Đồ án Nghiên cứu và thiết kế hệ thống VoIPv6

Nghiên cứu và thiết kế hệ thống VoIPv6 SVTH: Nguyễn Mạnh Hùng ĐT4 – K49 i LỜI NÓI ĐẦU Trong những năm gần đây, sự xuất hiện của VoIP đã gây nên 1 sự chú ý đặc biệt trong lĩnh vực viễn thông thế giới. Lợi ích mà nó đem lại là rất lớn. Đối với người tiêu dùng, lợi ích đầu tiên mà họ đạt được là chi phí cuộc gọi sẽ rẻ hơn đáng kể. Còn đối với các nhà sản xuất, cung cấp và khai thác mạng, truyền thoại qua mạng Internet mở ra những thách thức mới nhưng cũng hứa hẹn khả năng lợi nhuận đáng kể. Đây cũng là một bước đột phá trong việc tiến tới 1 xu thế mạng viễn thông mới trong tương lai. Công nghệ VoIP có rất nhiều ưu điểm như: Giảm cước phí dịch vụ thoại đường dài; Hỗ trợ nhiều cuộc gọi với băng tần thấp hơn; Nhiều hơn và tốt hơn các dịch vụ nâng cao ; Sử dụng có hiệu quả nhất giao thức IP... Tuy nhiên vẫn tồn tại một số nhược điểm về bảo mật và kĩ thuật phức tạp... Với tình trạng phát triển nhanh của các dịch vụ mạng, dải địa chỉ IPv4 đang ngày càng cạn kiệt, VoIP không thể phát huy hết sức mạnh vốn có của nó. Để tận dụng hết những ưu điểm của truyền thoại qua mạng Internet đồng thời giải quyết được nhược điểm của cả VoIP thế hệ cũ và IPv4, việc nghiên cứu và thử nghiệm truyền thoại qua IPv6 đã được rất nhiều công ty, tổ chức trên thế giới chú ý. Ở Việt Nam dù vẫn còn nhiều hạn chế về cơ sở hạ tầng và nguồn lực song không thể nằm ngoài xu thế phát triển chung của thế giới. Đây chính là nguyên nhân và dộng lực để em chọn đề tài này. Em xin chân thành cảm ơn cô giáo Nguyễn Bích Huyền, là giáo viên hướng dẫn đã nhiệt tình giúp đỡ em trong thời gian thực tập và làm đồ án tốt nghiệp. Em xin chân thành cảm ơn tất cả các thầy cô giáo của Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội đã giảng dạy và dìu dắt em trong trong suốt quá trình học tập tại trường để em có được kiến thức và có thể thực hiện cũng như hoàn thành đồ án tốt nghiệp. Hà Nội tháng 5 năm 2009 Sinh viên : Nguyễn Mạnh Hùng Nghiên cứu và thiết kế hệ thống VoIPv6 SVTH: Nguyễn Mạnh Hùng ĐT4 – K49 ii TÓM TẮT ĐỒ ÁN Đồ án tập trung nghiên cứu về truyền thoại qua mạng Internet thông qua giao thức IPv6 dựa trên kiến thức đã biết về VoIP và IPv6. Việc truyền thoại sử dụng IPv6 có nhiều ưu điểm, giải quyết được những vấn đề khó khăn của IPv4. Đây là công nghệ mới đang được nhiều tổ chức trên thế giới tập trung nghiên cứu. Tuy nhiên do cơ sở hạ tầng mạng IPv4 còn phổ biến nên việc triển khai VoIPv6 sẽ tồn tại song song với VoIPv4. Chính vì vậy việc chuyển dịch gữa 2 loại địa chỉ là vấn đề quan trọng. Trong khuôn khổ đồ án tốt nghiệp, em đã sử dụng tổng đài Asteriskv6 là 1 loại tổng đài mã nguồn mở được phát triển bởi công ty Viagénie năm 2007 để xây dựng 1 hệ thống đơn giản, mô phỏng cách thức hoạt động của hệ thống trao đổi thông tin với các thuê bao PSTN, các tài khoản Internet thế hệ cũ. Nội dung cụ thể của đồ án bao gồm: - Chương 1: Tổng quan về VoIP - Chương 2: Kiến trúc hệ thống VoIP - Chương 3: Các giao thức truyền tải và báo hiệu - Chương 4: Tổng quan địa chỉ IPv6 - Chương 5: Thiết kế và phân tích hệ thống VoIPv6 Nghiên cứu và thiết kế hệ thống VoIPv6 SVTH: Nguyễn Mạnh Hùng ĐT4 – K49 iii ABSTRACT This thesis focus research on voice transferring through via IPv6 protocol based on knowledge of VoIP and IPv6. Voice over IPv6 has many advantages, solving the problems of IPv4. This new technology is being researched by a lot of organizations. However, because infrastructure of IPv4 network are popular, VoIPv6 will exist with VoIPv4. Therefore transition between 2 types of addresses is important issue. In this thesis, I used Asteriskv6 PBX which is an open source PBX with developed by Viagénie in 2007 to build a simple system to simulate the performance of the system which exchange information with PSTN subcribers and the accounts of Old-Generation Internet. The Content of Thesis: - Chapter 1: Overview of VoIP - Chapter 2: Architecture of VoIP - Chapter 3: Transport and signal link protocols - Chapter 4: Overview of IPv6 address - Chapter 5: Designing and Analyzing a VoIPv6 system Nghiên cứu và thiết kế hệ thống VoIPv6 SVTH: Nguyễn Mạnh Hùng ĐT4 – K49 iv MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU ..................................................................................... i TÓM TẮT ĐỒ ÁN ............................................................................. ii ABSTRACT ....................................................................................... iii MỤC LỤC .......................................................................................... iv DANH SÁCH HÌNH VẼ ................................................................... vi DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT ............................................... viii MỞ ĐẦU ........................................................................................... xii CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN VỀ VoIP ............................................. 1 1.1 Khái niệm Voice over IP .................................................................................................. 1 1.2 Đặc điểm của điện thoại IP ............................................................................................... 2 1.3 Các hình thức truyền thoại qua IP..................................................................................... 5 1.3.1 Mô hình PC to PC ...................................................................................................... 5 1.3.2 Mô hình PC to Phone ................................................................................................. 6 1.3.3 Mô hình Phone to Phone ............................................................................................ 6 1.4 Các ưu điểm và ứng dụng của VoIP ................................................................................. 7 1.4.1 Ưu điểm ..................................................................................................................... 7 1.4.2 Ứng dụng ................................................................................................................... 8 1.5 Các vấn đề về chất lượng của VoIP .................................................................................. 9 1.5.1 Trễ (Delay) ............................................................................................................... 10 1.5.2 Trượt (jitter) ............................................................................................................. 11 1.5.3 Mất gói (packet loss) ................................................................................................ 11 1.6 Kết luận ........................................................................................................................... 12 CHƯƠNG 2 : KIẾN TRÚC HỆ THỐNG VoIP ............................. 13 2.1 Kiến trúc và các giao diện của mạng VoIP ..................................................................... 13 2.1.1 Kiến trúc của mạng VoIP ......................................................................................... 13 2.1.2 Các giao diện của mạng VoIP .................................................................................. 14 2.2 Các thành phần của mạng VoIP ...................................................................................... 15 2.2.1 Thiết bị đầu cuối ...................................................................................................... 15 2.2.2 Mạng truy nhập IP ................................................................................................... 15 2.2.3 Gatekeeper ............................................................................................................... 16 2.2.4 Gateway ................................................................................................................... 17 2.3 Kết luận ........................................................................................................................... 21 CHƯƠNG 3 : CÁC GIAO THỨC TRUYỀN TẢI VÀ BÁO HIỆU ............................................................................................................. 22 3.1 Bộ giao thức RTP, RCTP và RSTP ................................................................................ 22 3.1.1 Giao thức vận chuyển thời gian thực (Real-time Transport Protocol - RTP) .......... 22 3.1.2 Giao thức điều khiển truyền thời gian thực (Real-time Transport Control Protocol - RTCP) ............................................................................................................................... 24 3.1.3 Giao thức giữ trước tài nguyên (Resource Reservation Protocol - RSVP) .............. 26 Nghiên cứu và thiết kế hệ thống VoIPv6 SVTH: Nguyễn Mạnh Hùng ĐT4 – K49 v 3.2 Các giao thức điều khiển và báo hiệu VoIP .................................................................... 27 3.2.1 Giao thức khởi tạo phiên (SIP) ................................................................................ 27 3.2.2 Chuẩn giao thức H323 ............................................................................................. 31 3.2.3 So sánh giữa các giao thức SIP và H.323 ................................................................ 34 3.2.4 Giao thức SGCP (Simple Gateway Control Protocol) ............................................. 36 3.2.5 Giao thức MGCP (Media Gateway Control Protocol) ............................................ 36 3.3 Kết luận ........................................................................................................................... 37 CHƯƠNG 4 : TỔNG QUAN ĐỊA CHỈ IPv6 .................................. 38 4.1 Sự ra đời của IPv6 ........................................................................................................... 38 4.1.1 Sự cạn kiệt địa chỉ IPv4 ........................................................................................... 38 4.1.2 Hạn chế về công nghệ và nhược điểm của IPv4: ..................................................... 38 4.1.3 Mục tiêu thiết kế IPv6: ............................................................................................. 39 4.2 Lý thuyết địa chỉ IPv6 .................................................................................................... 40 4.2.1 Biểu diễn địa chỉ IPv6 .............................................................................................. 40 4.2.2 Cấu trúc đánh địa chỉ, các dạng địa chỉ IPv6 ........................................................... 42 4.2.3 Định danh giao diện trong địa chỉ IPv6 ................................................................... 51 4.2.4 Tìm hiểu IPv6 header ............................................................................................... 53 4.3 Hoạt động của địa chỉ IPv6 – Các thủ tục và quy trình họat động cơ bản ...................... 57 4.3.1 Thủ tục ICMPv6 ...................................................................................................... 57 4.3.2 Một số quy trình hoạt động của địa chỉ IPv6 ........................................................... 60 4.3.3 Đặc tính của địa chỉ IPv6 ......................................................................................... 66 4.4 Công nghệ chuyển đổi giao tiếp IPv4 - IPv6 .................................................................. 70 4.4.1 Tổng quan về công nghệ chuyển đổi IPv4/IPv6 ...................................................... 70 4.4.2 Dual – stack ............................................................................................................. 71 4.4.3 Công nghệ đường hầm Tunnel ................................................................................ 72 4.5 Kết luận ........................................................................................................................... 79 CHƯƠNG 5 : THIẾT KẾ VÀ PHÂN TÍCH HỆ THỐNG VoIPv6 ............................................................................................................. 80 5.1 Mô hình thiết kế .............................................................................................................. 80 5.1.1 Mô tả hệ thống ......................................................................................................... 80 5.1.2 Thực hiện ................................................................................................................. 81 5.1.3 Kết quả đạt được ...................................................................................................... 82 5.2 Kết luận ........................................................................................................................... 95 KẾT LUẬN ........................................................................................ 96 TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................ 97 PHỤ LỤC ........................................................................................... 98 Nghiên cứu và thiết kế hệ thống VoIPv6 SVTH: Nguyễn Mạnh Hùng ĐT4 – K49 vi DANH SÁCH HÌNH VẼ Hình 1.1 Cấu trúc phân lớp của hệ thống VoIP .......................................................................... 2 Hình 1.2 Mô hình PC to PC ........................................................................................................ 5 Hình 1.3 Mô hình PC to Phone ................................................................................................... 6 Hình 1.4 Mô hình Phone to Phone .............................................................................................. 7 Hình 1.5 Các mức độ đánh giá chất lượng thoại ...................................................................... 10 Hình 1.6 Hoạt động của bộ đệm ............................................................................................... 11 Hình 2.1 Cấu hình và các giao diện chuẩn của mạng VoIP ...................................................... 13 Hình 3.1 Cấu trúc gói tin RTP .................................................................................................. 22 Hình 3.2 Cấu trúc gói tin RTCP ............................................................................................... 25 Hình 3.3 Mối quan hệ giữa Flowspec và Filterspec ................................................................. 27 Hình 3.4 Các thành phần của SIP ............................................................................................. 28 Hình 3.5 Các thành phần của H.323 ......................................................................................... 32 Hình 3.6 H323 Call - Flow ....................................................................................................... 33 Hình 3.7 So sánh H.323 và SIP ................................................................................................ 35 Hình 4.1 Cách biểu diễn địa chỉ IPv4 ....................................................................................... 40 Hình 4.2 Cách biểu diễn địa chỉ IPv6 ....................................................................................... 41 Hình 4.3 Cấu trúc địa chỉ Link-local ........................................................................................ 43 Hình 4.4 Cấu trúc địa chỉ Site-local .......................................................................................... 44 Hình 4.5 Cấu trúc địa chỉ Unicast toàn cầu .............................................................................. 45 Hình 4.6 Phân cấp định tuyến địa chỉ Ipv6 Unicast toàn cầu ................................................... 46 Hình 4.7 Địa chỉ IPv4-Compatible ........................................................................................... 46 Hình 4.8 Địa chỉ IPv4-mapped ................................................................................................. 47 Hình 4.9 Cấu trúc địa chỉ Ipv6 multicast .................................................................................. 48 Hình 4.10 Các dạng địa chỉ IPv6 .............................................................................................. 51 Hình 4.11 IPv4 header .............................................................................................................. 54 Hình 4.12 IPv6 header .............................................................................................................. 55 Hình 4.13 Cấu trúc gói tin ICMPv6 .......................................................................................... 58 Hình 4.14 Cơ chế Dual-stack .................................................................................................... 71 Hình 4.15 Công nghệ đường hầm Tunnel................................................................................. 72 Hình 4.16 Mô hình của Tunnel Broker ..................................................................................... 75 Hình 4.17 Công nghệ Tunnel 6to4 ............................................................................................ 77 Hình 4.18 Các thành phần của Tunnel 6to4 .............................................................................. 78 Hình 5.1 Mô hình triển khai VoIPv6 ........................................................................................ 80 Hình 5.2 Asteriskv6 PBX 1 kết nối với các tổng đài còn lại .................................................... 82 Hình 5.3 Các tài khoản đăng kí thành công với tổng đài Asteriskv6 PBX 1 ............................ 83 Hình 5.4 Tài khoản có địa chỉ IPv6 gọi cho tài khoản có địa chỉ IPv4 cùng 1 tổng đài .................. 84 Hình 5.5 Quá trình khởi tạo kết nối cuộc gọi IPv6 và IPv4 cùng 1 tổng đài ............................ 84 Hình 5.6 Quá trình kết thúc cuộc gọi IPv6 và IPv4 cùng 1 tổng đài ........................................ 85 Hình 5.7 Sơ đồ kết nối cuộc gọi IPv6 và IPv4 trong cùng 1 tổng đài ...................................... 85 Hình 5.8 Sơ đồ kết thúc cuộc gọi IPv6 và IPv4 trong cùng 1 tổng đài ..................................... 86 Hình 5.9 Tài khoản có địa chỉ IPv6 gọi cho tài khoản có địa chỉ IPv4 ở tổng đài khác .................. 87 Nghiên cứu và thiết kế hệ thống VoIPv6 SVTH: Nguyễn Mạnh Hùng ĐT4 – K49 vii Hình 5.10 Quá trình khởi tạo kết nối cuộc gọi IPv6 và IPv4 ở 2 tổng đài khác nhau .............. 88 Hình 5.11 Quá trình kết thúc cuộc gọi IPv6 và IPv4 ở 2 tổng đài khác nhau .......................... 88 Hình 5.12 Sơ đồ khởi tạo kết nối cuộc gọi IPv6 và IPv4ở 2 tổng đài khác nhau ..................... 89 Hình 5.13 Sơ đồ kết thúc cuộc gọi IPv6 và IPv4 ở 2 tổng đài khác nhau ................................ 90 Hình 5.14 Tài khoản có địa chỉ IPv6 gọi ra tài khoản PSTN ................................................... 90 Hình 5.15 Tài khoản có địa chỉ IPv6 gọi ra số diện thoại thật .................................................. 92 Hình 5.16 Tài khoản có địa chỉ IPv6 gọi ra số điện thoại di động ........................................... 93 Hình 5.17 Quá trình kết nối cuộc gọi vào tài khoản 1111 ........................................................ 93 Hình 5.18 Quá trình kết thúc cuộc gọi vào tài khoản 1111 ...................................................... 94 Nghiên cứu và thiết kế hệ thống VoIPv6 SVTH: Nguyễn Mạnh Hùng ĐT4 – K49 viii DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT ACK Acknowledgement MGW Media Gateway MGWC Media Gateway Controller SGW Signalling Gateway APP Application ATM Asynchronous Transfer Mode GK Gateway Keeper SCN Switched Circuit Network ISDN Integrated Service Digital Network DSL Digital Subcriber Line GSM Global System for Mobile VoIPv6 Voice over Internet Protocol version 6 CODEC Coder/Decoder CSRC Contribute Source DCE Data Control Equipment DTE Data Terminal Equipment I