I. TỔNG QUAN VỀ MULTICAST

1. Giới thiệu

Cuối trong năm 80, Steve Deering thao tác trên một dự án trong đó có nhu cầu gửi một thông điệp từ một máy tính đến một nhóm các máy tính thông qua các giao thức lớp 3. Sau lúc nghiên cứu vài giao thức định tuyến, Deering Tóm lại rằng chức năng của rất nhiều giao thức định tuyến có thể mở rộng để tương trợ cơ chế Multicast lớp 3. Khái niệm cơ bản nhất của IP Multicast là:

Bạn Đang Xem: Chương 19: CƠ CHẾ MULTICAST (Phần 1) –

Cơ chế gửi một thông điệp từ một nguồn duy nhất đến một nhóm chọn lựa các địa chỉ đích thông qua một hạ tầng mạng lớp 3 trong một dòng tài liệu. Nếu khách hàng muốn gửi một thông điệp từ một nguồn về một đích, chúng ta có thể dùng cơ chế Unicast. Nếu khách hàng muốn gửi một thông điệp từ một nguồn đến tất cả những đích trong một phân đoạn mạng, bạn phải dùng Broadcast.

Steve Deering viết RFC trước tiên cho cơ chế Multicast vào năm 1986. Nhưng chỉ vài năm tiếp theo, các nhu cầu to lớn cho cơ chế Multicast đã phát triển nhanh, xuất phát từ nhu cầu giao tiếp một-nhiều và nhiều-nhiều. Các ứng dụng ví như âm thanh, hình ảnh, các lớp học TV truyền bá… Multicast cũng rất được nghiên cứu như một thành phần của Internet, được nghe biết như dự án Multicast mạng chính, Mbone. Tuy nhiên muốn triển khai Multicast trên toàn mạng Internet thì phải chờ các nghiên cứu về BGP đa giao thức và Giao thức Multicast BGP.

2. Ba kiểu truyền lưu lượng IP trên router và switch

• Unicast: Các gói tin được gửi từ một địa chỉ nguồn đến một địa chỉ đích. Một router hoặc một thiết bị lớp 3 sẽ chuyển các gói tin bằng phương pháp tìm địa chỉ đích trong bảng định tuyến. Nếu một thiết bị là L2, nó chỉ có dựa vào địa chỉ MAC.

Hình 19.1: Cơ chế truyền Unicast

Phương thức Unicast yêu cầu rằng các ứng dụng hình ảnh gửi một bản sao chép của từng gói tin đến mọi địa chỉ Unicast của rất nhiều thành viên của nhóm. Để tương trợ hình ảnh đẹp, mỗi dòng tính hiệu hình ảnh yêu cầu 1.5 Mbps cho từng máy nhận. Nếu chỉ có một vài máy nhận, phương thức này thao tác được nhưng yêu cầu băng thông là n*1.5Mbps trong đó n là số máy nhận.

Khi số máy tham gia vào tăng lên hàng trăm hoặc hàng ngàn, tải trên sever để tạo ra các phiên bản của tài liệu cũng tăng lên. So với 100 người dùng, phần băng thông yêu cầu để gửi Unicast là 150Mbps. So với 1000 người dùng, phần băng thông yêu cầu là một trong.5Gbps.

Xem Thêm : V1, V2, V3 trong tiếng anh là gì? Một số ví dụ – Luật Trẻ Em

Hình 19.2: Cơ chế Unicast khi có nhiều máy nhận

Phương thức dùng Unicast không có khả năng mở rộng. Nếu chuyển sang dùng Broadcast, ta chỉ có truyền tài liệu một lần, tuy nhiên lúc này sẽ gặp vài vấn đề nghiêm trọng.

• Trước hết, nếu bên máy nhận nằm trong vùng Broadcast khác máy gửi, router cần phải truyền tài liệu Broadcast. Tuy nhiên, truyền gói tin dạng Broadcast có thể là giải pháp kém nhất vì sẽ tốn rất nhiều băng thông và tăng tải trên tất cả những thiết bị mạng nếu chỉ có một nhóm nhỏ các máy trong mạng thực sự cần nhận gói tin.

Hình 19.3: Cơ chế Broadcast

• Broadcast: Các gói tin được gừi từ một máy nguồn đến một địa chỉ đích Broadcast. Địa chỉ đích có thể là địa chỉ tất cả những máy trạm (255.255.255.255) hoặc là một phần của địa chỉ mạng con. Một router hoặc một switch lớp 3 sẽ không còn được chấp nhận chuyển các tài liệu Broadcast này. Một thiết bị L2 sẽ được chấp nhận phát tán lưu lượng Broadcast ra tất cả những cổng của nó.
• Multicast: Các gói được gửi từ một địa chỉ nguồn đến một nhóm các máy tính. Địa chỉ đích tượng trưng cho những máy trạm muốn nhận lưu lượng này. Mặc định, một router hoặc một switch lớp 3 sẽ không còn chuyển các gói tin này trừ khi phải cấu hình định tuyến Multicast. Một thiết bị switch lớp 2 không thể nhận mặt được vị trí của địa chỉ Multicast đích. Tất cả những gói sẽ tiến hành phát tán ra tất cả những cổng ở cơ chế mặc định.

Có hai thái cực được mô tả ở đây. Cơ chế dùng Unicast thì tài liệu sẽ đi từ máy trạm đến máy trạm; Broadcast thì lưu lượng sẽ đi đến tất cả những máy trạm trên phân đoạn mạng đó. Cơ chế Multicast sẽ nằm trong lòng hai thái cực này, trong đó máy nguồn chỉ gửi những gói tin từ một máy trạm đến những người dùng muốn nhận loại lưu lượng đó đó. Nhóm này gọi là nhóm Multicast. Các máy nhận lưu lượng Multicast có thể nằm ở bất kể nơi nào chứ không chỉ trên phân đoạn mạng cục bộ.

Các lưu lượng dạng Multicast thường là một chiều (unidirectional). Do có nhiều máy trạm nhận cùng một tài liệu, nên thông thường các gói tin không được phép gửi ngược về máy nguồn trên cơ chế Multicast. Một máy trạm đích sẽ trả lưu lượng ngược về nguồn theo cơ chế Unicast. Cơ chế Multicast cũng sẽ tiến hành truyền theo phong cách không kết nối (connectionless). Multicast dùng UDP chứ không dùng TCP.

Các máy trạm muốn nhận tài liệu từ một nguồn Multicast có thể tham gia hoặc rời khỏi một nhóm Multicast ở bất kỳ thời khắc nào. Hơn nữa, một máy trạm sẽ quyến định có trở thành thành viên của một hay nhiều nhóm Multicast hay là không. Nguyên tắc cần quan tâm là sẽ hoạch định làm thế nào để phân phối các lưu lượng Multicast đến những thành viên của nhóm mà không tác động ảnh hưởng đến những thành viên ngoài nhóm.

Có ba yêu cầu cơ bản để sở hữu thể triển khai Multicast trên một mạng:

• Phải có một tập hợp các địa chỉ dành cho những nhóm Multicast.
• Phải có một cơ chế trong đó các máy trạm có thể tham gia và rời khỏi nhóm
• Phải có một giao thức định tuyến được chấp nhận các router phân phối các lưu lượng Multicast tới các thành viên của nhóm mà không làm quá tải tài nguyên mạng.

3. Cơ chế Multicast tương trợ khả năng mở rộng và khả năng quản lý

Sáu yêu cầu cơ bản để tương trợ các ứng dụng Multicast trên một hạ tầng mạng là:

• Một dãy địa chỉ dành riêng cho địa chỉ lớp 3 mà chỉ được sử dụng bởi các ứng dụng Multicast. Người quản trị cần phải setup một ứng dụng Multicast trên một sever Multicast dùng địa chỉ lớp 3.
• Một địa chỉ Multicast chỉ được sử dụng như thể địa chỉ đích và không được là địa chỉ nguồn. Không phải như gói tin Unicast, một địa chỉ đích IP trong một gói Multicast không chỉ ra địa chỉ của máy nhận mà chỉ đơn giản có ý tức thị gói tin đang mang tài liệu Multicast.
• Các ứng dụng Multicast phải được setup trên tất cả những máy trạm trong mạng cần phải nhận lưu lượng Multicast cho ứng dụng. Ứng dụng phải được setup dùng cùng địa chỉ Multicast lớp 3 với địa chỉ của sever. Động tác này còn được gọi là tham gia vào cùng một nhóm.
• Tất cả những máy trạm kết nối vào cùng một mạng LAN phải dùng cùng một phương thức chuẩn để tính toán địa chỉ L2 từ địa chỉ Multicast L3 và gán nó vào cạc mạng. Ví dụ, nếu nhiều router cùng kết nối vào trong 1 mạng và tất cả đều chạy OSPF, tất cả những cổng Ethernet của tất cả những router sẽ sở hữu khả năng lắng tai đến địa chỉ Multicast là 0x0100.5e00.0005 ngoài địa chỉ MAC của chính cổng đó. Địa chỉ Multicast L2 0x0100.5e00.0005 được tính toán từ địa chỉ 224.0.0.5. Đây là địa chỉ dành riêng cho OSPF.
• Phải có một cơ chế trong đó một máy trạm có thể báo cho router kết nối trực tiếp rằng máy trạm muốn nhận lưu lượng cho ứng dụng Multicast. Giao thức IGMP cung cấp cơ chế giao tiếp giữa máy trạm và router trong cùng mạng con. CGMP hay giám sát IGMP (IGMP snooping) giúp các switch học thông tin máy trạm nào đã nhận được lưu lượng cho những ứng dụng Multicast và các máy trạm này gắn vào cổng nào của switch.
• Phải có một giao thức định tuyến Multicast trong đó được chấp nhận các router truyền các tài liệu Multicast từ sever đến những máy trạm mà không làm tốn tài nguyên mạng. Một vài giao thức định tuyến Multicast là DVMRP (Distance Vector Multicast Routing Protocol), MOSPF (Multicast Open Shortest Path First), và PIM-DM (Protocol Independent Multicast Dense Mode) và PIM-SM (Protocol Independent Multicast Sparse Mode).

Xem Thêm : Mưa dông là gì? Mưa giông hay mưa dông mới đúng?

Hình 19.4: Mạng lưới hệ thống hoạt động dựa trên Multicast

Giả sử rằng một ứng dụng hình ảnh được setup trên một sever dùng địa chỉ Multicast là 225.5.5.5. Các máy trạm từ là 1 đến 49, nằm trên các kết nối WAN thì không quan tâm đến lưu lượng này. Các máy trạm từ 50 đến 100 thì quan tâm đến việc nhận lưu lượng cho ứng dụng này và chạy ứng dụng trên PC.

Lúc các máy trạm chạy ứng dụng Multicast, các máy trạm sẽ tham gia vào nhóm, có tức thị các máy trạm giờ đây muốn nhận những gói Multicast được gửi về địa chỉ 225.5.5. Các máy trạm từ 50 đến 100 tham gia vào nhóm 225.5.5.5 và báo cho R2 thông qua IGMP rằng các máy trạm này muốn nhận lưu lượng. Các ứng dụng Multicast tính toán địa chỉ lớp 2 0x0100.5e05.0505 từ địa chỉ lớp 3 225.5.5.5 và các card mạng của rất nhiều máy từ 50 đến 100 sẽ lắng tai địa chỉ này bên cạnh các lưu lượng đến địa chỉ MAC BIA.

Một giao thức định tuyến Multicast được cấu hình giữa R1 và R2 sao cho những router có thể truyền các lưu lượng Multicast. R2 có một kết nối đến mạng Frame Relay và hai cổng Ethernet kết nối đến hai switch, Sw2 và Sw3. R2 biết rằng nó có những máy trạm trên cả hai kết nối muốn nhận lưu lượng của nhóm 225.5.5.5. Cả hai switch cũng sẽ ghi nhận những cổng của rất nhiều máy trạm muốn nhận Multicast thông qua hai giao thức CGMP và IGMP snooping. Một gói Multicast truyền tín hiệu hình ảnh từ sever trên kết nối Ethernet đến R1 và R1 sẽ truyền một gói tin Multicast trên kết nối WAN đến R2. Khi R2 nhận gói Multicast, R2 sẽ nhân văn gói Multicast và truyền trên từng kết nối Ethernet.

Vì đây là gói tin Multicast, R2 sẽ tính địa chỉ lớp 2 0x0100.5e05.0505 và dùng nó như địa chỉ MAC đích, sau đó R2 sẽ truyền sườn tin này đến hơn cả hai switch. Lúc các switch nhận được những sườn tin này, switch sẽ truyền sườn tin ra các cổng phù hợp. Lúc các máy trạm nhận được những gói này, card mạng sẽ so sánh địa chỉ MAC đích với địa chỉ Multicast mà máy đang lắng tai. Nếu là đúng, card mạng sẽ thông tin cho những lớp lơn hơn xử lý gói tin.

Hình 19.5: Quá trình nhận lưu lượng trong mạng chạy Multicast

Giả sử các máy trạm từ là 1 đến 40 cũng muốn nhận lưu lượng cho nhóm 225.5.5.5. R2 đã sẵn sàng truyền lưu lượng đến cả hai switch. Tuy nhiên, mặc dù đã có thêm 49 máy mới nhận lưu lượng Multicast, tải trên các thiết bị mạng và nhu cầu băng thông trên kết nối WAN không đổi. Tải trên SW2 thì có thể tăng bởi vì nó phải thực hiện việc nhân văn 49 lần và truyền nó trên 49 cổng.

Multicast cũng có thể có vài điểm bất lợi:

• Multicast thì dùng UDP nên không tin cậy, thiếu cơ chế hành lang cửa số tinh chỉnh và điều khiển lỗi và cơ chế giảm luồng nên có thể gây ra nghẽn.
• Một vài cơ chế Multicast có thể gây ra gói tin bị trùng lắp.

Link phần tiếp theo: CƠ CHẾ MULTICAST (Phần 2)