Thiết kế và chế tạo tổng đài IP-PBX

giải pháp mới cho cơ sở hạ tầng thông tin doanh nghiệp là gì? Đó là mạng dữ liệu thuần nhất LAN và dịch vụ VoIP chạy trên nền này. Phần điều khiển chuyển mạch VoIP và các dịch vụ liên quan gọi l

THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO TỔNG ĐÀI IP-PBX

Trần Hạo Bửu, Nguyễn Cương Hoàng Tóm tắt: Theo thống kê thì 70% lưu lượng thoại trong một công ty cỡ vừa và lớn là của các

cuộc gọi nội bộ Đây chính là nguyên nhân dẫn đến sự ra đời của tổng đài nội bộ - PBX (Private Branch Exchange) Tổng đài nội bộ PBX sẽ tự định tuyến các cuộc gọi nội bộ với nhau mà không cần thông qua tổng đài của mạng PSTN PBX truyền thống kết nối các cuộc gọi thoại trên cơ sở chuyển mạch kênh Cùng với sự phát triển mạnh mẽ của mạng số liệu một vài thập kỷ gần đây, trong các doanh nghiệp lại hình thành thêm một hệ thống mạng mới song song tồn tại với mạng thoại truyền thống, đó là mạng chuyển mạch gói LAN Mạng LAN này

có thể được kết nối với mạng Internet, cho phép người sử dụng trong doanh nghiệp truy cập mạng thông qua một kết nối chung

Với những ưu điểm vượt trội của mình về sự mềm dẻo và hiệu suất, mạng chuyển mạch gói đang dần dần thay thế cho mạng chuyển mạch kênh truyền thống Sự ra đời của điện thoại IP (VoIP) trong vài năm gần đây càng khẳng định thêm xu hướng này Vậy giải pháp mới cho cơ

sở hạ tầng thông tin doanh nghiệp là gì? Đó là mạng dữ liệu thuần nhất LAN và dịch vụ VoIP chạy trên nền này Phần điều khiển chuyển mạch VoIP và các dịch vụ liên quan gọi là tổng

đài IP-PBX

1 Tổng đài IP-PBX

Có lẽ ứng dụng phổ biến nhất và sớm nhất của VoP, nền tảng để tạo ra IP-PBX, là việc thiết lập gateway VoP bên phía trung kế của PBX Gateway này đóng gói luồng thoại và định tuyến nó qua mạng VoP Giải pháp này tận dụng các đặc tính hiện có của tổng đài PBX, như thoại hội nghị, chuyển tiếp cuộc gọi, …

Cuối cùng, các nhà phát triển phần mềm phát triển nên PBX “mềm”, hay IP-PBX IP-PBX

cung cấp khả năng chuyển mạch, thực hiện các dịch vụ gia tăng qua mạng dữ liệu Các cuộc gọi trong một tổng đài và các cuộc gọi giữa các tổng đài được định tuyến qua mạng IP, đi vòng qua toàn bộ mạng PSTN IP-PBX có thể giao tiếp với mạng PSTN thông qua Gateway

Hình 1 IP-PBX hay PBX “mềm”

Các ưu điểm so với tổng đài PBX truyền thống

Các ưu điểm của IP-PBX xuất phát từ những ưu điểm của mạng chuyển mạch gói IP so với mạng chuyển mạch kênh, như:

- Quản lý và bảo dưỡng dễ dàng hơn

- Khả năng kết nối từ xa, khả năng di động

- Kết hợp thoại/dữ liệu tạo ra ứng dụng mới

- Dễ dàng phát triển các dịch vụ mới do cấu trúc mở và các giao diện chuẩn

- Dễ sử dụng do được hỗ trợ nhiều bởi phần mềm và giao diện đồ hoạ GUI

- Thụng tin hợp nhất

Khả năng ỏp dụng trong cỏc doanh nghiệp vừa và nhỏ

Cú thể đơn giản hoỏ quỏ trỡnh triển khai tổng đài IP-PBX cho một doanh nghiệp như sau:

1 Xõy dựng mạng LAN

2 Thiết lập hệ thống mỏy chủ và cài đặt phần mềm điều khiển IP-PBX

3 Thiết lập cỏc Gateway ra mạng PSTN hoặc Internet

4 Thiết lập cỏc đầu cuối VoIP

Bước thứ nhất là phức tạp nhất và đũi hỏi đầu tư lớn nhất nhưng thực ra lại đơn giản nhất vỡ

đa số cỏc doanh nghiệp đó cú sẵn mạng LAN Bước thứ 2 quan trong nhất, nhưng thực ra cũng chỉ đơn giản là cài đặt phần mềm lờn một mỏy chủ Mỏy chủ này cú thể là giành riờng cho IP-PBX hoặc cũng cú thể được chia xẻ với cỏc ứng dụng khỏc của doanh nghiệp Bước thứ 3 đũi hỏi phải mua thiết bị chuyờn dụng để kết nối với mạng PSTN Gateway kết nối IP/PSTN thường là card PCI cắm trong mỏy chủ cộng với phần mềm điều khiển chuyờn dụng Cỏc đầu cuối VoIP trong bước 4 cú thể là phần mềm chạy ngay trờn mỏy PC (như Windows Messenger) hay là một thiết bị chay độc lập (như IPPhone của Cisco)

Như đó phõn tớch ở trờn, việc triển khai IP-PBX cho một doanh nghiệp đó cú sẵn mạng LAN

là tương đối đơn giản Cấu hỡnh đơn giản nhất thõm trớ khụng phải đầu tư gỡ thờm về mặt phần cứng, doanh nghiệp chỉ phải mua cỏc module phần mềm IP-PBX về cài đặt vào hệ thống của mỡnh

2 Thiết kế hệ và Chế tạo tổng đài IP-PBX

Phần phức tạp nhất trong một tổng đài IP-PBX chớnh là hệ thống phần mềm Chỳng được xõy dựng và hoạt động sử dụng kiến trỳc tớnh toỏn phõn tỏn tiờn tiến Cỏc hệ thống này ỏp dụng cỏc chuẩn viễn thụng và tớnh toỏn mở để tạo ra nền tảng đặc tớnh dịch vụ và chuyển mạch tin cậy

Kiến trỳc

Kiến trỳc của một hệ thống IP-PBX như hỡnh dưới

Quản lý ứng dụng

Phân hệ quản lý Phân hệ quản lý

cuộc gọi

Feature applet

Máy chủ thiết

bị thoại

Máy chủ thiết

bị đường dây

Bộ trộn đa phương tiện

Đơn vị đặc tính

Đến PSTN

Hệ thống chuyển mạch IP

Gateway

Đến ISP

Hỡnh 2 Kiến trỳc tổng đài IP dưới dạng sơ đồ khối

Hệ thống tổng đài IP-PBX tiờu biểu sẽ bao gồm một hoặc nhiều kiểu mỏy chủ thiết bị điện thoại để hỗ trợ cỏc điểm cuối của cỏc phiờn truyền thụng vật lý do khỏch hàng sử dụng Tổng đài IP-PBX cũng sẽ bao gồm một số cỏc mỏy chủ thiết bị ảo mà thực hiện cỏc đặc tớnh như

thư thoại, nhắn tin hợp nhất Hệ thống giao tiếp ra ngoài thông qua các máy chủ thiết bị đường dây

Thiết kế và Chế tạo

Phần mềm

Sau khi quá trình nghiên cứu, tìm hiểu, nhóm nghiên cứu đã quyết định lựa chọn các bộ thư viện SIP mã nguồn mở để làm nền tảng phát triển hệ thống IP-PBX

Về cơ bản IP-PBX có các khối chính như sau:

+ Hệ điều hành IP-PBX: thực hiện quản lý chung và điều khiển cuộc gọi

+ SIP máy chủ: thực hiện các chức năng đăng ký đầu cuối SIP, chuyển mạch cuộc gọi,

quản lý thuê bao SIP

+ SIP gateway: thực hiện các kết nối SIP↔PSTN

+ Máy chủ thiết bị: quản lý các trung kế PSTN (tương tự và số)

+ SIP client: cho phép thuê bao SIP của IP PBX chuyển cuộc gọi sang thuê bao SIP của

bất cứ mạng SIP nào trên mạng Internet, đảm bảo liên lạc thông suốt ở trên toàn thế giới

Hệ thống hỗ trợ chuyển mạch cho các thuê bao SIP Đầu cuối có thể là:

+ Máy điện thoại IP (như Cisco 7960, Cisco ATA-186/188)

+ Windows Messenger (Windows 98/Me/2000/XP)

+ SJPhone (Windows 98/Me/2000/XP)

+ Đầu cuối SIP do nhóm nghiên cứu xây dựng (Windows 98/Me/2000/XP)

Hệ thống hỗ trợ tất cả các tính năng cơ bản của PBX, bao gồm:

+ Các cuộc gọi nội bộ giữa các thuê bao SIP (text, thoại và video)

+ Gọi ra mạng PSTN (bấm 9 để chiếm trung kế)

+ Gọi từ PSTN vào thuê bao SIP của hệ thống (qua trung kế, nghe lời chào và quay số lẻ)

Ngoài ra, do sử dụng SIP, thuê bao sẽ có nhiều lợi thế khác Một số dịch vụ tiên tiến không thể cung cấp được trong các PBX truyền thống, nhưng IP PBX hoàn toàn có thể đảm bảo: + Các cuộc gọi tới mạng của các nhà cung cấp dịch vụ SIP trên Internet

+ Khả năng di động của thuê bao PBX

+ Nhắn tin text

+ Một số dịch vụ khác

Phần cứng

Phần cứng của hệ thống chủ yếu là mua sẵn bởi vì trong cả hệ thống IP-PBX hầu như không

có phần cứng chuyên dụng nào trừ card giao tiếp với PSTN

Trong giai đoạn đầu tiên thực hiện đề tài nhóm nghiên cứu đã lựa chọn giải pháp sử dụng card luồng giao tiếp mạng PSTN để chế tạo tổng đài IP-PBX Giải pháp này là thích hợp bởi sự ổn định của phần cứng chuyên nghiệp cho phép tập trung vào phần mềm

Giai đoạn thứ hai, sau khi đã thử nghiệm cho hệ thống hoạt động tốt, chúng tôi mới đặt ra mục tiêu là tự chế tạo những phần cứng chuyên dụng có giá thành cao Trong toàn bộ hệ thống IP-PBX, khả thi nhất để tự sản xuất phần cứng chính là các card giao tiếp luồng PSTN Thiết kế và chế tạo card giao tiếp PSTN

Các đặc điểm của card giao tiếp gồm:

- Giao tiếp với PSTN qua giao diện tương tự của trung kết CO hoặc luồng E1

- Giao tiếp với máy tính qua chuẩn ISA, PCI hoặc USB

Sơ đồ khối tổng quát của card giao tiếp PSTN như hình dưới

Giao tiÕp víi PSTN §Öm & §iÒu khiÓn chung

KiÓm tra / B¸o hiÖu

Giao tiÕp víi m¸y tÝnh

CPU (khe c¾m më réng)

PSTN

Hình 3 Sơ đồ khối tổng quát của card giao tiếp PSTN/IP-PBX

Để đảm bảo được tính đơn giản cũng như độ ổn định và hiệu năng của card, chúng tôi đã sử dụng công nghệ FPGA và một số công nghệ phần cứng tiên tiến khác

Phần mềm điều khiển (driver) cho card được viết trên nền Linux hoặc Windows bằng ngôn ngữ C/C++

Giao tiÕp trùc tiÕp víi card ISA qua c¸c hµm cÊp

thÊp

B¸o hiÖu

Kªnh 1

DTMF

ISA card

Xö lý tÝn hiÖu

tho¹i

TÝn hiÖu tho¹i

C¸c hµm TAPI

Hình 4 Mô hình phần mềm điều khiển của

card trung kế CO

Giao tiÕp trùc tiÕp víi card PCI qua c¸c hµm cÊp

thÊp Kªnh 1 Kªnh 2 Kªnh 32

PCI card

C¸c hµm API

Hình 5 Mô hình phần mềm điều khiển của

card trung kế E1

Thử nghiệm

Mô hình thử nghiệm

Hệ thống đã được thử nghiệp thực tế theo 4 mô hình sau:

- Gọi nội bộ, Hình 1: Gọi giữa hai đầu cuối SIP do IP-PBX quản lý Ví dụ máy

- Gọi từ máy thuộc IP-PBX ra mạng PSTN, Hình 2: Đầu cuối SIP bấm số 9 để chiếm trung kế ra PSTN, sau đó bấm số của một thuê bao PSTN (ví dụ, 9 7544467)

- Gọi từ PSTN vào mỏy thuộc IP-PBX, Hỡnh 3: Thuờ bao PSTN gọi vào một trung kế của IP-PBX (vớ dụ, 7540370) sau đú bấm số mỏy lẻ (vớ dụ, số mỏy lẻ 2001 tương ứng với đầu cuối SIP 2001@192.0.0.25)

- “Di động” sử dụng dịch vụ SIP cụng cộng, Hỡnh 4

Ethernet Hub hoặc Switch

IP PBX

Máy điện thoại IP

PC chạy Windows Messenger

hoặc đầu cuối SIP khác

2001@192.0.0.25 2000@192.0.0.25

Hỡnh 6 Thử nghiệm cỏc cuộc gọi nội bộ

Ethernet Hub hoặc Switch

Máy điện thoại IP

PC chạy Windows Messenger hoặc đầu cuối SIP khác

2001@192.0.0.25 2000@192.0.0.25

IP PBX

Chuyển mạch PSTN

PSTN

[1] Quay số 9 7544467

[2] Máy 7544467 đổ chuông

7544467

Hỡnh 7 Gọi từ mỏy điện thoại IP ra mạng

PSTN

Ethernet Hub hoặc Switch

Máy điện thoại IP

PC chạy Windows Messenger

hoặc đầu cuối SIP khác

2001@192.0.0.25 2000@192.0.0.25

IP PBX

Chuyển mạch PSTN

PSTN

[2] Máy 2001 đổ chuông

[1] Quay số 7540370, nghe lời chào, quay số lẻ 2001

7544467

Hỡnh 8 Gọi từ PSTN vào IP PBX

Internet

FWD Server

Ethernet Hub hoặc Switch

Máy điện thoại IP

PC chạy Windows Messenger hoặc đầu cuối SIP khác

2001@192.0.0.25 2000@192.0.0.25

IP PBX

89336@fwd.pulver.com FWD: Free World Dialup

Hỡnh 9 “Di động” sử dụng dịch vụ SIP

cụng cộng

Kết quả thử nghiệm

Chỳng tụi đó tiến hành thử nghiệm hệ thống trong mạng LAN của Viện KHKT Bưu điện Hệ thống cú khả năng cung cấp cỏc dịch vụ cơ bản nhất của IP-PBX Cỏc cấu hỡnh thử nghiệm trỡnh bày ở trờn đều đó được kiểm tra và cho kết quả như mong đợi Đặc biệt với thử nghiệm cỏc cuộc gọi nội bộ, cả thoại và video, đều thu được những kết quả tốt Theo đỏnh giỏ sơ bộ của chỳng tụi trong mạng LAN 100Mb/s cú thể thực hiện đồng thời trờn 100 cuộc gọi nội bộ thoại mà chất lượng sẽ khụng bị ảnh hưởng đỏng kể

3 Kết luận và đề xuất hướng phỏt triển

Rừ ràng rằng cựng với sự phỏt triển của hạ tầng mạng chuyển mạch gúi, IP-PBX sẽ dần dần thay thế cho PBX chuyển mạch kờnh truyền thống Yếu tố cơ bản nhất tạo ra sự thay đổi này

chính là bắt nguồn từ bản chất mềm dẻo và hiệu suất của chuyển mạch gói nói chung và chuyển mạch IP nói riêng

Ngoài các dịch vụ truyền thống và dịch vụ tiên tiến cho IP-PBX đã đề cập ở trên, nhóm nghiên cứu dự kiến sẽ tiếp tục phát triển một số dịch vụ mới Trong số đó đáng kể nhất là

cung cấp cho thuê bao khả năng thực hiện các cuộc gọi Internet của bất kỳ một nhà khai thác

nào, chứ không phải chỉ SIP Provider như hiện nay Ví dụ, qua một account PhoneVNN hay

One Connection được khai báo trong IP PBX, thuê bao có thể thực hiện các cuộc gọi quốc tế

ngay từ máy nội bộ của mình

Tài liệu tham khảo

[1] A Practitioner’s Handbook for Real-Time Analysis: Guide to Rate Monotonic

Analysis for Real-Time Systems Mark H Klein, Thomas Ralya, Bill Pollak, Ray Obenza, Michael Gonzalez Harbour, Carnegie Mellon University/Software Engineering Institute, Pittsburgh, PA, USA

[2] Software Design for Real-time Systems J