Trong một số trường hợp, nhóm IPMC có thể tương ứng với một kênh IPTV cụ thể. Các gói đến địa chỉ nhóm IPMC được chuyển tiếp đến tất cả các thành viên của nó. Máy thu tận dụng IGMP/MLD (Internet Group Management Protocol, RFC 3376/Multicast Listener Discovery, RFC 3810) được sử dụng để tham gia nhóm IPMC. Trong miền IPMC, các giao thức IPMC điển hình sử dụng sao chép lưu lượng trong mạng để đảm bảo rằng nhiều nhất một bản sao của gói truyền qua mỗi liên kết để đến được nhiều máy thu. Để đạt được mục đích đó, họ thiết lập cho mỗi nhóm IPMC như một cây IPMC. Các cây có thể tương ứng cho mỗi nguồn, cùng với đó lưu lượng của nhóm đó được chuyển tiếp. Ví dụ cho các giao thức như vậy là PIM (Giao thức đa phương thức độc lập, RFC 7761), mLDP (Giao thức phân phối nhãn đa phương) hoặc RSVP-TE/P2MP (Giao thức dành riêng tài nguyên - Kỹ thuật lưu lượng, RFC 3209, Point-to-Multipoint RFC 4875). Các cây IPMC yêu cầu thông tin chuyển tiếp trong các bước nhảy trung gian mà sẽ được biểu thị là 'trạng thái' trong phần sau.

 Hình 1: Hai mạng lưới IMPC đa hướng

Các giải pháp IPMC nhất định cho các trường hợp sử dụng đặc biệt với cây phân phối tĩnh - đặc biệt là việc triển khai PIM - đã được chứng minh là hữu ích và có thể quản lý được. Tuy nhiên, các giải pháp IPMC truyền thống bị hạn chế về khả năng mở rộng. Các công nghệ để giải quyết những vấn đề này đã được đề xuất nhưng chúng gây thêm phức tạp và tạo ra những bất lợi mới.

BIER đã được đề xuất bởi nhóm chuyên trách về Kỹ thuật Internet (IETF) và được mô tả trong RFC 8279. Ý tưởng cơ bản là loại bỏ trạng thái phụ thuộc vào nhóm IPMC và nhu cầu xây dựng cây rõ ràng từ các thiết bị ở giữa mạng để cải thiện khả năng mở rộng của miền IPMC. Điều này đạt được bằng cách thêm tiêu đề BIER vào các gói IPMC. Trong miền BIER như vậy, các gói chỉ được chuyển tiếp theo tiêu đề này. Nhóm các tác giả hoàn thành tài liệu này gồm: IJ. Wijnands làm việc tại công ty Cisco Systems, E. Rosen và T. Przyienda tại công ty Juniper Networks, A. Dolganow tại công ty Nokia. Tài liệu là tiêu chuẩn mở được hoàn thành và chỉnh sửa bản cuối vào tháng 12 năm 2017, đây là bải thảo hoàn thiện cuối cùng.

Những tồn tại của IP Multicast truyền thống

Các giải pháp IPMC truyền thống như PIM, mLDP hoặc RSVP-TE/P2MP dựa trên trạng thái cây IPMC cho mỗi nhóm. Trạng thái cây này giới hạn khả năng mở rộng theo ba cách:

- Các thiết bị phải lưu trữ trạng thái cho mỗi nhóm IPMC.

- Giao thức IPMC phải chủ động tạo, thay đổi và hủy bỏ cây IPMC bất cứ khi nào nhóm IPMC bắt đầu, thay đổi hoặc dừng.

- Trong trường hợp thay đổi cấu trúc liên kết, cấu trúc chuyển tiếp có thể cần phải thay đổi. Do đó, các trạng thái của tất cả các nhóm IPMC có thể yêu cầu sự thích ứng. Thời gian cần thiết cho quy trình đó thay đổi theo số lượng nhóm IPMC.

Một số công nghệ bổ sung đã được giới thiệu để giải quyết những vấn đề này nhưng chúng đi kèm với những nhược điểm mới. Sao chép xâm nhập là một cách tiếp cận dựa trên đường hầm để tránh trạng thái bổ sung bằng cách sử dụng các đường hầm unicast để xây dựng cây IPMC với chi phí làm giảm hiệu quả chuyển tiếp. PMSI (Giao diện Dịch vụ Đa phương tiện của Nhà cung cấp, RFC 6513) tận dụng các cây tổng hợp để thực hiện lưu lượng của nhiều ứng dụng IPMC, điều này gây ra chi phí tín hiệu đáng kể. RSVP-TE/P2MP là một cách tiếp cận nặng để giảm các vấn đề về thời gian hội tụ cho IPMC với các đường hầm dự phòng được thiết lập trước. Tất cả các phương pháp tiếp cận đó phải được quản lý bởi các nhà khai thác làm cho IPMC truyền thống phức tạp hơn, tốn kém hơn, kém tin cậy hơn và khó triển khai tổng thể.

Sự sao chép đầy đủ chỉ số bit (BIER)

BIER đề xuất một công nghệ kết cấu nhân bản cho phép người vận hành chuyển tiếp lưu lượng IPMC một cách hiệu quả mà không cần trạng thái cây IPMC rõ ràng trong các thiết bị trung gian. Trong phần này, chúng tôi mô tả khái niệm BIER, giải thích chi tiết thủ tục chuyển tiếp của BIER và phác thảo cách nó giải quyết những thiếu sót đã đề cập trước đây của IPMC truyền thống.

Hình 2: Sơ đồ của một BIER domain

Như ở hình 2, các gói tin được đưa vào qua một bộ định tuyến BFIR, từ đây chúng xây dựng và một tiêu đề BIER là BH vào các gói tin, gói tin phải chứa thông tin cho quy trình chuyển tiếp với đầu dẫn BH. Cái gói tin vẫn đi qua các bộ định tuyến khác một cách bình thường và khi đến bộ định tuyến đầu ra (BFER) thì tiêu đề BIER sẽ bị loại bỏ.

Khái niệm về BIER

Từ sơ đồ ở hình 2 có thể hiểu một cách dễ dàng về khái niệm của BIER. Lưu lượng truy cập vào miền BIER thông qua Bộ định tuyến Bit-Forwarding Ingress (BFIR) và được sao chép một cách hiệu quả sang nhiều Bộ định tuyến đầu ra Bit-Forwarding (BFER). BFIR thêm một tiêu đề BIER vào các gói. Tiêu đề này chứa thông tin về tập hợp các BFER mà một bản sao của gói tin sẽ được gửi đến. BFER xóa tiêu đề BIER khỏi các gói trước khi chúng rời khỏi miền BIER.

Tiêu đề BIER được tận dụng bởi tất cả các Bộ định tuyến Bit-Forwarding (BFR) trong miền BIER để chuyển tiếp lưu lượng một cách hiệu quả dọc theo cấu trúc cây hoặc thậm chí bất kỳ biểu đồ vòng nào được xác định từ thông tin lớp dưới, thường được thực hiện bởi IGP (Giao thức Cổng nội bộ). Cụ thể hơn, tiêu đề BIER chứa một chuỗi bit trong đó mỗi bit tương ứng với một BFER cụ thể. BFIR đặt bit đó nếu BFER tương ứng nhận được gói tin.

Một BFR chuyển tiếp và tái tạo lưu lượng BIER dựa trên thông tin tiêu đề đó và cái gọi là Bảng chuyển tiếp chỉ số bit (BIFT) của nó. BIFT giữ thông tin bước tiếp theo cho mọi điểm đến có thể có (BFER). Do đó, kích thước của BIFT độc lập với số lượng nhóm IPMC. Các triển khai thực có thể nhóm thông tin chuyển tiếp cho các điểm đến thông qua cùng một bước tiếp theo. Điều này làm giảm số lượng mục chuyển tiếp hơn nữa để nó mở rộng với số bước nhảy tiếp theo của BFR. Thủ tục chuyển tiếp đảm bảo rằng bước tiếp theo chỉ nhận được một bản sao duy nhất của một gói tin mặc dù tiêu đề BIER của gói tin chỉ ra nhiều điểm đến với bước tiếp theo đó. Để chuyển tiếp lưu lượng BIER một cách nhất quán, các BIFT thường được cấu hình với các mục nhập đường dẫn ngắn nhất tới BFER.

Quá trình chuyển tiếp BIER

Như ở hình 2, các gói tin đa hướng sẽ được chuyển tiếp với BIER dọc theo một cây IMPC bất kì, quá trình chuyển tiếp với BIER ngắn nhất và hiệu quả nhất sẽ được mô tả chi tiết ở phần này.

Hình 3: Mạng chuyển tiếp BIER ngắn nhất

 Các BFER được đánh số và gán cho các vị trí bit trong chuỗi bit của tiêu đề BIER. Do đó, việc đếm bắt đầu với bit ít quan trọng nhất của chuỗi bit. Điều đó có nghĩa là, chuỗi bit '000001' tương ứng với Node 1 và '100000' tương ứng với Node 6.

BFR cần đảm bảo rằng tất cả các điểm đến đều nhận được một bản sao của gói tin. Để đạt được điều đó, BFR chuyển tiếp một bản sao đến mỗi bước tiếp theo nằm trên đường dẫn đến ít nhất một điểm đến được chỉ ra trong tiêu đề BIER. Trong ví dụ của bài, giả định rằng Node 1 nhận được một gói có chuỗi bit '100100' trong tiêu đề BIER, tức là, các bit cho Node 3 và Node 6 được kích hoạt. Do đó, Node 1 sẽ gửi một bản sao của gói tin tới Node 3 và Node 2.

Để ngăn các bản sao, một BFR xóa tất cả các bit trong chuỗi bit của tiêu đề BIER của gói tin mà không đạt được thông qua bước tiếp theo mà gói tin được chuyển tiếp đến. Điều này đảm bảo rằng chỉ có một gói duy nhất trên đường đến mỗi đích mong muốn bất chấp việc nhân rộng gói. Trong ví dụ của bài này, Node 1 bỏ đặt bit cho Node 6 khi chuyển tiếp gói tin tới Node 3 ('000100') và nó bỏ đặt bit cho Node3 khi chuyển tiếp gói tin tới Node 2 ('100000').

Chúng tôi giải thích cách BFR đạt được hành vi chuyển tiếp đã giải thích theo cách hiệu quả bằng cách sử dụng chuỗi bit của tiêu đề BIER của gói và BIFT của nó. BIFT chứa cho mọi điểm đến một cái gọi là Mặt nạ bit chuyển tiếp (F-BM) và bước tiếp theo. F-BM là một mặt nạ bit có vị trí bit tương ứng với các BFER giống như các vị trí bit trong chuỗi bit của tiêu đề BIER. Các bit được kích hoạt trong F-BM chỉ ra các BFER đạt được thông qua bước tiếp theo cụ thể. Do đó, tất cả các điểm đến thông qua cùng một chặng tiếp theo đều có chung F-BM. Ví dụ, BIFT của Node 1 được đưa ra trong Bảng 1. Đối với Node đích 3, bước tiếp theo là Node 3 và F-BM tương ứng chỉ ra rằng chỉ có Node 3 được tiếp cận thông qua Node 3. Đối với Node đích 2, node 4, node 5 và node 6.

Hình 4: Bảng BIFT của node 1

Để xử lý một gói một cách hiệu quả, BFR tạo một bản sao bên trong của chuỗi bit và thực hiện thuật toán sau cho đến khi tất cả các bit của bản sao bên trong của chuỗi bit bằng không. BFR tìm một điểm đến được chỉ ra trong chuỗi bit của bản sao bên trong của chuỗi bit. Nó tra cứu F-BM cho đích đó trong BIFT và xây dựng một tiêu đề BIER mới bằng cách sử dụng chuỗi bit của gói ANDed với F-BM. Sau đó, nó gửi một bản sao của gói tin với chuỗi bit đã sửa đổi tới bước tiếp theo cũng được chỉ ra trong BIFT. Sau đó, bản sao bên trong của chuỗi bit được sửa đổi theo bitwise ANDing nó với phần bổ sung của F-BM. Hành động này loại bỏ tất cả các đích khỏi tiêu đề gói đã được phục vụ bởi lần truyền cuối cùng của gói.

Phương pháp tiếp cận đa hướng có thể mở rộng – BIER

BIER khắc phục các vấn đề đã nêu trước đây của IPMC. Nó giải quyết vấn đề về trạng thái phụ thuộc vào nhóm IPMC trong các thiết bị chuyển tiếp (P0) bằng cách chuyển trạng thái này sang tiêu đề BIER. Trong trường hợp thay đổi nhóm IPMC (P1), chỉ BFIR mới yêu cầu cập nhật khi chúng xây dựng tiêu đề BIER chỉ ra các điểm đến của gói. Cuối cùng, BIFT của mọi BFR giữ các mục chuyển tiếp cho tất cả BFER trong mạng ở dạng nhỏ gọn. Trong trường hợp thay đổi cấu trúc liên kết (P2), chỉ thông tin đó phải được cập nhật thay vì trạng thái cây của nhiều nhóm IPMC tiềm ẩn, mất nhiều thời gian. Do đó, thời gian hội tụ lại của BIER có thể được so sánh với IP unicast hơn là một trong các giao thức IPMC truyền thống.

Bằng cách chuyển trạng thái từ các thiết bị chuyển tiếp đến tiêu đề, kích thước của tiêu đề trở thành một vấn đề về khả năng mở rộng vì cần một bit cho mỗi BFER. Với công nghệ bộ định tuyến hiện tại, 256 bit sẽ là độ dài chuỗi bit được sử dụng phổ biến nhất vì nó tương đương với hai địa chỉ IPv6 trong mọi tiêu đề IPv6. Các chuỗi bit dài hơn có thể được phần cứng trong tương lai hỗ trợ. Nếu có nhiều hơn 256 BFER trong mạng, BIER hỗ trợ khả năng tách các BFER thành các tập con. Tiêu đề BIER chứa một trường xác định tập hợp con được đánh địa chỉ bởi gói BIER. Do đó, nếu một gói IPMC nhắm mục tiêu các BFER từ các tập con khác nhau, thì đối với mỗi tập con này, một bản sao của gói phải được chuyển tiếp.

Các trường hợp sử dụng phổ biến với BIER

Khi bắt đầu hành trình tiêu chuẩn hóa BIER, mười trường hợp sử dụng được hình dung như các trình điều khiển công nghệ. Sau đây là một số trường hợp cụ thể ứng dụng hiệu quả BIER mà cụ thể là các VPN đa hướng Lớp 2/3 (L2/3VPN), phát trực tuyến phương tiện IPTV, dịch vụ ảo hóa trung tâm dữ liệu và dịch vụ tài chính. Chúng tôi phác thảo các vấn đề xảy ra khi các trường hợp sử dụng này được hỗ trợ với các phương pháp IPMC truyền thống và chỉ ra cách BIER có thể được sử dụng để giải quyết các vấn đề này.

A. Dịch vụ VPN Multicast

Multicast trong VPN được sử dụng cho các ứng dụng đánh dấu tin tức, quảng bá-TV hoặc nói chung, các mạng phân phối nội dung (CDN). Để báo hiệu trong các dịch vụ VPN đa hướng (mVPN) truyền thống, PIM, mLDP, RSVP-TE/P2MP hoặc sao chép xâm nhập được sử dụng. Mỗi lần triển khai đều mang lại sự cân bằng giữa trạng thái và lũ lụt. PMSI bao gồm đa hướng (MI-PMSI) dựa vào các khung tràn ngập đến tất cả các bộ định tuyến biên của nhà cung cấp (PE) của VPN, bất kể bộ thu IPMC có tham gia phía sau các bộ định tuyến PE hay không. Điều này dẫn đến một cây IPMC khá ổn định trước lũ lụt. Trong PMSI chọn lọc (S-PMSI), chỉ các bộ định tuyến PE có bộ thu kết hợp là một phần của cây IPMC. S-PMSI giảm lũ lụt bằng một cây năng động hơn, yêu cầu nhiều trạng thái hơn trên các bộ định tuyến lõi của nhà cung cấp (bộ định tuyến P). Sao chép xâm nhập khiến bộ định tuyến PE xâm nhập gửi nhiều bản sao của cùng một khung và chuyển tiếp nó qua các đường hầm unicast đến các đích. Điều này đặt ra gánh nặng sao chép cao đối với các bộ định tuyến xâm nhập và gánh nặng băng thông cao trên các đường dẫn.

Yêu cầu trạng thái phụ thuộc vào nhóm IPMC là một vấn đề điển hình mà các nhà khai thác mạng phải đối mặt (P0). Với sự ra đời của BIER, vấn đề này không còn nữa.

B. Truyền trực tuyến phương tiện IPTV

IPMC được tận dụng cho IPTV hoặc phân phối video trên Internet trong CDN. Các triển khai điển hình như PIM, mLDP hoặc RSVP-TE/P2MP tạo ra trạng thái phụ thuộc vào nhóm IPMC như được mô tả trong trường hợp sử dụng trước. Ngoài ra, các dịch vụ truyền phát đa phương tiện như vậy có thể gặp phải những thay đổi về đăng ký rộng rãi vì mỗi khi người dùng chuyển kênh, các nhóm IPMC có thể phải được điều chỉnh. Điều này có thể gây ra tần suất cập nhật trạng thái IPMC cao.

BIER giải quyết vấn đề yêu cầu trạng thái phụ thuộc vào nhóm IPMC (P0). Đặc biệt, các thay đổi cụ thể của đăng ký có thể được quản lý bằng cách định cấu hình lại BFIR thay vì nhiều thiết bị tiềm ẩn (P1) để các bộ định tuyến lõi không bị ảnh hưởng.

C. Dịch vụ ảo hóa trung tâm dữ liệu

Mạng LAN ảo eXtensible (VXLAN, RFC 7348) kết nối các mạng L2 qua cơ sở hạ tầng L3. Nó đóng gói các khung L2 trong UDP và thêm ID 24-bit để 16 triệu phiên bản mạng ảo (VNI) có thể được phân biệt. Mỗi VNI là một mạng ảo biệt lập tương tự như một VLAN. Công nghệ đó được sử dụng để cô lập các VLAN của nhiều người thuê trong các trung tâm dữ liệu hiện đại dành cho nhiều người thuê.

Thông thường, người thuê kết nối các máy ảo (VM) của mình qua cơ sở hạ tầng L3 bằng cách sử dụng một hoặc nhiều VNI để tách riêng lưu lượng truy cập của chính họ một cách hợp lý và cách ly nó với lưu lượng truy cập của người thuê khác. Nếu một máy ảo được chuyển từ một máy vật lý này sang một máy vật lý khác hoặc thậm chí đến một trung tâm dữ liệu khác, thì không cần thay đổi địa chỉ IP của nó miễn là máy ảo đó vẫn ở cùng một VNI.

IPMC có thể được tận dụng để phân phối lưu lượng quảng bá, không xác định và đa hướng (BUM) qua cơ sở hạ tầng L3 trong một VNI. Mỗi bên thuê cần một hoặc thậm chí nhiều nhóm IPMC và do đó, số lượng nhóm IPMC có thể rất lớn. Do đó, trường hợp sử dụng này lại phải đối mặt với vấn đề trạng thái IPMC (P0), gây ra những thách thức đáng kể cho các thiết bị chuyển mạch trung tâm dữ liệu, dữ liệu và mặt phẳng chuyển tiếp, cũng như vận hành và quản lý mạng. Vấn đề đó có thể được giải quyết bằng cách tận dụng BIER thay vì các giao thức IPMC truyền thống trong mạng lớp dưới L3.

D. Các dịch vụ tài chính

IPMC được sử dụng để cung cấp dữ liệu thị trường chứng khoán theo thời gian thực cho người đăng ký. Dữ liệu phụ thuộc nhiều vào thời gian như vậy yêu cầu tính toán lại nhanh các đường dẫn trong trường hợp có sự thay đổi cấu trúc liên kết để đáp ứng các yêu cầu về độ trễ.

Đối với IPMC truyền thống, sự thay đổi cấu trúc liên kết đòi hỏi một lượng thời gian đáng kể vì nhiều cây IPMC có khả năng phải được tính toán lại để khôi phục kết nối và thiết lập các đường dẫn ngắn nhất mới.

Vì BIER chỉ dựa vào một cấu trúc chuyển tiếp độc lập với nhóm IPMC nên việc tính toán lại của nó nhanh hơn đáng kể.

Kết luận

Có thể thấy BIER là một cơ chế tuy đã ra đời từ 2 năm trước nhưng việc sáng tạo để chuyển tiếp vầ nhân rộng lưu lượng IMPC hiểu quả là vô cùng thiết thực trong các mạng lớn với độ truyền tin cao và đa dạng gói tin. Nó giải quyết các vấn đề về khả năng mở rộng, hoạt động và hiệu suất của các giải pháp IPMC truyền thống. Sự hợp tác trong nhóm làm việc BIER vượt trội nhờ sự tham gia của một nhóm lớn các nhà cung cấp, nhà khai thác và nhà nghiên cứu khác nhau. Nhiều công ty đã nỗ lực đầu tư vào việc tiêu chuẩn hóa BIER, điều này nhấn mạnh tầm quan trọng của nó đối với các giải pháp IPMC.

Việc tìm hiểu về BIER góp phần củng cố kiến thức và ứng dụng một cách hiệu quả trong quá trình kết nối và chia sẻ dữ liệu nhất là với tiêu chuẩn thuộc về IP, IPMC.

Vũ Cao Minh Đức

Tài liệu tham khảo

- Nagendra Kumar, Rajiv Asati, Mach Chen, Xiaohu Xu, Andrew Dolganow, Tony Przygienda, Arkadiy Gulko, Dom Robinson, Vishal Arya và Caitlin Bestler. Các trường hợp sử dụng BIER, tháng 1 năm 2018.

- G. Shepherd, A. Dolganow và A. Gulko. Báo cáo vấn đề sao chép rõ ràng được lập chỉ mục (BIER) Bit. http://tools.ietf.org/html/draft-ietf-bier-problem-statement , tháng 4 năm 2016.

- IJsbrand Wijnands, Eric C. Rosen, Andrew Dolganow, Tony Przygienda và Sam Aldrin. IP Multicast sử dụng sao chép rõ ràng chỉ mục bit (BIER). RFC 8279 , tháng 11 năm 2017.