Luận án Một phương pháp đảm bảo chất lượng cho dịch vụ truyền thông đa hướng thời gian thực qua mạng IP

ức chuyển mạch gói trong phạm vi mạng cục bộ đã được đề cập nghiên cứu [8]. Tuy vậy, trong thời gian gần đây nhiều vấn đề như cơ chế đảm bảo chất lượng dịch vụ, phương thức thỏa hiệp giữa độ tổn thất và biến động trễ, ghép nguồn tín hiệu tiếng nói và số liệu ... vẫn là những chủ đề nghiên cứu mang tính thời sự. Theo phương diện mạng IP, dịch vụ truyền thông tín hiệu phát thanh qua mạng Internet được hiểu là truyền tải tín hiệu phát thanh qua giao thức IP và viết tắt là RoIP. Tổ chức tiêu chuẩn viễn thông thế giới ITU-T đã đưa ra các chuẩn mã hóa tín hiệu như G.711, G.723.1 và G.729 nhằm nén tốc độ số liệu có thể áp dụng với tín hiệu tiếng nói xuống từ 5,33 kbps đến 64 kbps. Bên cạnh đó , các chuẩn nén mới cũng được hình thành nhằm cải thiện chất lượng dịch vụ cũng như đa dạng hóa các thuộc tính của nguồn tín hiệu phát thanh như chuẩn mã hóa / giải mã speex chuyên dùng cho nguồn tiếng nói và vorbis [60] chuyên dùng cho âm thanh hoặc âm nhạc. Dữ liệu phát thanh được đóng gói theo chuẩn giao thức thời gian thực RTP ( Real-time Transport Protocol ) hình thành luồng gói tin RoIP. Chất lượng tín hiệu phát thanh thu được khi truyền qua mạng IP là vấn đề quan trọng đối với ứng dụng RoIP. Các mạng IP không được thiết kế phục vụ các dịch vụ thời gian thực (real-time applications) do đó các yếu tố mạng như tỷ lệ tổn thất gói (Packet Loss), trễ gói ( Packet Delay) và biến động trễ (Packet Delay Variation / Jitter) có ảnh hưởng rất khắt khe đến chất lượng tín hiệu phát thanh. Xét về khía cạnh tham số mạng, thông số trễ và tổn thất gói là hai đặc tính quan trọng nhất ảnh hưởng đến chất lượng hệ thống RoIP. Nhằm duy trì chất lượng truyền thông tín hiệu phát thanh ở mức tốt, các yêu cầu chất lượng dịch vụ được đưa ra về tỷ lệ tổn thất, độ trễ và độ biến động trễ. Trước hết tỷ lệ tổn thất cần được đảm bảo nhằm đạt được chất lượng tín hiệu phát thanh tại đầu thu có thể hiểu được và có độ trung thực cao. Tuy nhiên, giá trị tỷ lệ tổn thất gói tin nhất định có thể vẫn được chấp nhận, đặc biệt đối với các phương thức giải mã sử dụng kỹ thuật bù/sửa lỗi nhằm thay thế gói bị tổn thất. Trong trường hợp đó, tỷ lệ tổn thất có thể lên tới 10% [38]. Bên cạnh đó, để duy trì tính thời gian thực và tương tác, độ trễ từ đầu cuối đến đầu cuối phải được đảm bảo dưới 150 ms hoặc thấp hơn đối với các ứng dụng có tính tương tác cao [3]. Chuẩn G.114 của ITU-T [1] khuyến nghị trễ từ đầu cuối đến đầu cuối tối đa dưới 150 ms sẽ cho chất lượng tốt, phạm vi trễ từ 150-400 ms có thể chấp nhận được. Một tham số khác ảnh hưởng nhiều đến chất lượng truyền thông tín hiệu phát thanh đó là độ biến động trễ. Biến động trễ nhỏ và loại bỏ biến động là yêu cầu để tái tạo được tín hiệu phát thanh không bị gián đoạn nhằm đảm bảo chất lượng tín hiệu phát thanh tại đầu thu. Đối với dịch vụ thời gian thực, biến động trễ là một yếu tố quan trọng, hiện đang được tập trung nghiên cứu trong thời gian gần đây nhằm giải quyết bài toán đảm bảo chất lượng dịch vụ. Đột biến trễ (Delay Spike) là yếu tố chủ yếu gây nên biến động trễ và có thể ảnh hưởng rất lớn đến chất lượng tín hiệu phát thanh tại đầu thu. Các nghiên cứu trước đây [5],[6][48] đều cho thấy thực tế tồn tại của đột biến trễ trong trễ qua mạng Internet. Đột biến trễ được cấu thành bởi sự tăng đột ngột của trễ mạng trong một khoảng thời gian nhất định kéo theo một chuỗi các gói tin được thu nhận liên tiếp thành từng cụm. Các nghiên cứu trên cũng chỉ ra đột biến trễ có thể ảnh hưởng rất nhiều đến chất lượng tín hiệu tại đầu thu. Hiện nay, kỹ thuật sử dụng bộ đệm tái tạo được đề cập là một trong những cơ cấu quan trọng để đáp ứng tính thời gian thực và tương tác của dịch vụ thời gian thực qua mạng IP [3][5][6][7][9]. Bộ đệm tái tạo lưu giữ tạm thời và tạo lịch trình cho thời điểm tái tạo tín hiệu phát thanh thu được từ các gói RTP/UDP/IP. Cơ chế tạo lịch trình có thể được thực hiện theo phương thức cố định và phương thức thích ứng. Giữa hai phương thức trên thì phương thức tạo lịch trình thích ứng linh hoạt hơn trong các trường hợp tình trạng mạng thay đổi theo thời gian. Khi đó lịch trình tái tạo tín hiệu được điều khiển theo các thuật toán điều khiển bộ đệm tái tạo thích ứng với tình trạng mạng IP. Các thuật toán hiện tại cho một số kết quả tối ưu nhất định trong việc thỏa hiệp giữa độ trễ và độ tổn thất gói tin nhằm đạt được chất lượng tín hiệu tại đầu thu tốt nhất. Tuy nhiên, chất lượng của các thuật toán bộ đệm tái tạo hiện tại chỉ được xét trong một số tình trạng mạng xác định mà chưa quan tâm đến việc thích ứng tham số nguồn với tình trạng mạng và kết hợp với đánh giá chất lượng tín hiệu phát thanh thu được theo thời gian thực. Việc đánh giá chất lượng tín hiệu phát thanh thu được có thể thông qua hệ số điểm đánh giá trung bình MOS (Mean Opinion Score) và được thực hiện bằng phương pháp đánh giá khách quan (Subjective Tests) hoặc đo đạc chủ quan (Objective Measurement Methods). Đối với phương thức đánh giá khách quan, giá trị MOS có thể nhận được thông qua khảo sát ý kiến người nghe về chất lượng của tín hiệu phát thanh thu được. Phương thức này liên quan trực tiếp đến quan điểm của người đánh giá nhưng chi phí cao và đòi hỏi nhiều thời gian. Phương pháp đo đạc chủ quan sử dụng các thuật toán nhằm đánh giá chất lượng tín hiệu phát thanh thu được qua mạng IP để xác định thông số đánh giá chất lượng. Phương thức này có thể được chủ động tiến hành tại thời điểm bất kỳ và có thể lặp lại nhiều lần trong các khoảng thời gian khác nhau, không đòi hỏi chi phí tiến hành đánh giá như ở phương thức chủ quan. Độ tin cậy của kết quả đánh giá khách quan phụ thuộc vào nhiều yếu tố và khó kiểm soát như số lượng người đánh giá, điều kiện môi trường đánh giá, chất lượng thiết bị tái tạo và mang tính ổn định không cao. Đồng thời đánh giá khách quan đòi hỏi nhiều thời gian cũng như chi phí tiến hành đánh giá. Tuy nhiên, phương pháp này lại cho kết quả đánh giá gần với cảm nhận thực tế của con người. Do đó việc kết hợp đánh giá giữa các phương pháp chủ quan và các mô hình đánh giá khách quan cần được nghiên cứu áp dụng để đánh giá chất lượng tín hiệu phát thanh tại đầu thu. Hầu hết các nghiên cứu gần đây nhằm đảm bảo chất lượng tín hiệu tiếng nói/âm thanh truyền tải qua mạng IP theo thời gian thực đều tập trung vào giải quyết theo hai hướng: Thứ nhất là trên cơ sở dành sẵn tài nguyên mạng [34]. Hướng này phụ thuộc vào quy hoạch mạng của nhà cung cấp dịch vụ Internet và khó kiểm soát. Thứ hai là hướng xử lý tối ưu lịch trình tái tạo tín hiệu tại bộ đệm tái tạo như đã đề cập ở trên. Hướng này có ưu điểm là được thực hiện tại đầu thu nên không phụ thuộc vào hạ tầng mạng và có thể xử lý thích ứng với các tham số mạng IP. Tuy nhiên, chất lượng dịch vụ truyền tải tín hiệu phát thanh qua mạng IP phụ thuộc chặt chẽ vào các thông số nguồn và các tham số mạng. Các thông số nguồn được thiết lập cố định không có khả năng thích ứng với tình trạng mạng thay đổi ngẫu nhiên theo thời gian. Do đó, vấn đề đảm bảo chất lượng tín hiệu tại đầu thu sử dụng phương thức điều chỉnh thông số nguồn theo thời gian thực cần được quan tâm nghiên cứu và kiểm nghiệm qua thực tế. Từ tháng 8/2005, đài tiếng nói Việt Nam bắt đầu hỗ trợ khả năng nghe đài phát thanh qua mạng Ineternet. Người dùng Internet sử dụng phần mềm real player để nghe đài tiếng nói việt nam qua mạng Internet. Vấn đề đặt ra với phương thức phát thanh qua mạng Internet hiện tại là chưa có cơ chế đảm bảo chất lượng dịch vụ, thực hiện theo phương thức truyền thông đơn hướng dẫn đến các hạn chế về chất lượng khi số lượng người dùng tăng cao, cũng như khó khăn trong trường hợp mở rộng dịch vụ. Vấn đề làm chủ công nghệ để có thể tùy biến thành ứng dụng đặc thù cũng cần được quan tâm nghiên cứu. Với Việt Nam, vấn đề đảm bảo chất lượng thời gian thực qua mạng IP là hướng nghiên cứu mới, hiện nay chưa có tài liệu liên quan cũng như chuẩn đánh giá chất lượng truyền tải tín hiệu phát thanh qua mạng IP được công bố chính thức. Đây cũng là hướng nghiên cứu mang tính chất cơ bản trong việc phát triển ứng dụng trong xu hướng phát triển của công nghệ thông tin đối với lĩnh vực phát thanh - truyền hình của Việt Nam. 4. Hướng tiếp cận Đề tài được tiếp cận theo hướng nghiên cứu các tham số mạng và kỹ thuật đảm bảo chất lượng tín hiệu phát thanh tại đầu thu. Luận án tập trung nghiên cứu khái niệm cơ bản, cấu trúc của hệ thống RoIP, các tham số chất lượng mạng và phương pháp đo đạc chất lượng. Trên cơ sở đó đề xuất mô hình mới nhằm đánh giá chất lượng tín hiệu tại đầu thu. Kết hợp việc nghiên cứu đề xuất mô hình hệ thống theo cấu trúc giao thức và mô hình chức năng lý thuyết với việc xây dựng chương trình truyền tải tín hiệu phát thanh thời gian thực qua mạng IP trên nền hệ điều hành mã nguồn mở Linux và tiến hành thực nghiệm qua môi trường Internet. Thông qua mô hình toán học, đặc tính trễ và tổn thất gói tin truyền tải qua mạng Internet được mô hình hóa và ứng dụng trong việc xây dựng công cụ phỏng tạo tham số mạng. Bên cạnh đó, các tham số mạng và nguồn lưu lượng thực tế được sử dụng nhằm kiểm chứng phương pháp đảm bảo chất lượng truyền tải tín hiệu phát thanh thời gian thực qua hệ thống RoIP đề xuất. 5 Kết cấu của luận án Luận án gồm phần mở đầu, 03 chương và kết luận. Chương 1: Thảo luận những vấn đề cơ bản của truyền thông đa hướng qua mạng IP và môi trường truy nhập vô tuyến WLAN theo chuẩn IEEE 802.11. Đề xuất mô hình hệ thống truyền tải tín hiệu phát thanh thời gian thực qua mạng IP trên phương diện mô hình lý thuyết, cấu trúc giao thức và mô hình triển khai thực nghiệm. Chương 2: Xem xét chất lượng dịch vụ truyền tải tín hiệu phát thanh thời gian thực qua mạng IP theo thông số nguồn và thông số mạng ảnh hưởng đến chất lượng tín hiệu phát thanh tại đầu thu. Luận án đề xuất mô hình và xây dựng công cụ phỏng tạo tham số QoS của mạng IP. Mođun phỏng tạo được tích hợp trong thành phần cổng chuyển đổi giao thức iVoVGateway của hệ thống RoIP nhằm phỏng tạo ảnh hưởng của môi trường truyền tải tới tín hiệu tại đầu thu. Chương 3: Nghiên cứu vấn đề đảm bảo chất lượng tín hiệu tại đầu thu theo hai khía cạnh: thứ nhất, các cơ chế tái tạo tín hiệu thu nhận tại đầu cuối thông qua bộ đệm tái tạo được nghiên cứu và tích hợp vào hệ thống RoIP. Thứ hai, thông qua mô hình đánh giá chất lượng tín hiệu tại đầu thu sử dụng tỷ số năng lượng tín hiệu trên tạp âm phân đoạn, luận án đề xuất và thực hiện phương pháp đảm bảo chất lượng dịch vụ truyền tải tín hiệu phát thanh qua mạng IP sử dụng cơ chế thích ứng tham số nguồn với tình trạng mạng theo thời gian thực đã đề xuất. Cuối cùng là kết luận, hướng nghiên cứu tiếp theo và các phụ lục của luận án. CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ TRUYỀN THÔNG ĐA HƯỚNG VÀ MÔ HÌNH HỆ THỐNG RoIP 1.1 Các phương thức truyền thông qua Internet Trong một thời gian ngắn, các dịch vụ truyền tải thời gian thực qua Internet đã phát triển nhanh chóng nhằm đáp ứng các nhu cầu trao đổi thông tin từ phạm vi hẹp như giữa các văn phòng đến phạm vi rộng như phục vụ các cuộc hội nghị thời gian thực đa điểm. Một đặc điểm nổi bật trong xu hướng phát triển các dịch vụ thời gian thực là mở rộng truy nhập vô tuyến tới người dùng và hợp nhất mạng viễn thông sử dụng các công nghệ khác nhau như thể hiện trên hình 1.1. Hình 1. 1: Mô hình mạng tích hợp phân cấp hỗn hợp trên nền IP Về tổng quát, truyền thông qua Internet được chia thành 3 phương thức sau [51]: - Phương thức truyền thông đơn hướng (unicast) thể hiện trên hình 1.2: Các gói tin được truyền tải từ một nguồn gửi đến một đích thu xác định (điểm-đến-điểm). Đây là mô hình truyền thông đơn giản đơn nhưng khó đảm bảo chất lượng dịch vụ khi số người dùng tăng lên. Khi số lượng người dùng lớn, số lượng kết nối đơn hướng cũng tăng lên tương ứng gây kéo theo tải lưu lượng mạng tăng do yêu cầu băng thông đường truyền tăng với cùng một nội dung thông tin trên cùng tuyến liên kết dẫn đến tình trạng tắc nghẽn mạng. Bên cạnh đó, tải xử lý của máy chủ cũng tăng lên do phải xử lý nhiều yêu cầu kết nối và có thể dẫn đến quá tải máy chủ. Hình 1. 2: Mô hình truyền tin đơn hướng - Phương thức truyền thông quảng bá (broadcast) thể hiện trên hình 1.3: Các gói tin được truyền tải từ một nguồn gửi đến tất cả các máy trạm trong mạng (điểm-đến- tất cả). Các gói tin quảng bá được xử lý bởi tất cả các máy trạm trong mạng, thậm chí cả trong trường hợp máy trạm không quan tâm đến dữ liệu đó. Điều này dẫn đến tải lưu lượng vô ích với một số máy trạm và khó khăn trong vấn đề bảo mật thông tin. Phương thức này giới hạn phạm vi hoạt động trong mạng LAN. Hình 1. 3: Mô hình truyền tin quảng bá. - Phương thức truyền thông đa hướng (multicast) thể hiện trên hình 1.4: Các gói tin được truyền tải từ một nguồn gửi đến một nhóm các máy trạm xác định (điểm-đến- nhóm). Phương thức này phụ thuộc vào hạ tầng mạng chuyển tiếp gói tin. Đây là mô hình truyền thông tận dụng được các ưu điểm và hạn chế các nhược điểm của unicast và broadcast. Đối lập với truyền thông đơn hướng, phương thức này giúp giảm lưu lượng mạng và tải xử lý của nguồn phát. Và khác với truyền thông quảng bá, phương thức truyền thông đa hướng có thể được triển khải trên diện rộng và qua mạng Internet. Hình 1. 4: Mô hình truyền tin đa hướng 1.2 Truyền thông đa hướng qua mạng IP Kỹ thuật truyền thông đa hướng (multicast communication) qua mạng IP lần đầu tiên được đề cập và hoạt động trên nền một hệ điều hành mạng phân bố với mục tiêu khi đó là thiết lập các cơ cấu giao thức cho phép truyền tải dữ liệu đa hướng giữa các phân mạng IP và cho phép luồng dữ liệu lưu chuyển qua các bộ định tuyến IP thuộc các thiết bị mạng lớp 3 cũng như phân bổ địa chỉ multicast và ánh xạ tới địa chỉ MAC của các thiết bị trong mạng Ethernet [13]. Bản khuyến nghị RFC 1112 [42] quy định giao thức chuẩn Internet mới để xây dựng các ứng dụng truyền thông đa hướng trên Internet. Về cơ bản, chuẩn này đưa ra mô hình mạng MBONE đi kèm với giao thức ấn định địa chỉ IP đa hướng lớp D và một số giao thức khác hỗ trợ thực hiện các ứng dụng trên nền multicast. Hình 1. 5: Tiến trình phát triển của MBONE Ứng dụng đầu tiên của multicast là truyền âm thanh và tiếng nói phục vụ hội thảo từ xa giữa trụ sở của IETF và các thành viên cũng như các cộng tác viên của họ trên toàn thế giới. Các ưu điểm của của truyền thông đa hướng đã thu hút được sự quan tâm trong cả nghiên cứu và ứng dụng. Số lượng thành viên tham gia các cuộc hội thảo trên mạng ngày càng lớn kéo theo sự phát triển ngày càng nhanh của multicast. Minh chứng cho sự phát triển nhanh chóng là sự mở rộng không ngừng của MBONE trên phạm vi toàn cầu với tiến trình phát triển thể hiện trên hình 1.2. 1.2.1 Khái niệm Truyền thông đa hướng là phương thức truyền dữ liệu đồng thời từ một máy trạm đến một nhóm máy trạm ( nhóm multicast ) hoặc từ một nhóm máy trạm này đến một nhóm máy trạm khác. Bên nhận sẽ xử lý dữ liệu nhận được sau đó gửi thông tin phản hồi đến các thành viên trong nhóm multicast. Một nhóm multicast được tạo bởi một tập hợp các thành viên có chung một địa chỉ nhóm multicast hay địa chỉ IP multicast. 1.2.2 Đặc điểm - Multicast sử dụng băng thông mạng một cách hiệu quả thông qua việc gửi cùng một gói tin đến nhiều đích thay vì chỉ đến một đích như trong truyền thông đơn hướng unicast. Vì thế nếu một luồng tín hiệu âm thanh tốc độ 64 kbps sẽ sử dụng cùng một băng thông mà không quan tâm đến việc số lượng máy trạm nhận yêu cầu kết nối đến máy chủ. - Các thành viên trong nhóm multicast có thể gia nhập hay rời khỏi nhóm tại thời điểm bất kỳ. Do đó, xét về khía cạnh quản lý thành viên nhóm thì multicast có tính chất động. - Multicast giúp giảm lưu lượng trên mạng thông qua cơ chế định tuyến. Theo đó, chỉ những bộ định tuyến có liên quan đến việc truyền gói tin multicast từ nguồn đến đích và được một server chỉ định tham gia phục vụ nhóm mới nhận và xử lý các gói multicast. - Multicast đặc biệt hiệu quả trong các ứng dụng hội thảo audio và video trên mạng. Multicast hỗ trợ một tập các giao thức cho phép xây dựng các ứng dụng thời gian thực trên mạng Internet. - Cấu trúc của mạng multicast có thể được xây dựng thành các ốc đảo giao tiếp với nhau qua bộ định tuyến hỗ trợ truyền thông đa hướng - mrouter . Các ốc đảo này liên kết với nhau bằng những liên kết ảo điểm - điểm. 1.2.3 Nguyên lý truyền thông đa hướng qua mạng IP Cấu trúc hệ thống truyền thông đa hướng được thể hiện trên hình 1.6. Tham gia phiên truyền thông đa hướng bao gồm các máy trạm đầu cuối và hệ thống các thiết bị mạng trung gian bao gồm các bộ định tuyến, các nút chuyển mạch và các tuyến liên kết. Mạng đường trục đa hướng MBONE [12] được xây dựng nhằm đánh giá các ứng dụng cũng như các giao thức được xây dựng phục vụ truyền thông multicast dữ liệu, audio và video. Hình 1. 6: Cấu trúc hệ thống truyền thông đa hướng qua mạng IP MBONE được thiết kế hoạt động ở lớp trên của Internet và được cấu thành bởi mạng lưới các ốc đảo multicast. Các ốc đảo giao tiếp với mạng bên ngoài thông qua một bộ định tuyến có khả năng xử lý các gói IP multicast thông qua hỗ trợ giao thức quản lý nhóm Internet IGMP và các giao thức định tuyến khác được xác định là một MRouter hay IP Multicast Router. Tiếp giáp với các ốc đảo là các bộ định tuyến IP truyền thống chỉ hỗ trợ xử lý các gói IP unicast được xác định là các URouter (IP Unicast Router). Các MRouter của các mạng khác nhau kết nối thông qua các liên kết ảo từ điểm tới điểm thông qua cơ chế đường hầm - tunneling. Kết quả là MBONE được hình thành nhờ tập hợp các MRouter được nối với nhau bởi các đường hầm bao phủ toàn mạng. Hình 1. 7: Cơ chế đường hầm liên kết các ốc đảo multicast Hình 1. 8: Đóng gói IP multicast theo cơ chế tunneling Đường hầm là cơ chế cho phép chuyển gói dữ liệu multicast từ MRouter nguồn đến MRouter đích thông qua các bộ định tuyến. MRouter nguồn thực hiện đóng gói và chuyển tiếp dữ liệu. Việc đóng gói theo cơ chế đường hầm thực hiện bổ sung thêm phần tiêu đề IP mới với địa chỉ đích là địa chỉ IP unicast của MRouter ở đầu bên kia của đường hầm và địa chỉ nguồn là địa chỉ IP unicast của MRouter đang gửi gói tin đó. Hình 1. 9: Cơ chế đường hầm liên kết các MRouter Các bộ định tuyến trung gian nằm trên tuyến liên kết từ MRouter nguồn đến MRouter đích sẽ xem gói này như gói dữ liệu unicast bình thường và truyền đi theo thông tin trong bảng định tuyến unicast. Ốc đảo multicast đích ở phía bên kia của đường hầm sẽ nhận gói unicast này và tách phần header đã được thêm vào rồi sau đó gửi gói dữ liệu đó đi một cách thích hợp. Với bộ định tuyến các gói dữ liệu được xem như đến từ MRouter lân cận và trong suốt đối với các bộ định tuyến trung gian. Đường đi trung gian đã bị ẩn đi đối với bộ định tuyến này. Khi đó các MRouter xử lý các gói IP multicast tương tự như các bộ định tuyến xử lý các gói IP unicast như thể hiện trên hình 1.8. Như thể hiện trên hình 1.1, MRouter R2 muốn gửi một gói tin IP đa hướng tới MRouter R5. Trước hết, R2 sẽ đóng vỏ gói tin (chuyển từ gói IP đa hướng thành gói IP đơn hướng) rồi chuyển tiếp tới URouter R3. Gói đa hướng này sẽ đi theo tuyến R3-R7-R8-R5. Như vậy, theo cơ chế đường hầm, với MRouter R5 thì gói tin này được xử lý với địa chỉ nguồn đến từ R2. 1.2.4 IP multicast 1.2.4.1 Các thành phần trong kiến trúc IP multicast Kiến trúc IP multicast được hình thành bởi 3 thành phần chính thể hiện trên hình 1.10, bao gồm: - Mô hình dịch vụ: có thành phần là các máy trạm đáp ứng các yêu cầu hỗ trợ multicast. - Giao thức quản lý nhóm Internet IGMP từ máy trạm đến bộ định tuyến mrounter: phục vụ quản lý các thành viên trong nhóm multicast. - Các giao thức định tuyến multicast: định tuyến gói tin từ nguồn đến các đích theo cơ chế truyền thông đa hướng. Hình 1. 10: Mô hình kiến trúc hệ thống IP Multicast 1.2.4.2 Mô hình nhóm dịch vụ đa hướng. a. Khái niệm: Một nhóm multicast là một tập hợp các máy trạm trên mạng cùng muốn nhận một dòng dữ liệu riêng. Các má trạm này có thể ở vị trí bất kỳ trên mạng Internet. Để gửi hoặc nhận được các gói multicast đến / từ một nhóm đa hướng thì trước hết máy trạm đó phải thỏa mãn 4 yêu cầu đối với một máy trạm multicast được quy định trong chuẩn RFC 1112. Sau đó, để trở thành thành viên của một nhóm multicast thì máy trạm phải gia nhập nhóm thông qua việc sử dụng giao thức IGMP. b. Đặc điểm - Các thành viên của nhóm có tính chất động, tức là máy trạm có thể gia nhập hay rời nhóm tại thời điểm bất kỳ. Một nhóm multicast có tính bảo mật cao do có tính chất của một mạng VLAN. - Tại cùng một thời điểm thì một máy trạm có thể là thành viên của nhiều nhóm khác nhau. - Khi đã gia nhập nhóm multicast và là thành viên của một nhóm thì máy trạm có thể nhận tất cả các gói tin gửi đến địa chỉ nhóm đó. - Để gửi dữ liệu đến một nhóm thì máy trạm không nhất thiết phải là thành viên của nhóm. c. Các mức hoạt động của một máy trạm: - Mức 0: là mức không hỗ trợ IP multicast. Hầu hết các host và router trên mạng ở tình trạng này vì hầu hết trong số chúng đều sử dụng IPv4, mà hỗ trợ multicast là không bắt buộc đối với IPv4 ( nhưng là bắt buộc đối với IPv6). Các host ở mức này không thể truyền cũng như nhận các gói multicast và bỏ qua các gói được gửi bởi các host có khả năng multicast. - Mức 1: là mức hỗ trợ gửi nhưng không nhận các gói multicast. Như vậy không nhất thiết phải gia nhập một nhóm multicast mới gửi được các gói multicast tới nhóm đó. - Mức 2: là mức hỗ trợ đầy đủ cho IP multicast. Các host thuộc mức này có khả năng gửi và nhận các gói multicast. Chúng phải biết cách gia nhập và rời nhóm multicast và truyền thông tin này đến các bộ định tuyến dựa trên giao thức IGMP ( Internet Group Management Protocol ). d. Địa chỉ multicast - Mỗi nhóm multicast có một địa chỉ multicast (địa chỉ lớp D) duy nhất. - Địa chỉ IP lớp D có 4 bit đầu là 1110, còn 28 bit sau để chỉ ra nhóm multicast. Địa chỉ multicast có phạm vi từ 224.0.0.0 đến 239.255.255.255 Hình 1. 11: Địa chỉ IP Multicast Tuy nhiên không phải tất cả địa chỉ nằm trong dải trên đều được dùng cho các nhóm multicast bởi một số địa chỉ đã được tổ chức cấp phát địa chỉ Internet IANA thiết lập và ứng dụng cho một số mục đích “chuyên dụng” được xem là các địa chỉ đặc biệt hay địa chỉ vĩnh cửu. Tổ chức IANA ấn định vùng địa chỉ từ 224.0.0.0 tới 224.0.0.255 cho các giao thức mạng sử dụng trong mạng cục bộ. Các gói mang địa chỉ này sẽ không được các bộ định tuyến chuyển tiếp mà bị giới hạn trong nội bộ mạng LAN. Các gói tin đó luôn được truyền với thời gian sống TTL ( Time To Live ) được thiết lập giá trị bằng 1. Các giao thức mạng sử dụng các địa chỉ này để bộ định tuyến tự động phát hiện và cập nhật các thông tin trong bảng định tuyến của nó. Dải địa chỉ từ 224.0.1.0 tới 224.0.1.255 cho phạm vi toàn cầu, phục vụ các phiên truyền thông multicast giữa các thành viên qua mạng Internet. Một số địa chỉ trong dải này đã được dành cho các ứng dụng multicast đã được IANA thông qua và chuẩn hóa. Phạm vi địa chỉ từ 239.0.0.0 tới 239.255.255.255 được dùng cho quản trị. Các bộ định tuyến được cấu hình có các bộ lọc để ngăn cản lưu lượng multicast trong phạm vi địa chỉ này truyền tải ra khỏi một hệ thống tự trị AS (Autonomous System) hay bất kỳ vùng người dùng định nghĩa nào. Trong phạm vi một hệ thống tự trị hay domain thì phạm vi địa chỉ giới hạn có thể được chia nhỏ hơn để định nghĩa các vùng multicast (domain) trong phạm vi cục bộ. Điều này cho phép sử dụng lại các địa chỉ giữa các domain nhỏ này. Phạm vi địa chỉ từ 233.0.0.0 tới 233.0.0.8 được dành cho các tổ chức đã có một số AS. Số AS của domain được thiết lập tại octet thứ 2 và thứ 3 của địa chỉ thuộc vùng này. Ví dụ: AS 62010 Æ Hex: F23A = F2 và 3A Ù 242 và 58. tương ứng với địa chỉ nhóm đa hướng là 233.242.58.0 Ngoài các địa chỉ đặc biệt kể trên thì các địa chỉ còn lại được xác định là các địa chỉ nhóm tùy biến và có thể sử dụng được cho các ứng dụng do người dùng xây dựng. Những nhóm đa hướng sử dụng các địa chỉ đa hướng tùy biến có tính chất tạm thời với ý nghĩa địa chỉ nhóm chỉ tồn tại khi trong nhóm còn có ít nhất 1 thành viên. Khi số thành viên trong nhóm bằng 0 thì nhóm đa hướng tự hủy. Khi đó nhóm truyền thông đa hướng khác có thể dùng lại địa chỉ nhóm vừa được giải phóng. e. Ánh xạ địa chỉ IP multicast với địa chỉ MAC. Địa chỉ Ethernet MAC bao gồm 48 bit và dùng bit trọng số thấp nhất LSB của octet đầu tiên để xác định phương thức truyền thông qua kiểu địa chỉ là unicast (0) hay multicast/broadcast (1). Khi đó, địa chỉ Ethernet MAC là multicast, nếu là lẻ, và trong trường hợp đặc biệt, khi mà tất cả 48 bit đều là 1 (0xFFFF.FFFF.FFFF) thì địa chỉ ứng với phương thức broadcast. Hình 1. 12: Cấu trúc địa chỉ MAC cho IP Multic