Tài liệu Xây dựng hệ thống hội nghị truyền hình chất lượng cao trên mạng ip

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ --------------------oOo--------------------- BÙI THANH QUANG XÂY DỰNG HỆ THỐNG HỘI NGHỊ TRUYỀN HÌNH CHẤT LƯỢNG CAO TRÊN MẠNG IP LUẬN VĂN THẠC SỸ Hà Nội - 2006 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ -------------oOo------------- Bùi Thanh Quang XÂY DỰNG HỆ THỐNG HỘI NGHỊ TRUYỀN HÌNH CHẤT LƯỢNG CAO TRÊN MẠNG IP Ngành: Công nghệ điện tử viễn thông Chuyên ngành: Kỹ thuật vô tuyến điện tử và thông tin liên lạc Mã số: 2.07.00 LUẬN VĂN THẠC SỸ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: GS. TSKH Huỳnh Hữu Tuệ Hà Nội - 2006 1 MỤC LỤC MỤC LỤC …………………………………………………………………………….1 DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT………………………………………4 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ ………………………………………….….6 LỜI NÓI ĐẦU…………………………………………………………………………8 CHƢƠNG 1: BỘ GIAO THỨC TRÊN MẠNG IP ……………………………….10 1.1 TCP/IP…………………………………………………………………………. .10 1.1.1. Giới thiệu về TCP/IP…………………………………………………......10 1.1.2. Giao thức IP…………………………………………………..………..… 11 1.1.3. Giao thức TCP…………………………………………………................16 1.1.4. Giao thức UDP…………………………………………………...............16 1.2. Giao thức khởi tạo phiên SIP………………………………………….....17 1.2.1. Các giao thức có trong SIP……………………………………………….17 1.2.2. Các phần tử có trong họ giao thức SIP…………………………………..19 1.2.3. Các bản tin SIP…………………………………………………................20 1.2.4. Tiến trình cuộc gọi………………………………………………...............22 1.3. Họ giao thức H.323…………………………………………………..........24 1.3.1. Giới thiệu…………………………………………………..........................24 1.3.2. Các giao thức có trong H.323……………………………………..............24 1.3.2.1. Audio Codec…………………………………………………..........25 1.3.2.2. Video Codec…………………………………………………..........25 1.3.2.3. H.225 Đăng ký, thu nhận và trạng thái RAS…………………......25 1.3.2.4. H.225 Báo hiệu cuộc gọi………………………………………......25 1.3.2.5.H.245 báo hiệu điều khiển …………………………………….......25 1.3.2.6. Giao thức truyền thời gian thực (RTP)……………………….......26 1.3.2.7. Giao thức điều khiển truyền thời gian thực (RTCP)………..........27 1.3.3. Các thành phần của mạng H.323…………………………………….......28 1.3.3.1. Các thiết bị đầu cuối…………………………………………….....28 1.3.3.2. Các gateway…………………………………………………..........29 1.3.3.3 Các gatekeeper………………………………………………….......29 1.3.3.4 Đơn vị điều khiển đa điểm (MCU)………………………………....30 1.4. So sánh giữa H.323 và SIP…………………………………………………......30 1.5. Các phƣơng pháp truyền video trên mạng IP………………………………..33 1.5.1. Naïve Unicas………………………………………………….................33 1.5.2. IP Multicas………………………………………………….....................33 1.5.3. Overlay Multicast…………………………………………………...........34 1.5.4. Phương pháp lai IP/Overlay Multicast……………………………….....35 1.6. Kết luận…………………………………………………....................................35 CHƢƠNG 2: CÁC KỸ THUẬT NÉN VÀ CHUẨN NÉN AUDIO ……...............36 2.1. Tổng Quan……………………………………………………………................36 2.2. Nguyên lý chung của bộ mã hoá CELP.………………………………............39 2.3. Nguyên lý mã hoá CS-ACELP………………………………………................41 2.3.1. Nguyên lý chung của bộ mã hoá………………………………...............41 2.3.2. Nguyên lý bộ mã hoá CS-ACELP……………………………….............42 2.3.3. Nguyên lý bộ giải mã CS-ACELP……………………………….............44 2 2.4. Chuẩn nén G.729A…………………………......................................... ............ 45 2.5. Chuẩn nén G.729B………………………………………………………...........46 2.6. Chuẩn nén G.723.1………………………………………………………..........48 2.6.1. Nguyên lý bộ mã hoá G.723.1……………………………………...........49 2.6.2. Nguyên lý bộ giải mã G.723.1………………………………...................50 2.7. Chuẩn nén GSM 06.10………………………………………………............. . 51 2.8. Kết luận………………………………………………………………............... 51 CHƢƠNG 3: CÁC KỸ THUẬT NÉN VÀ CHUẨN NÉN VIDEO.……………..... 52 3.1. Giới thiệu về nén video……………………………………………………….......... 52 3.2. Các phƣơng pháp nén video…………………………………………...............52 3.2.1. Phép biến đổi cosin rời rạc (DCT)………………………………............54 3.2.2. Mã hoá video dùng biến đổi DCT dựa vào khối.………….....................56 3.2.3. Lượng tử hoá…………………………………………………….............57 3.2.4. Mã hoá trong ảnh và mã hoá liên ảnh…………………….....................57 3.2.5. Ước lượng vectơ chuyển động.……………………………….................58 3.2.6. Mã hoá mẫu theo đường Zigzac………………………………...............59 3.2.7. Mã hoá theo chiêu dài thay đổi………………………………................60 3.2.8. Phương pháp mã hoá dựa vào phân đoạn……………………...............60 3.2.9. Mã hoá dựa vào mô hình.……………………………………….............62 3.2.10. Mã hoá băng con……………………………………………….............63 3.2.11. Mã hoá dựa vào vectơ quy ước.………………………………..............65 3.3. Các chuẩn nén video……………………………………………………............66 3.3.1. Chuẩn JPEG……………………………………………………..............67 3.3.1.1. Mã hoá và giải mã JPEG………………………………................ 67 3.3.1.2. Phân cấp cấu trúc số liệu video …………………… ................68 3.3.1.3. Đặc điểm của M-JPEG……………………………….................... 69 3.3.2. Chuẩn MPEG……………………………………………………....................70 3.3.2.1. Cấu trúc ảnh …………………………………………......................71 3.3.2.2 Nhóm ảnh (GOP)…………………………………………................71 3.3.2.3. Cấu trúc dòng bit MPEG video……………………………...........72 3.3.2.4. Nguyên lý nén MPEG………………………………………...........74 3.3.3. Chuẩn H.264 AVC……………………………………………………............76 3.3.3.1. Nguyên lý của bộ mã hoá và giải mã H.264…………….............76 3.3.3.2. Những đặc điểm nối bật của chuẩn H.264……………...............78 3.4. Kết luận………………………………………………………………………..............82 CHƢƠNG 4: CHẤT LƢỢNG DỊCH VỤ HỘI NGHỊ TRUYỀN HÌNH…............83 4.1. Những tham số cơ bản về chất lƣợng dịch vụ Hội nghị truyền hình. …….....83 4.1.1. Tổn thất gói tin…………………………………………………………….......83 4.1.2. Trễ và biến động trễ……………………………………………………….......84 4.2. Một số phƣơng pháp bảo đảm chất lƣợng dịch vụ hội nghị truyền hình…....86 4.2.1. Phương pháp ước đoán trễ tái tạo………………………………………......87 4.2.2. Điều chỉnh tốc độ mã hoá…………………………………………………....89 4.3. Phƣơng pháp đánh giá và cấu hình đo kiểm…………………………………......90 4.3.1. Đánh giá chất lượng tiếng nói và hình ảnh……………………………......90 4.3.2. Đánh giá độ trễ…………………………………………………………….......92 4.3.3. Kiểm tra giá trị dataloss.………………………………………………….......92 3 4.4. Kết luận…………………………………………………………………………….......93 CHƢƠNG 5: CÁC HỆ THỐNG HỘI NGHỊ TRUYỀN HÌNH HIỆN NAY….....94 5.1. Phân loại dựa trên công nghệ truyền dẫn, chuyển mạch. ………………….......94 5.2. Phân loại dựa vào số lƣợng ngƣời tham gia tại mỗi điểm hội nghị . ………....97 5.2.1. Hệ thống hội nghị truyền hình cá nhân (desktop system)…………….....97 5.2.2. Hệ thống hội nghị truyền hình bàn tròn (roll-about systems)……….......99 5.2.3. Hệ thống hội nghị truyền hình phòng họp (room systems). …………....100 5.3. Kết luận…………………………………………………………………………….....105 CHƢƠNG 6: XÂY DỰNG HỆ THỐNG GIAO BAN TRUYỀN HÌNH – TRUNG TÂM NHIỆT ĐỚI VIỆT – NGA………………………...106 6.1. Giới thiệu về Trung tâm Nhiệt đới Việt – Nga……………………………….....106 6.2. Xây dựng hệ thống giao ban xa…………………………………………………...108 6.2.1. Yêu cầu hệ thống…………………………………………………………….108 6.2.2. Giải pháp xây dựng hệ thống giao ban xa………………………………..108 6.2.2.1 Sơ đồ tổng thể hệ thống…………………………………………....110 6.2.2.2. Sơ đồ đấu nối mạng và luồng dữ liệu của hệ thống …………..113 6.2.2.3. Sơ đầu nối carrd trong hệ thống trung tâm …………………....117 6.2.3. Các chức năng điều khiển hệ thống hội nghị ……………………………120 6.2.4. Kiểm định chất lượng hệ thống…………………………………………….124 6.3. Kết luận……………………………………………………………………………….126 KẾT LUẬN……………………………………………………………………………..…127 TÀI LIỆU THAM KHẢO…………………………………………………………....…128 PHỤ LỤC I………………………………………………………………………………..130 PHỤ LUC II…………………………………………………………………………….... 131 8 LỜI NÓI ĐẦU Mấy năm trở lại đây báo chí và các phương tiện truyền thông đại chúng đã đề cập đến nhiều khái niệm mới như siêu lộ thông tin, mạng LAN, mạng WAN, Internet, đào tạo từ xa, khám bệnh từ xa. Tất cả những khái niệm ấy đều gắn kết với một loại hình dịch vụ mới đó là hội nghị truyền hình. Hội nghị truyền hình là loại hình dịch vụ multimedia tương tác trên các mạng ATM, ISDN, LAN, WAN, Internet v.v… Hệ thống hội nghị truyền hình cho phép trao đổi thông tin giữa một khách hàng với một khách hàng, giữa một khách hàng với một nhóm khách hàng, hoặc giữa một nhóm khách hàng này với một nhóm khách hàng khác, thông tin trao đổi không chỉ là văn bản mà còn kết hợp cả hình ảnh và âm thanh (tiếng nói) theo thời gian thực. Trước đây việc giảm chi phí đi lại là động lực kích thích chủ yếu để các công ty sử dụng hệ thống hội nghị truyền hình (HNTH), tuy nhiên đến nay người ta đã nhận thấy hệ thống hội nghị truyền hình (HNTH) là một hệ thống có tính chiến lược làm tăng sức mạnh cạnh tranh cho công ty, là yếu tố sống còn để phát triển bền vững trong xã hội thông tin. Vì thế Hội nghị truyền hình ngày càng được ứng dụng rộng rãi trong kinh doanh, trong nghiên cứu khoa học, quân sự, y tế và giáo dục. Với tính hữu dụng của HNTH đến nay nó đã trở thành một nhu cầu thiết yếu của cuộc sống, không chỉ riêng các chính phủ, các tổ chức, công ty sử dụng mà nó đã trở thành nhu cầu phổ biến của cá nhân và gia đình. Công nghệ về phần mềm cũng như truyền dẫn trong các hệ thống HNTH hiện nay cần băng thông rất lớn mới đảm bảo chất lượng. Vì vậy HNTH mới triển khai được trên các mạng ATM và ISDN và thường phải thuê kênh riêng như trong lĩnh vực y tế nên giá thành chi phí cho hệ thống HNTH là rất cao. Còn các hệ thống HNTH trên Internet hiện nay do băng thông hạn chế nên mới chỉ đáp ứng dịch vụ với chất lượng thấp. Để đảm bảo chất lượng cao cho HNTH trên mạng IP cần phải giải quyết rất nhiều khó khăn như giao thức truyền theo thời gian thực, truyền video với băng thông nhỏ, tránh tắc nghẽn khi hệ thống có số lượng lớn v.v…Tuy nhiên khi hệ thống sử dụng trên mạng IP sẽ có chi phí thấp, thân thiện với người sử dụng, phù hợp với xu thế phát triển của mạng viễn thông là khai thác mạng và dịch vụ sử dụng IP làm nền tảng truyền dẫn cho các loại dịch vụ trong tương lai. Kết hợp với những thành tựu về công nghệ nén video cũng như sự phát triển vượt bậc về công nghệ phần cứng có thể giải 9 quyết được những khó khăn trên. Từ đó đưa ra đề xuất “Xây dựng hệ thống hội nghị truyền hình chất lượng cao trên mạng IP”. Nhằm giải quyết những vấn đề khó khăn khi thực hiện xây dựng hệ thống hội nghị truyền hình trên mạng IP. Luận văn được chia thành 6 chương. Chương 1. Trình bày về các giao thức trên mạng IP, phương thức truyền tải trên mạng IP Chương 2. Trình bày về các kỹ thuật nén âm thanh Chương 3. Trình bày về các kỹ thuật nén video Chương 4. Trình bày về QoS, và các phương pháp đảm bảo QoS cho hội nghị truyền hình trên mạng IP. Chương 5. Trình bày về Các hệ thống hội nghị truyền hình hiện nay Chương 6. Xây dựng hệ thống hội nghị truyền hình – Trung tâm nhiệt đới Việt - Nga. Phụ lục Kết quả đo kiểm hệ thống giao ban truyền hình 10 CHƢƠNG1. BỘ GIAO THỨC TRÊN MẠNG IP Mạng IP là mạng chuyển mạch gói hoạt động dựa trên bộ giao thức TCP/IP. Mạng Internet hiện tại đang sử dụng bộ giao thức này và nó được coi là nền tảng cho việc xây dựng một mạng truyền thông tích hợp cho cả thoại và dữ liệu. Ngoài ra để đảm bảo việc cung cấp dịch vụ multimedia trên mạng IP còn dựa trên họ giao thức H323 của ITU và SIP của IETF (Internet Engineering Task Force). H323 của ITU được thiết kế để chạy trên mọi mạng chuyển mạch gói nên không tối ưu cho mạng IP. Giao thức SIP được IETF phát triển để sử dụng cho riêng mạng IP. Do sự tích hợp hoàn toàn với họ giao thức IP nên nó có một số ưu thế so với H323 khi chạy trên IP. 1.1. TCP/IP 1.1.1. Giới thiệu về TCP/IP Họ giao thức TCP/IP được phát triển từ những năm 1970 bởi hai tác giả Vint Cerf và Robert Kahn, ban đầu cùng tồn tại với giao thức NCP (Network Control Protocol) nhưng tới năm 1983 thì TCP/IP đã thay thế hoàn toàn giao thức NCP. TCP/IP là sự kết hợp của hai giao thức điều khiển truyền TCP (Transmission Control Protocol) và giao thức Internet (Internet Protocol). TCP/IP là những cơ chế truyền thông dữ liệu chủ yếu mà nhờ đó Internet phát triển nhanh chóng. Tuy nhiên trong thực tế, TCP/IP không đơn thuần chỉ là sự kết hợp của hai giao thức trên mà nó còn bao hàm tất cả các giao thức họ TCP/IP – là một hệ thống các phần mềm cung cấp dịch vụ trên mạng . Có một số ưu điểm của TCP/IP như sau: Giao thức chuẩn mở không giới hạn và sẵn sàng phát triển độc lập với phần cứng và hệ điều hành. Do nó được hỗ trợ bởi nhiều nhà cung cấp. TCP/IP lý tưởng cho việc hợp nhất phần cứng và phần mềm khác nhau, ngay cả khi truyền thông trên Internet. Sự độc lập rành mạch với phần cứng vật lý của mạng cho phép TCP/IP hợp nhất các mạng khác nhau. TCP/IP có thể chạy trên mạng Ethernet, mạng Token ring, mạng quay số (Dial-up line), mạng X.25 mạng ảo và trên mọi môi trường vật lý truyền thông. Một sơ đồ địa chỉ dùng chung cho phép mỗi thiết bị TCP/IP có duy nhất một địa chỉ trên mạng ngay cả khi đó là mạng toàn cầu Internet. Hỗ trợ mô hình client-server, mô hình mạng bình đẳng, hỗ trợ kỹ thuật dẫn đường động. 11 Kiến trúc của TCP/IP: Kiến trúc phân tầng của TCP/IP cũng tuân theo nguyên tắc phân tầng của mô hình tham chiếu OSI. TCP/IP được phân ra thành 4 tầng tương ứng với mô hình OSI như sau: Các ứng dụng và dịch vụ Lớp ứng dụng Lớp trình bày Lớp phiên TCP UDP Lớp truyền tải IP Lớp mạng Lớp 1 và 2 Lớp 1 và 2 Hình 1.1 So sánh giữa TCP/IP và mô hình OSI Từ hình 1.1 ta thấy: mẫu TCP/IP kết hợp cả hai lớp vật lý và liên kết dữ liệu trong OSI thành một lớp riêng: lớp truy nhập mạng (Network Access), các chức năng của lớp mạng OSI nói chung được thực hiện trong lớp Internet TCP/IP. Chức năng của cả hai lớp Transport ở OSI và TCP/IP nói chung là tương tự nhau, chúng đều cung cấp sự liên lạc end-to-end đáng tin cậy qua các mạng khác nhau. Trong kiến trúc TCP/IP, các nhà thiết kế đã đưa thêm vào giao thức gói dữ liệu người sử dụng UDP. Ba lớp: Application, Presentation, Session của lớp OSI được kết hợp thành lớp Application trong TCP/IP. Điều này cho phép tạo ra lớp Application TCP/IP khá rộng trong ứng dụng thực tế. 1.1.2. Giao thức IP Giao thức IP (Internet Protocol) là một giao thức rất quan trọng quản lý việc chuyển các gói dữ liệu trên mạng, nó đảm bảo một gói dữ liệu được chuyển đến đích. Nhiệm vụ chính của giao thức IP là đánh địa chỉ các gói dữ liệu của thông tin giữa các đầu cuối và quản lý quá trình xử lý các gói dữ liệu này. Giao thức IP có một định nghĩa hình thức về cách bố trí các gói dữ liệu và phần khuôn dạng của phần Header chứa đựng các thông tin về gói dữ liệu đó. IP đảm nhiệm việc định đường truyền để xác định gói dữ liệu phải đi đến đâu và có khả năng điều chỉnh đường truyền trong trường hợp có trục trặc. Một mục đích rất quan trọng nữa của IP là làm việc với việc phân phối không tin cậy gói dữ liệu. Sự không tin cậy trong trường hợp này có nghĩa 12 là việc phân phối gói dữ liệu không được bảo đảm, có thể là do trễ trên đường truyền, mất đường truyền, bị sai hỏng trong quá trình phân chia hoặc lắp ráp các mảnh của thông báo. Nếu giao thức IP không có chức năng điều khiển truyền dữ liệu đáng tin cậy thì không thể nào đảm bảo được gói dữ liệu truyền đến nơi nhận một cách chính xác. IP không có phần kiểm tra Checksum cho nội dung dữ liệu mà chỉ có Checksum cho phần thông tin header. Việc kiểm tra và điều khiển truyền được mô hình lớp đảm nhiệm. Một phần của IP định nghĩa các Gateway quản lý các gói dữ liệu như thế nào, khi nào tạo các thông báo lỗi và làm thế nào để giải quyết các vấn đề nảy sinh. User progr am User progr am User progr am TCP ICMP User progr am Ứng dung UDP IP Truyền tải IGMP Mạng A RR R Netwo rk devic e ARP Giao diện mạng Physica l Media Hình 1.2 kiến trúc giao thức TCP/IP Giao thức IP cho phép một gói dữ liệu có kích thước tối đa 65535 bytes, kích thước này là quá lớn để các mạng có thể xử lý được, vì vậy phải có quá trình phân mảnh và lắp ráp lại thông tin (Fragmentation & Reasembly Process): phân mảnh để truyền đi và lắp ráp lại ở nơi nhận. IP có khả năng tách các gói dữ liệu lớn thành các gói dữ liệu nhỏ hơn nếu cần thiết. Khi một gói dữ liệu đầu tiên được tách ra từ một thông báo lớn đến được đích thì bộ đếm thời gian cho việc sắp xếp các gói dữ liệu 13 thành thông báo ban đầu được khởi động tại lớp IP của máy nhận. Nếu bộ đếm thời gian này đã đạt được đến giá trị định trước mà vẫn chưa nhận hết các gói dữ liệu cần thiết thì tất cả các gói dữ liệu đã nhận sẽ bị huỷ toàn bộ. Nhờ những thông tin trong phần header của IP mà máy nhận có thể biết được thứ tự của các gói được sắp xếp ra sao. Một hậu quả của quá trình phân mảnh thông tin là các gói bị phân mảnh đến chậm hơn một thông báo không bị phân mảnh, vì vậy phần lớn các ứng dụng thường tránh kỹ thuật phân mảnh thông tin nếu có thể (đây là một đặc điểm rất quan trọng cho việc ứng dụng IP trong ATM: do việc truyền thông tin trong ATM thực chất là truyền các tế bào có kích thước rất nhỏ). IP là giao thức phi kết nối (Connectionless), nghĩa là nó không quan tâm đến việc gói dữ liệu được chuyển qua nút nào trên đường truyền, thậm chí nó cũng không quan tâm đến cả các máy gửi hoặc nhận các gói dữ liệu. Các thông tin này đã được chứa trong phần header, do đó quá trình phân tích và chuyển gói dữ liệu không phải phân tích địa chỉ IP của nơi gửi và địa chỉ của nơi nhận. Phiên bản 4 của IP (IPv4) quản lý việc đánh địa chỉ gói dữ liệu bằng địa chỉ Internet 32 bit, mặc dù giao thức giao vận dùng địa chỉ 8 bit. Phiên bản 6 của IP (IPv6) có thể quản lý các header lớn hơn nhiều, trong đó kích thước địa chỉ tăng lên 128 bit. Đơn vị dữ liệu được dùng trong giao thức IP là Internet Datagram hay IP Datagram hoặc Datagram. Một Datagram chia làm hai phần cơ bản: header và phần chứa dữ liệu cần truyền (data). Datagram header Datagram Data Dạng gói Ipv4 (Ip version 4) cơ sở: Version Internet Header length Identification TTL (Time-To-Live) Length Type of service 20bytes Flag Protocol Fragment offset Header Checksum Source IP address Destination IP address Options Data Hình 1.3: Trình bày gói dữ liệu IPv4 head er 14 Phần Header ( 20 bytes) bao gồm: + Version : 4 bit, chứa số hiệu phiên bản của IP. + Internet Header Length (IHL): chiều dài tổng cộng của header IPv4. + Type of service (TOS): dùng để chỉ rõ mức dịch vụ mà gói dữ liệu IP này cần được trao (8 bit). + Total length: chiều dài tổng cộng của gói dữ liệu IP kể cả phần header, đơn vị tính là byte (16 bit). + Flag: dùng điều khiển sự phân đoạn (3 bit). + Identification: giá trị được ấn định bởi nơi gửi IP của một IP để trợ giúp việc lắp ráp lại các gói bị phân đoạn, nó cùng các trường Source IP address và Destination IP address để định danh duy nhất một IP khi nó ở trên mạng (16 bit). + Fragment offset: cho biết vị trí của đoạn (sau khi datagram đã bị phân đoạn) trong một datagram, đơn vị tính là 64 bit, (8 byte). + Time-to-live: thời gian tồn tại trên mạng của datagram, tránh trường hợp nó tồn tại quá lâu trên mạng gây tắc nghẽn, đơn vị tính là giây (8bit). + Protocol: cho biết giao thức tầng trên kế tiếp sẽ nhận dữ liệu ở trạm đích, giao thức tầng trên của IP thường là TCP hay UDP, (8bit). + Header Checksum: chiếm 16 bit, đây là mã kiểm soát lỗi 16 bit theo phương pháp CRC (Cyclic Redundance Code) cho vùng header để phát hiện các lỗi của Datagram, ví dụ như: truyền không đúng địa chỉ. + Source IP address và Destination IP address: cho biết địa chỉ nơi gửi và nơi nhận Datagram, mỗi trường 32 bit trong một liên mạng, địa chỉ giữa trạm nguồn và trạm đích là duy nhất. + Options: trường này có thể không có, dùng để khai báo các option mà người sử dụng yêu cầu, chiều dài của nó phụ thuộc vào chính các option được lựa chọn. + Data: vùng chứa dữ liệu của datagram, kích thước của vùng này thay đổi phụ thuộc vào lượng dữ liệu được chứa trong datagram. Kích thước tối đa của trường này là 65535 bytes và có giá trị là bội số của 8. * Sự phân mảnh IP (IP Fragmentation): Trong khi truyền qua một internetwork thì nột gói dữ liệu IP có thể bị phân mảnh. Sự phân mảnh có thể xảy ra ở hai nơi: 15 + Host nguồn: khi IP nhận yêu cầu chuyển một gói dữ liệu tới một Host đích, nó sẽ kiểm tra gói, nếu tổng số dữ liệu của gói lớn hơn một đơn vị truyền lớn nhất (Maximum Transmission Unit: MTU – kích thước lớn nhất của gói trên mạng) thì gói dữ liệu đó được phân mảnh thành một số gói dữ liệu nhỏ hơn. + Trong bộ định đường (Router): nếu router được kết nối với mạng mang kích thước gói khác nhau thì sự khởi tạo phân mảnh gói có thể được khởi tạo. Nếu router nhận được một gói dữ liệu IP lớn để định đường vào mạng mà mạng đó không được các gói dữ liệu lớn như vậy thì router phải chia gói thành một số gói dữ liệu IP riêng biệt nhỏ hơn để truyền. Mặt khác, tại router hay xảy ra tắc nghẽn nên không đảm bảo được QoS . Sau khi bị phân mảnh, các gói dữ liệu này sẽ không được ráp lại cho tới khi nó tới được host đích, mặt khác nó lại tạo ra các gói dữ liệu phụ nên lại phải có các quá trình xử lý phụ làm giảm tính năng của mạng. Hơn nữa, do giao thức IP là không tin cậy nên nếu một mảnh bị mất thì gói dữ liệu ban đầu sẽ không được khôi phục và phải truyền lại. Đây là một khuyết điểm lớn nhất của IP, và cũng do khuyết điểm này nên IP không hỗ trợ được cho QoS. * Quá trình gửi và nhận một datagram: + Đối với IP ở trạm nguồn, khi nhận được một hàm Primitive Send (hàm nguyên thủy yêu cầu gửi dữ liệu) của tầng trên, nó sẽ : - Tạo một datagram dựa trên các tham số của Primitive Send. - Tính checksum và ghép vào phần header của datagram. - Ra quyết định chọn đường. - Chuyển datagram xuống tầng dưới để truyền qua mạng. + Khi một gateway nhận được một datagram, nó sẽ: - Tính checksum, nếu không có lợi thì sẽ loại bỏ datagram. - Giảm thời gian sống (TTL) của datagram, nếu TTL hết thì loại bỏ datagram. - Ra quyết định chọn đường (Nếu thấy cần thiết thì phân mảnh gói). - Sửa đổi header. - Chuyển gói xuống tầng dưới để truyền qua mạng. + Khi nhận được datagram, IP ở trạm đích sẽ thực hiện: 16 - Tính checksum, nếu không có lợi thì loại bỏ gói. - Tập hợp các đoạn nếu gói đã bị phân đoạn. - Chuyển dữ liệu và các tham số lên tầng trên. 1.1.3. Giao thức TCP TCP là một giao thức kiểu “có liên kết” nghĩa là cần phải thiết lập liên kết giữa một cặp thực tế TCP trước khi chúng trao đổi dữ liệu với nhau. Đơn vị dữ liệu sử dụng trong TCP được gọi là segment (đoạn dữ liệu), có khuôn dạng mô tả trong hình 1.4 Bit 0 15 16 Source Port 31 Destination Port Sequence Number Acknowledgment Header information Checksum Option Window size Urgent Pointer Padding TCP data Hình 1.4 Khuôn dạng của TCP segment Một tiến trình ứng dụng trong một host truy nhập vào các dịch vụ do TCP cung cấp thông qua một cổng (port). Một cổng kết hợp với một địa chỉ IP tạo thành một socket duy nhất trong liên mạng. Dịch vụ TCP được cung cấp nhờ một liên kết logic giữa một cặp socket. Một socket có thể tham gia nhiều liên kết với các socket ở xa khác nhau. Trước khi truyền dữ liệu giữa 2 trạm cần phải thiết lập một liên kết TCP giữa chúng và khi không còn nhu cầu truyền dữ liệu thì liên kết đó sẽ được giải phóng. Cũng giống như các giao thức khác, các thực thể ở tầng trên sử dụng TCP thông qua các hàm dịch vụ nguyên thuỷ, hay còn gọi là các lời gọi hàm (function calls). 1.1.4. Giao thức UDP UDP (User Datagram Protocol) là giao thức “không liên kết” được sử dụng thay thế cho TCP ở trên IP theo yêu cầu của ứng dụng. Khác với TCP, UDP không có các chức năng thiết lập và giải phóng liên kết, tương tự như IP. Nó cũng không có các cơ chế báo nhận (acknowledgment), không sắp xếp tuần tự các đơn vị dữ liệu (datagram) đến và có thể gây ra tình trạng mất hoặc trùng dữ liệu mà không hề có thông báo lỗi cho người gửi đi. Tóm lại là nó cung cấp các dịch vụ truyền tải không tin cậy như trong TCP. 17 UDP cũng cung cấp các số hiệu và quản lý các số hiệu cổng (port number) để định danh duy nhất cho các ứng dụng chạy trên một trạm của mạng. Do ít chức năng phức tạp nên UDP có xu hướng hoạt động nhanh hơn so với TCP. Nó thường được dùng cho các ứng dụng không đòi hỏi độ tin cậy cao trong truyền dẫn và trong các ứng dụng thời gian thực. Khuôn dạng của UDP datagram được mô tả trong hình 1.5, với các vùng tham số đơn giản hơn nhiều so với TCP segment.[1], [2] Bit 0 15 16 Source Message length 31 Destination port Checksum DATA Hình 1.5 Khuôn dạng của UDP datagram 1.2. Giao thức khởi tạo phiên – SIP SIP là một giao thức báo hiệu - điều khiển lớp ứng dụng được sử dụng để thiết lập, duy trì và kết thúc các phiên truyền dẫn multimedia. Các phiên multimedia bao gồm thoại Internet, hội nghị và các ứng dụng tương tự có các phương tiện truyền đạt như audio, video và dữ liệu. SIP hỗ trợ cho các phiên unicast và multicast cũng như các cuộc gọi điểm điểm và đa điểm. SIP được IETF (Internet Engineering Task Force) đưa ra trong RFC 2543, là một phần trong kiến trúc multimedia của IETF. Các giao thức có liên quan đến SIP bao gồm RSVP (Resource Reservation Protocol), RTP (Real-time Transport Protocol), SAP (Session Announcement Protocol) và SDP (Session Description Protocol). Tuy nhiên chức năng của SIP được thiết kế độc lập, nên nó không phụ thuộc vào bất cứ giao thức nào ở trên. Một điều quan trọng khác là SIP có thể hoạt động cùng với các giao thức báo hiệu khác như H.323. SIP là một giao thức theo thiết kế mở rộng, do đó nó có thể được mở rộng để phát triển thêm các chức năng mới. Sự linh hoạt của bản tin SIP cũng cho phép các đáp ứng các dịch vụ thoại tiên tiến, bao gồm cả dịch vụ di động. 1.2.1. Các giao thức có trong SIP Kiến trúc giao thức của SIP được mô tả trong hình 1.6 18 SIP có thể so sánh với H.225 (RAS), và các bản tin Q.931. Giao thức mô tả phiên (Session Description Protocol - SDP) có thể so sánh với H245 (đóng mở kênh và xử lý khả năng của thiết bị đầu cuối). Các mô tả của phiên có một danh sách các khuôn dạng để chứa thông tin về phiên. SIP sử dụng mô hình khách/chủ giống như HTTP (xem hình 1.7). Nó được dùng cùng với các giao thức khác như SDP, RTP và RSVP. SIP có thể thiết lập các liên kết thông qua TCP hoặc UDP. Audio & Video Codec H.323 RTSP SIP/SDP RTSP TCP RTP RSVP UDP IP v4, IP v6 Hình 1.6. Kiến trúc giao thức SIP Client Network SIP Server TCP Connection Set-up SDP SIP SIP Request/Response UDP TCP IP Link Layer TCP Connection close Hình 1.7. Mô hình khách/chủ sử dụng TCP, (b) Chồng giao thức sử dụng UDP/TCP 19 SIP hạn chế sự can thiệp vào các giao thức mạng bên dưới và việc truyền dữ liệu của các giao thức đó. Lớp dưới của SIP có thể cung cấp dữ liệu gói hay dịch vụ dòng byte với dịch vụ có thể tin cậy hoặc không. Trong phạm vi Internet, SIP có thể sử dụng cả giao thức truyền TCP và UDP. 1.2.2. Các phần tử có trong họ giao thức SIP Một hệ thống SIP có hai phần tử là user agent và network server. Bên chủ gọi và bị gọi được nhận dạng bằng các địa chỉ SIP. Các thực thể chính của SIP là User agent, SIP Proxy Server, SIP Redicrect Server và Registrar. User agent là các ứng dụng khách có chứa cả UAC (user agent client) và UAS (user –agent server), hay còn được gọi tương ứng là client và server:  Client (UAC) - khởi tạo các yêu cầu SIP và đóng vai trò bên chủ gọi.  Server (UAS) - nhận các yêu cầu và thay mặt người dùng gửi trả các đáp ứng, đóng vai trò bên bị gọi. User Agent thông tin tới các User Agent một cách trực tiếp hay qua một server trung gian. User Agent cũng lưu trữ và quản lý các trạng thái cuộc gọi. User Agent trong phạm vi của mạng và cũng giữ lại các thông tin cho mục đích thanh toán và tính cước. Proxy server chứa các chức năng của cả client và server. Một proxy server thông dịch và viết lại các tiêu đề của các bản tin yêu cầu trước khi gửi chúng tới các server khác. Việc viết lại các tiêu đề để chỉ ra rằng proxy là người khởi tạo yêu cầu để đảm bảo rằng các đáp ứng cũng quay lại theo cùng một đường tới proxy thay vì đến thẳng client. Redirect server nhận các yêu cầu SIP và gửi một đáp ứng định tuyến có chứa địa chỉ của server tiếp theo cho client. Các redirect server không chấp nhận các cuộc gọi, cũng như không xử lý hoặc chuyển tiếp các yêu cầu SIP. Tính linh hoạt cao của SIP cho phép các server liên hệ với các server bên ngoài để xác định người sử dụng và cách định tuyến. Thêm vào đó để duy trì sự thay đổi linh hoạt, các server của SIP có thể duy trì trạng thái thông tin hoặc gửi tiếp yêu cầu quảng bá. 20 SIP Registrar nhận các bản tin đăng ký (registration) do User Agent gửi tới và Registrar có thể là tên người dùng hoặc là số điện thoại, và phần host có thể là tên miền hoặc địa chỉ mạng. Ví dụ: sip:[email protected] sip:[email protected] 1.2.3. Các bản tin SIP Có hai loại bản tin SIP: Yêu cầu của phía client và đáp ứng từ phía server. Mỗi bản tin chứa một tiêu đề mô tả chi tiết việc truyền thông. Cú pháp của bản tin cũng như của các trường tiêu đề tương tự như của giao thức HTTP. Các bản tin SIP được gửi trên các kết nối TCP hoặc UDP. Tiêu đề bản tin SIP được dùng để chỉ rõ chủ gọi, bị gọi, tuyến và loại bản tin trong một cuộc gọi. SIP có bốn nhóm tiêu đề như sau: - Tiêu đề tổng quát- Áp dụng cho các yêu cầu và đáp ứng. - Tiêu đề thực thể - Chứa các thông tin về loại và chiều dài của phần mang bản tin. - Tiêu đề yêu cầu – Cho phép phía client thêm vào các thông tin yêu cầu phụ - Tiêu đề đáp ứng – Cho phép phía chủ gọi thêm vào các thông tin đáp ứng phụ. * Bản tin yêu cầu: Các bản tin yêu cầu được user-agent và network-server sử dụng để định vị, bắt đầu và quản lý các cuộc gọi. Có 6 bản tin yêu cầu: INVITE – Trong các bản tin mời (INVITE) của SIP có chứa các thông tin mô tả phiên truyền dẫn. Bản tin này chỉ thị rằng người dùng hoặc dịch vụ được mời tham dự vào một phiên. Nó bao gồm một mô tả phiên, và đối với các cuộc gọi song công, bên chủ gọi chỉ thị loại thông tin (audio, video, data…). Đáp ứng thành công cho bản tin INVITE song công (đáp ứng 200 OK) chứa loại thông tin của bên bị gọi. Với phương thức đơn giản này, người dùng có thể nhận biết được khả năng ở đầu kia và bắt đầu một phiên hội thoại với một số lượng hạn chế các bản tin và các round trip. ACK- Những yêu cầu này tương ứng với một yêu cầu INVITE. Đây là sự khẳng định cuối cùng của hệ thống cuối và chấm dứt một giao dịch khởi tạo bởi lệnh INVITE. Nếu bên chủ gọi thêm vào phần mô tả phiên giao dịch trong yêu cầu ACK, 21 phiên làm việc sẽ không sử dụng thêm số nào nữa, còn ngược lại thì các tham số của phiên làm việc trong yêu cầu INVITE được sử dụng làm mặc định. OPTION- bản tin này cho phép hỏi và thu thập thông tin về năng lực của user agent và network server. Tuy nhiên, yêu cầu này không được sử dụng để thiết lập các phiên. BYE - bản tin này sử dụng bởi bên chủ gọi và bị gọi để giải phóng một cuộc gọi. Trước khi thực sự giải phóng cuộc gọi, user agent gửi yêu cầu này đến server thông báo về việc muốn giải phóng phiên làm việc. CANCEL- Yêu cầu này cho phép user agent và network server để xoá bỏ bất kỳ yêu cầu nào đang thi hành. Việc này không ảnh hưởng tới các yêu cầu đã nhận được các đáp ứng cuối cùng. REGISTER - Bản tin này được các client sử dụng để đăng ký thông tin vị trí với các SIP server. * Bản tin đáp ứng: Các bản tin SIP đáp ứng dựa trên việc nhận và thông dịch một bản tin yêu cầu tương ứng. Chúng được gửi đi để đáp lại các yêu cầu và chỉ thị cuộc gọi thành công hay thất bại, bao gồm cả trạng thái của phía bị gọi. Các bản tin đáp ứng được chia thành 6 loại, mỗi bản tin chứa một mã trạng thái.  SIP 1xx – Các bản tin đáp ứng thông tin  SIP 2xx – Các bản tin báo đáp ứng thành công  SIP 3xx – Các bản tin đáp ứng chuyển hướng  SIP 4xx – Các bản tin đáp ứng lỗi client  SIP 5xx – Các bản tin đáp ứng lỗi server  SIP 6xx – Các bản tin đáp ứng lỗi tổng quat Máy chủ vị trí Phía bắt đầu Redirection server Đăng ký Thiết lập phiên Phía đích Hình 1.8. Thực hiện cuộc gọi SIP sử dụng máy chủ Redirection 22 1.2.4. Tiến trình cuộc gọi Có hai cách thực hiện cuộc gọi khi sử dụng họ giao thức SIP. Cách thứ nhất là sử dụng Redirection server (hình 1.8). Phía bắt đầu cuộc gọi gửi bản tin yêu cầu địa chỉ đến redirection server, bản tin này kèm theo địa chỉ SIP của phía đích. Redirection server sẽ truy vấn máy chủ vị trí (Registrar Server). Dựa vào địa chỉ đã được phía đích đăng ký trước đó, máy chủ vị trí sẽ trả về cho máy chủ Redirection địa chỉ IP của địa chỉ SIP tương ứng. Sau đó, Redirection server sẽ trả về cho phía bắt đầu địa chỉ IP tương ứng với địa chỉ SIP của phía đích. Phía bắt đầu tự khởi tạo một phiên (gửi đi bản tin INVITE) tới phía đích. Các thực hiện cuộc gọi thứ hai là sử dụng máy chủ Proxy (xem hình 1.9) Máy chủ vị trí Phía bắt đầu Proxy server Đăng ký Thiết lập phiên Phía đích Hình 1.9. Cuộc gọi SIP sử dụng máy chủ Proxy Phía bắt đầu gửi yêu cầu thiết lập phiên đến cho máy chủ proxy. Máy chủ proxy sẽ hỏi địa chỉ phía đích từ máy chủ vị trí. Sau đó, máy chủ proxy sẽ thiết lập phiên giữa phía bắt đầu và phía đích. Lúc này, phía bắt đầu và phía đích sẽ không trao đổi trực tiếp mà thông qua máy chủ proxy. Trong một phiên hội nghị hay cuộc gọi phải thực hiện một hay nhiều các yêu cầu và đáp ứng (request – response) của SIP, các proxy server không giữ trạng thái cho từng cuộc gọi riêng biệt, mặc dù chúng có thể duy trì trạng thái đó. Để hiệu quả, một server có thể lưu trữ các kết quả của các yêu cầu dịch vụ tại chỗ. Sử dụng mô hình Proxy Server cho phép sự điều khiển sâu hơn tới cuộc gọi SIP so với mô hình Redirection server. Do vậy, khi liên kết hoạt động giữa mạng IN (intelligent network) và IP người ta sử dụng mô hình proxy server.