Nghiên cứu công nghệ Voice over IP trong truyền thông đa phương tiện thời gian thực triển khai và đánh giá chất lượng dịch vụ

Nghiên cứu công nghệ Voice over IP trong truyền thông đa phương tiện thời gian thực triển khai và đánh giá chất lượng dịch vụ Nghiên cứu công nghệ Voice over IP trong truyền thông đa phương tiện thời gian thực triển khai và đánh giá chất lượng dịch vụ luận văn tốt nghiệp thạc sĩ

Hà Nội

2009

Trường đại học bách khoA hà nội

-

Nguyễn thanh hải

Nghiên cứu công nghệ voice over Ip trong truyền thông đa phương tiện thời gian thực, triển khai và đánh giá

chất lượng dịch vụ Luận văn Thạc sĩ khoa học

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

-

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ VOICE OVER IP TRONG TRUYỀN THÔNG ĐA PHƯƠNG TIỆN THỜI GIAN THỰC, TRIỂN KHAI VÀ ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG DỊCH VỤ

MÃ SỐ:

NGUYỄN THANH HẢI

Người hướng dẫn khoa học: TS.NGUYỄN LINH GIANG

HÀ NỘI 2009

Tôi xin cam đoan toàn bộ nội dung đề cập trong luận văn “Nghiên cứu công nghệ voice over Ip trong truyền thông đa phương tiện thời gian thực,

triển khai và đánh giá chất lượng dịch vụ” được viết dựa trên kết quả

nghiên của cá nhân tôi dưới sự hướng dẫn của Ts.Nguyễn Linh Giang

Mọi thông tin và số liệu tham khảo đều được trích dẫn đầy đủ nguồn và sử dụng đúng luật bản quyền qui định

Tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm về nội dung của bản luận văn

Học viên

Nguyễn Thanh Hải

LỜI MỞ ĐẦU 3

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT 7

DANH MỤC CÁC BẢNG 9

MỤC LỤC HÌNH VẼ 10

1 TỔNG QUAN CÔNG NGHỆ VOIP TRONG TRUYỀN THÔNG ĐA PHƯƠNG TIỆN THỜI GIAN THỰC 14

1.1 Lợi ích của VoIP 17

1.2 Những thách thức cho VoIP 18

2 NỀN TẢNG CỦA HỆ THỐNG VOIP 21

2.1 Công nghệ VoIP 21

2.1.1 Giới thiệu chung về công nghệ VoIP 21

2.1.2 Tầm quan trọng của VoIP 21

2.1.3 Các mô hình trong mạng VoIP 22

2.1.4 Các g iao thức sử dụng trong VoIP 24

2.1.5 Một số hệ thống VoIP trong thực tế 25

2.1.5.1 Mạng VoIP của Viettel: 25

2.1.5.2 Mạng VoIP của VDC: 26

2.2 Các tính năng 29

2.2.1 Các giao thức hỗ trợ trong Asterisk 32

2.2.2 Các chuẩn nén và định dạng file 33

2.2.3 Hệ thống quản lý file của Asterisk 36

2.2.4 Các phần mềm điện thoại VoIP 40

2.3 Các thiết bị phần cứng đi kèm hệ thống VoIP 41

2.3.1 Card giao tiếp PSTN 41

2.3.2 VoIP Gateway 42

3 CHẤT LƯỢNG DỊCH VỤ (QoS) 45

3.1 Chất lượng thiết lập cuộc gọi 45

3.2 Chất lượng thoại của cuộc gọi 46

3.2.1 Trễ (Delay) 47

3.2.2 Jitter 52

3.2.3 Sai thứ tự (Miss Order) 53

3.2.4 Mất gói (Lost Packet) 54

3.2.5 Vọng (Echo) 57

3.3 Hiệu suất băng tần 58

3.3.1 Mã hoá dạng sóng 58

3.3.2 Mã hoá nguồn 59

3.3.3 Mã hoá lai 59

3.3.4 Các chuẩn mã hoá tiếng nói 60

3.4 Phương pháp đánh giá QoS 61

3.4.1 Đánh giá theo chủ quan 61

3.4.2 Đánh giá theo khách quan 62

3.4.2.1 Phương pháp PSQM 63

3.4.2.2 PESQ (Perceptual Evaluation of Speech Quality) 65

3.4.2.3 Đánh giá hoạt động 67

4 THIẾT KẾ HỆ THỐNG VoIP 72

4.1 Yêu cầu về hệ thống VoIP trong trường ĐH và doanh nghiệp 72

4.1.1 Nhu cầu liên lạc trong phạm vi doanh nghiệp và trường ĐH 72

4.1.2 Các dịch vụ trong hệ thống 73

4.2 Thiết kế hệ thống VoIP 75

4.2.1 Sơ đồ hệ thống 75

4.2.2 Yêu cầu của hệ thống 76

4.2.3 Mô tả hệ thống 76

4.4.1 Mô hình triển khai 78

4.4.2 Lắp đặt và triển khai thiết bị 79

4.4.3 Triền khai dịch vụ 84

4.5 Các vấn đề còn gặp phải 85

4.6 Báo cáo kết quả triển khai (test report) 86

Kết luận và hướng phát triển của đề tài 90

Tài liệu tham khảo 91

L ỜI MỞ ĐẦU

Hiện nay trên thế giới có hàng tỷ người đang sử dụng hệ thống điện thoại làm phương tiện liên lạc và chưa có hệ thống nào có thể thay thế được nó

Sự ra đời truyền thông đa phương tiện đánh dấu một bước ngoặt trọng đại trong việc trao đổi thông tin, trong các lĩnh vực khác nhau, trên rất nhiều quốc gia và vùng lãnh thổ khác nhau Nhờ vào các dịch vụ thông tin của truyền

thông đa phương tiện ta có thể khai thác nhiều nguồn thông tin hết sức đa dạng, phong phú như trao đổi, thảo luận, đặt mua hàng, gửi điện thư v.v Các dịch vụ này sử dụng rất dễ dàng, nhanh chóng và thuận tiện Thực sự truyền thông đa phương tiện đã mang tính phổ dụng, đem lại rất nhiều lợi ích trong công việc và cuộc sống của con người Chính vì vậy, truyền thông đa phương tiện là một nhu cầu khách quan trong xu hướng phát triển chung của thời đại Đồng thời nó cũng hứa hẹn một giải pháp mới kế thừa và phát triển cho các công nghệ truyền thống trước đó Tuy mới ra đời nhưng số lượng người sử dụng truyền thông đa phương tiện ngày càng tăng nhanh Truyền thông thoại, video, dữ liệu trên các mạng chuyển mạch gói như IP, ATM, và Frame Relay

đã trở thành chiến lược được ưa chuộng cho cả các công ty lẫn các nhà hoạch định mạng công cộng, là xu thế tất yếu trên thế giới

Cùng với sự phát triển vô cùng mạnh mẽ của mạng Internet, việc sử dụng truyền thông đa phương tiện làm môi trường truyền dẫn cho tiếng nói để xóa

đi khoảng cách về địa lý là một xu thế tất yếu Trong bối cánh đó, công nghệ Voice Over IP (VoIP) hay còn gọi là thoại trên nền IP đã ra đời và tạo ra một cuộc cách mạng thật sự trong ngành Viễn thông Công nghệ VoIP không những làm giảm đáng kể chi phí cho các cuộc gọi đường dài mà còn tạo ra xu hướng hội tụ giữa các công nghệ viễn thông, để tạo ra các dịch vụ mới trên

nền các kỹ thuật sẵn có Từ đó ta có thể tận dụng được các thế mạnh của mỗi công nghệ cho từng ứng dụng cụ thể Nhờ vậy, các ứng dụng mới tích hợp nhiều dịch vụ, vừa tiết kiệm chi phí, vừa mang lại hiệu quả cho người sử dụng

Đây chính là bước đi bản lề cho tiến trình hợp nhất các dịch vụ khác nhau, giữa đa phương thức, tiếng nói, mail, video, FAX, và các dịch vụ khác như VoIP, UMS được gọi chung là “Các dịch vụ tích hợp nền IP”

Theo xu hướng phát triển chung của các công nghệ viễn thông trên thế giới, tại Việt Nam một số công ty đã mạnh dạn đầu tư và khai thác thử nghiệm các dịch vụ VoIP Với một chất lượng dịch vụ chấp nhận được, ta có thể tiết kiệm triệt để chi phí, mang lại lợi ích to lớn cho cộng đồng

Nhận thức được các xu hướng trên, học viên đã mạnh dạn lựa chọn đề tài:

“Nghiên cứu công nghệ Voice Over IP trong truyền thông đa phương tiện thời gian thực, triển khai và đánh giá chất lượng dịch vụ”

Nội dung luận văn được cấu trúc như sau:

Chương 1: Giới thiệu về VoIP trong truyền thông đa phương tiện

Chương này nghiên cứu tổng quan về công nghệ VoIP, những lợi ích và thách thức

Chương 2: Nền tảng hệ thống VOIP

Trong chương này tập trung nghiên cứu các giao thức, mô hình và các mạng VoIP thực tế

Chương 3: Chất lượng dịch vụ (QOS)

Đi sâu vào các vấn đề chất lượng dịch vụ mạng TCP/IP để đảm bảo chất lượng cho truyền tiếng nói qua Internet và các chỉ tiêu và phương pháp đánh giá chất lượng tiếng nói trên VoIP

Chương 4: Triển khai hệ thống VoIP trong trường ĐH và doanh nghiệp

Trong quá trình thực hiện đề tài này tác giả đã được sự giúp đỡ, chỉ bảo nhiệt tình của thầy giáo hướng dẫn TS.Nguyễn Linh Giang và các anh chị em, bạn

bè, đồng nghiệp Trong quá trình nghiên cứu tác giả đã cố gắng để luận văn tốt nghiệp được hoàn chỉnh song vì thời gian có hạn, chắc chắn sẽ không tránh khỏi thiếu sót Vì vậy tác giả rất mong được sự góp ý, giúp đỡ của thầy

cô cũng như bạn bè và đồng nghiệp

Tác giả xin trân trọng cảm ơn các thầy giáo hướng dẫn và các bạn bè đồng nghiệp !

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

Vi ết tắt Tiếng Anh Nghĩa

ADSL Asymmetric Digital Subscriber line Đường thuê bao số không đối

xứng

AIN Advanced Intelligent Network Mạng thông minh

ATM Asynchronous Transfer Mode Phương thức truyền không đồng

bộ BSC Base Station Controler Bộ điều khiển trạm gốc

BTS Base Transceiver Station Trạm thu phát gốc

CDMA Code Division Multiple Access Đa truy nhập phân chia theo mã DSL Digital Subscriber line Đường thuê bao số

DWDM Density Wavelength Division

FTTB Fiber to the Building Cáp quang đến tòa nhà

FTTC Fiber to the Curb Cáp quang đến khu dân cư

HDSL High bit-rate Digital Subscriber Line Đường thuê bao số tốc độ cao IETF Internet Engineering Task Force Tổ chức nghiên cứu và phát triển

tiêu chuẩn Internet

ISDN Intergrated Service Digital Network Mạng số tích hợp đa dịch vụ ITU International Telecommunication Union Hiệp hội viễn thông quốc tế IVR Interactive Voice Response Đáp ứng thoại tương tác

LSR Label Switching Router Định tuyến chuyển mạch nhãn MAN Metropolitan Area Network Mạng diện rộng

MG Media Gateway Cổng đa phương tiện

MGC Media Gateway Controller Bộ điều khiển MG

MGCP Media Gateway Control Protocol Giao thức điều khiển MG

MSC Mobile Switching Center Trung tâm chuyển mạch di động

PBX Private Branch Exchange Tổng đài PBX

PDH Plesionchoronous Digital Hierachy Phân cấp số cận đồng bộ

PLMN Public Land Mobile Network Mạng di động công cộng mặt đất POTS Plain Old Telephone Service Dịch vụ thoại thông thường PSTN Public Switch Telephone Network Mạng điện thoại công cộng

QoS Quanlity of Service Chất lượng dịch vụ

RAS Remote Access Server Server truy nhập từ xa

SDH Synchronous Digital Hierachy P hân cấp số đồng bộ

SIP Session Initiation Protocol Giao thức điều khiển phiên

SS7 Signaling System No 7 Hệ thống báo hiệu số 7

SSP Service Switching Point Điểm chuyển mạch dịch vụ

STP Signaling Transfer Point Điểm chuyển giao báo hiệu

TCP Transmission Control Protocol Giao thức điều khiển truyền tải

VCC Virtual Chanel Connection Kết nối kênh ảo

VCI Virtual Chanel Identifier Nhận dạng kênh ảo

VPC Virtual Path Connection Kết nối ảo

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1-1: Một số giao thức chuẩn 20

Bảng 2-1: Bảng mã hóa tốc độ 34

Bảng 2-2: Các dạng âm thanh hỗ trợ bởi Asterisk 36

Bảng 2-3:Hệ thống file của Asterisk 39

Bảng 3-1: Kích thước khung của một số bộ mã hoá 50

Bảng 3-2: Các nhân tố chính gây trễ và độ lớn trễ của chúng 52

Bảng 3-3: Sự đánh giá chất lượng thể hiện bằng điểm MOS 61

Bảng 4-1: Kết quả triển khai 89

MỤC LỤC HÌNH VẼ

Hình 1-1: Dự đoán lưu lượng thoại IP quốc tế 15

Hình 1-2: Các Terminal của mạng IP có thể giao tiếp với các Telephone trong mạng SCN thông qua Gateway 17

Hình 2-1: Mô hình PC to PC 23

Hình 2-2: Mô hình PC to Phone 23

Hình 2-3: Mô hình Phone to Phone 24

Hình 2-5: Mô hình mạng VoIP của Viettel 26

Hình 2-6: Mô hình mạng VoIP của VDC 27

Hình 2-7: Kiến trúc giao thức SIP Error! Bookmark not defined Hình 2-8: Mô hình của Proxy Server Error! Bookmark not defined Hình 2-9: Mô hình đăng ký với Registra Server Error! Bookmark not defined. Hình 2-10: Các bản tin trong SIP Error! Bookmark not defined Hình 2-11: Sơ đồ 1 cuộc gọi trong SIP Error! Bookmark not defined Hình 2-12: Quá trình thiết lập, duy trì và kết thúc 1 cuộc gọi trong SIP Error! Bookmark not defined. Hình 2-13: Kiến trúc của Asterisk 29

Hình 2-14: Mô hình chung của hệ thống Asterisk 32

Hình 2-15: Phần mềm điện thoại Eye Beam 40

Hình 2-16: ví dụ cấu hình Eye Beam 41

Hình 2-17: Ví dụ về Video Phone 43

Hình 3-1: Sự ảnh hưởng của các thành phần mạng đến chất lượng thoại 47

Hình 3-2: Các nguồn gây trễ 48

Hình 3-3: Mối quan hệ giữa chất lượng thoại và độ trễ 49

Hình 3-4: Quá trình đóng khung 49

Hình 3-5: Cấu trúc gói tin thoại IP 50

Hình 3-6: Hiện tượng Jitter 52

Hình 3-7: MissOrder, gói tin 2 phát trước lại tới sau gói tin 3 54

Hình 3-8: Sự sắp xếp lại các gói tin 54

Hình 3-9: Mối quan hệ giữa chất lượng và tỉ lệ mất gói tin thoại 55

Hình 3-10: Mô tả sự mất gói tin thoại 56

Hình 3-11: Mối quan hệ giữa điểm MOS và tốc độ bit 62

Hình 3-12: Phương thức đánh giá chất lượng thoại PSQM 64

Hình 3-13: Cấu trúc thuật toán PESQ 66

Hình 3-14: Mô hình đo kiểm chất lượng thoại Mobile – Mobile 69

sử dụng các bộ chuyển đổi AD – DA 69

Hình 3-15: Mô hình đo kiểm chất lượng thoại di động- cố định sử dụng các bộ chuyển đổi AD – DA 70

Hình 4-1: Sơ đồ thiết kế chung của hệ thống VoIP 75

Hình 4-2: Sơ đồ triển khai tại khoa ĐTVT-ĐHBKHN 78

Hình 4-3: Hình ảnh triển khai thiết bị AP tầm xa 81

Hình 4-4: Bản đồ vùng phủ sóng của thiết bị Access Point tầm xa 81

CHƯƠNG 1

Tổng quan công nghệ VoIP

Chương

1

1 TỔNG QUAN CÔNG NGHỆ VOIP TRONG TRUYỀN THÔNG ĐA PHƯƠNG TIỆN THỜI GIAN THỰC

Trong những bước phát triển của ngành viễn thông những năm gần đây, điện thoại IP được đánh giá là một bước tiến quan trọng về công nghệ Hiện nay điện thoại IP đang là một mối quan tâm lớn trong bối cảnh phát triển mạnh

mẽ của ngành Viễn thông

Dịch vụ điện thoại IP được xây dựng trên công nghệ VoIP Đây là một công nghệ rất mới nhưng thu hút được rất nhiều sự quan tâm của các nhà khai thác

và nhà sản xuất VoIP được đánh giá là một bước đột phá trong công nghệ, nó

sẽ là cơ sở để xây dựng một mạng tích hợp thực sự giữa thoại và số liệu Đây

là một hướng phát triển tất yếu của mạng viễn thông

Các mạng IP, mà tiêu biểu là mạng Internet, đã thực sự bùng nổ trong những năm vừa qua IP đã trở thành giao thức thông dụng nhất để trao đổi thông tin trên Thế giới Đây là một yếu tố quan trọng đảm bảo sự thành công của điện thoại IP

Do các ưu điểm giá thành rẻ và có nhiều dịch vụ mở rộng, điện thoại IP đã và đang tạo ra một thị trường rộng lớn gồm mọi đối tượng sử dụng gồm các thuê bao, các doanh nghiệp, các tổ chức và cơ quan nhà nước

Để hiểu vấn đề, chúng ta xem xét hệ thống điện thoại truyền thống, điển hình

là PSTN (Public Switching Telephone Network: Mạng thoại chuyển mạch công cộng) Đó là kiểu mạng chuyển mạch kênh SCN (Switching Circuit Network) và được phát triển lên từ mạng analog, nghĩa là để thiết lập một cuộc gọi, cần phải có một kênh truyền riêng và giữ kênh truyền cho đến chừng nào cuộc nói chuyện kết thúc Kiểu truyền thông như vậy không tận dụng một cách có hiệu quả băng thông hiện có, công suất giới hạn là

64kbit/s/kênh và thực hiện 30 cuộc điện thoại trên một đường E1

Hình 1-1: Dự đoán lưu lượng thoại IP quốc tế

Vậy VoIP khác với hệ thống điện thoại truyền thống thế nào? Tiếng nói thay

vì được truyền qua mạng chuyển mạch kênh, thì lại được truyền qua mạng chuyển mạch gói phát triển lên từ mạng số, điển hình là mạng IP Tiếng nói được số hoá, đóng gói, rồi được truyền đi như là các gói tin thông thường được truyền trên mạng IP Dung lượng truyền dẫn được tất cả các thông tin chia sẻ và bằng cách đó băng thông được sử dụng có hiệu quả hơn mà không cần phải cung cấp cho từng kênh riêng lẻ Mỗi kênh hoặc mỗi đường trung kế cung cấp nhiều khả năng ứng dụng như số liệu, thoại, fax và hội nghị video

Dễ dàng thấy công nghệ thoại này ưu điểm hơn hẳn công nghệ thoại truyền thống ở chỗ nó tận dụng được triệt để tài nguyên hệ thống, dẫn đến một điều chắc chắn là chi phí cho cuộc gọi được giảm đáng kể, đặc biệt là những cuộc gọi ở khoảng cách địa lý rất xa hiện nay vẫn còn quá đắt đỏ trong mạng điện thoại chuyển mạch kênh

Nhưng như vậy không phải là điều dễ dàng Ta biết rằng thoại là một ứng dụng mang tính thời gian thực, nghĩa là yêu cầu dòng tiếng nói phải được

truyền đi tới phía nhận một cách gần như tức thì Trong mạng chuyển mạch kênh điều đó là đơn giản vì mỗi cuộc thoại không phải chia sẻ với các ứng dụng khác, đường truyền nói chung luôn được đảm bảo thông giữa hai đầu dây, hiếm khi xảy ra những trục trặc như tắc nghẽn hay bị mất thông tin Còn với mạng chuyển mạch gói như IP thì sao? Mạng IP được xem như là mạng truyền số liệu, nghĩa là thông tin dữ liệu tới đích không có yêu cầu về mặt thời gian thực Vả lại trên mạng IP, do đường truyền được chia sẻ bởi nhiều ứng dụng, hoặc bản thân các gói tin tiếng nói lại đi theo nhiều con đường khác nhau tới đích, tình trạng tắc nghẽn, trễ, mất dữ liệu thường xuyên xảy ra Những điều đó nếu không được giải quyết tốt sẽ gây ảnh hưởng rất lớn đến chất lượng tiếng nói nhận được Đây là vấn đề hết sức quan trọng trong công nghệ VoIP

Ngoài ra mạng IP và mạng chuyển mạch kênh còn có thể giao tiếp với nhau thông qua Gateway, cho phép một đầu cuối ở mạng này có thể thoại với một đầu cuối của mạng kia (hình 1.2), mà vẫn trong suốt đối với người sử dụng,

sự phát triển này đem lại khả năng tích hợp nhiều dịch vụ của hai loại mạng với nhau

Hình 1-2 : Các Terminal của mạng IP có thể giao tiếp với các Telephone

trong mạng SCN thông qua Gateway

1.1 Lợi ích của VoIP

Các lợi ích quan trọng nhất do VoIP mang lại là:

* Giảm cước phí truyền thông, đặc biệt là các cuộc gọi đường dài cũng như tận dụng hiệu quả hơn tài nguyên giải thông đường truyền Đây là yếu tố quan trọng nhất thúc đẩy sự phát triển của công nghệ VoIP

* Hợp nhất hóa Hệ thống mạng chuyển mạch kênh rất phức tạp, cần phải có một đội ngũ nhân viên vận hành và giám sát hoạt động của nó Với một cơ sở

hạ tầng tích hợp các phương thức truyền thông cho phép hệ thống được chuẩn hóa tốt hơn, hoạt động hiệu quả hơn và giảm tổng số thiết bị, nhân lực cần thiết Điều này cũng làm giảm thiểu sai sót trên hệ thống hiện thời

* Sử dụng công nghệ thoại trên IP đem lại nhiều lợi ích thiết thực cho các nhà truyền tải:

Triệt và nén im lặng:

Được sử dụng khi có khoảng nghỉ ngơi trong cuộc nói chuyện Khoảng nghỉ này có thể lên tới 50-60% một cuộc gọi Vì thế, ta có thể tiết kiệm được giải thông tiêu tốn, nhất là với hội thoại nhiều người Không giống như mạng chuyển mạch kênh, VoIP triệt im lặng qua các liên kết toàn cầu tại các điểm đầu cuối Mạng IP thích hợp cho việc ghép kênh, giảm bớt giải thông tiêu thụ

toàn mạng Sự triệt im lặng và bù nén làm cũng tăng hiệu quả sử dụng mạng Chia sẻ thuận lợi:

Đặc trưng của mạng IP là chia sẻ tài nguyên mạng Các kênh truyền thông không được tạo ra cố định và riêng biệt như trong mạng chuyển mạch kênh,

mà nó được dùng chung cho nhiều ứng dụng khác

Các dịch vụ tiên tiến:

Tạo thuận lợi cho việc triển khai và phát triển các dịch vụ mới trong môi trường mạng IP cho các ứng dụng truyền thống Đây là ưu thế do công nghệ mới mang lại

Tách biệt thoại và điều khiển luồng:

Trong thoại truyền thống, luồng báo hiệu truyền tải trên mạng tách biệt với luồng thông tin truyền Ta phải duyệt tất cả các chuyển mạch trung gian để thiết lập kênh truyền Trong khi đó, việc gửi gói tin trên mạng không yêu cầu thiết lập, điều khiển cuộc gọi Ta có thể tập trung trên chức năng cuộc gọi

1.2 Những thách thức cho VoIP

Các ưu thế của VoIP thật rõ ràng, việc phát triển chỉ là vấn đề thời gian Tuy nhiên, công nghệ này cũng phải đối mặt với nhiều thách thức:

* Thiếu sự bảo đảm về chất lượng dịch vụ (QoS) Vấn đề về chất lượng dịch

vụ cho thoại trên IP được đề cập chi tiết hơn ở chương 5

* Thiếu giao thức chuẩn

* Tính tương tác giữa công nghệ mới với công nghệ truyền thống và các dịch

vụ Đây là điều hết sức khó khăn mà các sản phẩm VoIP phải đối mặt

* Thiếu giải thông cho mạng

* Độ tin cậy mạng Đây là điều tất yếu khi sử dụng mạng IP làm phương tiện

* Giao thức chuẩn hóa

* Các chính sách liên mạng phù hợp

Từ các yếu tố này, các tổ chức viễn thông, các nhà sản xuất phải thực sự thống nhất với nhau về các giao thức chuẩn, bao gồm chuẩn báo hiệu cuộc gọi, mã hoá, chuẩn truyền đa phương thức và tín hiệu Sự chấp nhận các chuẩn này sẽ cho phép nhiều hãng có thể cùng chung sống và hoạt động được với nhau, đảm bảo tính tương thích giữa các sản phẩm Hiện tại, đối với VoIP, một số giao thức chuẩn được các tổ chức quốc tế công nhận được mô tả ở bảng 1 1

Chuẩn Tham chiếu

H.323

Do ITU_T (International Telecommunications Union Telecommunications Standardization Sector) đề xuất, là chuẩn được chấp nhận về một hệ thống truyền thông đa phương thức dựa trên

mạng chuyển mạch gói, trong đó nó định nghĩa H.225 cho chức năng báo hiệu cuộc gọi, H.245 cho thỏa thuận các thông số cần thiết để trao đổi như các bộ CODEC, kênh truyền

SIP

Session Initiation Protocol, giao thức báo hiệu khởi đầu, do IETF (Internet Engineering Task Force: Nhóm đặc trách về kĩ thuật Internet) đưa ra SIP là chuẩn đề cử về một giao thức báo hiệu cuộc gọi

MGCP Media Gateway Control Protocol, giao thức điều khiển Gateway do

IETF đề xuất Đây là chuẩn đề cử cho việc điều khiển Gateway

Bảng 1-1: Một số giao thức chuẩn

2 Nền tảng của hệ thống VoIP

2.1 Công nghệ VoIP

2.1.1 Giới thiệu chung về công nghệ 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 nay 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 với tham số chất lượng dịch vụ (QoS) chấp nhận được.VoIP tạo thuận lợi cho cả các nhà khai thác và người sử dụng có thể tiết kiệm chi phí bao gồm chi phí cho cơ sở hạ tầng mà 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 mạng lại lợi nhuận nhờ khả năng mở rộng và phát triển các loại hình dịch vụ đa dạng với chi phí đầu tư hạ tầng rất thấp.Vấn đề quan trọng VoIP là cần phải có những giải pháp kỹ thuật phù hợp để có thể tăng dung lượng và nâng cao chất lượng dịch vụ

2.1.2 Tầm quan trọng của VoIP

Một trong các điểm quan trọng nhất của VoIP là khả năng không bị giới hạn ở mức truyền thông thoại Đã có nhiều nỗ lực để thay đổi thuật ngữ tiếp thị phổ biến này nhằm thể hiện tốt hơn khả năng của VoIP: thoại, hình ảnh và hội nghị dữ liệu

Chương

2

VoIP quan trọng vì lần đầu tiên trong hơn 100 năm qua, có một cơ hội để thay đổi

to lớn cách thức con người truyền thông với nhau Ngoài việc sử dụng điện thoại thông thường để truyền thông trong thời gian thực, chúng ta cũng có thể sử dụng điện thoại IP, máy tính và điện thoại không dây Chúng ta cũng có thể sử dụng điện thoại có hình ảnh, vừa nói chuyện, vừa nhìn dược hỉnh ảnh của người đối thoại, những điều mà điện trước đây chưa hề có

Một trong các khía cạnh đặc biệt của VoIP là chúng ta có thể tích hợp một điện thoại đơn lẻ hoặc một điện thoại có hình ảnh với máy tính cá nhân Người ta có thể

sử dụng máy tính cho cả thoại và hình ảnh (dùng softphone): sử dụng một điện thoại cho thoại và máy tính cho hình ảnh, hoặc có thể đơn giản sử dụng máy tính kết hợp với điện thoại có hình ảnh để cung cấp các chức năng hội nghị dữ liệu như chia sẻ ứng dụng, bảng điện tử và tán gẫu

VoIP còn có nhiều khả năng khác: khả năng sử dụng một kết nối Internet tốc độ cao cho việc truyền thông thoại, hình ảnh và dữ liệu Ý tưởng này thường được hiểu như

là một sự hội tụ và là một trong các mục tiêu chủ yếu của truyền thông Lợi ích của việc hội tụ là khá rõ ràng: bằng việc sử dụng một mạng dữ liệu duy nhất cho tất cả các truyền thông (thoại, hình ảnh, dữ liệu), chi phí triển khai và duy trì bảo dưỡng

sẽ giảm đáng kể Lợi ích này cho phép các khách hàng gia đình hay doanh nghiệp

có thể lựa chọn được nhiều nhà cung cấp dịch vụ truyền thông Nhà cung cấp dịch

vụ VoIP có thể ở bất kỳ đâu trên thế giới, với một kết nối Internet, người ta không còn bị giới hạn về mặt địa lý trong việc lựa chọn nhà cung cấp dịch vụ

Tóm lại, VoIP cho phép con người có nhiều cách truyền thông và nhiều chọn lựa hơn

2.1.3 Các mô hình trong mạng VoIP

Mô hình PC to PC

Trong mô hình này, mỗi máy tính cần được trang bị một sound card, một microphone, một speaker và được kết nối trực tiếp với mạng Internet thông qua modem hoặc card mạng 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 nối với cùng một mạng mới có khả năng trao đổi thông tin với nhau

Hình 2-1: Mô hình PC to PC

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

cơ sở để dẫn tới việc kết hợp giữa mạng Internet và mạng PSTN cũng như các mạng GSM hay đa dịch vụ khác

Hình 2-2: Mô hình PC to Phone Đây là mô hình mở rộng của mô hình PC to Phone sử dụng Internet làm phương tiện liên lac 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

Hình 2-1: Mô hình Phone to Phone

2.1.4 Các giao thức sử dụng trong VoIP

Có rất nhiều giao thức được sử dụng trong hệ thống VoIP, bao gồm : các giao thức báo hiệu nhưSIP, H323; các giao thức điều khiển nhưMGCP, RTCP; giao thức truyền thoại nhưRTP

Dưới đây là 1 sốgiới thiệu về các giao thức được sử dụng trong công nghệVoIP

Telecommunications Standardization Sector) đề xuất, là chuẩn được chấp nhận về một hệ thống truyền thông đa phương thức dựa trên mạng chuyển mạch gói H323 là chuẩn định nghĩa tất cảtiến trình liên quan đến vấn đềđồng bộ cho thoại, video, và truyền dữ liệutrong đó nó định nghĩa H.225 cho chức năng báo hiệu cuộc gọi, H.245 cho thỏa thuận các thông số cần

thiết để trao đổi như các bộ CODEC, kênh truyền

• SIP:Session Initiation Protocol, giao thức báo hiệu khởi đầu, do IETF

(Internet Engineering Task Force: Nhóm đặc trách về kĩ thuật Internet)đưa

ra SIP là chuẩn đề cử về một giao thức báo hiệu cuộc gọi SIP cũng mô tả chi tiết về các tính năng như bảo mật (sercurity), sự ủy nhiệm (proxy), vận chuyển (transport).SIP định nghĩa ra cớ chế báo hiệu cuộc gọi end-to end giữa các thiết bị.SIP là giao thức text-based mà có nhiều tính năng tương tự

HTTP, như là cùng mô hình yêu cầu (request) và đáp ứng (response)

• MGCP: Media Gateway Control Protocol, giao thức điều khiển Gateway do IETF đề xuất Đây là chuẩn đề cử cho việc điều khiển Gateway

trình điều khiển thông tin RTCP cung cấp thông tin phản hồi dựa theo điều

kiện của mạng: RTCP cung cấp cơ chế cho những thiết bị liên quan trong

phiên (session) RTP trao đổi thông tin về giám sát và điều khiển phiên RTCP giám sát chất lượng của các yếu tố như là đếm gói (packet count), mất gói, độ trễ, jitter RTCP truyền gói bằng 1% băng thông của phiên, nhưng ở một tốc độ xác định trong ít nhất mỗi 5 giây.Tham số thời gian Network Time Protocol (NTP) dưa vào các xung được đồng bộ Tham số thời gian RTP tương ứng thì được tạo ngẫu nhiên và dựa vào tiến trính lấy mẫy gói dữ

liệu Cả hai NTP và RTP thì được đặt trong gói RTCP bởi người gởi dữ liệu

2.1.5 Một số hệ thống VoIP trong thực tế

2.1.5.1 Mạng VoIP của Viettel:

Mạng VoIP của Vietel chỉ cung cấp dịch vụ cuộc gọi liên tỉnh giữa các thành phố TP.HCM và Hà Nội nên cấu hình khá đơn giản Tại hai đầu đặt 2 Gateway của Clarent (nếu dùng báo hiệu số 7) hoặc đặt 2 Gateway của Lucent (nếu dùng báo hiệu R2) Các gteway này nối tới các tổng đài AXE tại Hà Nội và TP HCM với giao diện là E1, dung lượng là 8 luồng E1 (hiện nay có hể tăng lên) Nối giữa hai gateway là đường truyền số liệu được thuê

riêng với dung lượng 2,048 Mbps (qua hai router Cisco A 85300)

Mã dịch vụ VoIP của Vietel là 178, vì vậy tại các tổng đài AXE cần phải được cấu hình để các cuộc gọi có số thuê bao bị gọi bắt đầu là 178 sẽ được định tuyến đến các Gateway Hệ thống VoIP của Vietel khá đơn giản nên không cần có Gatekeeper Vì thế, khi có một cuộc gọi đến gateway, nó sẽ được định tuyến sang Gateway ở đầu phía bên kia,sau đó tới tổng đài và cuối cùng là tới thuê bao bị gọi

Hình 2-2: Mô hình m ạng VoIP của Viettel

2.1.5.2 Mạng VoIP của VDC:

Cấu hình mạng VoIP của VDC ở đây chỉ đưa ra hai vùng là Hà Nội và thành phố Hồ Chí Minh Mạng VoIP của VDC có thể cung cấp cả dịch vụ điện thoại IP liên tỉnh và cuộc gọi đi quốc tế Đối với cuộc gói liên tỉnh Hà Nội _ thành phố Hồ Chí Minh, mã dịch vụ VoIP của VDC là 171 vì vậy tại các tổng đài AXE cần phải định cấu hình để các cuộc gọi có số thuê bao bị gọi bắt đầu là 171 sẽ được định tuyến đến các Gateway, sau đó nó sẽ định tuyến

sang Gateway ở đầu bên kia, rồi tới tổng đài và cuối cùng là tới thuê bao bị

gọi Đối với cuộc gọi đường dài đi quốc tế, trước đây khi chưa có các

Gateway VoIP (Gateway 2)nối với các tổng đài Toll của VTN đi quốc tế,

cuộc gọi vẫn được định tuyến qua các Gateway đặt tại Hà Nội và thành phố

Hồ Chí Minh, sau đó đến các bộ định tuyến IP đi quốc tế Hiện nay các

cuộc gọi đi quốc tế được định tuyến lên mạng của VTN, đến các Gateway

VoIP đi quốc tế Do cấu hình phức tạp nên trong mạng VoIP của VDC có

đặt các Gatekeeper để quản lý địa chỉ, định tuyến cuộc gọi

Hình 2- 6: Mô hình mạng VoIP của VDC2.2 Hệ thống Asterisk

Asterisk là 1 phần mềm mã nguồn mở có tính năng tương đương như 1 tổng đài

PBX Với Asterisk, 1 chiếc máy tính PC rẻ tiền chạy hệ điều hành Linux có thể trở thành 1 hệ thống điện thoại lớn

2.2.1 Kiến trúc của hệ thống Asterisk

Asterisk có thể được coi là một phần trung gian ở giữa dùng để kết nối Ineternet và điện thoại hay các ứng dụng thoại Các ứng dụng của Asterisk có thể kết nối bất cứđiện thoại, đường dây điện thoại hay gói tin thoại nào đến một dịch vụ hay giao diện khác Asterisk có thể triển khai dễ dàng và tin cậy từ quy mô nhỏđến rất lớn và hỗtrợ các ứng dụng dày đặc

Asterisk hỗ trợ mọi khảnăng có thể có của công nghệ telephony Công nghệ này gồm có VoIP, SIP, H.323, IAX và MGCP (cho điện thoại và gateway) Asterisk có thể hợp tác hoạt động với hầu hết các thiết bị thoại tiêu chuẩn và các phần cứng kết nối với Asterisk thì có giá không cao Asterisk hỗ trợ công nghệ điện thoại truyền thống như ISDN PRI và sóng mang T bao gồm cả T1 hay E1 Các ứng dụng thoại bao gồm gọi điện, hội thảo, voicemail, trả lời tựđộng và nhiều ứng dụng khác nữa Asterisk server kết nối với một mạng LAN có thểđiều khiển điện thoại truyềnthống FXO và bo mạch giao diện sóng mang T từ Digium có thể kết nối một Asterisk server với mạng PSTN.Điều này cho phép các cuộc gọi có thểđược gọi và được nhận từ mạng PSTN

Các cuộc gọi có thểđược chuyển giữa Asterisk server này với Asterisk server khác Một điện thoại được điều khiển bởi một Asterisk server có thểchuyển sang Asterisk server khác vàsau đó đi vào mạng PSTN

PBX Switching Core bao gồm một bộ Scheuduler và I/O Manager, được sử dụng cho các driver và ứng dụng Codec Translator kết nối các kênh một cách hoàn hảo

và nén với nhiều luật nén khác nhau Hầu hết tính mềm dẻo của Asterisk đến từ các ứng dụng, luật nén, điều khiển kênh, định dạng file và các tương tác với nhiều ứng dụng lập trình khác

2.2.2 Các tính năng

Ngoài những tính năng tương tự như tổng đài PBX, Asterisk còn có thêm nhiều tính

năng khác mà chỉ có thể có được ở những tổng đài rất đắt tiền

Đó là các tính năng:

• Voicemail Services with Directory

• Conferencing Server

• Packet Voice Server

• Encryption of Telephone or Fax Calls

• Heterogeneous Voice over IP gateway (H.323, SIP, MGCP, IAX)

• Custom Interactive Voice Response (IVR) system

• Soft switch

• Number Translation

• Calling Card Server

• Predictive Dialer

• Call Queuing with Remote Agents

• Gateway and Aggregation for Legacy PBX systems

• Remote Office or User Telephone Services

• PBX long distance Gateway

• Telemarketing Block

• Standalone Voicemail System

• Direct Inward System Access

• Call Detail Record

• Music On Hold

• Call Waiting

• Caller ID

• Call Forward,…

Hình 2-4: Mô hình chung c ủa hệ thống Asterisk

2.2.3 Các giao thức hỗ trợ trong Asterisk

Asterisk ra đời với mục đích sử dụng các kiến trúc mạng và các giao thức đã có nên Asterisk hỗ trợ rất nhiều giao thức như SIP, H323, MGCP, Skinny, Đồng thời tác giả của Asterisk cũng tự viết ra một chuẩn là IAX

Inter-Asterisk Exchange (IAX)

IAX là giao thức chuẩn dành riêng cho Asterisk Nó cung cấp hoạt động liên kết trong suốt với tường lửa NAT và PAT Nó hỗ trợ việc thiết lập, nhận, chuyển cuộc gọi và đăng ký cuộc gọi Với IAX, các điện thoại hoàn toàn cơ động Chỉ cần kết nối điện thoại với Asterisk server bất cứ đâu trên mạng Internet, chúng sẽ đăng ký với PBX chủ và được định tuyến cuộc gọi ngay tức thì

IAX có đoạn mào đầu rất nhỏ Với bốn byte của mào đầu, so sánh với 12 byte mào đầu của SIP hay H.323, bản tin IAX có thể nói là nhỏ hơn rất nhiều

IAX hỗ trợ xác thực đối với các cuộc gọi đến và đi Asterisk cung cấp năm phương thức điều khiển truy nhập Ta có thể giới hạn truy cập vào từng phần của dial pLAN

Session Initiation Protocol (SIP)

SIP là chuẩn của IETF dành cho VoIP Giao thức này đã được mô tả chi tiết ở phần trên Cấu trúc điều khiển của SIP bao gồm cả SMTP, HTTP, FTP và các chuẩn khác của IETF SIP chạy trên nền TCP/IP và điều khiển các phiên RTP (Real Time Protocol) RTP truyền dữ liệu với mỗi phiên của VoIP SIP là một chuẩn thiết yếu của VoIP bới vì tính đơn giản của nó khi so sánh với các giao thức khác như H.323 Giao thức SIP trong Asterisk hỗ trợ tốt việc giao tiếp giữa các thiết bị của các nhà cung cấp khác nhau, trong đó có cả SNOM và Cisco

H.323

H.323 là chuẩn ITU dành cho VoIP Trong khi H.323 vẫn được sử dụng trong Asterisk thì ngày nay nó càng ngày càng ít được sử dụng Nó đang dần được thay thế bằng các chuẩn hiện đại hơn như SIP và IAX

2.2.4 Các chuẩn nén và định dạng file

Một bộ nén và giải nén (codec: compressor/decompressor) được sử dụng để nén tín hiệu thoại tương tự thành luồng dữ liệu số hay giải nén dữliệu thành tín hiệu tương

tự Asterisk có thể hoạt động với nhiều định dạng file và chuẩn nén khác nhau Bới

vì nó là một phần mềm với cấu trúc mở nên nó dễ dàng hoạt động với các định dạng file và codec thêm vào

Có hai chuẩn nén PCM 64kbps phổ biến, luật A và luật u Cảhai điều sử dụng nén logarit để đạt được 12 đến 13 bit cho việc nén tuyến tính 8 bit Nén logarit làm giảm các tần sốcao hay âm lượng lớn Luật A tốt hơn trong việc nén tín hiệu mức thấp và

có tỉ số nén tín hiệu trên nhiễu tốt hơn Luật u thường được sử dụng ở Bắc Mỹ, còn luật A thường được sử dụng ở châu Âu

Asterisk cung cấp việc chuyển đổi hoàn hảo giữa các chuẩn nén với nhau :

Các định dạng file

Asterisk sử dụng nhiều file khác nhau để lưu trữ dữ liệu âm thanh bao gồm voicemail và music on hold Asterisk hỗ trợ nhiều định dạng file và file âm thanh khác nhau

Các định dạng được hỗ trợbao gồm:

gian Bảng 2-2: Các dạng âm thanh hỗ trợ bởi Asterisk

2.2.5 Hệ thống quản lý file của Asterisk

/etc/zaptel.conf

Asterisk bao gồm asterisk, astman, astgenkey và safe_asterisk

trúc Asterisk

/usr/lib/asterisk Các module thời gian thực cho các ứng

dụng, điều khiển kênh, bộ nén và giải nén, định dạng file,

các ứng dụng của Asterisk, điều khiển kênh và các module hoạt động

trong suốt hoạt động bình thường

dial pLAN AGI

thông tin cấu hình File này không bao giờ thay đổi bởi người sửdụng được, mà chỉ có thể thay đổi bằng câu lệnh cơ sở

dữ liệu của Asterisk: thêm vào và chỉnh sửa file này

dụng hay bởi dial pLAN

dụng trong Asterisk cho xác thực RSA IAX sử dụng những chìa khoá được lưu trữ ởđây

năng music on hold Cấu hình cho music on holdđược chứa trong thư mục