Tài liệu 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 ----- ----- 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 ACELP Algebraic Prediction Tiếng Việt Code Excite Linear 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 American Standard Code for Information Interchange I 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 Bandwidth Change Reject Từ chối thay đổi độ rộng băng tần 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) BRJ BRQ DTMF Dial Tone Multi Frequency EAN Quay số đa tần Enterprise Area Network Mạng xí nghiệp ECTF Enterprise Computer Telephony Forum 5 Diễn đàn máy tính truyền thông 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 channel Procedure on D 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 mạng là loại thiết bị phổ thông nhất để nối máy tính với mạng. Trong NIC có một bộ thu phát với một số kiểu đấu nối. 1.2.4. Bộ tập trung (Hub) Hub là bộ chia hay cũng có thể gọi là bộ tập trung dùng để đấu mạng. Sử dụng các Hub để đấu nối các trạm của mạng qua một điểm tập trung. Người ta chia làm các loại Hub sau: 12 Hub bị động (Passive Hub). Hub này không xử lý tín hiệu mà nó chỉ đơn thuần thực hiện chức năng tổ hợp tín hiệu từ một số đoạn cáp mạng. Khoảng cách tối đa giữa Hub với máy tính phải nhỏ hơn 1/2 khoảng cách tối đa cho phép giữa hai máy tính trong mạng. Hub chủ động (Active Hub) Loại Hub này có thể khuếch đại và xử lý các tín hiệu điện tử truyền giữa các thiết bị của mạng làm các tín hiệu này trở nên mạnh hơn. Hub thông minh (Intelligent Hub) Giống như Hub chủ động nhưng có thêm các chức năng quản trị Hub. Hub chuyển mạch (Switching Hub) Loại này cho phép chọn đường rất nhanh, hiện nay nó đang dần thay thế cho Brigde và Router. 1.2.5. Bộ điều chế và giải điều chế (Modem) Là thiết bị có chức năng chuyển đổi tín hiệu số thành tín hiệu tương tự và ngược lại, dùng để kết nối các máy tính qua đường điện thoại. Modem cho phép trao đổi thư điện tử, truyền file, truyền fax … Modem không thể dùng để kết nối các mạng xa với nhau. Tuy nhiên nó có thể kết hợp với Router để kết nối mạng thông qua mạng điện thoại chuyển mạch công cộng. 1.2.6. Bộ chọn đường (Router) Router là một thiết bị thông minh, nó có thể thực hiện các giải thuật chọn đường đi tối ưu cho các gói tin theo một chỉ tiêu nào đó. Router cho phép nối các kiểu mạng khác nhau thành một liên mạng. Muốn vậy các Router phải được thiết kế sao cho có thể làm việc được với nhiều giao thức. Hiện nay các router của các hãng nổi tiếng như CISCO, BAY NETWORKS…. đều có thể làm việc được với hầu hết các giao thức phổ biến. 1.2.7. Phần mềm mạng Một phần cần phải kể đến khi nghiên cứu mạng TCP/IP là phần mềm mạng. NIC thực hiện các chức năng mức thấp trong mạng nhằm cung cấp một giao diện giữa host và toàn mạng. Phần còn lại, để người sử dụng có thể giao tiếp được với mạng cũng như giao tiếp được với nhau, cần đến các phần mềm mạng. Các phần mềm mạng là cầu nối giữa người dùng và các giao diện vật lý, việc thông dịch các lệnh của người sử dụng là trong suốt đối với người sử dụng. Người sử dụng khai thác mạng thông qua các tập lệnh hay các tiện ích mạng và phần mềm mạng giúp thông dịch các yêu cầu của người sử dụng và 13 làm việc với các tầng thấp hơn. Trong khi các thiết bị phần cứng là cố định thì phần mềm mạng có các phiên bản cải tiến giúp cho việc khai thác mạng được hiệu quả hơn. 14 1.3. CÁC GIAO THỨC TRONG TCP/IP. Kiến trúc mạng TCP/IP định nghĩa các cặp giao thức truyền thông tương ứng với các tầng cùng lớp của các hệ thống khác nhau. Giao thức tầng n Layer n Giao thức tầng 3 Layer 3 Layer 3 Giao thức tầng 2 Layer 2 Layer 2 Giao thức tầng 1 Layer 1 Layer 1 Hình 1.1. Sơ đồ định nghĩa các giao thức, giao diện TCP/IP Các giao thức định nghĩa các dạng dữ liệu được trao đổi giữa các lớp cùng cấp của hai hệ thống khác nhau, đồng thời quy định quy tắc để dữ liệu này được truyền như thế nào giữa hai mạng. Tập hợp các giao thức quan trọng hoạt động trong tầng Internet và tầng Transport cung cấp các dịch vụ truyền thông cơ bản. Các giao thức truyền thông có thể cung cấp các dịch vụ ở hai dạng: kết nối có định hướng (connection-oriented) và kết nối không định hướng (connectionless). Kết nối có định hướng (connection-oriented). Giao thức kết nối có định hướng yêu cầu các bên tham gia cuộc truyền phải có một kết nối logic giữa các thực thể đồng mức. Các dịch vụ được cung cấp bởi giao thức không định hướng tương tự như các dịch vụ cung cấp bởi hệ thống điện thoại truyền thống. Quá trình truyền gồm ba pha được định nghĩa rõ ràng: Pha 1: Cài đặt kết nối (tương tự như việc quay số cuộc gọi) Pha 2: Truyền dữ liệu (tương tự như việc đàm thoại) 15 Pha 3: Giải phóng kết nối (tương tự như động tác đặt máy, kết thúc cuộc gọi) Các thông số của kết nối phải được thoả thuận từ đầu giữa các thực thể tham gia cuộc truyền qua thủ tục thiết lập cuộc gọi, đôi khi còn gọi là thủ tục bắt tay (handshake). Với kết nối có định hướng, truyền dữ liệu luôn luôn liên quan đến hai thực thể truyền thông. Nếu một thực thể muốn truyền thông với một thực thể thứ ba hay nhiều hơn thì nó cần phải cài đặt các kết nối riêng biệt đến mỗi thực thể và truyền dữ liệu đến mỗi thực thể trong một quá trình riêng. Hơn nữa, người nhận chỉ được xác định duy nhất tại một thời điểm. Sau khi thiết lập cuộc truyền, dòng dữ liệu theo cùng một đường kết nối đến đích. Các thông tin cần được yêu cầu trong quá trình truyền chỉ là các thông tin nhận dạng kết nối cũng như dữ liệu được kết hợp như thế nào mà không phải là các thông tin nhận dạng bên nhận. Kết nối có định hướng được sử dụng để cung cấp các dịch vụ yêu cầu độ tin cậy cao và các dịch vụ truyền thông có tính liên tục. Người gửi có thể yên tâm rằng các gói tin được đến đích một cách chính xác và theo đúng thứ tự. Nếu có một sự cố xảy ra, toàn bộ kết nối có thể sẽ phải được giải phóng để thực hiện một kết nối mới và các thực thể cần phải được thông báo về sự kiện này. Sự giải phóng kết nối có thể do các thực thể tham gia cuộc truyền, cũng có thể do bản thân giao thức, bởi vì bất kì một pha nào trong giao thức cũng có thể xảy ra lỗi tại bất kì thời điểm nào. Kết nối không định hướng (connectionless). Giao thức kết nối không định hướng hoạt động như hoạt động chuyển thư của bưu điện, trong đó mỗi bức thư được cố gắng chuyển đến đích dựa vào các thông tin trên bì thư. Với kết nối không định hướng, không yêu cầu các pha rõ rệt như trong liên kết có định hướng. Việc truyền thông tin có thể chỉ thông qua một phase duy nhất. Điểm khác biệt lớn nhất của phương thức kết nối không định hướng và phương thức kết nối định hướng là các gói tin được lưu chuyển một cách độc lập và có thể theo các con đường rất khác nhau trước khi đến đích. Kết nối không định hướng đặc biệt có tác dụng khi tổng số dữ liệu là nhỏ và không liên tục. Bởi vì khi đó thời gian cần để thiết lập kênh truyền sẽ lớn và thời gian trễ dành riêng cho kênh truyền khá lớn, thậm chí tổng thời gian này có thể lớn hơn cả thời gian truyền dữ liệu thực sự. 16 Một ưu điểm của liên kết không định hướng là sử dụng các định dạng đa phát đáp (multicast) để cho phép truyền thông tới nhiều người cùng một lúc. Tuy nhiên, với kết nối không định hướng, không có gì đảm bảo rằng các gói tin đến đúng đích theo đúng thứ tự gửi, bởi vì các gói tin có thể chu du theo các con đường khác nhau trước khi đến đích và do đó chúng có thể gây nên hiện tượng Jitter trong VOIP sẽ được nghiên cứu kỹ hơn ở phần sau của luận văn. Vì vậy, kết nối không định hướng thường được sử dụng để cung cấp các dịch vụ ít tin cậy, nhưng lại giảm thiểu chi phí. Phương thức này tỏ ra hiệu quả hơn phương thức kết nối có định hướng đã trình bày ở trên. Cấu trúc TCP/IP được xây dựng dựa trên giao thức Internet, một giao thức theo kiểu không định hướng, hoạt động trên tầng Internet trong cấu hình phân tầng TCP/IP. Những dịch vụ nó cung cấp được sử dụng hoặc là với giao thức UDP hoặc là với giao thức TCP. Việc lựa chọn phương thức kết nối nào tùy thuộc vào hoàn cảnh thực tế của các mạng, các dịch vụ mạng cần cung cấp. Application layer Transport layer (Host ( Host layer ) layer) FPT FTP TELNET SMTP Transsmission Transsmission Control ControlProtocol Protocol DNS User Datagram SNMP RIP ICMP ICMP Internet layer (Getway layer) layer) Network Interface layer IInternet nternet Protocol Protocol ARP ARP Ethernet Ethernet Token Ring Token bus Fiber Hình1.2. Các tầng của bộ giao thức TCP/IP FTP (File Transfer Protocol): giao thức truyền file, cho phép người dùng lấy hoặc gửi file tới một máy khác. Telnet: chương trình mô phỏng thiết bị đầu cuối, cho phép người dùng login vào một máy chủ từ một máy tính nào đó trên mạng. SMTP (Simple Mail Transfer Protocol): một giao thức thư tín điện tử. 17 DNS (Domain Name Server): dịch vụ tên miền, cho phép nhận ra máy tính từ một tên miền thay cho chuỗi địa chỉ Internet khó nhớ. SNMP (Simple Network Management Protocol): giao thức quản trị mạng, cung cấp những công cụ quản trị mạng. RIP (Routing Internet Protocol): Giao thức dẫn đường động. ICMP (Internet Control Messege Protocol): nghi thức thông báo lỗi. UDP (User Datagram Protocol): Giao thức truyền không kết nối, cung cấp dịch vụ truyền không tin cậy nhưng tiết kiệm chi phí truyền. TCP (Transmission Control Protocol): Giao thức hướng kết nối, cung cấp dịch vụ truyền thông tin tưởng. IP (Internet Protocol): Giao thức Internet chuyển giao các gói tin qua các máy tính đến đích. ARP (Address Resolution Protocol): Cơ chế chuyển địa chỉ TCP/IP thành địa chỉ vật lý của các thiết bị mạng. 1.3.1. Giao thức dòng thời gian thực RTP (Real time protocol) Ngoài các giao thức được dùng trong truyền tải dữ liệu nói chung trên mạng như TCP, UDP, dòng tín hiệu thoại và video trong VOIP có một số đặc trưng khác với dòng dữ liệu bình thường. Do đó kéo theo một số giao thức được khuyến nghị dùng trong VOIP cho mục đích truyền tải thoại và video cũng như ứng dụng đa phương tiện khác. Các đặc điểm đó là: Sự liên tục. Các gói tin phải được sắp xếp theo đúng thứ tự khi chúng đến bên nhận, các gói đến có thể không theo thứ tự và nếu gói tin bị mất thì bên nhận phải dò tìm hay bù lại sự mất các gói tin này. Sự đồng bộ bên trong các phương thức truyền thông. Các khoảng lặng trong tiếng nói được triệt và nén lại để giảm thiểu băng thông cần thiết, tuy nhiên khi đến bên nhận, thời gian giữa các khoảng lặng này phải được khôi phục một cách chính xác. Sự đồng bộ giữa các phương thức truyền thông: Có thể tín hiệu thoại sử dụng một phương thức truyền thông trong khi tín hiệu video lại sử dụng một phương thức truyền thông khác, các tín hiệu tiếng và hình phải được đồng bộ một cách chính xác, gọi là sự đồng bộ tiếng - hình. 18 Sự nhận diện phương thức truyền tải: Trong Internet, thông thường cần thay đổi sự mã hoá cho phương thức truyền tải (payload) trên hành trình truyền để hiệu chỉnh thay đổi độ rộng băng thông sẵn sàng hoặc đủ khả năng cho người dùng mới kết nối vào nhóm. Một vài cơ chế cần được sử dụng để nhận diện sự mã hoá cho mỗi gói đến. Các tính chất này được hỗ trợ bởi các phương thức truyền tải (transport protocols). Đa phát đáp thân thiện: (multicast – friendly): RTP và RTCP là kỹ thuật cho đa phát đáp, cung cấp khả năng mở rộng cuộc hội thoại nhiều bên. Trên thực tế, chúng được thiết kế để có thể hoạt động trong cả các nhóm đa phát đáp nhỏ, phù hợp cho các cuộc điện đàm ba bên. Đối với các nhóm lớn, chúng sử dụng đa phát đáp quảng bá (broadcasting). Độc lập thiết bị: RTP cung cấp các dịch vụ cần thiết chung cho phương thức truyền thông thời gian thực nói chung như thoại, video hay bất kì một bộ mã hoá, giải mã cụ thể nào có sự định nghĩa các phương thức mã hoá và giải mã riêng bằng các thông tin tiêu đề và định nghĩa. Các bộ trộn và chuyển đổi: Các bộ trộn là thiết bị nắm giữ phương thức truyền thông từ một vài người sử dụng riêng lẻ, để trộn hoặc nối chúng vào các dòng phương thức truyền thông chung, chuyển đổi chúng vào khuôn dạng khác và gửi nó ra. Các bộ chuyển đổi có ích cho sự thu nhỏ băng thông yêu cầu của dòng số liệu từ dòng số liệu chung trước khi gửi vào từng kết nối băng thông hẹp hơn mà không yêu cầu nguồn phát RTP thu nhỏ tốc độ bit của nó. Điều này cho phép các bên nhận kết nối theo một liên kết nhanh để vẫn nhận được truyền thông chất lượng cao. RTP hỗ trợ cả các bộ trộn và cả các bộ chuyển đổi. Mã hoá thành mật mã: Các dòng phương thức truyền thông RTP có thể mã hoá thành mật mã dùng các khoá, việc mã hoá đảm bảo cho việc thông tin trên mạng được an toàn hơn. Tiêu đề của gói RTP dài 12 bytes (như hình dưới). Trường V chỉ rõ phiên bản của giao thức, cờ X báo hiệu đặc trưng của tiêu đề mở rộng giữa tiêu đề cố 19 định và số liệu đi theo. Nếu bit P là 1, phần số liệu được đệm thêm để đảm bảo liên kết đầy đủ cho sự mã hoá thành mật mã. 8 0 V P 31 16 X CSRC M payload type Sequnce number Timestamp Synchronization source identifier (SSRC) Contributing source identifiers (CSRC) Header extension Payload ( audio, video ... ) Hình 1.3: Cấu trúc tiêu đề cố định RTP 1.3.2. Giao thức UDP – User Datagram Protocol. UDP hoạt động ở tầng giao vận của mô hình mạng TCP/IP. Nó cho phép chương trình ứng dụng truy cập trực tiếp đến gói tin của dịch vụ chuyển giao giống như dịch vụ mà giao thức IP cung cấp. Nó cho phép ứng dụng trao đổi thông tin qua mạng với ít thông tin điều khiển nhất. UDP là giao thức không kết nối, kém tin cậy vì nó không có cơ chế kiểm tra tính đúng đắn của dữ liệu truyền. Cấu trúc gói tin UDP 0 31 Source Port Destination Port Message length Checksum Data Dest Source Add Add Type Field IP Header UDP data Hình 1.4. Cấu trúc gói tin UDP 20 CRC