường dẫn giữa nguồn và máy thu không phải là đường dẫn tối ưu và do đó có thể tạo ra trễ trong phân phối các