Khóa luận Nghiên cứu công nghệ truyền thoại qua internet sử dụng giao thức TCP/IP (VoIP)

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ -----Y Z----- Bùi xuân Hạnh NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ TRUYỀN THOẠI QUA INTERNET SỬ DỤNG GIAO THỨC TCP/IP (VOIP) KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC HỆ CHÍNH QUY Ngành: Điện Tử Viễn Thông Cán bộ hướng dẫn: TS. Ngô Thái Trị Hà nội - 2005 CHƯƠNG 1 GIAO THỨC TCP/IP 1.1. Một số khái niệm của mạng TCP/IP .................................................2 1.2. Các thành phần vật lý của mạng TCP/IP .........................................3 1.2.1. Các thiết bị tính toán (Computing devices) ................................3 1.2.2. Đường truyền ............................................................................3 1.2.3. Các bộ giao tiếp mạng (NIC-Network Interface Card) ...............3 1.2.4. Bộ tập trung (Hub) ....................................................................3 1.2.5. Bộ điều chế và giải điều chế (Modem).......................................4 1.2.6. Bộ chọn đường (Router) ............................................................4 1.2.7. Phần mềm mạng ........................................................................4 1.3. Các giao thức trong TCP/IP..............................................................6 1.3.1. Giao thức dòng thời gian thực RTP (Real Time Protocol) ..........9 1.3.2. Giao thức UDP (User Datagram Protocol) .................................11 1.3.3. Giao thức điều khiển truyền tin (TCP) .......................................12 1.3.4. Giao thức IP (Internet Protocol) ................................................15 1.3.4.1. Khái quát về giao thức IP .............................................15 1.3.4.2. Tầng giao diện mạng ....................................................15 1.3.4.3. Tầng Internet ...............................................................16 1.3.4.4. Tầng giao vận ..............................................................16 1.3.4.5. Tầng ứng dụng .............................................................16 1.3.4.6. Địa chỉ IP.....................................................................18 1.4. Tiêu chuẩn H.323 ..............................................................................20 1.4.1. Phạm vi của H.323 ....................................................................21 1.4.2. Các dịch vụ H.323.....................................................................22 1.4.3. Các kiểu dữ liệu được định nghĩa trong H.323 ...........................22 1.4.4. Các thành phần trong H.323 ......................................................23 1.5. Quá trình truyền dữ liệu trong TCP/IP ............................................24 2 CHƯƠNG 2 TỔNG QUAN VỀ VOIP 2.1. Tổng quan về VOIP...........................................................................27 2.1.1. Giới thiệu chung về VOIP .........................................................27 2.1.2. Hoạt động của VOIP .................................................................28 2.1.3. So sánh giữa VOIP và mạng chuyển mạch công cộng (PSTN) ...32 2.2. Các đặc trưng của VOIP ...................................................................34 2.3. Hạn chế của việc sử dụng điện thoại VOIP ......................................36 2.4. Ứng dụng của VOIP ..........................................................................37 2.5. Các thành phần trong mạng VOIP ...................................................39 2.5.1. Các thiết bị đầu cuối .................................................................39 2.5.2. Gateway....................................................................................40 2.5.3. Gatekeeper ................................................................................41 2.5.4. Khối điều khiển và xử lý đa điểm (MCU) ..................................42 2.5.5. Các Proxy .................................................................................42 CHƯƠNG 3 BÁO HIỆU VÀ XỬ LÝ CUỘC GỌI TRONG VOIP 3.1. Giới thiệu chung ................................................................................43 3.2. Định tuyến kênh điều khiển và báo hiệu cuộc gọi ............................44 3.2.1. Định tuyến kênh điều khiển cuộc gọi .........................................45 3.2.2. Định tuyến kênh báo hiệu cuộc gọi ............................................46 3.3. Các thủ tục báo hiệu .........................................................................47 3.3.1. Thiết lập cuộc gọi (Giai đoạn 1) ................................................48 3.3.2. Thiết lập kênh điều khiển (Giai đoạn 2).....................................51 3.3.3. Thiết lập kênh truyền thông ảo (Giai đoạn 3).............................51 3.3.4. Tham số cuộc gọi ......................................................................52 3.3.4.1. Thay đổi độ rộng băng tần ............................................52 3.3.4.2. Trạng thái ....................................................................54 3.3.5. Kết thúc cuộc gọi ......................................................................55 3 CHƯƠNG 4 VẤN ĐỀ NÉN TÍN HIỆU VÀ GIẢM THIỂU ĐỘ TRỄ TRONG VOIP 4.1. Tổng quát ..........................................................................................59 4.2. Các kỹ thuật nén tín hiệu trong VOIP ..............................................60 4.2.1. Nguyên lý chung của bộ mã hoá CELP......................................63 4.2.2. Nguyên lý bộ mã hoá CS-CELP ................................................65 4.2.3. Nguyên lý bộ giải mã CS-CELP ................................................66 4.2.4. Chuẩn nén G.729A....................................................................67 4.2.5. Chuẩn nén G.729B ....................................................................68 4.2.6. Chuẩn nén G.723.1....................................................................69 4.2.7. Chuẩn nén GSM 06.10 (Global System for Mobile) ...................71 4.2.8. Khử tiếng vọng .........................................................................72 4.3. Trễ và vấn đề giảm thiểu độ trễ ........................................................73 4.4. Vấn đề giảm thiểu hoá nguồn trễ ......................................................75 4.4.1. Tối thiểu hoá ghi âm bên truyền ................................................75 4.4.2. Tối thiểu hoá trễ Modem ...........................................................76 4.4.3. Tối thiểu hoá bộ đệm Jitter ........................................................76 4.4.4. Trễ đầu cuối đến đầu cuối .........................................................77 CHƯƠNG 5 VẤN ĐỀ ĐẢM BẢO CHẤT LƯỢNG DỊCH VỤ. KHẢ NĂNG ÁP DỤNG VOIP Ở VIỆT NAM VÀ TRÊN THẾ GIỚI 5.1. Giới thiệu ...........................................................................................78 5.2. Chất lượng dịch vụ (QoS) ...................................................................79 5.3. Phân cấp chất lượng ............................................................................80 5.4. Vấn đề đảm bảo chất lượng dịch vụ .....................................................81 5.5. Triển khai VOIP ở Việt Nam...............................................................82 5.6. Triển khai VOIP trên thế giới ..............................................................83 ™ Kết luận 4 Danh mục các từ viết tắt Viết tắt Tiếng Anh Tiếng Việt ACELP Algebraic Code Excite Linear Prediction Dự đoán tuyến tính kích thích đại số ACD Automatic Call Distribution Tự động phân phối cuộc gọi ACF Admission Confirmation Xác nhận yêu cầu truy nhập ACR Admission Control Routine Thủ tục điều khiển thu nạp ADSL Asymmetric Digital Subcriber Line Đường thuê bao số không đối xứng ARJ Admission Reject Từ chối truy nhập ARQ Admission Request Yêu cầu truy nhập ASCCI I American Standard Code for Information Interchange Bộ ký tự ASCCII ATM Asynchronous Transfer Mode Phương thức truyền dẫn không đồng bộ BCF Bandwidth Change Confirmation Công nhận thay đổi độ rộng băng tần B-ISDN Broadband-Integrated Services Digital Network Mạng số đa dịch vụ băng rộng BRJ Bandwidth Change Reject Từ chối thay đổi độ rộng băng tần BRQ Bandwidth Change Request Yêu cầu thay đổi băng tần CIF Common Intermediate Format khuôn dạng trung gian chung CRV Call Reference Value Giá trị tham chiếu cuộc gọi DCF Disengage Confirmation Xác nhận giải phóng DNS Domain Name Service Dịch vụ tên miền DRQ Disengage Request Yêu cầu giải phóng DS0 Digital Signal Level 0 Tín hiệu số cấp 1 (64Kbps) DTMF Dial Tone Multi Frequency Quay số đa tần EAN Enterprise Area Network Mạng xí nghiệp ECTF Enterprise Computer Telephony Forum Diễn đàn máy tính truyền thông 5 ETSI European Technical Standard Institute Viện tiêu chuẩn kỹ thuật châu âu GT Global Transit Chuyển vùng toàn cầu GW Gateway Tram trung chuyển HTTP Hypertext Transfer Protocol Giao thức truyền siêu văn bản IETF Internet Engineering Task Force IP Internet Protocol Giao thức Internet IPX Internetwork Protocol Exchange Chuyển đổi giao thức Internetwork IRQ Information Request Yêu cầu thông tin IS Integrated Service Tích hợp dịch vụ ISDN Integrated Services Digital Nework Mạng số đa dịch vụ ISP Internet Services Provider Các nhà cung cấp dịch vụ Internet ISUP ISDN User Part ISDN Phía người dùng ITU-T International Telecommunication Union - Telecommunication Standardization Hiệp hội viễn thông quốc tế IVR Interactive Voice Response Tương tác thoại LAN Local Area Network Mạng nội bộ LCF Location Confirmation Công nhận cấp phát LDAP Link Access Procedure on D channel Thủ tục truy nhập kết nối kênh D LRJ Location Reject Từ chối cấp phát LRQ Location Request Yêu cầu cấp phát MC Multipoint Controller Bộ điều khiển đa điểm MCS Multipoint Communications System Hệ thống liên lạc đa điểm 6 LỜI CẢM ƠN Trước hết em xin gửi tới thầy giáo, Tiến sĩ Ngô Thái Trị - Giám đốc Trung tâm tin học và đo lường - Đài Truyền hình Việt Nam - lời cảm ơn chân thành và sâu sắc đã trực tiếp hướng dẫn , chỉ bảo tận tình trong suốt quá trình em làm luận văn. Em cũng xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo trong Trường Đại học Công Nghệ - Đại học Quốc Gia Hà Nội đã hết lòng dạy bảo, giúp đỡ em trong những năm học Đại Học, giúp em có những kiến thức và kinh nghiệm quý báu trong cuộc sống và tương lai. Cuối cùng, em xin cảm ơn những người thân trong gia đình và bạn bè đã giúp đỡ, động viên em hoàn thành luận văn này. Hà nội, tháng 05 năm 2005 Sinh viên Bùi xuân Hạnh 7 LỜI NÓI ĐẦU Ngày nay, các dịch vụ viễn thông rất phong phú và đa dạng, bao gồm các dịch vụ truyền thống đã tồn tại trong thời gian dài và các dịch vụ mới được phát triển trong thời gian gần đây. Tiền đề của nó chính là sự phát triển của công nghệ điện tử và công nghệ mạng. Cụ thể hơn, chúng ta có thể nói rằng sự đa dạng của các dịch vụ viễn thông bắt nguồn từ sự phát triển của các công nghệ liên quan như truyền dẫn, xử lý tín hiệu, chuyển mạch và công nghệ phần mềm … Mạng điện thoại truyền thống PSTN đã trở nên quen thuộc và ngày càng có vị trí quan trọng trong đời sống con người, nhất là trong cuộc sống hiện đại, khi mà vấn đề liên lạc của con người trở nên cần thiết hơn bao giờ hết. Tuy nhiên, mạng viễn thông cho đến tận bây giờ vẫn hầu hết sử dụng kỹ thuật chuyển mạch kênh, trong đó sẽ cung cấp cho mỗi cuộc gọi một đường kết nối vật lý 64kbps riêng biệt từ người gọi đến người bị gọi. Theo đó thì chất lượng thoại qua phương thức này rất tốt và gần như trở thành một tiêu chuẩn cho các dịch vụ thoại. Tuy nhiên, 64kbps là một dung lượng khá lớn để truyền một dải tần giới hạn dưới 3,4 KHz. Nhất là trong thời đại ngày nay khi mà lượng thông tin cần luân chuyển trên mạng ngày càng nhiều. Công nghệ VOIP (Voice Over Internet Protocol) là một công nghệ truyền thoại hoàn toàn khác với phương thức truyền thống. VOIP thực hiện việc lấy mẫu tín hiệu thoại, số hoá và đóng gói chúng thành các gói tin và truyền qua Internet sử dụng công nghệ chuyển mạch gói, cùng với các công nghệ nén tiếng nói tốc độ thấp sẽ giúp việc khai thác mạng viễn thông một cách hiệu quả hơn nhiều so với phương pháp truyền thống và cho phép có thể mở rộng nhiều dịch vụ tiên tiến trong tương lai mà rất hạn chế với mạng điện thoại truyền thống. Tuy nhiên, VOIP cũng đặt ra nhiều thách thức cho các nhà thiết kế hệ thống để có thể cung cấp một chất lượng thoại có thể chấp nhận được hay thậm chí tương đương với điện thoại truyền thống. Chẳng hạn như vấn đề độ trễ hay tiếng vọng, những vấn đề ảnh hưởng trực tiếp đến cảm giác âm thanh. Trước 8 điều kiện đó, việc nghiên cứu tìm hiểu về VOIP là một điều hết sức cần thiết. Luận văn này sẽ cung cấp một cái nhìn tổng quan về VOIP, về khái niệm, cấu hình, các chuẩn trong VOIP, những yếu tố ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng thoại. VOIP là một công nghệ tuy đã được nghiên cứu nhiều nhưng nói chung nó vẫn còn là một công nghệ mới và còn nhiều điều cần nghiên cứu nên việc hiểu một cách chi tiết và sâu hơn không thể gói gọn trong một luận văn. Hơn nữa, thời gian làm luận văn không nhiều nên trong nghiên cứu và trình bày chắc chắn không tránh khỏi sai sót. Rất mong được sự đóng góp ý kiến của các thầy cô giáo, bạn bè, những người có cùng quan tâm về VOIP. 9 CHƯƠNG 1 GIAO THỨC TCP/IP Trong những năm gần đây, lưu lượng thoại phát triển tương đối ổn định trong khi lưu lượng số liệu phát triển hết sức mạnh mẽ. Mạng thoại phát triển tốt song nó chỉ đáp ứng được ứng dụng cơ bản là truyền thoại và một số ứng dụng dữ liệu dùng một lượng băng thông nhỏ tương ứng. Trong khi đó các mạng dữ liệu (Internet, PN, VPN...) đáp ứng được nhiều ứng dụng số liệu và đã thu hút được số lượng người dùng lớn. Điều này có nghĩa là phần lớn lưu lượng thoại sẽ được truyền qua mạng chuyển mạch gói trong thời gian không xa. Điện thoại qua Internet đã gây được sự chú ý mạnh mẽ nhất và có khả năng trở thành nền tảng cho mạng thoại dùng công nghệ chuyển mạch gói. Mặt khác, về phương diện công nghệ, mạng dữ liệu không ngừng phát triển để đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của người dùng như: luôn phải phát triển công nghệ mới để truyền dữ liệu tốc độ cao hơn, dung lượng lớn hơn ... Còn mạng thoại thì phát triển ổn định, cách thiết lập cuộc gọi không khác nhau nhiều so với cách đây vài thập niên. Từ những phân tích đó người ta đã đưa ra các giải pháp nhằm hợp nhất lưu lượng thoại và dữ liệu vào một cơ sở hạ tầng mạng đơn nhất, một trong các giải pháp đó là công nghệ VOIP (Voice over Internet Protocol).Truyền thông thoại được trợ giúp bởi các giao thức Internet gọi là VOIP. VOIP đã đặc biệt lôi cuốn người dùng bởi chúng có giá cả tương đối thấp. Thực tế, chất lượng chuyển tiếp đường dài điện thoại qua IP ngày một nâng lên, hiện nay đã trở thành một trong những bước tiến quan trọng để hội tụ những công nghệ truyền thông dữ liệu, video và âm thanh (voice). Chúng ta có thể nhìn nhận VOIP như là khả năng thiết lập các cuộc gọi điện thoại và gửi những bản fax (facsimiles) qua mạng dữ liệu IP cơ sở với chất lượng dịch vụ thích hợp và cước phí thấp hơn nhiều. Những nhà sản xuất thiết bị coi đây là một cơ hội để đổi mới và bổ sung cân đối với những nhà cung cấp dịch vụ Internet. Người sử dụng đang tìm kiếm các kiểu ứng dụng mới của sự hợp nhất âm thanh, dữ liệu.Truyền âm thanh thành công qua mạng chuyển mạch gói mang lại một cơ hội lớn, tuy nhiên việc thực thi VOIP cần nhiều yếu tố như: công nghệ, cơ sở hạ tầng, phần mềm, hệ thống... Trong cuốn tài liệu nhỏ này chủ yếu đề cập tới các vấn đề tổng quan của công nghệ VOIP qua các tiêu chuẩn hiện đang được khuyến nghị sử dụng rộng rãi trên thế giới. 10 TCP/IP (Transmission Control Protocol/Internet Proctocol) là một bộ giao thức cho phép các thiết bị khác nhau có thể truyền thông được với nhau trên mạng máy tính. TCP/IP được phát triển như một dự án nghiên cứu bắt đầu vào năm 1969 của ARPA (Advanced Research Project Agency) thuộc Bộ quốc phòng Mỹ nhằm kết nối các máy tính của các trung tâm nghiên cứu lớn trong toàn liên bang, đánh dấu sự phát triển của mạng ARPA, tiền thân của mạng thông tin toàn cầu Internet ngày nay. 1.1. MỘT SỐ KHÁI NIỆM CỦA MẠNG TCP/IP. Các thành phần logic của mạng TCP/IP có thể rất giống nhau về mặt cấu trúc cũng như mặt cấu tạo vật lý, nhưng chúng lại thực hiện các chức năng hoàn toàn khác nhau. ™ Các trạm ( host ). Với TCP/IP, thuật ngữ trạm để chỉ bất kì các thiết bị tính toán nào kết nối vào hệ thống mạng máy tính và truyền thông sử dụng họ giao thức TCP/IP. Trạm sử dụng các chương trình ứng dụng cho phép chúng có thể truyền thông được với nhau. Một trạm có thể là một máy tính lớn (mainframe), máy vi tính (microcomputer) hay một máy vi tính cá nhân (personal computer) … ™ Mạng (Network). Các host được kết nối với nhau qua các liên kết vật lý tạo thành một mạng, mạng là tập hợp của hai hay nhiều máy tính kết nối với nhau sử dụng một cấu hình nhất định. Kiến trúc TCP/IP là độc lập với các mạng, nghĩa là nó cho phép các mạng bất kì có thể được kết nối thành viên (internetwork) miễn sao chúng sử dụng họ giao thức TCP/IP. ™ Các bộ định tuyến (Routers). Router là một thiết bị cung cấp khả năng kết nối của một số lượng lớn các mạng riêng biệt tạo nên mạng TCP/IP. Chức năng chính của router là định tuyến các dòng lưu lượng khi chúng đến theo các con đường khả dụng tại thời điểm định tuyến từ mạng vật lý này sang mạng vật lý khác. Các đơn vị dữ liệu là các gói tin trong TCP/IP, chúng độc lập với nhau và có thể được router định tuyến theo các con đường khác nhau trước khi chúng đến cùng một đích. Chức năng định tuyến có thể được thực hiện bằng phần mềm định tuyến được cài đặt trên một host hay có thể được hoạt động như một thiết bị đặc biệt cung cấp khả năng định tuyến, trong đó cách thứ hai thường được sử dụng trong các mạng TCP/IP lớn. 11 1.2. CÁC THÀNH PHẦN VẬT LÝ CỦA MẠNG TCP/IP Mạng TCP/IP được xây dựng trên cơ sở các mạng vật lý riêng biệt nhau có thể cùng hay khác cấu hình, miễn sao chúng tuân thủ một cách nghiêm ngặt các định nghĩa trong họ giao thức TCP/IP. Các thiết bị trong mạng TCP/IP được phân thành các nhóm sau: 1.2.1. Các thiết bị tính toán (Computing Devices) Mạng TCP/IP nhìn chung, bao gồm các thiết bị tính toán đa mục đích, chẳng hạn như các máy tính cá nhân PC, các trạm làm việc (work station) có thể cùng loại hay khác loại. Các thiết bị cho mục đích đặc biệt, chẳng hạn như máy in thông minh, có thể được kết nối trực tiếp vào mạng mà thông thường được gắn vào một hệ thống máy tính của mạng. Các thiết bị tính toán được sử dụng cho người dùng cuối, trên đó chạy các chương trình ứng dụng giúp cho người sử dụng cuối khai thác mạng gọi là host. 1.2.2. Đường truyền Đường truyền có thể là vô tuyến hoặc hữu tuyến, bao gồm các phương tiện truyền dẫn tín hiệu như: hệ thống cáp (cáp xoắn, cáp đồng trục, cáp quang …), các đường truyền vô tuyến như hồng ngoại, sóng viba, các tuyến thông tin vệ tinh. 1.2.3. Các bộ giao tiếp mạng (NIC - Network Interface Card) Đôi khi còn gọi là card mạng hay bộ thích ứng mạng (adapter) được cắm vào mỗi trạm của mạng. Nhiệm vụ của NIC là thực hiện các chức năng phần cứng của thiết bị tính toán. Nó làm nhiệm vụ của tầng vật lý, tạo các liên kết vật lý để truyền tải các luồng thông tin được yêu cầu từ các lớp cao hơn sau khi đã mã hoá thành các xung điện. Mỗi NIC có một địa chỉ vật lý duy nhất trên mạng, các nhà sản xuất NIC được phân bổ các dãy địa chỉ dành cho mình để đảm bảo không có sự trùng lặp địa chỉ của hai NIC bất kì. Một số thiết bị tính toán có thể NIC được tích hợp, còn lại hầu hết đều cần bổ sung NIC khi cần kết nối các thiết bị vào mạng. Card giao tiếp