Giải pháp triển khai dịch vụ VoIP cho mạng Internet ở Việt Nam

Mục lục Dịch vụ điện thoại qua mạng IP Mở đầu Chương I: Tổng quan về điện thoại IP. I. Khái niệm điện thoại IP................................................................................... 3 II. Đặc điểm của điện thoại IP............................................................................ 3 II.1. PSTN mạng chuyển mạch gói và Internet.............................................. 3 II.2. Ưu điểm và nhược điểm của điện thoại IP............................................. 5 III. Mô hình của dịch vụ IP Telephony........................................................... 8 III.1. Cac phần mềm VoIP............................................................................. 8 III.2. Mô hình IP Telephony quy mô nhà cung cấp dịch vụ.......................... 8 III.2.1. Mô hình......................................................................................... 8 III.2.2. Hoạt động...................................................................................... 10 Chương II: Xử lý tín hiệu thời gian thực trong mạng gói. I. Kích thước gói thoại....................................................................................... 14 II. Mã hoá tín hiệu thoại.................................................................................... 15 III. Đóng gói tín hiệu thoại - Bộ giao thức RTP/RTCP..................................... 18 III.1. Vai trò của RTP/RTCP......................................................................... 18 III.2. Các ứng dụng sử dụng RTP.................................................................. 19 III.3. Khuôn dạng gói RTP............................................................................ 20 III.3.1. Phần tiêu đề cố định...................................................................... 20 III.3.2. Phần tiêu đề mở rộng.................................................................... 22 III.4. Giao thức điều khiển RTCP.................................................................. 26 III.4.1. Các loại gói RTCP........................................................................ 23 III.4.2. Khoảng thời gian giữa hai lần phát hợp gói RTCP....................... 24 III.4.3. Khuôn dạng gói SR....................................................................... 26 III.4.4. Khuôn dạng gói RR...................................................................... 29 III.4.5. Khuôn dạng gói SDES.................................................................. 29 III.4.6. Khuôn dạng gói BYE.................................................................... 30 III.4.7. Khuôn dạng gói APP.................................................................... 31 IV. Quá trình xử lý tín hiệu trong media gateway............................................. 31 IV.1. Các thành phần của media gateway..................................................... 31 IV.2. Quá trình xử lý tín hiệu thoại............................................................... 32 IV.3. Các biện pháp tối thiểu thời gian trễ.................................................... 33 IV.4. Đồng bộ tín hiệu.................................................................................. 33 IV.4.1. Đồng bộ tín hiệu từ mạng PSTN sang mạng IP............................ 33 IV.4.2. Đồng bộ tín hiệu từ mạng IP sang mạng PSTN............................ 33 V. Các biện pháp đảm bảo chất lượng dịch vụ.................................................. 34 V.1. Các cấp chất lượng dịch vụ xét từ đầu cuối tới đầu cuối....................... 35 V.2. Các cơ chế điều khiển chất lượng bên trong một phần tử mạng........... 36 V.2.1. Các thuật toán xếp hàng................................................................. 36 V.2.1.1. Xếp hàng vào trước ra trước (FIFO)....................................... 36 V.2.1.2. Xếp hàng theo mức ưu tiên (PQ)............................................ 36 V.2.1.3. Xếp hàng tuỳ biến (CQ)......................................................... 37 V.2.1.4. Xếp hàng công bằng trọng số (WFQ).................................... 38 V.2.2. Định hình lưu lượng....................................................................... 38 V.2.3. Các cơ chế tăng hiệu quả đường truyền......................................... 38 V.2.3.1. Phân mảnh và truyền đan xen (LFI)....................................... 38 V.2.3.2. Nén tiêu đề gói thoại.............................................................. 38 V.3. Báo hiệu phục vụ điều khiển chất lượng dịch vụ................................... 38 V.3.1. Mức ưu tiên IP (IP Precendence)................................................... 39 V.3.2. Giao thức RSVP............................................................................. 39 Chương III: Báo hiệu cuộc gọi trong mạng IP. I. Mở đầu........................................................................................................... 40 II. Giới thiệu chuẩn H.323................................................................................. 40 II.1. Giới thiệu............................................................................................... 40 II.2. Chồng giao thức H.323.......................................................................... 40 III. Các thành phần trong hệ thống H.323......................................................... 42 II.1. Tổng quan.............................................................................................. 42 II.2. Thiết bị đầu cuối H.323......................................................................... 44 II.3. H.323 Gateway...................................................................................... 48 II.4. H.323 Gatekeeper.................................................................................. 50 II.5. Đơn vị điều khiển liên kết đa điểm........................................................ 51 IV. Các kênh điều khiển.................................................................................... 54 V. Các giá trị đặc trưng cuộc gọi....................................................................... 61 VI. Các thủ tục báo hiệu cuộc gọi...................................................................... 61 VI.1. Giai đoạn I- Thiết lập cuộc gọi............................................................. 61 VI.1.1. Thiết lập cơ bản (Basic Call Setup)............................................... 62 VI.1.2. Thiết lập cuộc gọi có sự tham gia của gatekeeper........................ 63 VI.2. Giai đoạn II- Khởi đầu truyền thông.................................................... 65 VI.3. Giai đoạn III- Thiết lập kênh tín hiệu media........................................ 66 VI.4. Giai đoạn IV- Các dịch vụ cuộc gọi..................................................... 67 VI.4.1. Thay đổi thông lượng cuộc gọi..................................................... 67 VI.4.2. Thông báo trạng thái..................................................................... 69 VI.4.3. Mở rộng hội nghị (AdHoc Conference Extension)....................... 69 VI.5. Giai đoạn V- Kết thúc cuộc gọi............................................................ 69 VII. Nhận xét về chuẩn H.323........................................................................... 72 Chương IV: Giải pháp triển khai dịch vụ VoIP cho mạng Internet ở Việt Nam. I. Cấu hình mạng Internet backbone ở ViệtNam............................................... 74 II. Thiết bị Cisco Router 7513........................................................................... 76 II.1. Đặc điểm kỹ thuật của Cisco Router 7513............................................ 76 II.2. Các tính năng của Cisco Router 7513.................................................... 78 III. Một giải pháp IP Telephony trên mạng Internet của VDC.......................... 79 III.1. Mục tiêu giải pháp................................................................................ 79 III.2. Giải pháp............................................................................................... 79 III.2.1. Nâng cấp hệ thống......................................................................... 79 III.2.2. Thiết lập cấu hình.......................................................................... 81 III.3. Nhận xét............................................................................................... 82 IV. Hướng phát triển của IP Telephony............................................................. 82 IV.1. Mở rộng dịch vụ ra nhiều tỉnh thành trong nước.................................. 82 IV.2. Triển khai dịch vụ IP Telephony quốc tế............................................. 83 Phụ lục A: Các trường hợp thiết lập cuộc gọi khác............................ 84 Phụ lục B: Các chữ viết tắt................................................................ 88 Tài liệu tham khảo............................................................................. 89 Chương I: Tổng Quan về Điện thoại IP. I. Khái niệm điện thoại IP : Trong một vài năm gần đây, số lượng người sử dụng Internet và số lượng máy chủ cung cấp dịch vụ đã tăng một cách mạnh mẽ. Song song với việc không ngừng tăng nhu cầu sử dụng internet là sự xuất hiện đa dạng của các loại hình dịch vụ mới chạy trên nền tảng kỹ thuật của mạng toàn cầu. Một trong số các dịch vụ mới tỏ ra có rất nhiều hứa hẹn là điện thoại IP (IP Telephony, IP Telephone, VoIP, Netphone, Internet Telephone). Khi người dùng Internet đã quen làm việc trực tuyến trong một thời gian dài trên mạng thì cũng rất tự nhiên nếu họ muốn chiếc máy tính PC của mình trở thành một phương tiện truyền thông cho mọi loại hình dịch vụ khác. Thật may mắn là những tiến bộ trong công nghệ điện tử, kỹ thuật nén và xử lý số liệu đã cho phép con người tạo ra và sử dụng một loại hình điện thoại dựa trên nền tảng kỹ thuật của giao thức Internet (IP: Internet Protocol), đó chính là dịch vụ IP Telephony. Nói một cách ngắn gọn, IP Telephony là một dịch vụ truyền thoại sử dụng công nghệ mạng IP kết hợp với khả năng tính toán và xử lý dữ liệu của các thiết bị đầu cuối để thực hiện truyền tải các cuộc đàm thoại. Dịch vụ điện thoại IP bao gồm các dịch vụ truyền thoại, fax, multimedia, ... qua những mạng IP được quản lý về chất lượng dịch vụ (QoS). Các dịch vụ này có thể được thực hiện hoàn toàn trong phạm vi mạng IP hoặc có thể được thực hiện kết hợp giữa mạng IP và các mạng khác. II. Đặc điểm của điện thoại IP. Điện thoại IP là một dịch vụ truyền thoại qua các mạng IP. Mạng IP ở đây là các mạng dữ liệu sử dụng bộ giao thức TCP/IP cho các chức năng tầng giao vận (Transport Layer) và tầng mạng (Network Layer). Còn giao thức các tầng thấp hơn (các giao thức truy cập mạng: Network Access Protocols) có thể là giao thức trong mạng LAN, X.25, Frame Relay, ATM, hay PPP... Bởi vậy so với điện thoại chuyển mạch kênh thông thường điện thoại IP có nhiều khác biệt. Để thấy được những khác biệt này, trước hết ta xem xét đặc điểm mạng PSTN, mạng chuyển mạch gói và mạng Internet. II.1. PSTN, mạng chuyển mạch gói và Internet: Mạng điện thoại công cộng (Public Switched Telephone Network - PSTN) là mạng truyền thông dựa trên nền tảng kỹ thuật chuyển mạch kênh (Circuit Switching). Chuyển mạch kênh là phương pháp truyền thông trong đó một kênh truyền dẫn dành riêng được thiết lập giữa hai thiết bị đầu cuối thông qua một hay nhiều nút chuyển mạch trung gian. Dòng thông tin truyền trên kênh này là dòng bit truyền liên tục theo thời gian. Băng thông của kênh dành riêng được đảm bảo và cố định trong quá trình liên lạc (64Kbps đối với mạng điện thoại PSTN), và độ trễ thông tin là rất nhỏ chỉ cỡ thời gian truyền thông tin trên kênh (propagation time). Hình I.2: Mạng chuyển mạch gói Mạng chuyển mạch kênh 1 3 2 4 1 4 1 3 2 1 Hình I.1: Mạng chuyển mạch kênh Khác với mạng chuyển mạch kênh, mạng chuyển mạch gói (Packet Switching Network) sử dụng hệ thống lưu trữ rồi truyền (store-and-forward system) tại các nút mạng. Thông tin được chia thành các phần nhỏ (gọi là gói), mỗi gói được thêm các thông tin điều khiển cần thiết cho quá trình truyền như là địa chỉ nơi gửi, địa chỉ nơi nhận... Các gói thông tin đến nút mạng được xử lý và lưu trữ trong một thời gian nhất định rồi mới được truyền đến nút tiếp theo sao cho việc sử dụng kênh có hiệu quả cao nhất. Trong mạng chuyển mạch gói không có kênh dành riêng nào được thiết lập, băng thông của kênh logic giữa hai thiết bị đầu cuối thường không cố định, và độ trễ thông tin lớn hơn mạng chuyển mạch kênh rất nhiều. Xét trên quan điểm mô hình phân tầng OSI, việc tryền thông tin trong mạng truyển mạch kênh và mạng chuyển mạch gói được minh hoạ như trong hình I.1 và hình I.2. Khi các mạng số liệu trên thế giới được liên kết lại, một mạng số liệu lớn được thiết lập, đó là Internet. Giao thức liên mạng sử dụng trong internet là giao thức IP (Internet Protocol). Cũng giống như mạng điện thoại PSTN, mạng Internet có quy mô toàn cầu, phù hợp cho việc khai thác và phát triển các dịch vụ viễn thông trên thế giới. Tuy nhiên, giữa chúng có sự khác biệt sâu sắc về mặt kỹ thuật: Khác nhau về kỹ thuật chuyển mạch: Mạng Internet sử dụng phương pháp định tuyến động (dynamic routing) dựa trên việc đánh địa chỉ không mang tính địa lý (non-geographic addressing). Ngược lại mạng PSTN, sử dụng phương pháp chuyển mạch tĩnh (static switching) dựa trên số điện thoại phụ thuộc vị trí của thuê bao (geographic telephone numbering). Kiến trúc mạng: Kiến trúc của Internet là phân tán. Sự “thông minh” của Internet phân bố trên toàn bộ mạng. Các ứng dụng cung cấp dịch vụ cho mạng là các phần mềm hướng máy khách (client-oriented software) và được bố trí khắp nơi trên mạng. Trong khi đó mạng PSTN tập trung các phương tiện truyền dẫn và các chương trình điều khiển lại với nhau tại một vài trung tâm trong mạng. Kiến trúc phân tán của internet có một ý nghĩa hết sức quan trọng. Nó tạo cho internet tính linh hoạt trong triển khai và ứng dụng các công nghệ mới. Điều này giải thích cho sự phát triển mạng mẽ của internet trong một vài năm gần đây. II.2. Ưu điểm và nhược điểm của điện thoại IP: Điện thoại IP ra đời nhằm khai thác tính hiệu quả của các mạng truyền số liệu, khai thác tính linh hoạt trong phát triển các ứng dụng mới của giao thức IP và nó được áp dụng trên một mạng toàn cầu là mạng Internet. Các tiến bộ của công nghệ mang đến cho điện thoại IP những ưu điểm sau: + Giảm chi phí cuộc gọi: Ưu điểm nổi bật nhất của điện thoại IP so với dịch vụ điện thoại hiện tại là khả năng cung cấp những cuộc gọi đường dài giá rẻ với chất lượng chấp nhận được. Nếu dịch vụ điện thoại IP được triển khai, chi phí cho một cuộc gọi đường dài sẽ chỉ tương đương với chi phí truy nhập internet. Nguyên nhân dẫn đến chi phí thấp như vây là do tín hiệu thoại được truyền tải trong mạng IP có khả năng sử dụng kênh hiệu quả cao. Đồng thời, kỹ thuật nén thoại tiên tiến giảm tốc độ bít từ 64 Kbps xuống thấp tới 8 Kbps (theo tiêu chuẩn nén thoại G.729A của ITU-T) kết hợp với tốc độ xử lý nhanh của các bộ vi xử lý ngày nay cho phép việc truyền tiếng nói theo thời gian thực là có thể thực hiện được với lượng tài nguyên băng thông thấp hơn nhiều so với kỹ thuật cũ. So sánh một cuộc gọi trong mạng PSTN với một cuộc gọi qua mạng IP, ta thấy: Chi phí phải trả cho cuộc gọi trong mạng PSTN là chi phí phải bỏ ra để duy trì cho một kênh 64kbps suốt từ đầu cuối này tới đầu cuối kia thông qua một hệ thống các tổng đài. Chi phí này đối với các cuộc gọi đường dài (liên tỉnh, quốc tế) là khá lớn. Trong trường hợp cuộc gọi qua mạng IP, người sử dụng từ mạng PSTN chỉ phải duy trì kênh 64kbps đến Gateway của nhà cung cấp dịch vụ tại địa phương. Nhà cung cấp dịch vụ điện thoại IP sẽ đảm nhận nhiệm vụ nén, đóng gói tín hiệu thoại và gửi chúng đi qua mạng IP một cách có hiệu quả nhất để tới được Gateway nối tới một mạng điện thoại khác có người liên lạc đầu kia. Việc kết nối như vậy làm giảm đáng kể chi phí cuộc gọi do phần lớn kênh truyền 64Kbps đã được thay thế bằng việc truyền thông tin qua mạng dữ liệu hiệu quả cao. + Tích hợp mạng thoại, mạng số liệu và mạng báo hiệu: Trong điện thoại IP, tín hiệu thoại, số liệu và ngay cả báo hiệu đều có thể cùng đi trên cùng một mạng IP. Điều này sẽ tiết kiệm được chi phí đầu tư để xây dựng những mạng riêng rẽ. + Khả năng mở rộng (Scalability): Nếu như các hệ tổng đài thường là những hệ thống kín, rất khó để thêm vào đó những tính năng thì các thiết bị trong mạng internet thường có khả năng thêm vào những tính năng mới. Chính tính mềm dẻo đó mang lại cho dịch vụ điện thoại IP khả năng mở rộng dễ dàng hơn so với điện thoại truyền thống. + Không cần thông tin điều khiển để thiết lập kênh truyền vật lý: Gói thông tin trong mạng IP truyền đến đích mà không cần một sự thiết lập kênh nào. Gói chỉ cần mang địa chỉ của nơi nhận cuối cùng là thông tin đã có thể đến được đích. Do vậy, việc điều khiển cuộc gọi trong mạng IP chỉ cần tập trung vào chức năng cuộc gọi mà không phải tập trung vào chức năng thiết lập kênh. + Quản lý băng thông: Trong điện thoại chuyển mạch kênh, tài nguyên băng thông cung cấp cho một cuộc liên lạc là cố định (một kênh 64Kbps) nhưng trong điện thoại IP việc phân chia tài nguyên cho các cuộc thoại linh hoạt hơn nhiều. Khi một cuộc liên lạc diễn ra, nếu lưu lượng của mạng thấp, băng thông dành cho liên lạc sẽ cho chất lượng thoại tốt nhất có thể; nhưng khi lưu lượng của mạng cao, mạng sẽ hạn chế băng thông của từng cuộc gọi ở mức duy trì chất lượng thoại chấp nhận được nhằm phục vụ cùng lúc được nhiều người nhất. Điểm này cũng là một yếu tố làm tăng hiệu quả sử dụng của điện thoại IP. Việc quản lý băng thông một cách tiết kiệm như vậy cho phép người ta nghĩ tới những dịch vụ cao cấp hơn như truyền hình hội nghị, điều mà với công nghệ chuyển mạch cũ người ta đã không thực hiện vì chi phí quá cao. + Nhiều tính năng dịch vụ: Tính linh hoạt của mạng IP cho phép tạo ra nhiều tính năng mới trong dịch vụ thoại. Ví dụ cho biết thông tin về người gọi tới hay một thuê bao điện thoại IP có thể có nhiều số liên lạc mà chỉ cần một thiết bị đầu cuối duy nhất (Ví dụ như một thiết bị IP Phone có thể có một số điện thoại dành cho công việc, một cho các cuộc gọi riêng tư). + Khả năng multimedia: Trong một “cuộc gọi” người sử dụng có thể vừa nói chuyện vừa sử dụng các dịch vụ khác như truyền file, chia sẻ dữ liệu, hay xem hình ảnh của người nói chuyện bên kia. Điện thoại IP cũng có những hạn chế: + Kỹ thuật phức tạp: Truyền tín hiệu theo thời gian thực trên mạng chuyển mạch gói là rất khó thực hiện do mất gói trong mạng là không thể tránh được và độ trễ không cố định của các gói thông tin khi truyền trên mạng. Để có được một dịch vụ thoại chấp nhận được, cần thiết phải có một kỹ thuật nén tín hiệu đạt được những yêu cầu khắt khe: tỉ số nén lớn (để giảm được tốc độ bit xuống), có khả năng suy đoán và tạo lại thông tin của các gói bị thất lạc... Tốc độ xử lý của các bộ Codec (Coder and Decoder) phải đủ nhanh để không làm cuộc đàm thoại bị gián đoạn. Đồng thời cơ sở hạ tầng của mạng cũng cần được nâng cấp lên các công nghệ mới như Frame Relay, ATM,... để có tốc độ cao hơn và/hoặc phải có một cơ chế thực hiện chức năng QoS (Quality of Service). Tất cả các điều này làm cho kỹ thuật thực hiện điện thoại IP trở nên phức tạp và không thể thực hiện được trong những năm trước đây. + Vấn đề bảo mật (security): Mạng Internet là một mạng có tính rộng khắp và hỗn hợp (hetorogenous network). Trong đó có rất nhiều loại máy tính khác nhau cùng các dịch vụ khác nhau cùng sử dụng chung một cơ sở hạ tầng. Do vậy không có gì đảm bảo rằng thông tin liên quan đến cá nhân cũng như số liên lạc truy nhập sử dụng dịch vụ của người dùng được giữ bí mật. Như vậy, điện thoại IP chứng tỏ nó là một loại hình dịch vụ mới rất có tiềm năng. Trong tương lai, điện thoại IP sẽ cung cấp các dịch vụ hiện có của điện thoại trong mạng PSTN và các dịch vụ mới của riêng nó nhằm đem lại lợi ích cho đông đảo người dùng. Tuy nhiên, điện