Triển khai một hệ thống multicast để truyền các dịch vụ IP multicast được dựa trên kiến trúc mạng phân phối, bao gồm thành phần vật lý và logic sau:
+ Các thiết bị IGMP
+ Các nhóm multicast và cách đánh địa chỉ + Giao thức truyền tải IPTV multicast
Công nghệ truyền hình IPTV
+ Kiến trúc truyền tải multicast
2.4.1 Các thiết bị IGMP:
Một host được kích hoạt multicast được cấu hình để gửi và nhận dữ liệu multicast. Có hai loại thiết bịđược sử dụng trong một giao phiên truyền thông IGMP:
- Một IGMP host là bất kì máy chủ hay máy khách được kết nối tới một mạng IPTV. Ví dụ như: một set-top-box, một điện thoại di động, hoặc một PC…
- Các bộ định tuyến multicast còn được gọi là các bộ định tuyến IGMP là thành phần quan trọng trong một hạ tầng mạng IPTV. Trên một mạng IPTV có hai loại bộ định tuyến: tập hợp và phân phối. Các bộ định tuyến phân phối thông thường nằm tại trung tâm dữ liệu IPTV hoặc các headend và kết nối trực tiếp với các máy chủ nội dung. Tất cả
các kênh IPTV đều được sẵn sàng tại bộđịnh tuyến phân phối. Bộđịnh tuyến tập hợp thì
được đặt tại luồng xuống trong mạng và gần với các người dùng. Chỉ các kênh mà được xem bởi các IPTVCD được kết nối tới các bộđịnh tuyến tập hợp là sẵn sàng tại điểm này trên mạng. Chúng được kết nối đến mạng truyền tải IPTV và hỗ trợ các chức năng sau:
+ Nhận nội dung IPTV được multicast: trên một mạng IPTV nhiều cổng giao tiếp của bộđịnh tuyến hoạt động ở chếđộ multicast để các bộđịnh tuyến phân tích các gói đi vào để thấy chúng có yêu cầu xử lý thêm hay không. Khi một bộ định tuyến multicast nhận các gói, các gói này có một bit đặc biệt trong phần header được thiết lập là 1, nó gửi các gói này qua một giao thức truyền thông IP để xử lý thêm. Các bộđịnh tuyến multicast còn sử dụng các thuật toán phức tạp để giải quyết việc chuyển tiếp lưu lượng IPTV multicast.
+ Giữ các bảng định tuyến hiện hành: các bộđịnh tuyến multicast sử dụng các bảng giống nhau mà được sử dụng bằng bất kì các giao thức unicast cơ bản mà được cấu hình trên bộ định tuyến. Những bảng này được giữ hiện hành bởi hệ thống hoạt động của bộ định tuyến.
Công nghệ truyền hình IPTV
+ Sao chép các luồng IPTV: là khả năng của bộ định tuyến để lấy một luồng video IPTV vào và sao chép luồng này qua một hay nhiều cổng tới nhiều thuê bao IPTV cá nhân.
Do đó, việc triển khai công nghệ multicast có một ảnh hưởng quan trọng trên hiệu suất của các bộ định tuyến và thường yêu cầu nâng cấp để hỗ trợ truyền nội dung IPTV hiệu quả.
2.4.2 Các nhóm multicast và cách đánh địa chỉ:
Truyền multicast qua một mạng IPTV thực hiện bằng việc gửi các gói video đến một nhóm các IPTVCD cùng quan tâm đến nhận một kênh IPTV. Một nhóm thì được xác
định bằng một địa chỉ IP lớp D duy nhất.
Một địa chỉ IP multicast lớp D bắt đầu với 1110 như là bốn bit đầu tiên của dải địa chỉ
từ 224.0.0.0 đến 239.255.255.255. Tương đương với tổng cộng 268.435.456 nhóm multicast.
Hình 2.5: Cấu trúc của một địa chỉ multicast lớp D
Tất cả các địa chỉ IP cần được chuyển sang địa chỉ MAC khi sử dụng để triển khai các dịch vụ IPTV multicast.
Công nghệ truyền hình IPTV Dải địa chỉ Loại địa chỉ Miêu tả 224.0.0.0 đến 224.0.0.255 Cốđịnh Được sử dụng cho các ứng dụng đặc biệt multicast. 224.0.1.0 đến 238.255.255.255 phạm vi toàn cầu ( internet )
Những địa chỉ này được sử dụng để truyền IP multicast nội dung video qua mạng Internet công cộng.
239.0.0.0 đến 239.255.255.255
phạm vi hành chính
Được sử dụng cho các IP multicast mà được giới hạn trong một tổ chức hoặc một nhóm cục bộ.
Bảng 2.3: Các dải địa chỉ IP multicast và các ứng dụng liên quan.
Địa chỉ Miêu tả
224.0.0.1 Tất cả hệ thống trên đường mạng đó (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
224.0.0.2 Tất cả các router IGMPv2 trên đường mạng đó 224.0.0.13 Tất cả các router PIM
Bảng 2.4: Một số các địa chỉ multicast thông dụng
2.4.3 Giao thức IPTV multicast:
IPTV multicast sử dụng các giao thức đặc biệt để phân phối và sao chép nội dung IPTV, đó là giao thức quản lý nhóm Internet IGMP, được các IPTVCD sử dụng để “join” hoặc “leave” một địa chỉ nhóm multicast. IGMP gồm 3 phiên bản: IGMPv1, IGMPv2, IGMPv3.
- IGMPv1: vì không có khả năng “leave group” nên không được triển khai trong IPTV. - IGMPv2: hỗ trợ ASM, khi một IPTVCD gửi ra một bản tin muốn tham gia vào một nhóm để bắt đầu xem một kênh quảng bá TV, bản tin này chứa địa chỉ IP đích của nhóm
đó hoặc kênh quảng bá được yêu cầu và kênh quảng bá đã được truyền đến người yêu cầu. Các địa chỉ nhóm multicast được lấy từ EPG. Khi nhận kênh quảng bá IPTVCD
Công nghệ truyền hình IPTV
được cấu hình để lắng nghe tất cả các lưu trong nhóm multicast đó. Hiện nay ASM được
ứng dụng trong hội nghị truyền hình và thương mại tài chính.
- IGMPv3: hỗ trợ SSM, bản tin IGMPv3 chứa địa chỉ IP nhóm multicast và địa chỉ IP multicast của nguồn nội dung được biểu diễn qua hai kí tự là (S,G) trong đó S là địa chỉ
IP unicast của máy chủ nội dung video và G là địa chỉ IP nhóm multicast của kênh TV quảng bá. Dãi địa chỉ 232.0.0.0 đến 232.255.255.255 được dùng cho triển khai các ứng dụng SSM và các giao thức. Các thiết bị hỗ trợ IGMPv3 phải có thể kiểm tra các ghi nhận nhóm trong các bản tin membership report, đây là kỹ thuật kiểm tra các gói tin kỹ
lưỡng điều này có nghĩa là các thiết bị phần cứng hỗ trợ IGMPv3 cần yêu cầu thêm tài nguyên phần cứng để thực hiện kỹ thuật này. Việc yêu cầu thêm tài nguyên phần cứng hay bộ nhớ thì chi phí rất tốn kém. Đây cũng là lý do không thể sử dụng IGMPv3 để triển khai các dịch vụ IPTV.
Vì vậy khi triển khai IPTV thì các nhà cung cấp dịch sử dụng IGMPv2. IGMPv2 là phiên bản IGMP được sử dụng để lựa chọn nhận một kênh IPTV broadcast. Các đặc trưng của IGMPv2 bao gồm:
+ Cải thiện thời gian “leave”:IGMPv2 giảm thời gian cho một router multicast biết rằng không còn thuê bao IPTV nào đang truy cập vào một kênh broadcast, đặc trưng này lược bỏ bất kỳ các luồng không mong muốn làm giảm tắt nghẽn trên mạng.
+ Được hỗ trợ rộng rải: được hỗ trợ cho tất cả các phiên bản hệ điều hành Microsoft. Ngoài ra các phiên bản của Linux và Unix còn cung cấp hỗ trợ mạnh mẽ cho IGMPv2.
+ Hỗ trợ cho IPTV: IGMPv2 hỗ trợ cho multicast lưu lượng IPTV. IGMPv2 có thể tạo ra một lệnh để rời khỏi một kênh IPTV.
+ Xử lý bầu chọn người truy vấn: theo giao thức của IGMP chỉ có một router có thể
gửi các bản tin truy vấn trên một phân đoạn mạng. IGMPv2 hỗ trợ bầu chọn để xác định router chiệu trách nhiệm gửi ra các bản tin truy vấn. Điều này dựa trên nguyên lý mà các router với địa chỉ IP thấp hơn được bầu chọn để làm người truy vấn.
Công nghệ truyền hình IPTV
Loại bản tin Miêu tả
Membership query
Các bản tin này được gửi định kỳ trên mạng bởi các router multicast. Chỉ một router được cho phép gửi một các bản tin query trên một phân đoạn mạng. Có hai loại bản tin query: toàn bộ và nhóm riêng biệt. Các bản tin query toàn bộ được sử dụng để xác định các IPTVCD nào đang xem các luồng multicast nào. Các bản tin query theo từng nhóm được sử dụng để tìm ra bất kỳ thuê bao nào đang xem một luồng IPTV multicast
Version 2 membership report
Được sử dụng bởi các client IGMPv2 để tham gia hay kết nối vào một kênh IPTV. Ngoài ra bản tin này còn được sử dụng để hồi đáp các truy vấn và thường được gửi khi yêu cầu chuyển kênh IPTV. Leave group Loại bản tin này không có trên IGMPv1. Mục đích của bản tin này
là ngưng truyền các luồng IPTV từ các router multicast khi mà không còn thành viên nào trong nhóm đó nữa hay tất cả các thuê bao trên một phân đoạn mạng không xem kênh đó nữa. Khi bản tin này được nhận router sẽ tự động ngưng truyền các bản sao chép của một luồng broadcast.
Bảng 2.5: Các loại bản tin IGMPv2
+ Định dạng bản tin: tất cả các bản tin IGMPv2 được đóng gói vào các IP datagram. Trong phần IP header có chứa số xác nhận của IGMPv2 đó là số 2.
Công nghệ truyền hình IPTV
Tên trường Miêu tả
Type Xác định loại bản tin sử dụng như: membership query, v2 membership query, leave group và v1 membership report. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Thời gian hồi đáp tối đa
Trường này chỉ liên quan đến các bản tin membership query. Nó xác định chu kỳ thời gian tối đa cho việc truyền một bản tin hồi đáp.
Checksum Được sử dụng để bảo vệ toàn vẹn dữ liệu và kiểm tra lỗi. Group address Giá trị trong trường này sẽ biến thiên giữa các loại tin
nhắn khác nhau.
Bảng 2.6: Cấu trúc một bản tin IGMPv2
Khi một thuê bao chuyển kênh, IPTVCD sẽ gửi hai lệnh đến các thiết bị trung tâm: (1) Rời khỏi video multicast hiện thời.
(2) Tham gia vào một video multicast mới.
+Quá trình IGMPv2 leave: các IPTVCD chỉ có thể nhận một kênh tại điểm một thời gian. Đây là kỹ thật cho phép các client IPTV rời khỏi một nhóm IP multicast (chuyển kênh).
Công nghệ truyền hình IPTV
Hình 2.7: Quá trình IGMPv2 leave
(1) Chấm dứt truy cập vào luồng IPTV hiện thời: IP set-top-box gửi một lệnh từ người xem muốn chuyển từ kênh 10 sang kênh khác.
(2) Gửi ra một bản tin rời khỏi nhóm: bản tin “leave group” chứa địa chỉ IP của kênh TV muốn rời khỏi, bản tin này được gửi đến tất cả các router multicacst bằng địa chỉ
multicast 224.0.0.2. Trong trường hợp này bản tin này được nhận bởi router biên tại một tổng đài khu vực.
(3) Gửi ra bản tin truy vấn theo từng nhóm: router biên gửi ra hai bản tin truy vấn theo từng nhóm để xác định có thêm IPTVCD nào muốn nhận kênh TV broadcast này nữa không.
(4) Xử lý thêm của router: nếu không có hồi đáp đến bản tin truy vấn theo từng nhóm, router tiến đến ngưng hoạt động nhóm multicast này, loại bỏ toàn bộ bảng nhóm giao diện IGMP và chấm dứt gửi lưu lượng IPTV đến các giao diện đó.
+Quá trình IGMPv2 join: Khi một IP set-top-box bắt đầu nhận các gói multicast từ
một máy chủ nội dung IPTV nó phải thông qua quá trình tham gia IGMPv2. Quá trình
Công nghệ truyền hình IPTV
điện tử EPG chạy trên IP set-top-box để chuyển đến một kênh TV broadcast. Quá trình thực hiện gồm các bước sau đây:
Hình 2.8: Quá trình IGMPv2 join.
(1) Nhận địa chỉ nhóm: Hệ điều hành hay phần mềm middleware chạy trên IP set-top- box nhận địa chỉ nhóm của một kênh broadcast được yêu cầu từ một địa chỉ multicast cố định hoặc một địa chỉđược nhận từ một chuổi URL.
(2) Cho biết giao thức IP để bắt đầu nhận một luồng lưu lượng multicast: khi địa chỉ
nhóm đã được xác định, giao thức truyền thông IP được cho biết để bắt đầu nhận lưu lượng IPTV multicast theo địa chỉ Ipv4 hoặc Ipv6.
(3) Chuyển yêu cầu multicast đến lớp phần cứng: bộ adaptor mạng đa phần là Ethernet
được hướng dẫn để lắng nghe và hồi đáp đến địa chỉ MAC multicast tương ứng với địa chỉ multicast của kênh broadcast được yêu cầu.
(4) Cho biết router cục bộ: IP set-top-box gửi một bản tin IGMP Host Membership Report hoặc bản tin “Join” đến router cục bộ. Bản tin này cho biết router cục bộ tại tổng
Công nghệ truyền hình IPTV
TV broadcast đó. IP set-top-box có thể truy cập đến một kênh IPTV bằng cách hồi đáp bản tin truy vấn được phát ra từ router multicast.
(5) Kiểm tra luồng multicast đã sẵn sàng hay chưa: router cục bộ cần xác định nếu luồng IPTV đó đã được nhận thì nó sẽ sao chép luồng IPTV đó và gửi luồng này đến IP set-top-box qua đúng giao diện, còn nếu chưa thì router gửi ra một yêu cầu qua mạng đến máy chủ chứa luồng IPTV đó và một bản sao chép của luồng IPTV này được gửi lại router cục bộđó và gửi tiếp đến IP set-top-box
+Quá trình IGMPv2 query: router multicast chiệu trách nhiệm gửi broadcast định kỳ (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
các bản tin truy vấn IGMP trên một phân đoạn mạng IPTV. Mục đích của các bản tin này là xác định những IPTVCD nào trong những nhóm multicast nào. IGMPv2 chỉ cho phép một router multicast gửi ra các bản tin truy vấn, IGMPv2 sử dụng kỹ thuật bầu chọn để
chọn ra router multicast thích hợp để gửi ra các bản tin truy vấn. Quá trình này được thực hiện qua các bước sau đây:
(1) Khi một router IP multicast được kết nối đến một mạng băng thông rộng, mặc định nó chiệu trách nhiệm quản lý và gửi broadcast các bản tin truy vấn IGMP.
(2) Nó bắt đầu gửi ra các bản tin truy vấn IGMP, các bản tin này được gửi ra với khoảng cách là 125 s trên hầu hết các router và các bản tin này được gửi đến địa chỉ
224.0.0.1
(3) Khi được kết nối tới mạng, router này có thể nhận các bản tin IGMP từ các router khác.
(4) Nó kiểm tra bản tin này và nếu địa chỉ IP chứa trong bản tin này có giá trị nhỏ hơn khi so sánh với địa chỉ IP của chính nó, nó sẽ ngưng gửi ra các bản tin truy vấn. Nếu không có bản tin truy vấn nào được nhận trong thời gian định kỳ (255s), sau đó router trở
thành người truy vấn và tiếp tục quản lý và xử lý các bản tin truy vấn IGMP.
Giảm số lượng các router multicast truy vấn trên một mạng IPTV giúp giảm số lượng các bản tin truy vấn và hồi đáp đi qua mạng góp phần giảm băng thông tiêu thụ.
Công nghệ truyền hình IPTV
2.4.4 Kiến trúc truyền tải multicast:
Truyền tải video qua hạ tầng mạng IP một cách tổng quan sử dụng một số công nghệ
và các giao thức định tuyến tiên tiến. Phần này trình bày chi tiết một số kỹ thuật định tuyến mà được sử dụng trong các mạng IPTV:
+ Các cây phân phối multicast + Các giao thức phân phối multicast + Kỹ thuật chuyển tiếp multicast
2.4.4.1 Các cây phân phối multicast:
Một cây phân phối multicast được sử dụng để truyền hiệu quả các dịch vụ TV trực tuyến từ các máy chủ tại các trung tâm dữ liệu IPTV hoặc các tổng đài khu vực tới các IPTVCD tại khu vực này.
Một bộđịnh tuyến IP multicast sử dụng thông tin từ giao thức IGMP và từ các nguồn khác để tạo thành danh sách các node mà vạch ra đường dẫn hoặc đường đi mà các gói nội dung IPTV cần đi tới để đi đến các đích của chúng điển hình là các IPTVCD. Các danh sách các node này hoặc bản đồ đường đi được gọi là các cây phân phối multicast. Có hai loại cây phân phối multicast cơ bản là cây nguồn và cây chia sẽ.
- Các cây nguồn: dựa trên nguyên tắc xác định các đường dẫn ngắn nhất qua mạng từ
nguồn tới các IPTVCD đích và đường dẫn ngắn nhất này được gọi là cây đường dẫn ngắn nhất SPT. Một cây nguồn mới thì được cấu hình khi các máy chủ nguồn được thêm vào mạng IPTV.
Một cây nguồn thì được tạo bởi một máy chủ IPTV, R1 là root và các bộ định tuyến 2,3,4,5. Bất cứ bộđịnh tuyến nào được sử dụng để chuyển các luồng video tới một IP set- top-box là một phần của cây và các bộ định tuyến mà không truyền tải các luồng video thì không thuộc cây này. Để xác định các đường định tuyến, các cây này còn sử dụng các