0: net layer protocol 1: khác
5.4. IP multicast qua mạng vệ tinh
Sự thành cơng của việc phát quảng bá dịch vụ vệ tinh kỹ thuật số (cho TV và vơ tuyến) và bản chất khơng đối xứng của luồng lưu lượng IP đã được kết hợp dẫn đến kết quả là hệ thống vệ tinh cĩ khả năng hỗ trợ truy nhập internet tốc độ cao, từ đĩ nĩ là một bước cơ bản để xem xét thêm khả năng khai thác quảng bá của vệ tinh: nghiên cứu phát quảng bá IP qua vệ tinh.
mạng vệ tinh cĩ thể là một phần của cây định tuyến IP multicast tại nguồn, trục hoặc kết thúc của nhánh những gĩi IP chuyển tiếp hướng về đích chúng. Hình 5.13
minh hoạ một ví dụ về mơ hình mạng và hình sao sử dụng trong dự án GEOCAST trên IP multicast của vệ tinh GEO được tài trợ trong khuơn khổ chương trình EU thứ 5
Hình 5.13 Hệ thống GEOCAST với mơ hình mạng hình sao và lưới
5.4.1. IP multicast
Ở chương này chúng sẽ nghiên cứu về cơng nghệ IP multicast. Multicast cho phép một nguồn mạng truyền thơng gửi một dữ liệu đến nhiều nơi cùng một lúc trong khi chỉ cĩ một bản sao dữ liệu duy nhất được truyền đi. Sau đĩ mạng sẽ tạo ra một bản sao và gửi nĩ đến người nhận nếu cần thiết.
Multicast được coi là một phần của ba loại truyền thơng :
• Unicast: truyền dữ liệu từ 1 điểm nguồn đến 1 điểm đích( ví dụ tải một trang web từ một server đến trình duyệt của người dùng hoặc copy từ server này đến một server khác
• Multicast: truyền dữ liệu từ một điểm nguồn đến nhiều điềm đích, định nghĩa này cũng bao hàm mạng truyền thơng cĩ nhiều nguồn (ví dụ đa điểm–đa điểm) một ví dụ gần đây chính là hội nghị truyền hình tại đĩ các bên tham gia cĩ thể được coi như là nguồn đơn multicast đến các người tham gia khác. • Broadcast: truyền dữ liệu từ một một nguồn tới tất cả các người nhận trong
miền (ví dụ như trong mạng LAN hoặc từ vệ tinh tới tất cả các người nhận trong chùm vết vệ tinh). Các thuận lợi của multicast là :
─ Giảm băng thơng sử dụng mạng: ví dụ nếu gĩi dữ liệu được multicast đến 100 người nhận thì nguồn chỉ gửi một bản sao của mỗi gĩi dữ liệu. Mạng sẽ chuyển hướng gĩi này tới đích khi cần gửi gĩi trên các liên kết mạng khác nhau để tới được tất cả các đích thì chỉ cần tạo nhiều bản sao của gĩi dữ liệu do đĩ chỉ cĩ bản sao của mỗi gĩi được truyền đi
thơng qua bất kỳ đường nào trong mạng và tổng tải trọng của mạng là giảm 100 lần so với kết nối unicast. Đây là một lợi ích vơ cùng quan trọng trong hệ thống vệ tinh nơi mà tài nguyên là vơ cùng hạn chế và đắt.
─ Giảm tải xử lý nguồn: nguồn đích khơng cần duy trì trạng thái thơng tin về liên kết truyền thơng giữa mỗi cá nhân người nhận.
Multicast cĩ thể cĩ nỗ lực cao nhất hoặc đáng tin cậy, “nỗ lực cao nhất” khơng cĩ nghĩa kỹ thuật là đảm bảo rằng gĩi dữ liệu truyền từ bất kỳ nguồn multicast nào thì được nhận bởi tất cả hoặc bất kỳ người nhận nào và thường thì được thực hiện bởi truyền gĩi UDP nguồn trên một địa chỉ multicast. “độ tin cậy” cĩ nghĩa kỹ thuật là thực hiện đảm bảo rằng tất cả các gĩi dữ liệu thì được gửi từ một nguồn : điều này địi hỏi giao thức multicast đáng tin cậy.
5.4.2. Xác định địa chỉ IP multicast
Với mỗi đầu cuối hoặc host trong mạng internet thì được nhận dạng bằng một địa chỉ IP là duy nhất. Trong IP version 4 địa chỉ IP cĩ 32 bit được chia thành số network và số host mà tương ứng dùng để xác định mạng và đầu cuối được đính kèm mỗi mạng. Một gĩi dữ liệu IP unicast bình thường bao gồm địa chỉ nguồn và địa chỉ đích trong tiêu đề (header) gĩi IP, router sẽ sử dụng địa chỉđích đểđịnh tuyến gĩi tin từ nguồn tới đích như vậy cơ chế này cĩ thể khơng được sử dụng cho mục đích multicast từ khi đầu cuối nguồn cĩ thể khơng biết khi nào, ở đâu và đầu cuối nào cố nhận gĩi tin do đĩ cĩ một dải địa chỉ được thiết lập chỉ dành cho mục đích multicast, dải địa chỉ đĩ được gọi là lớp D từ 224.0.0.0 đến 239.255.255.255. Khơng giống như lớp A, B, C những địa chỉ này khơng cĩ liên kết đến bất kỳ số mạng vật lý hoặc số host nhưng thay vào đĩ nĩ liên kết với nhĩm multicast giống như kênh vơ tuyến các thành viên của nhĩm nhận gĩi multicast được gửi đến địa chỉ này và địa chỉ này được sử dụng bởi các router multicast để định tuyến gĩi IP multicast tới các người dùng đăng ký là thành viên nhĩm multicast. Cơ chế mà các đầu cuối đăng ký cho một nhĩm gọi là IGMP được mơ tả như bên dưới:
5.4.3. Quản lý nhĩm Multicast
Để thực hiện hiệu quả sử dụng tài nguyên mạng, mạng chỉ gửi những gĩi multicast tới những mạng và mạng con mà các người dùng thuộc nhĩm multicast. Giao thức phát đa điểm (multicast) nhĩm internet cho phép các host hoặc đầu cuối thiết lập một kết nối vào nhận truyền multicast. IGMP hỗ trợ 3 loại bản tin là: báo cáo, truy vấn và rời khỏi. Đầu cuối nào muốn nhận truyền multicast phải phát ra bản tin IGMP tham gia mà được nhận từ router gần nhất. Bản báo cáo này xác định địa chỉ IP multicast lớp D của nhĩm tham gia. Router sau đĩ sử dụng giao thức định tuyến multicast (được trình bày sau) để xác định đường đến nguồn. Để xác định trạng thái của thiết bị đầu cuối nhận multicast thỉnh thoảng router cũng phát một IGMP truy vấn tới thiết bị đầu cuối trong mạng hoặc mạng con. Khi thiết bị đầu cuối nhận được chẳng hạn truy vấn nĩ sẽ đặt thời gian rời cho mỗi thành viên nhĩm. Khi thời gian này hết hạn thiết bị đầu cuối phát bản tin báo cáo IGMP để xác định rằng nĩ vẫn
muốn nhận việc truyền multicast, tuy nhiên để xố bỏ bản sao báo cáo cho các địa chỉ cùng nhĩm D. Nếu đầu cuối đã nhận được bản báo cáo từ các nhĩm đầu cuối khác nĩ sẽ dừng quá trình của nĩ lại và khơng gửi báo cáo nữa. Lợi ích của điều này là tránh làm quá tải mạng con vì những báo cáo IGMP
Khi một đầu cuối muốn kết thúc việc nhận sự truyền dẫn multicast nĩ cần cĩ một bản tin cho phép IGMP. Những thư cho phép được hỗ trợ trong IGMP phiên bản 2. Ở phiên bản 1 một máy chủ hoặc một đầu cuối biến đổi một cách ổn định nĩ thường ở trong tình trạng khơng phải là thành viên và khơng cĩ thư gửi đến router. Nếu tất cả các thành viên của nhĩm trong một subnet cĩ lỗi thì router sẽ khơng chuyển bất kì gĩi multicast nào khác đến subnet đĩ nữa
5.4.4. Định tuyến IP multicast
Trong một router IP bình thường được sử dụng cho unicast, các bảng định tuyến chứa những thơng tin để xác định đường dẫn đến địa chỉ các IP đích. Tuy nhiên, các bảng định tuyến này khơng hữu ích cho IP multicast từ khi các gĩi multicast khơng chứa thơng tin về vị trí của các gĩi đích. Do đĩ giao thức định tuyến và các bảng định tuyến khác sẽ được sử dụng.
Địa chỉ giao thức định tuyến multicast giúp cho việc đồng nhất hố router để dữ liệu được truyền qua mạng từ nguồn và đến tất cả các điểm đích của nĩ, điều này thì làm giảm tối thiểu nguồn mạng cần thiết cho cơng việc này. Trong IP multicast, thì bảng định tuyến router tỏ ra cĩ hiệu quả hơn trong việc định hướng từ các đích đến các nguồn hơn là từ các nguồn đến các đích, trừ khi cĩ một địa chỉ nguồn trong gĩi dữ liệu IP tương ứng với một địa điểm vật lí xác định. Kỹ thuật “đường ống”(tunnelling) cũng cĩ thể được dùng để hỗ trợ các multicast qua các router mà khơng cần dùng đến khả năng multicast. Một số giao thức định tuyến multicast được phát triển bởi IETE. Gồm cĩ những multicast mở rộng là : OSPF(M-OSPF)giao thức định tuyến phát đa phương theo vectơ khoảng cách(DVMRP)giao thức multicast độc lập và chế độ giảm tải(PIM-SM), chế độ tăng cường PIM(PIM-SM) và cây cơ bản chính (CBT). Ở đây chúng ta chỉ xem xét sơ lược về nguyên tắc hoạt động của 2 giao thức DVMRP và PIM-DM, DVMRP và PIM-DM là thuật tốn “làm đầy và vét cạn”; trong giao thức này, khi một nguồn bắt đầu gửi dữ liệu, các giao thức sẽ làm đầy mạng bằng các dữ liệu. Tất cả các router khơng cĩ đính kèm multicast nhận gửi một sẽ gửi một thơng điệp báo lỗi về cho nguồn(tức là các router này biết rằng chúng đã khơng nhận được vì chúng khơng cĩ báo cáo gia nhập IGMP). Những giao thức này cĩ một bất tiện đĩ là ở trạng thái “ vét cạn” chúng yêu cầu tất cả các router (ví dụ chúng ta cần vét cạn những địa chỉ multicast), bao gồm luơn cả những router khơng cĩ nhận multicast xuống.
Giao thức làm đầy và vét cạn cịn sử dụng con đường ngược lại (RPF) để chuyển tiếp những gĩi multicast từ nguồn đến người nhận: giao diện RPF cho tất cả các gĩi là giao diện mà router sẽ sử dụng để để gửi gĩi unicast đến gĩi nguồn (hình 5.14 minh hoạ nguyên tắc này trong một mạng trái đất
Nếu một gĩi cĩ trong giao diện RPF thì nĩ làm đầy tất cả các giao diện khác (trừ khi chúng đã vét cạn trước đĩ). Nhưng nếu gĩi đến bất kỳ giao diện khác nĩ sẽ khơng cĩ gì ảnh hưởng đến hệ thống cả. Điều này đảm bào hiệu quả làm đầy và ngăn ngừa các gĩi lặp.
DVMRP sử dụng chính bảng định tuyến của nĩ để xác định con đường tốt nhất dẫn tới nguồn, trong khi PIM-DM thì sử dụng một cơ sở giao là thức định tuyến unicast.
Hình 5.14 Ví dụ RPF trái đất
5.4.5. Phạm vi IP multicast
Phạm vi là cơ chế để điều khiển lớp địa lý của việc truyền multicast, bằng cách sử dụng thời gian sống (TTL)phần trong IP header. Nĩ sẽ cho mạng biết khoảng cách (khoảng cách giữa các router) bất kỳ gĩi IP được phép truyền đi, cho phép các nguồn IP multicast xác định được cĩ nên gửi các gĩi đến mạng con, các domain lớn hoặc tồn internet hay khơng. Điều này được thực hiện bằng cách giảm TTL ở mỗi router 1 đơn vị. Khi chuyển các gĩi đến chặng kế tiếp và loại ra các gĩi nếu TTL bằng 0. Mỗi mạng con cĩ một bộ lọc hoặc tường lửa để loại ra những gĩi khơng hợp yêu cầu, cơng việc này vượt ra khỏi tầm điều khiển của nguồn multicast. Cơng việc này cĩ thể xảy ra khi mà TTL quá nhỏ( khơng đáng kể). Các gĩi IP multicast cĩ thể đến với tất cả các thành viên trong nhĩm mặc dù họ ở các vùng khác nhau
5.4.6. Trạng thái IGMP trong mơi trường vệ tinh
Trong mơi trường vệ tinh, phương thức quản lí nhĩm multicast cùng với phương thức phạm vi cĩ thể cung cấp một giải pháp hữu hiệu để hỗ trợ IP multicast tới một lượng lớn người dùng ở nhiều vùng miền khác nhau. Tuy nhiên trên vệ tinh phải xây dựng một trạng thái IGMP tương thích, như chúng ta đã từng tìm hiểu, trong quy ước mạng LAN mặt đất, một báo cáo IGMP được thu bởi một người nhận multicast khác trong mạng LAN, và điều này ngăn ngừa mạng LAN bị các báo cáo làm đầy. Trong hệ thống vệ tinh, các trạm mặt đất cĩ thể khơng nhận ra nhau, việc cung cấp nhiều multicast người nhận trong hệ thống vệ tinh( khoảng 105 hoặc 106)
nhiều báo cáo IGMP cĩ thể là nguyên nhân chính gây ra tắc mạng vì lưu lương IGMP. Vì thế cần phải được triển khai một số IGMP và multicast thích hợp
Cĩ 2 lựa chọn như sau, ví dụ minh hoạ về một multicast từ cổng mặt đất liên kết ngược đến nhiều đầu cuối người dùng thơng qua một router như hình 5.15
• Kênh multicast được cấu hình để truyền qua liên kết vệ tinh rồi tải xuống mỗi router, với lưu lượng IGMP chỉ hoạt động giữa router và đầu cuối người dùng như trong hình 5.15(a)thì khơng cĩ sự truyền dẫn của lưu lượng IGMP trong khơng khí trong trường hợp này. Đây là một giải pháp đơn giản nhưng tương đối hiệu quả nĩ cho phép tiết kiệm tài nguyên cong suất vệ tinh. Nếu khơng cĩ kênh multicast đặc biệt trong bất kì vị trí nào.
Hình 5.15 a) IGMP qua vệ tinh: Multicast tĩnh
• Những kênh multicast(như quy ước về mạng mặt đất)truyền thơng qua liên kết vệ tinh nếu cĩ một hoặc nhiều hơn một người dùng cuối. Thơng điệp IGMP lúc này được truyền thơng qua khơng khí. Khi một router người nhận tải xuống một bản báo cáo IGMP từ một đầu cuối sau IGMP tìm kiếm , hoặc router phải truyền thơng điệp IGMP qua vệ tinh cho tất cả các trạm khác để tránh làm đầy mạng, hay những người nhận khác cũng phải truyền thơng điệp IGMP là mạng đã bịđầy như trong hình 5.15(b)
Hình 5.15 b)IGMP qua vệ tinh: Multicast động
Trong kỹ thuật khơng cĩ router trong việc tại dữ liệu xuống, IGMP theo dõi (IGMP snooping) được sử dụng để chuyển tiếp lưu lương multicast đến các thành viên trong nhĩm tránh việc truyền IGMP trong mơi trường khơng khí. Một hệ thống vệ tinh linh động cho phép multicast từ bất kỳ người dùng nào cũng trở nên phức tạp hơn, ví dụ một vệ tinh với manh chuyển đổi ATM, với thư IGMP được kích hoạt truyền lại, riêng từng mạch ảo đến nhiều mạch ảo khác nhau(VCs)cần phải được thiết lập nguồn tại mặt đất bởi một vệ tinh cĩ chùm tia hẹp.