Tìm hiểu giao thức IP multicast ứng dụng trong đào tạo điện tử

Tìm hiểu giao thức IP multicast ứng dụng trong đào tạo điện tử

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan kết quả đạt được trong luận văn là sản phẩm của riêng cá nhân tôi, không sao chép lại của người khác Luận văn là kết quả của quá trình học tập, nghiên cứu và làm việc nghiêm túc trong suốt hơn hai năm học cao học Trong toàn bộ nội dung của luận văn, những điều được trình bày hoặc là kết quả nghiên cứu của cá nhân hoặc là kết quả tổng hợp từ nhiều nguồn tài liệu khác Những kết quả nghiên cứu nào của cá nhân đều được chỉ ra rõ ràng trong luận văn Các thông tin tổng hợp hay các kết quả lấy từ nhiều nguồn tài liệu khác thì được trích dẫn một cách đầy đủ và hợp lý Tất cả các tài liệu tham khảo đều có xuất xứ rõ ràng và được trích dẫn hợp pháp.

Tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm và chịu mọi hình thức kỷ luật theo quy định cho lời cam đoan của mình.

Thái Nguyên, tháng 10 năm 2010

Người cam đoan

Trần Ngọc Sơn

4 Kết cấu của luận văn 8

CHƯƠNG 1: TÌM HIỂU VỀ CÔNG NGHỆ IP MULTICAST 9

1.1 Khái quát về IP Multicast 9

1.1.1 Các thành phần cơ bản 9

1.1.2 Địa chỉ Multicast 10

1.1.3 Cây phân phối multicast 11

1.2 Định tuyến Multicast 18

1.2.1 Giao thức định tuyến multicast véctơ khoảng cách 18

1.2.2 Giao thức PIM Dense mode 20

1.2.3.2 Cây đường đi ngắn nhất 24

1.2.3.3 Thông điệp Join/Prune 25

1.2.3.4 Đăng ký nguồn dữ liệu 25

1.2.3.5 Chuyển từ cây chia sẻ sang cây đường đi ngắn nhất 27

1.2.4 Multicast Open Shortest Path First (MOSPF) 27

1.2.4.1 Định tuyến multicast trong vùng 27

1.2.4.2 Định tuyến multicast trên nhiều vùng 29

1.2.4.3 Định tuyến multicast trên các AS 32

CHƯƠNG 2: ĐÀO TẠO ĐIỆN TỬ DỰA TRÊN CÔNG NGHỆ IP MULTICAST 33

2.1 Một số công nghệ mạng phục vụ cho hệ thông đào tạo điện tử 33

2.1.1.5 Mô hình mạng cơ bản của H.323: 35

2.1.2.Giao thức khởi tạo phiên SIP: 36

2.1.2.1.Tổng quan: 36

2.1.2.2 Cấu trúc của SIP: 37

2.1.2.3.Tổng quan về hoạt động của SIP: 39

2.1.2.4 Hoạt động chính của SIP: 42

2.1.2.5 Mô hình liên mạng giữa SIP và H.323: 43

2.2 Đào tạo điện tử dựa trên công nghệ IP Multicast 44

2.2.1 Giới thiệu 452

3.3 Xây dựng hệ thống Đào tạo điện tử dựa trên công nghệ Multicast 58

3.3.1 Cài đặt và cấu hình máy chủ Linux 62

3.3.1.1 Đặt địa chỉ IP: 62

3.3.1.2 Thiết lập định tuyến (route) hỗ trợ Multicast 63

3.3.1.3 Cấu hình ZEBRA: 63

3.3.1.4 Khởi động các dịch vụ mạng: 65

3.3.1.5 Kiểm tra lưu lượng trên NIC: 66

3.3.2 Demo hệ thống truyền Video 67

3.3.2.1 Thao tác trên LAN 1 (Máy nguồn phát tín hiệu Video) 67

3.3.2.2 Thao tác trên LAN 2 (Các máy nhận Video) 69

KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC 71

KẾT LUẬN 72

NHỮNG KIẾN NGHỊ NGHIÊN CỨU TIẾP THEO 73

TÀI LIỆU THAM KHẢO 743

DANH MỤC BẢNG

Bảng 1.1: Thông điệp IGMPv13 13

Bảng 1.2: Các trường trong thông điệp IGMPv1 13

Bảng 1.3: Thông điệp IGMPv2 14

Bảng 1.4: Các trường trong thông điệp IGMPv2 14

Bảng 1.5: Các trường trong thông điệp IGMPv3 16

Bảng 2.1 vic và chuột tham số QoS được sử dụng để điều chỉnh hồ sơ các ứng dụng 50Bảng 3.1 Thiết lập các thông số cho các phương thức khác nhau QoS thích 57

4

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1.1: Các thành phần tham gia vào IP Multicast 9

Hình 1.2: Định dạng của địa chỉ IP lớp D 10

Hình 1.3: Ánh xạ địa chỉ IP multicast sang địa chỉ MAC 10

Hình 1.4: Cây đường đi ngắn nhất của host A 12

Hình 1.13: Một vùng MOSPF chứa nguồn và thành viên nhóm multicast G 28

Hình 1.14 Thông điệp nhóm tóm tắt trong vùng đường trục 30

Hình 1.15 Cây đường đi ngắn nhất SPTs trong vùng đường trục 30

Hình 1.16 Nguồn trong vùng không phải đường trục 31

Hình 1.17 Lưu lượng multicast xuống các miền MOSPF 32

Hình 2.1: Cấu trúc của H.323 34

Hình 2.2: Chồng giao thức H.323 34

Hình 2.3 Các giai đoạn chính của H.323 35

Hình 2.4 Mô hình H.323 cơ bản thông qua Internet 35

Hình 2.5 Redirect Server 39

Hình 2.6 Hoạt động của Proxy server 42

Hình 2.7 Hoạt động của Redirect server 42

Hình 2.8 Kết hợp SIP và H.323 sử dụng TDM 43

Hình 2.9 Kết hợp SIP và H.323 sử dụng Proxy đa giao thức 43

Hình 2.10 Kết hợp SIP và H.323 không dùng kết nối 44

5

Hình 2.11 QoS dung sai ứng dụng chung các loại âm thanh và video 47

Hình 2.12 hệ thống của kiến trúc 48

Hinh 3.1 BW nhu cầu cho từng chế độ QoS 59

Hình 3.2 CPU nhu cầu cho từng chế độ QoS 59

Hình 3.3 Tuyến tính phân phối băng thông bằng cách sử dụng các ứng dụng mặc định, thích ứng không được sử dụng 60

Hình 3.4 Tăng số lượng các thành viên trong nhóm đang hoạt động bằng cách sử dụng thích ứng để phân phối lại nguồn mạng 60

Hình 3.5 - Hình thức QoS thông qua hệ thống phải đối mặt với điều kiện nguồn tài nguyên có sẵn 61

MỞ ĐẦU1 Đặt vấn đề

Mạng máy tính và các ứng dụng trên mạng máy tính ngày càng trở nên thông dụng, nhu cầu chuyển một lượng rất lớn các thông tin đến nhiều nơi trong cùng một thời gian là rất cần thiết Phần lớn các ứng dụng trên mạng hiện nay sử dụng phương pháp truyền dữ liệu unicast, đó là phương pháp truyền dữ liệu từ điểm tới điểm.

Trong thực tế hiện nay nhu cầu phải thường xuyên gửi dữ liệu từ một điểm tới nhiều điểm, phương pháp truyền dữ liệu unicast không hiệu quả Trường này sử dụng unicast thì cùng một dữ liệu sẽ phải được đóng gói nhiều lần và lần lượt gửi chúng tới từng điểm đích Một cách khác để thực hiện việc truyền dữ liệu từ một điểm đến nhiều điểm thì có thể sử dụng giao thức broadcast, đây là phương pháp gửi dữ liệu từ một điểm đến tất cả các điểm trên mạng Cả hai phương pháp trên đều gây nên những sự lãng phí tài nguyên mạng, trong trường hợp này với hạ tầng cơ sở mạng như hiện nay giao thức multicast thay thế là tốt nhất, 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 dữ liệu sẽ gửi tới một nhóm thông qua địa chỉ nhóm multicast Phương pháp multicast có các giao thức cho phép các máy tính có thể đơn giản gia nhập vào nhóm để nhận dữ liệu hay huỷ bỏ nhóm, các giao thức định tuyến cũng được xây dựng cho phép các ứng dụng có thể gửi dữ liệu một cách hiệu trên mạng

2

Mục tiêu luận văn

Xuất phát từ vấn đề nêu trên, luận văn “Tìm hiểu giao thức IP multicast ứng dụng trong đào tạo điện tử” là đối tượng nghiên cứu với những vấn đề tập trung chủ yếu như sau:

7

- Tìm hiểu các thành phần cơ bản của quá trình truyền dữ liệu multicast, cây multicast, chuyển tiếp multicast, cũng như quá trình tham gia nhóm multicast thông qua giao thức Internet Group Management Protocol (IGMP)

- Tìm hiểu các giao thức định tuyến được sử dụng trong multicast như giao thức định tuyến Distance Vector Multicast Routing Protocol (DVMRP), giao thức định tuyến Protocol Independent Multicast (PIM) và giao thức định tuyến Multicast Open Shortest Path First (MOSPF)

- Ứng dụng giao thức IP Multicast trong đào tạo điện tử

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 đào tạo điện tử

4 Kết cấu của luận văn Phần mở đầu

Chương 1: Tìm hiểu về công nghệ IP Multicast

Chương 2: Đào tạo điện tử dựa trên công nghệ IP Multicast

Chương 3: Xây dựng hệ thống đào tạo điện tử dựa trên công nghệ IP Multicast

Kết quả đạt đượcKết luận

Những kiến nghị nghiên cứu tiếp theoTài liệu tham khảo

8

Thứ nhất máy nguồn gửi dữ liệu qua giao thức multicast tới một địa chỉ nhóm ( sử dụng một địa chỉ lớp D)

Thứ hai 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

Thứ ba các router sẽ sử dụng một giao thức định tuyến multicast để xác định các mạng con và chuyển dữ liệu multicast tới các thành viên của nhóm Nếu mạng con không có thành viên của nhóm, router sẽ không chuyển dữ liệu tới mạng đó.

Hình 1.1: Các thành phần tham gia vào IP Multicast

1.1.2 Địa chỉ Multicast

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 1110

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 còn 5 bit của địa chỉ IP không được chuyển sang địa chỉ MAC Cơ chế ánh xạ này có thể có 32 địa chỉ multicast khác nhau có thể ánh xạ vào cùng một địa chỉ MAC Vì vậy, khi một host nhận dữ liệu nó

Hình 1.3: Ánh xạ địa chỉ IP multicast sang địa chỉ MAC 10

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

Một số loại 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 được định nghĩa trước

- Khoảng địa chỉ dành cho quản trị 239.0.0.0 - 239.255.255.255 được dùng trong các miền multicast khác nhau Địa chỉ này không được sử dụng giữa các miền multicast nên nó có thể được dùng lại nhiều lần

- 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.

1.1.3 Cây phân phối multicast

Để phân phối dữ liệu multicast 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

* Cây nguồn: Là cây 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 gọi là cây đường đi ngắn nhất (Shortest Path Tree – SPT)

11

* Cây chia sẻ: Là cây sử dụng một gốc chung duy nhất tại một điểm đã chọn

trên mạng Gốc sẻ này còn được gọi là điểm hẹn (Rendezvous Point – RP) Khi sử dụng cây chia sẻ, nguồn phải gửi lưu lượng của nó tới gốc sau đó lưu lượng này được chuyển tiếp theo các nhánh của cây đến các đầu cuối nhận dữ liệu

Hình 1.4: Cây đường đi ngắn nhất của host A

Hình 1.5: Cây chia sẻ12

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 Tất cả các nguồn trong nhóm multicast cùng sử dụng chung một cây chia sẻ, ký hiệu (*, G) được sử dụng để biểu diễn cây

- Trong đó * :là tất cả các nguồn

- G: là địa chỉ nhóm multicast

Vì thế cây chia sẻ trong hình 1.5 có thể được viết (*, 224.2.2.2) 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

1.1.4 Giao thức quản lý nhóm Internet

Để nhận dữ liệu multicast từ một nguồn, các máy nhận đầu tiên phải tham gia vào một nhóm multicast, được xác định thông qua địa chỉ multicast Một host có thể tham gia vào một nhóm multicast bằng cách gửi các yêu cầu đến router gần nhất Thao tác này được thực hiện thông qua giao thức quản lý nhóm IGMP (Internet Group Management Protocol) Giao thức IGMP phát triển từ giao thức Host Membership Protocol IGMP phát triển từ IGMPv1 (RFC 1112) đến IGMPv2 (RFC 2236) và phiên bản cuối cùng IGMPv3 (RFC 3376) Các thông điệp IGMP được đóng gói trong IP datagram với trường protocol number bằng 2, trong đó trường TTL (Time To Live) có giá trị bằng 1 Các gói IGMP chỉ được truyền trong LAN và không được tiếp tục chuyển sang LAN khác do giá trị TTL của nó Hai mục đích quan trọng nhất của IGMP là:

- Thông báo cho router multicast biết rằng có một máy muốn nhận dữ liệu từ một nhóm multicast

- Thông báo cho router biết có một máy muốn rời nhóm multicast

13

* Giao thức IGMPv1: Bao gồm 2 loại thông điệp là Host Membership

Report và Host Membership Query Định dạng của thông điệp IGMPv1 được thể hiện như sau:

8 15

16 31

Group Address

Bảng 1.1: Thông điệp IGMPv1 Giá trị của các trường trong IGMPv1 được mô tả:

Version4 bitChỉ định phiên bản của giao thức và luôn có giá trị là 1 Type4 bit

Xác định 2 kiểu thông điệp có giá trị: 0x1 cho Host Membership Query 0x2 cho Host Membership Report

Unused8 bitChứa giá trị 0 khi gửi và bị bỏ qua khi nhận

Checksum16 bitDùng để kiểm tra lỗi trong quá trình truyền dữ liệu Group

Address 32 bit

Được gán về giá trị 0.0.0.0 khi router gửi gói tin Host Membership Query và được gán giá trị địa chỉ nhóm multicast khi một máy gửi thông điệp Host Membership Report

Bảng 1.2: Các trường trong thông điệp IGMPv1

- Phiên bản mới của thông điệp Host Membership Report Định dạng của thông điệp IGMPv2 được thể hiện như trong bảng 1.3:

14

8 15

16 31

RTime

ChecksumGroup Address

Bảng 1.3: Thông điệp IGMPv2

Giá trị của các trường trong IGMPv2 được mô tả:

Chỉ ra khoảng thời gian tối đa (tính bằng giây) mà một host có thể phản hồi thông tin truy vấn, chỉ sử dụng trong các thông điệp truy vấn

Được gán giá trị 0.0.0.0 trong gói tin truy vấn và gán địa chỉ nhóm nếu thông điệp là cho từng nhóm cụ thể Các thông điệp Host Membership Report hoặc thông điệp Leave Group có thể mang địa chỉ của nhóm trong trường này

Bảng 1.4: Các trường trong thông điệp IGMPv2

15

* Giao thức IGMPv3

IGMP phiên bản 3 mở rộng chức năng của IGMPv2 bằng việc hỗ trợ tính năng multicast cho từng nguồn cho phép các host lọc dữ liệu đi vào dựa trên địa chỉ IP nguồn Với IGMPv3 có thể có nhiều nguồn cho một dòng dữ liệu multicast vì thế các host có thể gia nhập nhóm và nhận dữ liệu từ các nguồn gần nhất IGMPv3 còn cải tiến thông điệp Host Membership Query và thêm phiên bản mới của Host Membership Report

- Lọc dữ liệu là khả năng cho phép một host chỉ ra nó sẽ nhận nguồn

dữ liệu multicast từ địa chỉ nguồn xác định IMGPv3 cho phép một host chỉ rõ hai thuộc tính sau đây cho các nhóm multicast cụ thể:

+ Danh sách các nguồn mà host nhận dữ liệu

+ Danh sách các nguồn mà host không nhận dữ liệu

- Thông điệp IGMPv3 Host Membership Query có cùng giá trị kiểu

và có cùng định dạng với IGMPv2 Host Membership Query ngoại trừ nó thêm một số trường ở sau trường địa chỉ nhóm Các trường này cung cấp các tham số truy vấn cho router và chỉ rõ các nguồn được chấp nhận và không được chấp nhận ứng với mỗi nhóm multicast Danh sách các nguồn được chấp nhận và không chấp nhận chỉ được sử dụng cho truy vấn tới một nhóm cụ thể có sử dụng tính năng lọc dữ liệu

16

Bảng mô tả các trường trong thông điệp IGMPv3 Host Membership Query:

Tên trườngĐộ dàiMô tả

cho Host Membership Query Maximum

Chỉ ra khoảng thời gian tối đa (tính bằng giây) mà một host có thể phản hồi thông tin truy vấn, chỉ sử dụng trong các thông điệp truy vấn Checksum 16 bit Dùng để kiểm tra lỗi trong quá trình truyền dữ

liệu

Được gán giá trị 0.0.0.0 trong gói tin truy vấn và gán địa chỉ nhóm nếu thông điệp là cho từng nhóm cụ thể Các thông điệp Membership Report hoặc thông điệp Leave Group có thể mang địa chỉ của nhóm trong trường này

Reserved (Dành

Chứa giá trị 0 khi gửi và bị bỏ qua khi nhận

Suppress 1 bit Gán giá trị 1 để chi rõ các router nhận dừngcập nhật thời gian khi nhận một truy vấn Querier’s Robustness

Chỉ ra các gói datagram mong đợi trên mạng IGMP có thể lấy lại QRV-1 gói datagram bị mất

Querier’s Query

Interval Code(QQIC) 8 bit

Chỉ ra khoảng thời gian tính bằng giây mà router đợi giữa hai truy vấn thông thườngNumber of Sources 16 bit Chỉ số lượng địa chỉ nguồn chứa thông điệp

truy vấn

Source Addresses 32 bit Chứa địa chỉ IP của nguồn multicastBảng 1.5: Các trường trong thông điệp IGMPv3

17

1.2 Định tuyến Multicast

Được phân thành ba loại chính gồm:

- Giao thức hoạt động theo mô hình tập trung (Dense Mode) như DVMRP và PIM-DM Hoạt động theo cơ chế quảng bá và loại bỏ trong đó các router cho rằng trên các mạng còn tồn tại ít nhất một máy nhận dữ liệu multicast, vì thế chúng gửi dữ liệu xuống tất cả các mạng cho đến khi nhận được thông báo dừng gửi dữ liệu Với cơ chế này các giao thức dense mode phù hợp với các mạng máy tính nhỏ, trong đó lưu lượng multicast được truyền tới hầu hết các máy trên mạng

- Giao thức hoạt động theo mô hình phân tán (Sparse Mode) như SM và CBT Hoạt động theo cách ngược lại, các router sẽ không gửi dữ liệu lên mạng trừ khi nó nhận được yêu cầu gửi dữ liệu từ các máy nhận Điều này làm giảm dữ liệu dư thừa truyền trên mạng, giúp cho các giao thức sparse mode phù hợp với các mạng lớn, với số lượng các máy tham gia nhận dữ liệu nhiều nhưng nằm rải rác trên các mạng con.

PIM Giao thức hoạt động theo mô hình trạng thái liên kết như MOSPF 1.2.1 Giao thức định tuyến multicast véctơ khoảng cách

DVMRP (Distance Vector Multicast Routing Protocol) là giao thức định tuyến multicast đầu tiên được sử dụng phổ biến DVMRP được phát triển dựa trên giao thức định tuyến unicast Routing Information Protocol (RIP) với một số thay đổi để phù hợp với cơ chế multicast

* Tìm kiếm hàng xóm: Là quá trình quan trọng các router sử dụng

giao thức DVMRP cần phải duy trì một danh sách các router hàng xóm để thực hiện chuyển tiếp multicast Điều này đặc biệt đúng khi DVMRP hoạt động trên mạng đa truy cập như mạng Ethernet, vì trên mạng có thể có nhiều router DVMRP cùng tham gia

* Cắt nhánh: DVMRP sử dụng cây nguồn để điều khiển đường đi

của luồng dữ liệu, ban đầu dữ liệu multicast được gửi xuống tất cả các nhánh của cây Để giảm lưu lượng dư thừa cần có một cơ chế cắt bỏ các nhánh cây mà trên đó không có các máy nhận dữ liệu Tại các router không có máy nhận dữ liệu kết nối trực tiếp thì router đó gọi là router lá, router này gửi một thông điệp DVMRP Prune lên cây multicast để yêu cầu dừng gửi dữ liệu và cắt bỏ nhánh khỏi cây multicast.

Hình 1.7: Cắt nhánh trong DVMRPHình 1.6: Tìm hàng xóm trong DVMRP

* Ghép nhánh: Để thực hiện ghép nhánh thì router gửi một thông

điệp DVMRP Graft tới router phía trên để thông báo nó muốn được ghép nhánh trở lại cây multicast Sau khi router phía trên nhận được nó sẽ phản hồi lại bằng thông điệp Graft-Ack và chuyển tiếp lưu lượng multicast xuống router phía dưới

1.2.2 Giao thức PIM Dense mode

Là giao thức multicast hoạt động độc lập với giao thức định tuyến IP unicast PIM (Protocol Independent Multicast) không quan trọng giao thức nào được sử dụng để tạo ra bảng định tuyến unicast (bao gồm cả bảng định tuyến tĩnh) trên router, mà nó sử dụng thông tin từ bảng định tuyến unicast để thực hiện quá trình kiểm tra Reverse Path Forwarding (RPF) từ đó đưa ra quyết định gửi dữ liệu Bởi vì PIM không phải dùy trì dữ liệu của bảng định tuyến, nó không cần thực hiện các thao tác gửi và nhận, thông báo cập nhật đuờng đi trong bảng định tuyến giữa các router như các giao thức khác, điều đó làm giảm đáng kể lưu lượng truyền trên mạng PIM có thể cấu hình để

Hình 1.8: Ghép nhánh trong DVMRP

hoạt động theo hai cơ chế là dense mode và sparse mode, trong phần này trình bày về PIM (PIM – DM) bao gồm các quá trình cơ bản như: tìm kiếm hàng xóm, cắt bỏ và ghép nhánh trên cây phân phối multicast, cơ chế xác nhận

1.2.2.1 Tìm kiếm hàng xóm

* Thông điệp Hello: Cũng như giao thức DVMRP, PIM-DM sử dụng

cơ chế tìm kiếm router hàng xóm Trong PIM-DMv1 thông điệp tìm kiếm có tên là Router Query được đóng gói trong thông điệp IGMP và được gửi tới 224.0.0.2 (địa chỉ all-routers) Trong PIM-DMv2 thông điệp thăm dò có tên là Hello được gửi theo chu kỳ 30 giây tới 224.0.0.13 (địa chỉ all-PIM-routers) Trong thông điệp Hello chứa giá trị Holdtime là thời gian hiệu lực được kết nối giữa hai máy

* Router được chỉ định: Thông điệp PIM Hello vừa để thiết lập liên

kết hàng xóm vừa sử dụng để tìm ra router được chỉ định để gửi dữ liệu (Designated Router – DR) cho mạng đa truy cập Thông điệp Hello để các router biết được router nào trên mạng có giá trị địa chỉ IP cao nhất được chọn làm DR cho mạng Trong một phân đoạn mạng có nhiều router cùng tồn tại, người quản trị cần chỉ định một router là DR Tuy nhiên việc thay đổi địa chỉ IP của router để chỉ định một router là DR thường khó khăn hoặc không thể thực hiện Để thực hiện điều này, trong thông điệp PIMv2 Hello thêm vào một lựa chọn về độ ưu tiên DR-Priority Khi đó các router có độ ưu tiên cao sẽ được chọn làm DR, nếu có hai hay nhiều router cùng độ ưu tiên thì giá trị IP được so sánh để bầu chọn.

* Cây phân phối multicast: Sử dụng cây nguồn (hay cây đường đi

ngắn nhất) chỉ ra quá trình phân phối dữ liệu tới các máy nhận trên mạng Các cây nguồn được xây dựng bằng cách sử dụng cơ chế quảng bá và loại bỏ (Flood and Prune) ngay khi nguồn multicast bắt đầu truyền dữ liệu Không như DVMRP là giao thức sử dụng bảng định tuyến multicast của riêng nó,

PIM-DM sử dụng thông tin về hàng xóm của nó để xây dựng cây nguồn Trong PIM-DM các router kết nối với nguồn được cho là ở trên cây đường đi ngắn nhất SPT Cây SPT ban đầu chính là cây quảng bá (Broadcast Tree) vì router gửi dữ liệu tới tất cả các hàng xóm của nó, mà không biết trên các router đó có tồn tại các máy nhận dữ liệu hay không

1.2.2.2 Cắt nhánh

Khi thấy có luồng dữ liệu dư thừa router PIM-DM gửi thông điệp cắt nhánh Prune lên router phía trên để thông báo cắt nhánh.

Hình 1.10: Cắt nhánh trong PIM-DMHình 1.9: Cây phân phối PIM-DM

1.2.2.3 Cơ chế xác nhận

Một router nhận dữ liệu multicast trên cổng mà cổng đó cũng gửi dữ liệu từ nguồn, thì router sẽ gửi một thông điệp PIM Assert tới cổng mà nó nhận dữ liệu để tìm ra router được lựa chọn Trong thông điệp PIM Assert chứa giá trị metric tới nguồn, và router nào có giá trị metric tốt nhất sẽ được chọn làm router gửi dữ liệu Các router khác sẽ ngừng gửi dữ liệu và loại bỏ cổng của nó ra khỏi cây multicast Trong trường hợp nhiều router có cùng metric, thì xét chọn router nào có địa chỉ IP cao nhất

1.2.2.4 Ghép nhánh

Khi cần ghép nhánh thì router đó sẽ gửi một thông điệp Graft tới router trên nó để yêu cầu nhận dữ liệu Router trên nó nhận thông điệp và trả lời bằng cách gửi lại một thông điệp Graft-Ack thông báo đã được ghép nhánh.

Hình 1.11: Xác nhận trong PIM-DM

1.2.3 PIM Sparse Mode

1.2.3.1 Cây chia sẻ

Các hoạt động của PIM-SM xoay quanh một cây chia sẻ một chiều, trong đó gốc cây được gọi là điểm hẹn RP (Rendezvous Point) Cây chia sẻ còn có một tên khác là cây RP được viết tắt là RPT vì gốc của nó ở tại điểm RP Router ở chặng cuối muốn nhận dữ liệu từ một nhóm multicast nó sẽ tham gia vào cây chia sẻ Khi router không muốn nhận dữ liệu từ nhóm multicast nữa nó sẽ cắt bỏ khỏi cây chia sẻ.

1.2.3.2 Cây đường đi ngắn nhất

Giao thức PIM-SM người dùng có thể nhận dữ liệu multicast thông qua cây đường đi ngắn nhất SPT Bằng cách tham gia cây SPT dữ liệu multicast sẽ được đưa trực tiếp tới máy nhận mà không thông qua router RP, điều đó giúp giảm tải trên router RP Nhược điểm của cây SPT là router phải tạo và duy trì các thực thể trạng thái (S, G) trong bảng định tuyến multicast.

Hình 1.12: Ghép nhánh trong PIM-DM

1.2.3.3 Thông điệp Join/Prune

Các phần trước đây đã nhắc đến thông điệp PIM Join và PIM Prune như hai thông điệp khác nhau với mục đích làm sáng tỏ quá trình tham gia hay cắt bỏ nhánh Tuy nhiên thức tế PIM chỉ sử dụng một thông điệp đơn Join/Prune cho cả hai chức năng Mỗi thông điệp Join/Prune chứa cả hai danh sách Join và Prune và một trong hai danh sách đó có thể rỗng Các thực thể Join và Prune trong thông điệp Join/Prune có cùng một định dạng chung, bao gồm các thông tin sau:

- Địa chỉ nguồn multicast: địa chỉ IP của nguồn multicast để thực hiện quá trình Join hay Prune, nếu cờ Wildcard được bật thì trường này chứa địa chỉ của router RP

- Địa chỉ nhóm multicast: địa chỉ nhóm multicast để thực hiện quá trình Join hay Prune

- Cờ Wildcard (WC bit): chỉ ra rằng thực thể là một thông điệp (*, G) Join/Prune

- Cờ RP Tree (RP bit): thông điệp Join/Prune là thích hợp và cần được gửi lên cây chia sẻ

1.2.3.4 Đăng ký nguồn dữ liệu

Trong cây chia sẻ PIM-SM chúng ta đã biết cách router gửi thông điệp (*, G) tới cây chia sẻ cho nhóm multicast G Tuy nhiên PIM-SM sử dụng cây chia sẻ một chiều nên dữ liệu multicast chỉ có thể đi theo chiều từ gốc cây xuống các nhánh Vì thế nguồn dữ liệu cần phải có một cách khác để gửi dữ liệu của nó tới router RP Tuy nhiên trước tiên router RP cần phải được thông báo về nguồn đang tồn tại Để làm điều này PIM-SM sử dụng thông điệp PIM Register và Register-Stop để thực hiện quá trình đăng ký nguồn dữ liệu Quá trình này sẽ thông báo với router RP một nguồn đang hoạt động và phân phối các gói tin multicast đầu tiên tới RP để tiếp tục được gửi xuống các nhánh

* Thông điệp PIM Register

Thông điệp PIM Register được gửi từ router DR kết nối với nguồn dữ liệu tới router RP, với hai mục đích là:

- Báo cho router RP biết rằng S là nguồn hoạt động và đang gửi dữ liệu tới nhóm G

- Gửi các gói tin multicast đầu tiên từ S tới RP để gửi xuống cây chia sẻ tới máy nhận Khi một nguồn multicast bắt đầu gửi dữ liệu, router DR nhận gói tin multicast từ nguồn và tạo một thực thể trạng thái (S, G) trong bảng định tuyến multicast Tiếp đó router DR đóng gói mỗi gói tin multicast trong các thông điệp PIM Register riêng rẽ và gửi tới router RP Khi router RP nhận một thông điệp PIM Register, đầu tiên nó sẻ mở gói thông điệp và nhận được gói tin multicast trong đó Nếu gói tin là của một nhóm multicast có các máy nhận RP gửi gói tin xuống các nhánh cây phù hợp Sau đó router RP tham gia vào cây đường đi ngắn nhất của nguồn S và có thể nhận dữ liệu trực tiếp từ nguồn mà không cần nhận thông qua thông điệp PIM Register nữa Nếu như gói tin multicast trong thông điệp PIM Register không có máy nào yêu cầu nhận (lúc đó danh sách cổng ra cho trạng thái (S, G) là rỗng) thì router RP sẽ loại bỏ thông điệp multicast và không gửi thông điệp Join trở lại nguồn

* Thông điệp PIM Register – Stop

Router RP sử dụng thông điệp PIM Register-Stop để thông báo với router DR ngừng việc gửi các thông điệp PIM Register khi thỏa mãn một trong hai điều kiện sau:

- Khi router RP bắt đầu nhận dữ liệu multicast từ nguồn thông qua cây (S, G) SPT giữa nguồn và RP

- Khi router RP không cần nhận dữ liệu nữa vì trên nó không còn tồn tại các máy nhận yêu cầu nhận dữ liệu multicast Khi router DR nhận thông điệp Register-Stop nó biết router RP không cần nhận dữ liệu nữa vì thế nó

ngừng việc đóng gói và gửi các thông điệp Register

1.2.3.5 Chuyển từ cây chia sẻ sang cây đường đi ngắn nhất

PIM-SM hỗ trợ khả năng cho phép router DR ở chặng cuối (là router kết nối trực tiếp với các máy nhận dữ liệu) có thể chuyển từ cây chia sẻ sang cây SPT cho một nguồn multicast Điều này được thực hiện tự động thông qua việc đặt ra một ngưỡng SPT-Threshold của băng thông mạng, khi giá trị băng thông đạt ngưỡng router DR sẽ tham gia vào cây SPT.

1.2.4 Multicast Open Shortest Path First (MOSPF)

Là một mở rộng của giao thức định tuyến unicast trạng thái liên kết Open Shortest Path First (OSPF) MOSPF cung cấp sự mở rộng về định dạng dữ liệu và các đặc tả hoạt động từ OSPF Sự mở rộng này cho phép dữ liệu multicast được truyền trên mạng OSPF bằng cách sử dụng cây đường đi ngắn nhất như là một phần của các router MOSPF

1.2.4.1 Định tuyến multicast trong vùng

MOSPF là mở rộng của giao thức định tuyến unicast OSPF và do vậy đòi hỏi OSPF như giao thức định tuyến cơ sở Khái niệm cơ bản của định tuyến MOSPF trong miền dựa vào giả thiết trạng thái trong mô tả OSPF đó là “nếu các router trong một miền biết các phân đoạn mạng có các thành viên của nhóm multicast, các router đó có thể sử dụng thuật toán Dijkstra để xây dựng cây đường đi ngắn nhất cho bất kỳ các cặp nhóm, mạng nguồn trong vùng”

Một mở rộng quan trọng của MOSPF trong định dạng dữ liệu để hỗ trợ multicast là sử dụng một thông điệp quảng bá trạng thái liên kết của nhóm (group Link-State Advertisement – LSA nhóm) Thông điệp LSA nhóm này được phát tán định kỳ trong cả vùng giống như LSA của giao thức OSPF Mỗi LSA nhóm có các thông tin cơ bản sau: địa chỉ nhóm multicast, định danh

router quảng bá, danh sách các giao diện mạng của router (xác định bởi địa chỉ IP) có các thành viên của nhóm Sau khi cơ sở dữ liệu của các router trong vùng được đồng bộ, sự kết hợp của LSA nhóm với router và mạng LSA cung cấp cho mỗi router MOSPF thông tin cần thiết để xây dựng cây đường đi ngắn nhất cho các cặp nhóm và mạng trong vùng Để xây dựng cây này mỗi router MOSPF sử dụng thuật toán Dijkstra để xây dựng một cây đường đi ngắn nhất multicast đơn có gốc tại mạng nguồn

Hình 1.13 chỉ ra kết quả của cây đường đi ngắn nhất MOSPF (N4, G) SPT với gốc là mạng nguồn N4 và chứa nguồn 1 và 3 mạng N3 chỉ ra kết quả cây (N3, G) SPT với gốc tại mạng nguồn N3 có chứa nguồn 2

Hình 1.13: Một vùng MOSPF chứa nguồn và thành viên nhóm multicast G

1.2.4.2 Định tuyến multicast trên nhiều vùng

Phần này minh họa cơ chế mà MOSPF thực hiện để chuyển tiếp gói tin giữa các vùng OSPF Khi một nguồn multicast ở trong một vùng gửi tới người nhận ở trong vùng khác Cách thức MOSPF sử dụng để quản lý định tuyến multicast trên nhiều vùng có nhiều điểm giống với cách OSPF thực hiện Trong OSPF các router kết một vùng thuộc lớp thứ hai tới vùng đường trục được gọi là ABR (area border router- router trên biên của vùng) và được chịu trách nhiệm để chuyển tiếp thông tin định tuyến (trong dạng của một thông điệp tóm tắt LSA - summary LSA) và dữ liệu unicast giữa hai vùng Các router ABR không truyền tuyến đường hay các thông điệp LSA giữa các vùng, mà chỉ truyền các thông điệp LSA tóm tắt giữa các vùng Để hỗ trợ multicast trên nhiều vùng, RFC 1584 định nghĩa chuyển tiếp multicast liên vùng là một tập con của các OSPF ABR trong mạng và được cấu hình để thực hiện các tác vụ multicast liên quan như: tóm tắt thông tin thành viên nhóm trong vùng 0 và chuyển tiếp gói tin multicast giữa các vùng Các router thực hiện chức năng này được gọi là router multicast trên biên của vùng (multicast area border routers – MABR) Để dữ liệu multicast theo cấu trúc phân cấp của OSPF (từ vùng đường trục tới các vùng lớp thứ hai) router trên vùng đường trục cần biết các router multicast trên biên của vùng (MABR) nào đang được kết nối có thành viên hoạt động của nhóm multicast Các router MABR tóm tắt thông tin của thành viên nhóm multicast trong vùng và phát tán tới vùng đường trục thông qua LSA nhóm Tuy nhiên, không như OSPF LSA tóm tắt được phát tán đối xứng xuyên qua biên của vùng, các LSA nhóm tóm tắt phát tán không đối xứng và chỉ theo từ vùng không là đường trục sang vùng đường trục.

Trong ví dụ này, vùng 1 chứa một thành viên của nhóm A (MA) và hai thành viên nhóm B (MB) Thông tin thành viên trong nhóm được tóm tắt trong thông điệp MABR1 và được phát tán đến vùng đường trục (vùng 0) thông qua LSA nhóm Tương tự vùng 2 chứa hai thành viên nhóm A và thông tin được tóm tắt và phát tán tới vùng đường trục thông qua MABR2 Hình 1.15 chỉ ra 2 nguồn hoạt động S1 và S2 gửi dữ liệu tới các nhóm multicast tương ứng B và A Thông tin thành viên nhóm được phát tán tới vùng đường trục bởi các router MABR1 và MABR2 cho biết đường đi từ nguồn tới các nhóm Theo đó cây (S1, B) và cây (S2, B) được xây dựng trong vùng đường trục cho phép lưu lượng nhóm A và B được truyền tới vùng 1 và 2 một cách thích hợp

Hình 1.15 Cây đường đi ngắn nhất SPTs trong vùng đường trụcHình 1.14 Thông điệp nhóm tóm tắt trong vùng đường trục

Trong ví dụ trên nằm trên vùng đường trục và dữ liệu được lấy xuống tới các vùng không phải đường trục Tuy nhiên trong thực tế thường xuyên gặp phải trường hợp các nguồn khung nằm trên vùng đường trục, trong trường hợp này MOSPF xử lý bằng cách định nghĩa một cờ để báo hiệu người nhận multicast Cờ báo hiệu đó chỉ ra router mong muốn nhận tất cả các dữ liệu multicast Tất cả các router multicast trên biên vùng (MABR) để nhận dữ liệu multicast từ các nguồn trong vùng không phải đường trục và từ đó có thể chuyển tiếp tới các router trên vùng đường trục nếu cần Trên hình 1.16 thể hiện mạng với nguồn (S1, B) và (S2, A) bây giờ ở trong mạng không phải đường trục Nguồn (S2, A) ở trên vùng 2 và cây đường đi ngắn nhất cho trường hợp định tuyến cho nhiều vùng vẫn được xây dựng bình thường, tuy nhiên lúc này MABR2 đánh dấu nhận dữ liệu muticast vì thế nó được thêm vào cây SPT (S2, A) Tương tự trên vùng 1MABR1 cũng được thêm vào cây đường đi ngắn nhất (S1, B) Lúc này dựa vào cây đường đi ngắn nhất trên vùng đường trục các router MABR1 và MABR2 có thể tới các vùng

Hình 1.16 Nguồn trong vùng không phải đường trục

1.2.4.3 Định tuyến multicast trên các AS

Cơ chế mà MOSPF thực hiện khả năng định tuyến trên các vùng tự trị (autonomous system - AS) Trong định tuyến unicast OSPF sử dụng các router tại biên của các vùng tự trị (autonomous system border routers - ASBR) để chuyển tiếp dữ liệu tới các miền OSPF Tương tự MOSPF cũng sử dụng các router multicast trên vùng biên (Multicast AS Border Routers - MASBR) để chuyển tiếp dữ liệu muticast tới các router trên vùng đường Khi lưu lượng vào từ một miền khác thông qua MASBR lưu lượng này được chuyển qua đường trục tới MABR dựa vào LAS nhóm rút gọn Tiếp theo dữ liệu từ các router MABR tiếp tục được phát tán tới các thành viên nhóm multicast dựa vào cây đường đi ngắn nhất được minh họa như trên hình 1.17

Hình 1.17 Lưu lượng multicast xuống các miền MOSPF

CHƯƠNG 2: ĐÀO TẠO ĐIỆN TỬ DỰA TRÊN CÔNG NGHỆ IP MULTICAST

2.1 Một số công nghệ mạng phục vụ cho hệ thông đào tạo điện tử

H.323 định nghĩa chi tiết các hoạt động của các thiết bị người dùng, các gateway và các trạm khác Đầu cuối (endpoint) người dùng H.323 có thể truyền thông thời gian thực, audio hai chiều, video hoặc dữ liệu với một kết cuối người dùng H.323 khác Đầu cuối cũng có thể truyền thông với gateway H.323 hoặc đơn vị điều khiển đa điểm MCU.

2 1.1.2.Cấu trúc của H.323:

H.323 là một giao thức có cấu trúc gồm 4 thành phần: đầu cuối, Gateway, Gatekeeper và đơn vị điều khiển đa điểm MCU (Multipoint Control Unit) Cấu trúc này được mô tả như trong hình sau:

2.1.1.4 Hoạt động của H.323:

Giao thức H.323 bao gồm nhiều hoạt động để hỗ trợ truyền thông giữa người dùng và các đầu cuối khác, các gateway và MCU Hình 2.3 trình bày các giai đoạn chính trong quá trình thiết lập cuộc gọi giữa hai điểm cuối H.323.

2.1.1.5 Mô hình mạng cơ bản của H.323:

Phát hiệnĐăng kíThiết lập kết nốiThay đổi dung lượng

Thay đổi kênh logicTruyền tải

PSTN Hồng Kông

PSTN Thái Lan

PSTN Lào

Hình 2.4 Mô hình H.323 cơ bản thông qua InternetHình 2.3 Các giai đoạn chính của H.323

2.1.2.Giao thức khởi tạo phiên SIP:

2.1.2.1.Tổng quan:

Giao thức khởi tạo phiên (SIP, Session Initiation Protocol) là một giao thức điều khiển và đã được tiêu chuẩn hóa bởi IETF (RFC 2543) Nhiệm vụ của nó là thiết lập, hiệu chỉnh và xóa các phiên làm việc giữa các người dùng Các phiên làm việc cũng có thể là hội nghị đa phương tiện, cuộc gọi điện thoại điểm-điểm, … SIP được sử dụng kết hợp với các chuẩn giao thức IETF khác như là SAP, SDP và MGCP (MEGACO) để cung cấp một lĩnh vực rộng hơn cho các dịch vụ VoIP Cấu trúc của SIP cũng tương tự với cấu trúc HTTP (giao thức client-server) Nó bao gồm các yêu cầu được gửi đến từ người sử dụng SIP client tới SIP server Server xử lý các yêu cầu và đáp ứng đến các client Một thông điệp yêu cầu, cùng với các thông điệp đáp ứng tạo nên sự thực thi SIP.

SIP là một công cụ hỗ trợ hấp dẫn đối với điện thoại IP vì các lý do sau :

+ Nó có thể hoạt động vô trạng thái hoặc có trạng thái Vì vậy, sự hoạt động vô trạng thái cung cấp sự mở rộng tốt do các server không phải duy trì thông tin về trạng thái cuộc gọi một khi sự thực hiện (transaction) đã được xử lý.

+ Nó có thể sử dụng nhiều dạng hoặc cú pháp giao thức chuyển siêu văn bản HTTP (Hypertext Transfer Protocol), vì vậy, nó cung cấp một cách thuận lợi để hoạt động trên các trình duyệt.

+ Bản tin SIP (nội dung bản tin) thì không rõ ràng, nó có thể là bất cứ cú pháp nào Vì vậy, nó có thể được mô tả theo nhiều cách Chẳng hạn, nó có thể được mô tả với sự mở rộng thư Internet đa mục đích MIME (Multipurpose Internet Mail Extension) hoặc ngôn ngữ đánh dấu mở rộng XML (Extensible Markup Language).

+ Nó nhận dạng một người dùng với bộ định vị tài nguyên đồng nhất URL (Uniform Resource Locator), vì vậy, nó cung cấp cho người dùng khả năng khởi tạo cuộc gọi bằng cách nhấp vào một liên kết trên trang web.

Nói chung, SIP hỗ trợ các hoạt động chính sau :

+ Định vị trí của người dùng.+ Định media cho phiên làm việc.

+ Định sự sẵn sàng của người dùng để tham gia vào một phiên làm việc.

+ Thiết lập cuộc gọi, chuyển cuộc gọi và kết thúc.

2.1.2.2 Cấu trúc của SIP:

Một khía cạnh khác biệt của SIP đối với các giao thức xử lý cuộc gọi IP khác là nó không sử dụng bộ điều khiển Gateway Nó không dùng khái niệm Gateway/bộ điều khiển Gateway nhưng nó dựa vào mô hình khách/chủ (client/server).

Server : là một chương trình ứng dụng chấp nhận các bản tin yêu cầu

để phục vụ các yêu cầu này và gửi trả các đáp ứng cho các yêu cầu đó Server là Proxy, Redirect, UAS hoặc Registrar.

Proxy server : là một chương trình trung gian, hoạt động như là một

server và một client cho mục đích tạo các yêu cầu thay mặt cho các client khác Các yêu cầu được phục vụ bên trong hoặc truyền chúng đến server khác Một Proxy có thể dịch và nếu cần thiết, có thể tạo lại bản tin yêu cầu SIP trước khi chuyển chúng đến server khác hoặc một UA Trong trường hợp này, trường Via trong bản tin đáp ứng, yêu cầu chỉ ra các Proxy trung gian tham gia vào tiến trình xử lý yêu cầu.

Redirect server : là một server chấp nhận một yêu cầu SIP, ánh xạ địa

chỉ trong yêu cầu thành một địa chỉ mới và trả lại địa chỉ này trở về client Không giống như Proxy Server, nó không khởi tạo một yêu cầu SIP và không