Nghiên cứu công nghệ và vấn đề đo kiểm chất lượng cho VoIP

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT ADPCM Adaptive Differential Pulse Code Modulation Điều chế xung mã vi sai thích nghi ATM Asynchronous Transfer Mode Chế độ truyền dẫn không đồng bộ BECN Backward

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

KHOA CÔNG NGHỆ

Nguyễn Đình Long

NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ VÀ VẤN ĐỀ ĐO KIỂM

CHẤT LƢỢNG THOẠI CHO VoIP

Chuyên ngành: Kỹ thuật vô tuyến điện điện tử và thông tin liên lạc

MỤC LỤC

TRANG BÌA PHỤ

LỜI CAM ĐOAN 2

MỤC LỤC 3

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT 5

DANH MỤC CÁC BẢNG 8

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ 9

MỞ ĐẦU 11

PHẦN I: TỔNG QUAN VỀ VOIP 12

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU VỀ VOIP 12

I SỰ RA ĐỜI CỦA VOIP 12

II CÁC HÌNH THỨC TRUYỀN THOẠI TRÊN INTERNET 13

1 Mô hình PC to PC 13

2 Mô hình PC to Phone 13

3 Mô hình Phone to Phone 14

III CÁC ỨNG DỤNG VÀ ƯU ĐIỂM CỦA VOIP 15

1 Ưu điểm 15

2 Ứng dụng 16

CHƯƠNG 2: MÔ HÌNH CHUẨN MẠNG VOIP 17

I CẤU HÌNH CHUẨN VÀ GIAO DIỆN CHUẨN CỦA MẠNG VOIP 17

1 Cấu hình chuẩn của mạng VoIP 17

2 Các giao diện chuẩn của mạng VoIP 18

II CHỨC NĂNG CỦA TỪNG PHẦN TỬ 18

1 Thiết bị đầu cuối 18

2 Mạng truy nhập IP 19

3 Gatekeeper 20

4 Gateway 21

III CẤU HÌNH MẠNG VOIP TRONG MẠNG HỘI TỤ THẾ HỆ MỚI NGN 24

CHƯƠNG 3: CÁC GIAO THỨC CHUYỂN TẢI VÀ BÁO HIỆU TRONG VOIP 26

I GIAO THỨC TCP/IP 26

1 Giao thức IP 26

2 Giao thức TCP và UDP 31

II GIAO THỨC RTP, RTCP VÀ RSVP 35

1 Giao thức truyền tải thời gian thực - RTP 35

2 Giao thức điều khiển truyền tải thời gian thực - RTCP 37

3 Giao thức dự phòng tài nguyên - RSVP 39

III CÁC GIAO THỨC BÁO HIỆU TRONG VoIP 40

1 Giao thức H.323 40

2 Giao thức khởi tạo phiên - SIP 45

Response Headers 49

3 Giao thức điều khiển Gateway đơn giản SGCP 51

4 Giao thức điều khiển Gateway phương tiện - MGCP 52

5 Giao thức Megaco/H.248 52

PHẦN II: CHẤT LƯỢNG THOẠI VOIP VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐO KIỂM 58

CHƯƠNG 1: CHẤT LƯỢNG THOẠI VOIP 58

I GIỚI THIỆU 58

II CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN CHẤT LƯỢNG THOẠI VoIP 58

1 Độ chính xác (Accuracy) 58

2 Trễ 64

3 Trễ không đồng nhất (Delay Variability hay Jitter) 68

4 Bộ mã hoá/giải mã thoại (Voice Codec): 68

III Các biện pháp để nâng cao chất lượng VoIP 71

1 Kỹ thuật nén RTP (cRTP) 71

2 Kỹ thuật hàng chờ (Queuing) 73

3 Kỹ thuật phân loại gói tin (Packet Classification) 76

4 Định dạng các luồng lưu lượng và lập chính sách 78

5 Phân mảnh 80

6 Tránh nghẽn 83

CHƯƠNG 2: PHƯƠNG PHÁP ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG THOẠI VOIP 85

I ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG THOẠI BẰNG PHƯƠNG PHÁP ĐO GIÁM SÁT 85

1 Giới thiệu: 85

2 Các phương pháp đấu nối thiết bị đo vào mạng 85

3 Các yêu cầu của quá trình đo giám sát 88

II ĐO GIẢ LẬP 89

1 Phân tích mạng VoIP 89

2 Phân tích thoại đầu cuối tới đầu cuối 89

3 Đo thử mức chịu đựng báo hiệu 91

III GIỚI THIỆU MỘT SỐ PHƯƠNG PHÁP ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG THOẠI ĐẦU CUỐI TỚI ĐẦU CUỐI 92

1 Phương pháp điểm đánh giá trung bình - MOS 92

2 Phương pháp đo kiểm chất lượng thoại theo cảm nhận - PSQM 96

3 Phương pháp đánh giá chất lượng thoại theo cảm nhận - PESQ 101

CHƯƠNG 3: GIỚI THIỆU MỘT SỐ HỆ THỐNG ĐO KIỂM VOIP 106

I HỆ THỐNG PHÂN TÍCH VOIP DA-3400 106

1 Giới thiệu 106

2 Các đặc điểm của DA-3400 cho phân tích VoIP 106

II HỆ THỐNG ĐO KIỂM CHẤT LƯỢNG THOẠI ĐẦU CUỐI ĐẾN ĐẦU CUỐI OPERA 111

1 Giới thiệu 111

2 Chương trình OptiCall 111

3 Chương trình đánh giá chất lượng OPERA 112

4 Chương trình đo kiểm tự động và quản lý Opera Control Center 112

III MỘT SỐ KẾT QUẢ ĐO KIỂM THỰC TẾ CỦA HỆ THỐNG OPERA TRÊN MẠNG THOẠI VIỆT NAM 113

KẾT LUẬN 117

TÀI LIỆU THAM KHẢO 118

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

ADPCM Adaptive Differential Pulse Code

Modulation

Điều chế xung mã vi sai thích nghi ATM Asynchronous Transfer Mode Chế độ truyền dẫn không đồng bộ BECN Backward Error Congession

Notification

Thông báo tắc nghẽn theo hướng về

DLCI Data Link Connection Idendifier Nhận dạng kết nối đường số liệu

DPCM Differential Pulse Code Modulation Điều chế xung mã vi sai

DSP Digital Signal Processor Xử lý tín hiệu số

ETSI European Telecommunication

Standard Institute

Tổ chức tiêu chuẩn Viễn thông Châu

Âu

FECN Forward Error Congession

Notification

Thông báo tắc nghẽn theo hướng đi

FRTS Frame Relay Traffic Shaping Sắp xếp lưu lượng chuyển mạch

khung

HTTP HyperText Transfer Protocol Giao thức truyền siêu văn bản

IETF Internet Engineering Task Force Nhóm thiết kế Internet

ISDN Integrated Service Digital Network Mạng số đa dịch vụ

ISP Internet Service Provider Nhà cung cấp dịch vụ Internet

ITU International Telecommunication

Union

Tổ chức Viễn thông thế giới

MGCP Media Gateway Control Protocol Giao thức điều khiển Gateway phương

tiện

MGWC Media Gateway Controller Điều khiển Gateway phương tiện

MTU Maximum Transmission Unit Đơn vị truyền tải lớn nhất

OPERA Objective Perceptual Analyzer Hệ thống phân tích cảm thụ khách

quan OSI Open System for Interconnection Hệ thống mở cho kết nối

OSPF Open Shortest Path First Đường ngắn nhất mở đầu tiên

PEAQ Perceptual Evaluation of Audio

RSVP Resource Reservation Protocol Giao thức dự phòng tài nguyên RTCP Real Time Control Protocol Giao thức điều khiển thời gian thực

SAP Session Annoucement Protocol Giao thức thông báo phiên

SCTP Stream Control Transmission Protocol Giao thức chuyển tải điều khiển dòng SDP Session Description Protocol Giao thức mô tả phiên

SGCP Simple Gateway Control Protocol Giao thức điều khiển Gateway đơn

giản

SID Silence Insertion Descriptor Chèn khoảng lặng

SIP Session Initiation Protocol Giao thức khởi tạo phiên

SNA Systems Network Architecture Kiến trúc mạng hệ thống

TCP Transport Control Protocol Giao thức điều khiển truyền tải

TDM Time Division Multiplex Ghép kênh phân chia theo thời gian

VoIP Voice over Internet Protocol Điện thoại trên giao thức Internet

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 7 Chất lƣợng thoại quay số trực tiếp từ Tp Hồ Chí Minh đi Hà nội 115 Bảng 8 Chất lƣợng thoại quay số 178 qua mạng VoIP của Viettel từ Tp

HCM đi Hà nội

116

Hình 34 Mô hình đo kiểm VoIP bằng phương pháp đo giám sát 85

Hình 40 Cấu hình đo mô phỏng sự cố 91

Hình 45 Chất lượng VoIP bằng phương pháp đo giám sát sử dụng

Sự xuất hiện của VoIP trên thế giới nói chung và ở Việt nam nói riêng đã cung cấp cho xã hội một dịch vụ đường dài có cước phí thấp hơn rất nhiều so với cước phí của dịch vụ đường dài truyền thống Tuy nhiên, lợi ích nào cũng luôn đi kèm với những hạn chế nhất định Chất lượng thoại chính là hạn chế lớn nhất của dịch vụ điện thoại VoIP so với điện thoại truyền thống

Trong khuôn khổ đồ án này, tôi xin được trình bày những hiểu biết và kinh nghiệm của tôi đối với công nghệ VoIP và các vấn đề liên quan đến chất lượng cũng như đo kiểm cho chất lượng thoại VoIP

Đồ án gồm 2 phần:

Phần 1: Giới thiệu tổng quan về mạng VoIP

Trong đó trình bày về các hình thức truyền thoại trên Internet, các ưu nhược điểm của VoIP, mô hình chuẩn của một mạng VoIP, các giao thức chuyển tải và báo hiệu trong VoIP

Phần 2: Giới thiệu về các vấn đề liên quan đến chất lượng thoại VoIP và các phương pháp đo kiểm cho VoIP

Trong đó trình bày các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng thoại VoIP, các biện pháp để nâng cao chât lượng VoIP, các phương pháp để đo kiểm chất lượng thoại trong mạng VoIP, giới thiệu một số thiết bị đo kiểm thoại cho VoIP và một số kết quả đo thực nghiệm trên mạng VoIP Việt nam

Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến Tiến sỹ Ngô Diên Tập - Giảng viên Khoa Công nghệ, Đại học Quốc gia Hà nội đã tận tình hướng dẫn tôi trong quá trình thực hiện đồ án này Tôi xin chân thành cảm ơn Văn phòng Đại diện của Công ty Acterna tại Việt nam đã giúp tôi trong việc sưu tầm tài liệu và tạo điều kiện cho tôi

có cơ hội tiếp xúc, học hỏi các chuyên gia hàng đầu thế giới về đo kiểm Viễn thông Tôi cũng xin gửi lời cám ơn đến các cán bộ kỹ thuật của Trung tâm Đo lường, Cục Quản lỹ chất lượng Bưu chính - Viễn thông và Công nghệ thông tin đã chia sẻ với tôi về kinh nghiệm và các kết quả đo kiểm thực tế trên mạng Viễn thông Việt nam Tuy nhiên, do thời gian nghiên cứu có hạn và đây cũng là một khía cạnh mới trong nghiên cứu VoIP nên chắc chắn về nội dung vẫn còn nhiều hạn chế Rất mong

sự đóng góp của các thầy cô và các đồng nghiệp

Hà nội, tháng 5 năm 2004

PHẦN I: TỔNG QUAN VỀ VOIP

I SỰ RA ĐỜI CỦA VOIP

Voice over IP (VoIP) là mô hình truyền thoại sử dụng giao thức mạng Internet hay còn gọi là giao thức IP VoIP đang trở thành một trong những công nghệ viễn thông hấp dẫn nhất hiện hay không chỉ đối với các doanh nghiệp mà còn cả với những người sử dụng dịch vụ VoIP có thể thực hiện tất cả các cuộc gọi như trên mạng PSTN ví dụ truyền thoại, truyền fax, truyền dữ liệu trên cơ sở mạng dữ liệu

có sẵn với tham số chất lượng dịch vụ (QoS) chấp nhận được Điều này tạo thuận lợi cho những người sử dụng có thể tiết kiệm chi phí bao gồm chi phí cho cở sở hạ tầng mạng và chi phí liên lạc nhất là liên lạc đường dài Đối với các nhà cung cấp dịch vụ, VoIP được xem như một mô hình mới hấp dẫn có thể mang lại lợi nhuận nhờ khả năng mở rộng và phát triển các loại hình dịch vụ với chi phí thấp [7]

Cấu trúc phân lớp của hệ thống VoIP được mô tả giống như cấu trúc phân

/IP và được biểu diễn như sau:

Hình 1: Mô hình mạng VoIP

II CÁC HÌNH THỨC TRUYỀN THOẠI TRÊN INTERNET

1 Mô hình PC to PC

Trong mô hình này, mỗi máy tính cần được trang bị một card âm thanh, một microphone, một speaker và được kết nối trực tiếp với mạng Internet thông qua modem hoặc card NIC (Network Interface Card) Mỗi máy tính được cung cấp một địa chỉ IP và hai máy tính đã có thể trao đổi các tín hiệu thoại với nhau thông qua mạng Internet Tất cả các thao tác như lấy mẫu tín hiệu âm thanh, mã hoá và giải

mã, nén và giải nén tín hiệu đều được máy tính thực hiện Trong mô hình này chỉ có những máy tính được nối với cùng một mạng mới có khả năng trao đổi thông tin với nhau [7]

2 Mô hình PC to Phone

Mô hình PC to Phone là một mô hình được cải tiến hơn so với mô hình PC to

PC Mô hình này cho phép người sử dụng máy tính có thể thực hiện cuộc gọi đến mạng PSTN thông thường và ngược lại Trong mô hình này mạng Internet và mạng PSTN có thể giao tiếp với nhau nhờ một thiết bị đặc biệt đó là Gateway Đây là mô

Hình 3: Mô hình PC to PC Hình 2: Cấu trúc phân lớp của hệ thống VoIP

Mạng truy nhập

hình cơ sở để dẫn tới việc kết hợp giữa mạng Internet và mạng PSTN cũng như các mạng GSM hay ISDN khác.[7]

Hình 4: Mô hình PC to Phone

3 Mô hình Phone to Phone

Là mô hình mở rộng của mô hình PC to Phone sử dụng Internet làm phương tiện liên lạc giữa các mạng PSTN Tất cả các mạng PSTN đều kết nối với mạng Internet thông qua các gateway Khi tiến hành cuộc gọi mạng PSTN sẽ kết nối đến gateway gần nhất Tại gateway địa chỉ sẽ được chuyển đổi từ địa chỉ PSTN sang địa chỉ IP để có thể định tuyến các gói tin đến được mạng đích Đồng thời gateway nguồn có nhiệm vụ chuyển đổi tín hiệu thoại tương tự thành dạng số sau đó mã hoá, nén, đóng gói và gửi qua mạng Mạng đích cũng được kết nối với gateway và tại gateway đích, địa chỉ lại được chuyển đổi trở lại thành địa chỉ PSTN và tín hiệu được giải nén, giải mã chuyển đổi ngược lại thành tín hiệu tương tự gửi vào mạng PSTN đến đích.[7]

Hình 5: Mô hình Phone to Phone

III CÁC ỨNG DỤNG VÀ ƯU ĐIỂM CỦA VOIP

1 Ưu điểm

- Tiết kiệm chi phí: Ưu điểm nổi bật nhất của VoIP là tiết kiệm chi phí và tận

dụng tài nguyên mạng mà không có bất cứ ràng buộc nào đối với người sử dụng Việc liên lạc đường dài sử dụng kỹ thuật VoIP tiết kiệm được chi phí hơn là sử dụng mạng PSTN thông thường, VoIP hiệu quả hơn PSTN trong các ứng dụng mới đặc biệt là các ứng dụng đa dịch vụ Ưu điểm của VoIP không chỉ là tiết kiệm chi phí liên lạc, sử dụng VoIP còn tiết kiệm được chi phí đầu tư vào hạ tầng mạng Chúng ta có khả năng sử dụng một mạng số liệu duy nhất để phục vụ tất cả các loại hình dịch vụ như thoại, fax và truyền số liệu thay vì lắp đặt các mạng độc lập Hơn nữa VoIP có thể thích hợp với bất cứ loại hình thiết bị thoại nào, chẳng hạn như PC hay điện thoại thông thường VoIP có thể áp dụng cho bất kỳ loại hình thoại nào, chẳng hạn như thoại thông thường hay thoại đa điểm cho tới điện thoại có hình hay truyền hình hội thảo Việc chia sẻ trang thiết bị và chi phí vận hành cho cả thoại và

số liệu có thể nâng cao hiệu quả sử dụng mạng vì phần băng thông dư của mạng này

có thể được tận dụng trên mạng khác, do đó thu hẹp phạm vi kênh thoại trên băng thông và tăng dụng lượng truyền.[7]

- Quản lý đơn giản: VoIP mang lại cho người sử dụng khả năng quản lý dễ

dàng hơn Việc kết hợp mạng thoại và mạng số liệu có thể giảm bớt gánh nặng cho việc quản lý Chỉ cần phải quản lý một mạng số liệu thống nhất thay vì quản lý mạng thoại bên cạnh mạng số liệu như trước đây Đối với doanh nghiệp, tất cả các cuộc gọi nội bộ có thể dùng kỹ thuật VoIP mà không gặp vấn đề gì về chất lượng dịch vụ Còn khi cần gọi ra ngoài chỉ cần một số kết nối nhất định đến mạng PSTN thông qua các gateway Đối với gia đình, áp dụng kỹ thuật VoIP không hề làm thay đổi cách sử dụng điện thoại Việc sử dụng hoàn toàn như điện thoại thông thường không có gì thay đổi (nếu có chỉ là cách bấm số có dài hơn).[7]

- Sử dụng hiệu quả: Như đã biết VoIP truyền thoại qua mạng Internet và sử

dụng giao thức IP Hiện nay IP là giao thức mạng được sử dụng rộng rãi nhất Có rất nhiều ứng dụng đang được khai thác trên cơ sở các giao thức của mạng IP VoIP

có thể kết hợp sử dụng các ứng dụng này để nâng cao hiệu quả sử dụng mạng Ví dụ

có thể đưa các địa chỉ của mạng VoIP lên trang Web và người sử dụng có thể thiết lập liên lạc khi đang khai thác trang Web của mình Kỹ thuật VoIP được sử dụng chủ yếu kết hợp với các mạng máy tính do đó có thể tận dụng được sự phát triển của công nghệ thông tin để nâng cao hiệu quả sử dụng Các phần mềm sẽ hỗ trợ rất nhiều cho việc khai thác các dịch vụ của mạng VoIP Công nghệ thông tin càng phát

triển thì việc khai thác càng có hiệu quả, sẽ xuất hiện nhiều dịch vụ mới hỗ trợ người sử dụng trong mọi lĩnh vực

2 Ứng dụng

- Internet Telephone: là thiết bị giống như điện thoại thông thường nhưng

không kết nối vào mạng điện thoại công cộng PSTN mà kết nối vào các mạng máy tính (có thể là mạng Internet) Internet Telephone có khả năng truyền và nhận tín hiệu âm thanh trực tiếp từ các mạng số liệu Internet Telephone còn có thể sử dụng được như một thiết bị truy cập Internet thông thường Internet Telephone trong tương lai sẽ phát triển với mô hình doanh nghiệp.[7]

- Gateway IP – PSTN: để có thể sử dụng mạng VoIP hiệu quả cùng với mạng

điện thoại công cộng PSTN Gateway IP – PSTN là một cổng kết nối cho phép trao đổi các thông tin trên hai mạng Gateway có thể kết nối trực tiếp hai mạng nói trên hoặc có thể sử dụng kết hợp với các PBX Gateway IP – PSTN có hai giao diện chính, giao diện thứ nhất là giao diện với mạng PSTN và giao diện thứ hai là giao diện với mạng Internet Gateway có nhiệm vụ chuyển đổi các tín hiệu cũng như chuyển đổi và xử lý các bản tin báo hiệu sao cho phù hợp ở các giao diện Gateway

là thiết bị có ý nghĩa rất lớn đối với mô hình Phone to Phone và sự phát triển rộng rãi của kỹ thuật VoIP.[7]

- Các ứng dụng mở rộng: trên cở sở gateway IP – PSTN Chúng ta có thể phát

triển thiết kế gateway IP – Mobile để có thể trực tiếp trao đổi thông tin giữa mạng di động với mạng Internet Điều này có ỹ nghĩa hết sức to lớn trong thời điểm thông tin di động đang phát triển rộng khắp trên toàn cầu Người sử dụng máy di động không chỉ có thể liên lạc được mà còn có khả năng truy cập thông tin và sử dụng các dịch vụ trên Internet Có thể mở rộng kết hợp các ứng dụng WWW với các ứng dụng VoIP cho phép người sử dụng có thể liên lạc trực tiếp từ trang Web của mình Ngoài ra có thể phát triển các ứng dụng VoIP phục vụ truy cập từ xa như truyền hình hội thảo hay điện thoại có hình.[7]

CHƯƠNG 2: MÔ HÌNH CHUẨN MẠNG VOIP

I CẤU HÌNH CHUẨN VÀ GIAO DIỆN CHUẨN CỦA MẠNG VOIP

1 Cấu hình chuẩn của mạng VoIP

Theo tiêu chuẩn của tổ chức ETSI, cấu hình chuẩn của mạng VoIP có thể bao gồm các phần tử sau:

- Thiết bị đầu cuối kết nối với mạng IP

- Mạng truy nhập IP

- Mạng xương sống IP

- Gateway điều khiển phương tiện (MGWC)

- Gateway phương tiện (MGW)

- Gateway báo hiệu (SGW)

- Gatekeeper (GK)

- Mạng chuyển mạch (SCN)

- Thiết bị đầu cuối kết nối với mạng SCN

- Các dịch vụ đầu cuối (Back-end service)

Hình 6: Cấu hình và các giao diện chuẩn của mạng VoIP

Điều khiển GW

đa phương tiện

Gateway báo hiệu

GW đa phương tiện Đầu cuối

J

Ea

Eb B

B

A

F

B

2 Các giao diện chuẩn của mạng VoIP

Các giao diện chuẩn của của mạng VoIP gồm có:

- Giao diện A: giao diện giữa thiết bị đầu cuối H.323 với GK

- Giao diện B: giao diện giữa thiết bị đầu cuối với MGW

- Giao diện C: giao diện giữa MGWC và GK

- Giao diện D: giao diện giữa hai GK

- Giao diện E: có hai loại giao diện E là Ea và Eb Trong đó Ea là giao diện giữa MGW và mạng SCN còn giao diện Eb là giao diện giữa SGW với mạng SCN

- Giao diện F: giao diện giữa các dịch vụ đầu cuối và MGWC

- Giao diện G: giao diện giữa dịch vụ đầu cuối và GK

- Giao diện H: giao diện giữa thiết bị đầu cuối và mạng truy nhập IP

- Giao diện I: giao diện giữa mạng truy nhập IP và mạng xương sống IP

- Giao diện J: giao diện giữa SGW và MGWC

- Giao diện N: giao diện giữa MGWC và MGW

Các giao diện H, I không được vẽ trên hình 6 trên đây là một ví dụ cụ thể về cấu hình chuẩn của hệ thống và các giao diện cơ bản trong mạng VoIP Cấu hình trên bao gồm hai GK và giao diện giữa chúng là giao diện D Mỗi thiết bị đầu cuối giao tiếp với một GK và giao tiếp này giống như giao tiếp giữa thiết bị đầu cuối và GW

Có thể mỗi GK quản lý một vùng cũng có thể nhiều GK chia nhau quản lý từng phần của một vùng trong trường hợp một vùng có nhiều GK

Trong vùng quản lý của GK, các tín hiệu báo hiệu có thể được chuyển tiếp qua một hoặc nhiều GK Do đó các GK phải có khả năng trao đổi các thông tin với nhau khi cuộc gọi có liên quan đến nhiều GK Có thể sử dụng nhiều cách thức để nối hai

GK hoặc một GK và một GW như: dành riêng, không dành riêng, theo khoảng thời gian hoặc theo nhu cầu.[7]

II CHỨC NĂNG CỦA TỪNG PHẦN TỬ

1 Thiết bị đầu cuối

Một thiết bị đầu cuối là một nút trong cấu hình chuẩn của mạng VoIP, nó có thể được kết nối với mạng sử dụng một trong các giao diện truy nhập Một thiết bị đầu cuối có thể cho phép một thuê bao trong mạng IP thực hiện một cuộc gọi tới một

thuê bao trong mạng SCN Các cuộc gọi đó sẽ được nằm dưới sự giám sát của GK

mà thiết bị đầu cuối hoặc thuê bao đã đăng ký Một thiết bị đầu cuối có thể bao gồm các khối chức năng sau:

- Chức năng đầu cuối H.225: thu và nhận các bản tin H.225

- Chức năng đầu cuối H.245: thu và nhận các bản tin H.245

- Bảo mật kênh truyền tải: đảm bảo tính bảo mật của kênh truyền tải thông tin kết nối với thiết bị đầu cuối

- Bảo mật kênh báo hiệu: đảm bảo tính bảo mật của kênh báo hiệu kết nối với thiết bị đầu cuối

- Chức năng xác nhận: thiết lập đặc điểm nhận dạng khách hàng, thiết bị hoặc phần tử mạng

- Thu thập bằng chứng không từ chối: thu thập các thông tin dùng để xác nhận

là bản tin báo hiệu hoặc bản tin chứa thông tin đã được truyền hoặc nhận chưa

- Chức năng quản lý: giao tiếp với hệ thống quản lý mạng

- Chức năng ghi các bản tin sử dụng: xác định và ghi lại các thông tin về sự kiện (truy nhập, cảnh báo) và tài nguyên

- Chức năng báo cáo các bản tin sử dụng: báo cáo các bản tin sử dụng đã đươc ghi ra thiết bị ngoại vi

2 Mạng truy nhập IP

Mạng truy nhập IP cho phép thiết bị đầu cuối, gateway, gatekeeper truy nhập vào mạng IP thông qua cơ sở hạ tầng mạng sẵn có Một vài loại giao diện chuẩn truy nhập IP được sử dụng trong cấu hình chuẩn của mạng VoIP là:

3 Gatekeeper

Gatekeeper là phần tử trong mạng chịu trách nhiệm quản lý việc đăng ký, chấp nhận và trạng thái của các thiết bị đầu cuối và gateway Gatekeeper có thể tham gia vào việc quản lý vùng, xử lý cuộc gọi và báo hiều cuộc gọi Nó xác định tuyến để truyền báo hiệu cuộc gọi và nội dung đối với mỗi cuộc gọi Gatekeeper có thể bao gồm các khối chức năng sau:

- Chuyển đổi địa chỉ E.164: chuyển đổi từ địa chỉ E.164 sang tên gọi H.323

- Chuyển đổi tên gọi H.323: chuyển đổi từ tên gọi H.323 sang số E.164

- Chuyển đổi địa chỉ H.225.0: chuyển đổi từ tên gọi H.323 sang địa chỉ IP để truyền hoặc nhận các bản tin H.225.0 và truyền địa chỉ IP để truyền các bản tin H.225.0 bao gồm cả mã lựa chọn nhà cung cấp mạng

- Dịch địa chỉ kênh thông tin: nhận và truyền địa chỉ IP của các kênh truyền tải thông tin, bao gồm cả mã lựa chọn nhà cung cấp mạng

- Dịch địa chỉ kênh H.245: nhận và truyền địa chỉ IP phục vụ cho báo hiệu H.245, bao gồm cả mã lựa chọn nhà cung cấp

- GK H.225.0: truyền và nhận các bản tin H.225.0

- GK H245: truyền và nhận các bản tin H.245

- Giao tiếp giữa các GK: thực hiện trao đổi thông tin giữa các GK

- Đăng ký: cung cấp các thông tin cần đăng ký khi yêu cầu dịch vụ

- Xác nhận: thiết lập các đặc điểm nhận dạng của khách hàng, thiết bị đầu cuối hoặc các phần tử mạng

- Điều khiển GK chấp nhận kênh thông tin: cho phép hoặc không cho phép sử dụng các kênh truyền tải thông tin

- Thu thập bằng chứng không từ chối: thu thập các thông tin để xác nhận là các bản tin báo hiệu hoặc bản tin chứa thông tin đã được truyền hoặc nhận chưa

- Bảo mật kênh báo hiệu: đảm bảo tính bảo mật của kênh báo hiệu kết nối GK với thiết bị đầu cuối

- Tính cước: thu thập thông tin để tính cước

- Điều chỉnh tốc độ và giá cước: xác định tốc độ và giá cước sử dụng

- Chức năng quản lý: giao tiếp với hệ thống quản lý mạng

- Chức năng ghi các bản tin sử dụng: xác định và ghi lại các thông tin về sự kiện (truy nhập, cảnh báo) và tài nguyên

- Chức năng báo cáo các bản tin sử dụng: báo cáo các bản tin sử dụng đã được ghi ra thiết bị ngoại vi

4 Gateway

Một gateway có thể kết nối vật lý một hoặc nhiều mạng IP với một hoặc nhiều mạng SCN Một GW có thể bao gồm: SGW (Signalling Gateway), MGWC (Media Gateway Controller) và MGW (Media Gateway) Một hay nhiều chức năng này có thể được thực hiện bởi GK hoặc một GW khác.[7]

4.1 Gateway báo hiệu (SGW):

SGW cung cấp kênh báo hiệu giữa mạng IP và mạng SCN SGW là phần tử trung gian chuyển đổi báo hiệu trong mạng IP (ví dụ như H.323) và báo hiệu trong mạng SCN (ví dụ báo hiệu R2 hay SS7) SGW bao gồm các chức năng sau:

- Kết cuối các giao thức điều khiển cuộc gọi

- Kết cuối báo hiệu từ mạng SCN: phối hợp hoạt động với chức năng báo hiệu của MGWC

- Chức năng báo hiệu: chuyển đổi giữa báo hiệu giữa IP với báo hiệu mạng SCN khi phối hợp hoạt động với MGWC

- Bảo mật kênh báo hiệu: đảm bảo tính bảo mật của kênh báo hiệu từ GW

- Chức năng ghi các bản tin sử dụng: xác định và ghi các bản tin báo hiệu và các bản tin thông tin truyền và nhận

- Chức năng báo cáo các bản tin sử dụng: báo cáo các bản tin sử dụng ra thiết bị ngoại vi

- OAM&P: vận hành quản lý và bảo dưỡng thông qua các giao diện logic cung cấp các thông tin không trực tiếp phục vụ cho điều khiển cuộc gọi tới các phần tử quản lý hệ thống

- Chức năng quản lý: giao diện với hệ thống quản lý mạng

- Giao diện mạng chuyển mạch gói: kết cuối mạng chuyển mạch gói

4.2 Gateway truyền tải kênh thoại (MGW)

MGW cung cấp phương tiện để thực hiện chức năng chuyển đổi mã hoá Nó chuyển đổi giữa các mã hoá truyền trong mạng IP (mã này được truyền trên kênh

RTP/UDP/IP) với các mã hoá truyền trong mạng SCN (mã PCM, GSM) MGW bao gồm các chức năng sau:

- Chức năng chuyển đổi địa chỉ kênh thông tin: cung cấp địa chỉ IP cho các kênh truyền và nhận

- Chức năng chuyển đổi luồng: chuyển đổi giữa các luồng thông tin giữa mạng

IP và mạng SCN bao gồm việc chuyển đổi mã hoá và triệt tiếng vọng

- Chức năng dịch mã hoá: định tuyến các luồng thông tin giữa mạng IP và mạng SCN

- Bảo mật kênh thông tin: đảm bảo tính riêng tư của kênh thông tin kết nối với

GW

- Kết cuối chuyển mạch kênh: bao gồm tất cả các phần cứng và giao diện cần thiết để kết cuối cuộc gọi chuyển mạch kênh Nó phải bao gồm các bộ mã hoá và giải mã PCM luật A và PCM luật 

- Kết cuối chuyển mạch gói: bao gồm tất cả các giao thức liên quan đến việc kết nối kênh thông tin trong mạng chuyển mạch gói bao gồm các bộ mã hoá vầ giải mã

có thể được sử dụng Theo tiêu chuẩn H.323 thì nó bao gồm RTP/RTCP như được trình bày trong tiêu chuẩn H.225.0 và các bộ mã hoá và giải mã như G.711 và G.723.1

- Giao diện với mạng SCN: kết cuối và điều khiển các kênh mang ví dụ như kênh DS0 từ mạng SCN

- Chức năng chuyển đổi kênh thông tin giữa IP và SCN: chuyển đổi giữa kênh mang thông tin thoại, fax, số liệu của SCN và các gói dữ liệu trong mạng chuyển mạch gói Nó cũng thực hiện các chức năng xử lý tín hiệu thích hợp như: nén tín hiệu thoại, triệt tiếng vọng, triệt khoảng im lặng, mã hoá, chuyển đổi tín hiệu fax, điều tiết tốc độ cho modem tương tự Thêm vào đó nó còn thực hiện chuyển đổi giữa tín hiệu DTMF trong mạng SCN và các tín hiệu thích hợp trong mạng chuyển mạch gói khi mà các bộ mã hoá tín hiệu thoại không mã hoá tín hiệu DTMF Chức năng chuyển đổi kênh thông tin giữa IP và SCN cũng có thể thu thập thông tin về lưu lượng gói và chất lượng kênh đối với mỗi cuộc gọi để sử dụng trong việc báo cáo chi tiết và điều khiển cuộc gọi

- Chức năng ghi các bản tin sử dụng: xác định và ghi các bản tin báo hiệu và các bản tin thông tin truyền và nhận

- Chức năng báo cáo các bản tin sử dụng: báo cáo các bản tin sử dụng ra thiết bị ngoại vi

- OAM&P: vận hành quản lý và bảo dưỡng thông qua các giao diện logic cung cấp các thông tin không trực tiếp phục vụ cho điều khiển cuộc gọi tới các phần tử quản lý hệ thống

- Chức năng quản lý: giao diện với hệ thống quản lý mạng

- Giao diện mạng chuyển mạch gói: kết cuối mạng chuyển mạch gói

4.3 Gateway điều khiển truyền tải kênh thoại (MGWC)

MGWC đóng vai trò phần tử kết nối MGW, SGW và GK Nó cung cấp chức năng xử lý cuộc gọi cho GK, điều khiển MGW nhận thông tin báo hiệu SCN từ SGW và thông tin báo hiệu IP từ GK MGWC bao gồm các khối chức năng sau:

- Chức năng GW H.225.0: truyền và nhận các bản tin H.225.0

- Chức năng GW H.245: truyền và nhận các bản tin H.245

- Chức năng xác nhận: thiết lập đặc điểm nhận dạng của người sử dụng thiết bị hoặc phần tử mạng

- Chức năng điều khiển GW chấp nhận luồng dữ liệu: cho phép hoặc không cho phép một luồng dữ liệu

- Thu thập bằng chứng không từ chối: thu thập các thông tin để xác nhận là các bản tin báo hiệu hoặc bản tin chứa thông tin đã được truyền hoặc nhận chưa

- Báo hiệu chuyển mạch gói: bao gồm tất cả các loại báo hiệu cuộc gọi có thể thực hiện bởi các đầu cuối trong mạng Ví dụ như theo chuẩn H.323 thì bao gồm: H.225.0, Q.913, H.225.0 RAS và H.245 Đối với một đầu cuối H.323 chỉ nhận thì

nó bao gồm H.225.0 RAS mà không bao gồm H.245

- Giao diện báo hiệu chuyển mạch gói: kết cuối giao thức báo hiệu chuyển mạch gói (ví dụ như H.323, UNI, PNNI) Nó chỉ lưu lại vừa đủ thông tin trạng thái

để quản lý giao diện Về thực chất giao diện báo hiệu mạng chuyển mạch gói trong MGWC không kết nối trực tiếp với MGW như là các thông tin truyền từ MGWC tới MGW thông qua chức năng điều khiển cuộc gọi

- Điều khiển GW: bao gồm các chức năng điều khiển kết nối lôgic, quản lý tài nguyên, chuyển đổi giao diện (ví dụ từ SS7 sang H.225.0)

- Giám sát tài nguyên từ xa: bao gồm giám sát độ khả dụng của các kênh trung

kế của MGW, dải thông và độ khả dụng trong cho IP, tỷ lệ định tuyến thành công cuộc gọi

- Chức năng điều khiển cuộc gọi: lưu giữ các trạng thái cuộc gọi của GW Chức năng điều khiển cuộc gọi bao gồm tất cả các chức năng điều khiển kết nối lôgic của

GW

- Quản lý tài nguyên MGW: cấp phát tài nguyên cho MGW

- Chức năng báo hiệu: chuyển đổi giữa báo hiệu mạng IP và báo hiệu mạng SCN trong phối hợp hoạt động với SGW

- Chức năng ghi các bản tin sử dụng: xác định và ghi các bản tin báo hiệu và các bản tin thông tin truyền và nhận

- Chức năng báo cáo các bản tin sử dụng: báo cáo các bản ttin sử dụng ra thiết

bị ngoại vi

- OAM&P: vận hành quản lý và bảo dưỡng thông qua các giao diện logic cung cấp các thông tin không trực tiếp phục vụ cho điều khiển cuộc gọi tới các phần tử quản lý hệ thống

- Chức năng quản lý: giao diện với hệ thống quản lý mạng

- Giao diện mạng chuyển mạch gói: kết cuối mạng chuyển mạch gói.[7]

III CẤU HÌNH MẠNG VOIP TRONG MẠNG HỘI TỤ THẾ HỆ MỚI NGN

Hình 7: Cấu hình mạng VoIP trong xu hướng NGN

Cấu hình của mạng VoIP trong xu hướng mạng hội tụ mới NGN (Next Generation Network bao gồm các phần tử điển hình như trong cấu trúc được đề cập

ở phần trên:

- Thiết bị đầu cuối kết nối với mạng IP, mạng truy nhập IP, mạng xương sống

IP

- Gateway điều khiển phương tiện (MGC)

- Gateway phương tiện (MG)

- Gateway báo hiệu (SG)

Xu hướng mạng hội tụ VoIP mới sẽ có các thay đổi căn bản hướng tới việc sử dụng các giao thức mới được phát triển chuẩn hoá thay thế cho các giao thức chuẩn nhưng có nhiều nhược điểm như H.323 hoặc các giao thức hiện nay vẫn được phát triển riêng rẽ của các nhà cung cấp thiết bị trên thị trường như giao thức SS7 qua IP

- Giao thức điều khiển giữa MGC và MG: trên thế giới có rất nhiều các giao thức điều khiển được phát triển riêng rẽ như SIP, SGCP, MGCP Tuy nhiên, dần dần các giao thức điều khiển này được qui chuẩn bởi giao thức Megaco/H.248 được IETF phát triển Các hãng phát triển các thiết bị VoIP đều có lộ trình rõ ràng hỗ trợ giao thức Megaco/H.248 trong sản phẩm của mình trong tương lai gần

- Giao thức trao đổi báo hiệu giữa MGC và SG: Hiện nay có rất nhiều các giao thức chuyển tải báo hiệu qua IP được phát triển riêng rẽ nên rất cần chuẩn hoá đảm bảo sự tương thích giữa thiết bị các hãng Do vậy, IETF đã thành lập nhóm nghiên cứu Sigtran (Signaling Transport group) để phát triển một giao thức chuyển tải báo hiệu qua mạng IP là giao thức SCTP (Stream Control Transmission Protocol) SCTP cung cấp các chức năng tương đương cho phần chuyển tải dữ liệu MTP cả mức 2 và mức 3 trên mạng SS7 IETF hy vọng giao thức này được chấp nhận rộng rãi và bên cạnh việc chuyển tải báo hiệu còn có thể trở thành một giao thức chuyển tải phổ biến tương tự TCP hay UDP

- Giao thức điều khiển cuộc gọi giữa MGC và MGC hoặc với IP phone: IETF khuyến nghị và phát triển giao thức SIP (Session Initial Protocol) với mục tiêu sử dụng trao đổi các thông tin điều khiển cuộc gọi giữa hai MGC hoặc với các thiết bị

IP phone

- Giao thức kết nối giữa SG và mạng thoại PSTN: Giao thức hiện trên thế giới

sử dụng như giao thức SS7, H.323.[7]

CHƯƠNG 3: CÁC GIAO THỨC CHUYỂN TẢI VÀ BÁO

HIỆU TRONG VOIP

I GIAO THỨC TCP/IP

1 Giao thức IP

Giao thức mạng IP được thiết kế để liên kết các mạng máy tính sử dụng phương pháp truyền và nhận dữ liệu dưới dạng gói Giao thức IP cho phép truyền các gói dữ liệu từ điểm nguồn đến điểm đích có địa chỉ cố định Đơn vị dữ liệu được trao đổi là các gói số liệu (datagram) Các chức năng chính được thực hiện ở lớp IP là:

- Đánh địa chỉ (Addressing): tất cả các host trong mỗi mạng và trong liên mạng đều được cung cấp một địa chỉ IP duy nhất Theo giao thức IP version 4 mỗi địa chỉ

IP gồm 32bit và được chia làm năm lớp từ A đến E Các lớp A, B, C được sử dụng

để định danh các host trên các mạng Lớp D được sử dụng cho quá trình truyền đa điểm còn lớp E dùng để dự phòng.[7]

- Tìm đường (Routing): khi cần truyền dữ liệu qua một số mạng khác nhau, chức năng tìm đường là cần thiết Nó giúp lựa chọn đường đi tối ưu nhất cho các gói số liệu Nếu hai host cần liên lạc không nằm trong một phân mạng, bảng định tuyến sẽ được sử dụng để quyết định việc chuyển dữ liệu và các bộ định tuyến thường xuyên trao đổi và cập nhật các thông tin trong bảng định tuyến Ngoài ra các router còn được hỗ trợ bởi các giao thức như Border Gateway Protocol (BGP) hay Open Shortest Path First (OSPF).[7]

- Truyền đa điểm (Multicasting): hiện nay có ba cách truyền các gói IP đang được sử dụng Thứ nhất là cách truyền một điểm đích (unicast) nghĩa là các gói số liệu được truyền từ một host nguồn tới chỉ một host đích Cách thứ hai là truyền quảng bá (broadcast) nghĩa là các gói số liệu được gửi đến tất cả các host còn lại trên mạng Khi muốn truyền các gói số liệu đến một số host nhất định trong mạng cách đó gọi là truyền đa điểm.[7]

Ngoài các chức năng nêu trên, các môdun IP còn cung cấp khả năng phân chia

và tập hợp các gói số liệu khi cần thiết truyền qua các mạng yêu cầu gói số liệu kích thước nhỏ Các gói số liệu được xử lý một cách độc lập với nhau không có liên quan

gì về mặt vật lý và lôgic.[7]

1.1 Giao thức Internet version 4 - IPv4

Cấu trúc của IPv4 header được thể hiện như sau: [7]

Hình 8: Cấu trúc của IPv4 datagram

VER (4bit): chỉ rõ version của IP hiện tại đang cài đặt

IHL (4 bit): chỉ rõ độ dài phần mào đầu (header) của datagram đơn vị tính theo

từ (1 từ = 32bit) Độ dài tối thiểu là 5 bit

Loại dịch vụ (Type of service - 8bit): cung cấp các tham số chỉ dịch vụ sử dụng khi truyền gói qua một mạng đặc biệt nào đó Rất nhiều mạng cung cấp các dịch vụ

về độ ưu tiên lưu thông đặc biệt khi mạng đạng bị quá tải Việc lựa chọn đảm bảo đường truyền đạt 3 tiêu chuẩn là thời gian trễ thấp, độ tin cậy cao và đảm bảo độ thông suốt cho các datagram được truyền Các tham số về dịch vụ có dạng cụ thể như sau:

Quyền ưu tiên (Precedence -3bit): chỉ thị quyền ưu tiên gửi datagram Trễ (Delay -1bit): chỉ thị độ trễ yêu cầu

D=0: độ trễ bình thường D=1: độ trễ cao

Thông lượng (Throughput -1bit): chỉ thị thông lượng yêu cầu

T=0: thông lượng bình thường T=1: thông lượng cao

Độ tin cậy (Reliability -1bit): chỉ thị độ tin cậy

R=0: độ tin cậy bình thường R=1: độ tin cậy cao

Chiều dài tổng (Total Length -16 bit): chỉ thị độ dài toàn bộ datagram kể cả phần mào đầu Giá trị tối đa là 65535 byte Thông thường các host chỉ có thể xử lý gói có chiều dài tối đa là 576 byte gồm 512 byte dữ liệu và 64 byte header Các host chỉ có thể gửi các datagram có độ dài lớn hơn 576 byte khi biết trước là host đích có khả năng xủ lý các gói này

Nhận dạng (Identification -16bit): cùng với các tham số khác (như Source Address và Destination Address) dùng để định danh duy nhất cho một datagram trong khoảng thời gian nó vẫn còn trên mạng

Cờ (Flag -3bit): chỉ thị sự phân đoạn (fragment) của các datagram

bit 0: không sử dụng và luôn lấy giá trị 0

bit 1 (DF): DF=0: có phân đoạn

DF=1: không phân đoạn bit2 (MF): MF=0: fragment cuối cùng

MF=1: không phải fragment cuối cùng

Vị trí đoạn (Fragment Offset -13bit): chỉ rõ vị trí của đoạn (fragment) ở trong datagram tính theo đơn vị 64bit

Thời gian tồn tại (Time to Live - 8bit): quy định thời gian tồn tại tính bằng giây của datagram trong liên mạng tránh tình trạng một datagram đi vòng quanh trên mạng Thời gian này được quy định bởi trạm gửi và được giảm đi (thường là 1 đơn vị) sau khi đi qua mỗi router

Giao thức (Protocol - 8bit): chỉ rõ giao thức tầng kế tiếp sẽ nhận vùng dữ liệu ở trạm đích (hiện tại thường là TCP hay UDP được cài đặt trên IP) Nếu giá trị của trường protocol là 6 (theo hệ thập phân) thì giao thức ở tầng kế tiếp sẽ là giao thức TCP Còn nếu giá trị của trường protocol là 17 thì giao thức tầng kế tiếp sẽ là UDP Kiểm tra mào đầu (Header Checksum -16bit): mã kiểm soát lỗi 16 bit theo phương pháp CRC chỉ cho phần mào đầu

Địa chỉ nguồn (Source Address - 32bit): địa chỉ của trạm nguồn

Địa chỉ đích (Destination Address - 32bit): địa chỉ của trạm đích

Tuỳ chọn (Option): độ dài thay đổi, khai báo các lựa chọn do người sử dụng yêu cầu

Vùng đệm (Padding): độ dài thay đổi, vùng đệm để đảm bảo cho phần mào đầu luôn kết thúc ở một mốc 32bit

Số liệu (Data): độ dài thay đổi, vùng dữ liệu có đô dài là bội số của 8bit và tối

đa là 65535 byte

1.2 Giao thức Internet version 6 - IPv6

Trong IPv4 trường địa chỉ IP được cung cấp 32 bit và theo lý thuyết thì nó có thể cung cấp đủ số lượng địa chỉ IP Nhưng do sự phát triển nhanh chóng của Internet, dung lượng địa chỉ IP đã trở nên không đủ mà nguyên nhân chủ yếu là do các phân lớp và cách thức tìm địa chỉ trong các lớp Ngoài ra do sự phát triển của Internet bảng định tuyến của các router không ngừng lớn lên và khả năng routing (tìm đường) đã bộc lộ nhiều hạn chế Yêu cầu nâng cao chất lượng dịch vụ và tính bảo mật cũng được đặt ra Đó là những lý do quan trọng để thiết kế một giao thức Internet mới.[7]

IPv6 là một giao thức Internet mới và đã có nhiều cải tiến so với IPv4, nhưng những đặc điểm chính của IPv4 vẫn được kế thừa Những thay đổi quan trọng nhất

so với IPv4 là:

- Tăng kích thước địa chỉ IP từ 32 bit lên 128 bit và do đó dung lượng địa chỉ IP cũng tăng lên Các nhà thiết kế dự tính dung lượng này sẽ đủ để sử dụng trong thời gian tới

- Phạm vi của tìm đường đa điểm (multicast routing) được nâng lên Giao thức IPv6 hỗ trợ một cách thức truyền mới gọi là “anycasting” Cách thức truyền này được sử dụng để gửi các datagram đến bất cứ một ai đó trong một nhóm những người nhận

- Các mào đầu của IPv6 được đơn giản hoá hơn so với IPv4 Điều đó cho phếp

xử lý các gói tin nhanh hơn Ngoài ra IPv6 còn cung cấp một số mào đầu phụ cho phép giao thức IPv6 có thể được sử dụng một cách mềm dẻo, điều này hoàn toàn trái ngược với IPv4

Cấu trúc của IPv6 datagram được thể hiện như sau:

Hình 9: Cấu trúc của IPv6 datagram

Version (4bit): chỉ rõ version của IP đang cài đặt Đối với IPv6 thì giá trị của trường version là 6

Loại lưu lượng (Trafic class - 8bit): là chỉ số xác định mức độ ưu tiên

Nhãn luồng lưu lượng (Flow label - 20bit): gọi là nhãn của luồng dữ liệu, được

sử dụng để xác định các gói dữ liệu được ưu tiên trên đường truyền nếu có xảy ra tranh chấp Thường được sử dụng cho các dịch vụ đòi hỏi chất lượng cao hay các ứng dụng thời gian thực

Độ dài tải trọng (Payload length - 16bit): chỉ rõ độ dài dữ liệu không tính phần mào đầu Vì trường payload length có độ dài là 16 bit nên phần dữ liệu chỉ có thể có

độ dài tối đa là 65535 byte

Mào đầu tiếp theo (Next header - 8bit): chỉ rõ kiểu của mào đầu kế tiếp sau mào đầu của IPv6 Trong trường hợp đơn giản nhất đó là mào đầu của giao thức lớp trên Đôi khi nó có thể là một trong các mào đầu phụ của IPv6 Ví dụ một số mào đầu phụ được định nghĩa là: fragmentaion, security, authentication, source routing Thời gian tồn tại (Hop limit - 8bit): giống như trường Time to live ở mào đầu IPv4 quy định thời gian tồn tại của các datagram trên mạng

Địa chỉ nguồn (Source address -128bit): chỉ rõ địa chỉ của trạm nguồn

Địa chỉ đích (Destination address - 128bit): chỉ rõ địa chỉ của trạm đích

Số liệu (Data): độ dài thay đổi, phần dữ liệu có độ dài là bội số của 8 bit và tối

đa là 65535 byte

2 Giao thức TCP và UDP

2.1 Giao thức truyền tải - TCP

a) Khái quát về giao thức TCP

TCP là giao thức điều khiển truyền dẫn có độ tin cậy cao được thiết kế để phục vụ việc liên lạc giữa hai host và chỉ hỗ trợ phương thức truyền “unicasting” Trong ứng dụng truyền thoại VoIP, giao thức TCP được sử dụng làm giao thức truyền báo hiệu chứ không phục vụ việc truyền các tín hiệu thoại Lý do vì mào đầu của TCP lớn và vì đảm bảo tính chính xác cao của đường truyền nên giao thức TCP gây ra thời gian trễ lớn ảnh hưởng đến chất lượng các ứng dụng thời gian thực Và

để đảm bảo tính chính xác và thứ tự nên giao thức TCP được ứng dụng để truyền báo hiệu Giao thức TCP thực hiện các chức năng chính như sau:

- Thiết lập liên kết: khi hai thực thể TCP muốn trao đổi dữ liệu với nhau cần phải thiết lập một liên kết logic giữa chúng Liên kết được thiết lập phải được bảo đảm về tính chính xác và độ tin cậy, khi liên kết không còn đủ độ tin cậy thì liên kết

sẽ bị huỷ bỏ và thiết lập lại Khi hoàn tất việc truyền thông các liên kết sẽ được giải phóng Để thực hiện việc thiết lập liên kết các modul TCP sử dụng một cơ chế đặc biệt gọi là “bắt tay ba chiều” (three way handshake).[7]

- Bảo đảm tính chính xác: giao thức TCP cung cấp các tham số để kiểm tra cũng như sửa đó là số thứ tự (sequence number), xác nhận (acknowledge) và kiểm lỗi tổng (checksum) Các segment được đánh số hiệu tuần tự do vậy dễ dàng loại bỏ các segment bị thu đúp cũng như các segment không được yêu cầu Các segment sau khi được thu sẽ được kiểm tra nhờ cheksum, nếu được thu đúng sẽ phát lại tín hiệu ACK khẳng định Nếu segment bị thu lỗi, segment sẽ bị loại bỏ và nó sẽ được phát lại Nhờ ACK mà các segment lỗi hay bị mất sẽ được phát lại đảm bảo được tính chính xác của dữ liệu thu.[7]

- Ngoài ra giao thức TCP còn cung cấp một số chức năng kiểm tra đường truyền (flow control và congestion control) cho phép kiểm soát và tránh được sự tắc nghẽn trên mạng

b) Cấu trúc của TCP segment

Hình 10: Cấu trúc của TCP segment

Cổng nguồn (Source Port - 16bit): số hiệu cổng của trạm nguồn

Cổng đích (Destination Port -16bit): số hiệu cổng của trạm đích

Số tuần tự (Sequence Number - 32bit): số hiệu của byte đầu tiên của segment

từ khi bit SYN được thiết lập Nếu bit SYN được thiết lập thì Sequence Number là

số hiệu tuần tự khởi đầu (ISN) và byte dữ liệu đầu tiên là ISN+1

Số xác nhận (Acknowledgment Number - 32bit): số hiệu của segment tiếp theo

mà trạm nguồn đang chờ để nhận Ngầm ý báo nhận tốt các segment mà trạm đích

đã gửi cho trạm nguồn

Offset số liệu (Data Offset - 4bit): số lượng từ trong phần mào đầu của TCP Chỉ ra vị trí bắt đầu của vùng dữ liệu

Dự phòng (Reserved - 6bit): dành để dùng trong tương lai

Bit điều khiển (Control bit - 6bit): là các bit điều khiển

URG: vùng Urgent Pointer (con trỏ khẩn) có hiệu lực

ACK: vùng ACK number (báo nhận) có hiệu lực

PSH: chức năng Push

RST: khởi động lại liên kết

SYN: đồng bộ hoá các số hiệu tuần tự

FIN: không còn dữ liệu từ trạm nguồn

Cửa sổ ( Window - 16bit): cấp phát thẻ bài để kiểm soát luồng dữ liệu theo cơ chế cửa sổ Đây chính là số lượng các byte dữ liệu bắt đầu từ byte được chỉ ra trong vùng ACK number mà trạm nguồn đã sẵn sàng để nhận

Kiểm lỗi (Checksum - 16bit): mã kiểm soát lỗi theo phương pháp CRC cho toàn bộ segment bao gồm cả phần mào đầu

Con trỏ khẩn (Urgent Pointer - 16bit): con trỏ này trỏ tới số hiệu tuần tự của byte đi sau dữ liệu khẩn, cho bên nhận biết được độ dài của dữ liệu khẩn Vùng này chỉ có hiệu lựuc khi bit URG được thiết lập

Tuỳ chọn (Option): độ dài thay đổi, khai báo các lựa chọn của TCP trong đó

có độ dài tối đa của vùng data trong một segment

Vùng đệm (Padding): độ dài thay đổi, vùng đệm để đảm bảo cho phần mào đầu luôn kết thúc ở một mốc 32bit

Số liệu TCP (TCP data): độ dài thay đổi, chứa dữ liệu của tầng trên có độ dài tối đa ngầm định là 536 byte Giá trị này có thể thay đổi nhờ khai báo trong vùng Option

c) Quản lý số hiệu tuần tự (Sequence number)

Mỗi byte dữ liệu đầu tiên trong các TCP segment được gửi đi đều được đánh

số tuần tự và được xác nhận lại tại điểm thu Các TCP segment mang một số acknowledgment number là số sequence number của TCP segment kế tiếp sẽ được gửi đi theo hướng ngược lại bên phát Khi gửi một TCP segment nó đồng thời chép một bản sao của segment đó vào hàng chờ phát lại và khởi động bộ định thời Nếu nhận được ACK từ phía thu bản sao đó sẽ bị loại ra khỏi hàng Nếu chưa nhận được ACK sau khoảng thời gian timeout thì bản sao sẽ được phát lại Số hiệu tuần tự được đánh số trong giới hạn từ 0 đến 232 -1 Số thứ tự nhỏ nhất được đánh số ở byte đầu tiên ngay sau header và các byte tiếp theo được đánh số liên tiếp Khi một kết nối được thiết lập, số thứ tự bắt đầu được cung cấp ISN (Initial Sequence Number) một cách ngẫu nhiện gồm 32bit Các bit thấp được tăng lần lượt sau 4(s do

đó chu kỳ khởi tạo ISN được lặp lại trong chu kỳ là 4,55 giờ Thời gian tối đa một gói tồn tại trên mạng là vài chục phút nên xác suất để hai TCP segment có cùng số thứ tự là không xảy ra.[7]

2.2 Giao thức số liệu người sử dụng - UDP

a) Khái quát về giao thức UDP:

UDP là một trong hai giao thức truyền dữ liệu được sử dụng trên cơ sở của giao thức IP Các đơn vị dữ liệu được trao đổi là các UDP datagram Giao thức UDP là

giao thức không có liên kết và không có các cơ chế bảo đảm độ tin cậy Giao thức UDP không cung cấp các cơ chế kiểm tra, truyền lại cũng như các cơ chế phản hồi

để kiểm soát tốc độ luồng dữ liệu Do đó các UDP datagram có thể bị mất, thu đúp hoặc thu không đúng yêu cầu Tuy vậy UDP cũng cung cấp các cơ chế quản lý số hiệu cổng để phân biệt giữa nhiều chương trình được chạy trên cùng một máy tính Hơn nữa cấu trúc của UDP datagram đơn giản nên thời gian trễ truyền dẫn cũng như thời gian xử lý cũng nhanh hơn do đó tốc độ truyền nhanh hơn Các chương trình dựa vào giao thức UDP thường hoạt động tốt trong phạm vi hẹp (local enviroment) còn không tốt trong phạm vi rộng như Internet.[7]

b) Cấu trúc UDP datagram:

Số liệu

Hình 11: Cấu trúc của UDP datagram

Cổng nguồn (Source Port - 16bit): số hiệu cổng của trạm nguồn

Cổng đích (Destination Port - 16bit): số hiệu cổng của trạm đích

Chiều dài (Message Length - 16bit): chỉ rõ độ dài phần UDP datagram (tính theo byte) bao gồm cả phần data và phần header Độ dài nhỏ nhất của UDP datagram là 8 byte khi chỉ có phần header

Mã kiểm lỗi (Checksum - 16bit): mã kiểm soát lỗi

c) Mào đầu giả của UDP

Trường UDP checksum không chỉ được tính riêng cho UDP datagram Để tính toán phần checksum UDP xây dựng một mào đầu giả và mào đầu giả này không được truyền đi cùng UDP datagram Ban đầu gán cho phần checksum bằng không sau đó cộng lần lượt mỗi lần 16bit vào đó Phần checksum được tính bao gồm mào đầu giả, mào đầu UDP và datagram Mục đích của việc sử dụng mào đầu giả là để xác nhận UDP datagram được truyền đúng đích Chìa khoá để hiểu mào đầu giả là ở chỗ nhận ra được địa chỉ đích và giao thức được sử dụng tại đích Còn UDP mào đầu đơn thuần chỉ chỉ rõ số hiệu cổng được sử dụng Để xác nhận đích, bên phát tính checksum bao gồm cả phần địa chỉ IP và UDP datagram Tại đích cuối cùng, chương trình sẽ xác nhận phần checksum sử dụng địa chỉ IP thu được trong phần mào đầu IP Nếu đúng thì có nghĩa là datagram đã tìm đến đúng đích đã định sẵn

bao gồm cả giao thức được sử dụng Cấu trúc mào đầu giả được trình bày như hình vẽ:[7]

Địa chỉ IP nguồn Địa chỉ IP đích

Hình 12: Cấu trúc của UDP mào đầu giả

Địa chỉ IP nguồn (Source IP address - 32bit): địa chỉ IP của trạm nguồn

Địa chỉ IP đích (Destination IP address - 32bit): địa chỉ IP của trạm đích

8 số 0 (Zero - 8bit): gồm toàn số 0

Giao thức (Protocol - 8bit): chỉ rõ giao thức được sử dụng ở trạm đích (17 dành cho UDP)

Chiều dài UDP (UDP length - 16bit): độ dài của UDP datagram không kể mào đầu giả Để kiểm tra checksum, phía thu khôi phục tham số này từ mào đầu IP.[7]

Tương tự như các giao thức truyền dẫn khác, gói tin RTP (RTP packet) bao gồm hai phần là phần mào đầu (header) và phần dữ liệu (data) Nhưng không giống như các giao thức truyền dẫn khác là sử dụng các trường trong header để thực hiện các chức năng điều khiển, RTP sử dụng một cơ chế điều khiển độc lập trong định dạng của gói tin RTCP để thực hiện các chức năng này.[7]

1.2 Cấu trúc gói tin RTP

Hình 13: Cấu trúc gói tin RTP

Ver (Version - 2bit): chỉ rõ version của RTP hiện tại đang được cài đặt Hiện tại các giao thức RTP được cài đặt là version2

Vùng đệm P (Padding - 1bit): có vai trò như bit cờ được sử dụng để đánh dấu khi có một số byte được chèn thêm vào trong gói Bit này được thiết kế để thích nghi với việc sử dụng của các thuật toán mã hoá mà yêu cầu các khối có độ dài cố định và việc truyền những gói tin RTP ở các lớp giao thức thấp hơn

Mở rộng X (Extension - 1bit): cũng có vai trò như một bit cờ được sử dụng để đánh dấu khi có header mở rộng tiếp theo header cố định Header mở rộng cung cấp các cơ chế cho phép những người phát triển thử nghiệm bằng cách thêm các chức năng định dạng dữ liệu độc lập mà yêu cầu các thông tin trong header thêm khi cho phép một hoạt động bổ sung bỏ qua phần mở rộng

Đếm CSRS CC (CSRC count - 4bit): chỉ rõ số lượng của CSRC (contributing source) có trong RTP header

Đánh dấu M (Marker - 1bit): có vai trò như một bit cờ, trạng thái của nó được phụ thuộc vào trường payload type Khi bit này được thiết lập nó sẽ chỉ ra rằng trường payload type có mang những thông tin chi tiết được định nghĩa phù hợp với các ứng dụng mà những thông tin này không được định nghĩa trong các chỉ dẫn của giao thức RTP

Kiểu tải trọng PT (Payload type - 7bit): chỉ rõ loại thông tin được chức trong các gói

Số thứ tự (Sequence number - 16bit): cung cấp số thứ tự của các gói Cách này như một cơ chế giúp bên thu có thể thu đúng thứ tự các gói tin, nhận ra các gói tin

bị mất Các gói tin bị mất sẽ không được truyền lại chúng sẽ được phía thu xử lý bằng cách sử dụng một thuật toán để tái tạo lại các gói tin bị mất Giá trị khởi đầu

của trường sequence number là ngẫu nhiện để đảm bảo tính an toàn và bảo mật thông tin.[7]

Nhãn thời gian (Time-stamp - 32bit): là tham số đánh dấu thời điểm byte đầu tiên được lấy mẫu trong gói RTP Giá trị nhãn thời gian khởi đầu là ngẫu nhiên, các gói RTP phát đi liên tiếp có thể có cùng giá trị nhãn thời gian nếu chúng cùng được phát đi một lúc Ví dụ với một bức ảnh số, chúng thường được cắt ra làm nhiều phần và mỗi phần được chứa trong một gói Những gói đó khác nhau về thứ tự (sequence number) nhưng chúng cùng có một giá trị nhãn thời gian.[7]

Số nhận dạng nguồn dữ liệu (Synchronisation source identifier - SSRC): số nhận dạng nguồn của gói dữ liệu Nếu ứng dụng muốn truyền dữ liệu có nhiều dạng khác nhau trong cùng một thời điểm (ví dụ là tín hiệu audio và video) thì sẽ có những phiên truyền riêng cho mỗi dạng dữ liệu Sau đó ứng dụng sẽ tập hợp các gói tin có cùng số nhận dạng SSRC Số nhận dạng này được gán một cách ngẫu nhiên

Số nhận dạng nguồn tập hợp (Contribute source (CSRC) identifier): độ dài thay đổi, ví dụ tại một điểm đích nào đó mà những tín hiệu audio đến đích cần trộn lại với nhau thì giá trị CSRC sẽ là tập hợp tất cả các giá trị SSRC của các nguồn mà gửi tín hiệu đến điểm đích đó Trường CSRC có thể chứa tối đa là 15 số nhận dạng nguồn SSRC

Mào đầu mở rộng (Extension header): độ dài thay đổi, chứa các thông tin thêm của gói RTP

2 Giao thức điều khiển truyền tải thời gian thực - RTCP

2.1 Khái quát

Mặc dù RTP là một giao thức độc lập nhưng thường được hỗ trợ bởi giao thức RTCP RTCP trả về nguồn các thông tin về sự truyền thông và các thành phần đích Giao thức điều khiển này cho phép gửi về các thông số về bên thu và tự thích nghi với bên phát ví dụ như tự thích nghi kiểu nén tín hiệu và từ điều chỉnh lưu lượng dữ liệu cho phù hợp với bên phát Mỗi người tham gia một phiên truyền RTP phải gửi định kỳ các gói RTCP tới tất cả những người khác cũng tham gia phiên truyền Tuỳ theo mục đích RTCP thực hiện 4 chức năng:

- Chức năng chính của RTCP là cung cấp một sự phản hồi về chất lượng của

dữ liệu Các thông tin đó giúp cho ứng dụng thực hiện chức năng điều khiển luồng

và quản lý tắc nghẽn Các thông tin còn được sử dụng để chẩn đoán kết quả

- RTCP cung cấp sự nhận dạng mà được sử dụng để tập hợp các kiểu dữ liệu khác nhau (ví dụ audio và video) Điều này là cần thiết vì khả năng này không được RTP cung cấp

- Nhờ việc định kỳ gửi các gói tin RTCP mà mỗi phiên truyền có thể theo dõi được số người tham gia RTP không thể sử dụng được cho mục đích này khi một ai

đó không gửi dữ liệu mà chỉ nhận từ những người khác

- Cuối cùng là một chức năng lựa chọn cho phép có thêm thông tin về những người tham gia vào phiên truyền

Tuỳ thuộc vào giao thức RTP được sử dụng cho loại dữ liệu nào mà RTCP cung cấp các thông báo điều khiển khác nhau Có 4 loại thông báo điều khiển chính được giao thức RTCP cung cấp là:

- Thông báo người gửi (Sender report): thông báo này chứa các thông tin thống

kê liên quan đến kết quả truyền như tỷ lệ tổn hao, số gói dữ liệu bị mất, khoảng trễ Các thông báo này phát ra từ phía phát trong một phiên truyền thông

- Thông báo người nhận (Receiver report): thông báo này chứa các thông tin thống kê liên quan đến kết quả nhận giữa các điểm cuối Các thông báo này được phát ra từ phía thu trong một phiên truyền thông

- Thông báo mô tả nguồn (Source description): thông báo bao gồm các thông số

mô tả nguồn như tên, vị trí

- Thông báo ứng dụng (Application): thông báo cho phép truyền các dữ liệu của úng dụng

2.2 Cấu trúc gói tin RTCP:

Hình 14: Cấu trúc gói tin RTCP

Ver (Version - 2bit): chỉ rõ version của giao thức RTP hiện đang cài đặt Hiện tại các giao thức RTP đang được sử dụng là version2

Vùng đệm (Padding - 1bit): có chức năng như một bit cờ chỉ rõ xem trong gói

có các byte được chèn thêm hay không

Số thông báo (Report counter - 5bit): chỉ rõ số thông báo chứa trong gói (mỗi nguồn có một thông báo)

Nội dung thông báo

Kiểu gói (Packet type -8bit): xác định loại thông báo của gói (SR hoặc RR hoặc APP)

Chiều dài gói (Length - 16bit): chỉ rõ độ đài của gói

Nội dung thông báo (Report): độ dài thay đổi, chứa các thông báo chi tiết

3 Giao thức dự phòng tài nguyên - RSVP

3.1 Khái quát

Giao thức RSVP được sử dụng như một giao thức báo hiệu hỗ trợ cho RTP Mục đích của RSVP là cung cấp một cơ chế đảm bảo băng thông cho các hoạt động của các ứng dụng RSVP gửi tham số chất lượng dịch vụ QoS kết hợp với các dữ liệu thời gian thực được truyền trên mạng TCP/IP Hỗ trợ giao thức RTP, giao thức RSVP có thể giải quyết các lỗi xảy ra trên đường truyền để đảm bảo các tham số chất lượng Thật vậy, giao thức RTP chỉ hỗ trợ việc truyền thông điểm - điểm và không quản lý các tham số liên kết trên mạng RSVP không những tác động ở máy phát, máy thu mà còn tác động trên cả các router trong mạng.[7]

RSVP thiết lập và duy trì kết nối duy nhất cho một luồng dữ liệu, xác lập một

hệ thống quản lý thứ tự các gói và tạo modun điều khiển để quản lý các nguồn tài nguyên của các nút mạng khác nhau RSVP đưa ra một mô hình tối ưu để liên kết các dữ liệu từ một nguồn tới nhiều đích RSVP đóng vai trò quản lý một cách độc lập các host đích để tự thích nghi các tham số chất lượng giữa khả năng cung cấp và nhu cầu đáp ứng.[7]

Việc dành riêng các tài nguyên được yêu cầu bởi bên thu bằng cách phát một yêu cầu chất lượng dưới dạng một bản tin RSVP tương thích với nhu cầu của chúng Thực tế sử dụng RSVP nhằm đảm bảo chất lượng trong việc truyền tin Để đảm bảo đường truyền thông suốt các điểm cuối phải hoạt động ở chế độ kết nối Máy thu phải thường xuyên gửi các bản tin RSVP đến các router để đảm bảo thông suốt đường truyền

3.2 Hoạt động:

RSVP hoạt động trên cơ sở xử lý các gói tin theo một yêu cầu chất lượng dịch

vụ QoS Hai thành phần chính thực hiện chức năng này là flowspec và filterspec Flowspec có chức năng kiểm tra luồng dữ liệu được truyền như một yêu cầu dịch vụ của các ứng dụng mà kết quả là đưa ra một yêu cầu về chất lượng dịch vụ QoS Flowspec không trực tiếp chất lượng dịch vụ QoS nhưng nó có thể cân nhắc và xem xét đến các yêu cầu Flowspec đưa ra một yêu cầu về chất lượng dịch vụ còn filterspec có nhiệm vụ lọc bỏ các gói tin mà không đảm bảo yêu cầu về chất lượng

dịch vụ, những gói này sẽ được cung cấp một phương thức truyền tốt nhất có thể để đáp ứng yêu cầu chất lượng dich vụ Mối quan hệ của flowspec và filterspec được

mô tả trên hình vẽ

Hình 15: Mối quan hệ giữa flowspec và filterspec

III CÁC GIAO THỨC BÁO HIỆU TRONG VoIP

1 Giao thức H.323

1.1 Khái quát

H.323 là nhóm tiêu chuẩn kĩ thuật cho truyền dẫn: video, audio và dữ liệu thông qua giao thức mạng Internet IP do hiệp hội viễn thông quốc tế về tiêu chuẩn hoá ITU-T đưa ra Các thiết bị, các ứng dụng tương thích H.323 có thể thông tin, liên kết, xử lí với nhau Chuẩn H.323 bao gồm các chức năng như báo hiệu và điều khiển cuộc gọi, giao vận và điều khiển đa truyền thông (multimedia transport and control), điều khiển độ rộng băng tần cho hội nghị điểm - điểm và hội nghị đa điểm (point-to-point and multipoint conferences) Ngoài khuyến cáo H.323, các khuyến cáo thuộc nhóm H (H-series) còn có: H.320 cho mạng số các dịch vụ tích hợp ISDN, H.324 cho dịch vụ mạng thoại thông thường POTS (Plain Old Telephone Service) như là các kĩ thuật giao vận.[7]

Chuẩn H.323 bao gồm các thành phần và các giao thức sau:

Dịch vụ (Feature) Giao thức (Protocol)

Báo hiệu cuộc gọi (Call Signalling) H.225

Điều khiển truyền thông (Media Control) H.245

Mã hoá và giải mã Audio (Audio Codecs) G.711,G.722,G.723,G.728,G.729

Mã hoá và giải mã Video (Video Codecs) H.271, H.263

Chia sẻ dữ liệu (Data Sharing) T.120

Giao vận truyền thông (Media Transport) RTP/RTCP

Mạng H.323 sẽ được phân tích trong ba phần sau:

 Các phần tử (tương thích chuẩn) H.323 (H.323 elements)

điểm-§Çu cuèi

V.70

§Çu cuèi tho¹i

§Çu cuèi H.320

§Çu cuèi tho¹i

§Çu cuèi H.324

WAN RSVP

WAN RSVP

H.323 MCU

§Çu cuèi H.323

§Çu cuèi H.323

H.323 Gatekeeper

§Çu cuèi H.323

H.323 Gateway WAN RSVP