Tài liệu Nghiên cứu và thiết kế hệ thống voipv6

Nghiên cứu và thiết kế hệ thống VoIPv6 LỜI NÓI ĐẦU Trong những năm gần đây, sự xuất hiện của VoIP đã gây nên một sự chú ý đặc biệt trong lĩnh vực viễn thông thế giới, lợi ích mà nó mang lại là rất lớn. Đối với người tiêu dùng, lợi ích đầu tiên mà họ đạt được là chi phí cuộc gọi sẽ rẻ hơn đáng kể. Còn đối với các nhà sản xuất, cung cấp và khai thác mạng, truyền thoại qua mạng Internet mở ra những thách thức mới nhưng cũng hứa hẹn khả năng lợi nhuận đáng kể. Đây cũng là một bước đột phá trong việc tiến tới một xu thế mạng viễn thông mới. Công nghệ VoIp có rất nhiều ưu điểm như: giảm cước phí dịch vụ thoại đường dài; hỗ trợ nhiều cuộc gọi với băng tần thấp hơn; nhiều hơn và tốt hơn các dịch vụ nâng cao; sử dụng có hiệu quả nhất giao thức IP… Tuy nhiên vẫn tồn tại một số nhược điểm về bảo mật và kĩ thuật phức tạp. Với tình trạng phát triển nhanhcủa các dịch vụ mạng, dải địa chỉ IPv4 đang ngày càng cạn kiệt, VoIP không thể phát huy hết sức mạnh vốn có của nó. Để tận dụng hết những ưu điểm của truyền thoại qua mạng Internet đồng thời giải quyết được nhược điểm của cả VoIP thế hệ cũ và IPv4, thì việc nghiên cứu và thử nghiệm truyền thoại qua IPv6 đã được rất nhiều công ty, tổ chức trên thé giới chú ý. Ở Việt Nam dù vẫn còn nhiều hạn chế về cơ sở hạ tầng và nguồn lực song không thể nằm ngoài xu thế phát triển chung đó của thế giới. SVTH: Phạm Thị Huyền ĐT16 1 Nghiên cứu và thiết kế hệ thống VoIPv6 LỜI CẢM ƠN Em xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo trong khoa: điện – điện tử, đã tận tình dạy bảo và dìu dắt em trong suốt thời gian học tập tại trường ĐH Kinh Tế Kỹ Thuật Công Nghiệp, để em có được kiến thức và có thể thực hiện cũng như hoàn thành đề tài này. Đặc biệt em xin chân thành cảm ơn cô giáo Đặng Thị Hương Giang, là giáo viên hướng dẫn đã nhiệt tình giúp đỡ, chỉ dẫn cho em trong suốt quá trình làm đề tài. Và em xin cảm ơn tất cả các bạn trong và ngoài lớp điện tử 16 đã giúp đỡ em rất nhiều trong quá trình tìm kiếm tài liệu và góp ý cho bài làm của em được tốt hơn. Cuối cùng em xin chân thành cảm ơn gia đình em đã tạo điều kiện cho em học tập để hôm nay em có thể hoàn thành được đề tài này. Em xin chúc các thầy, cô và các bạn cùng gia đình em sức khỏe và hạnh phúc! Hà Nội tháng 4 năm 2010 Sinh viên : Phạm Thị Huyền. SVTH: Phạm Thị Huyền ĐT16 2 Nghiên cứu và thiết kế hệ thống VoIPv6 MỤC LỤC Lời Nói Đầu…………………………………………………………..1 Lời Cảm Ơn…………………………………………………………..2 Mục Lục………………………………………………………………3 Danh Mục Các Từ Viết Tắt…………………………………………..5 Danh mục Các hình Vẽ……………………………………………….8 Chương 1 : Tổng quan về VoIP………………………………………9 1.1 Khái niệm VoIP…………………………………………………9 1.2 Đặc điểm của điện thoại IP và mạng VoIP……………………..11 1.3 Các hình thức truyền thoại qua IP……………………………...16 1.4 Cơ chế làm việc của VoIP……………………………………...17 1.5 Các vấn đề chất lượng của VoIP……………………………….20 Chương 2 : Kiến trúc hệ thống VoIP…………………………………23 2.1 Kiến trúc và các giao diện của mạng VoIP…………………….23 2.2 Các thành phần của mạng VoIP………………………………..24 Chương 3 : Các giao thức báo hiệu VoIP……………………………32 3.1 Giao thức báo hiệu H.323……………………………………...32 3.2 Giao thức báo hiệu SIP………………………………………...43 3.3 So sánh giao thức SIP và H.323……………………………….50 3.4 Giao thức SGCP……………………………………………….52 3.5 Giao thức MGCP………………………………………………52 Chương 4 : Tổng quan địa chỉ IPv6…………………………………54 SVTH: Phạm Thị Huyền ĐT16 3 Nghiên cứu và thiết kế hệ thống VoIPv6 4.1 Sự ra đời của IPv6…………………………………………….54 4.2 Sơ lược một số đặc điểm của IPv6……………………………56 4.3 Địa chỉ IPv6…………………………………………………...61 4.4 Hoạt động của địa chỉ IPv6…………………………………...68 Chương 5 : Thiết kế hệ thống VoIPv6……………………………...76 5.1 Mô tả hệ thống………………………………………………..76 5.2 Thực hiện……………………………………………………..77 5.3 Kết quả……………………………………………………….78 Kết luận…………………………………………………………….82 Tài liệu tham khảo………………………………………………….83 SVTH: Phạm Thị Huyền ĐT16 4 Nghiên cứu và thiết kế hệ thống VoIPv6 DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT Viết tắt VOIP TCP/IP Từ tiếng anh Voice over Internet Protocol Transport control protocol / Nghĩa tiếng việt Hình thức truyền thoại qua Internet Giao thức truyền và sửa lỗi đối với LAN WAN PSTN Internet protocol Local Area Network Wide Area Network Public Switched Telephone Các dữ liệu. Mạng vùng cục bộ Mạng rộng Mạng điện thoại công cộng SIP PBX RTP RTCP Network Session Inititation Protocol Private Branche Xchange Real Time Transport Protocol Real Time Transport control Giao thức khởi tạo phiên Tổng đài chi nhánh riêng Vận chuyển thời gian thực Điều khiển truyền thời gian thực RSVP TCP UDP IPv4 IPv6 PC GSM Protocol Reservation Protocol Transmission Control Protocol User Datagram Protocol Internet Protocol version 4 Internet Protocol version 6 Personnal Computer Global System for Mobie Giao thức giữ trước tài nguyên Giao thức điều khiển truyền tin Dữ liệu người sử dụng Giao thức Internet phiên bản 4 Giao thức Internet phiên bản 6 Máy tính cá nhân Hệ thống toàn cấu cho điện thoại PCM ETSI Pulse Code Modulation European Telecommunications di động Điều chế mã xung Tiêu chuẩn viễn thông châu âu GK GW SCN ISDN Standards Institute Gatekeeper Gateway Switching Network Integrated Service Digital Cổng quản lý mạng Cổng nối mạng Mạng chuyển mạch Mạng dịch vụ tích hợp số DSL OAM Network Digital Subcribe Line Operation And Maintenance Đăng ký kỹ thuật số dòng Vận hành quản lý và bảo dưỡng MGW Management Media Gateway Cổng trung gian SVTH: Phạm Thị Huyền ĐT16 5 Nghiên cứu và thiết kế hệ thống VoIPv6 DTMF SGW RAS Dual Tone Multi Frequency Singnalling Gateway Registration Admission And Cổng báo hiệu Tình trạng đăng nhập QoS DRQ HTTP IETF UA ACK SDP SMTP ITU Status Quality of Service Data Read Queue Hypertext Tranfer Protocol Internet Engineering Task Force User Agent Acknow Ledgement Sesion Descripion Protocol Simple Mail Tranfer Protocol International Telecommunication Chất lượng dịch vụ Hàng đọc dữ liệu Giao thức chuyển siêu văn bản Nhiệm vụ kỹ thuật Internet Đại diện người sử dụng Ghi nhận Phiên bản mô tả giao thức Di chuyển giao thức đơn giản Liên đoàn viễn thông quốc tế RTT OPS OSP CPL NAT ID MAC Union Radio Teletype Operations Per Second Operator Station Test Character Per Line Network Address Translation Information Divce Media Access Control Máy vô tuyến điện báo Hoạt động phụ Nhà điều hành trạm thử nghiệm Ký tự trên dòng Công nghệ thay thế địa chỉ Thiết bị thông tin mạng Kiểm soát truy cập phương tiện DNS ISP ARP RFC MSN DAD ICMP Domain Name Server Internet Service Provider Address Resolution Protocol Request For Comments Multicast Solicited Node Duplicate Address Detection Internet Control Manager ment truyền thông Hệ thống tên miền Cung cấp dịch vụ Internet Giao thức phân giải địa chỉ Tài liệu chuẩn cho Internet Trưng cầu nút Dò tìm địa chỉ trùng lặp Chữa giao thức quản lý Internet NS RA DHCP Protocol Network services Repeat to Address Dynamic Host Configuration Mạng lưới dịch vụ Lặp lại đến địa chỉ Giao thức cấu hình địa chỉ động MTU Protocol Maximum Transmition Unit Đơn vị tối đa có thể truyền được SVTH: Phạm Thị Huyền ĐT16 6 Nghiên cứu và thiết kế hệ thống VoIPv6 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1 Mã hóa âm thanh…………………………………………………9 Hình 1.2 Mô hình truyền thoại qua IP……………………………………..10 Hình 1.3 Cấu trúc phân lớp của hoạt động VoIP…………………………..11 Hình 1.4 Các múc độ đánh giá chất lượng thoại…………………………...21 Hình 3.1 Cấu trúc H.323…………………………………………………...32 Hình 3.2 Sơ đồ khối thiết bị đầu cuối H.323………………………………32 Hình 3.3 Mô tả hoạt động của H.323………………………………………37 Hình 3.4 Tiến trình đăng ký với gatekeeper……………………………….38 Hình 3.5 Tiến trình thiết lập kênh media…………………………………..39 Hình 3.6 Tiến trình thay đổi băng thông…………………………………...40 Hình 3.7 Thiết lập cuộc gọi nội vùng………………………………………41 Hình 3.8 Thiết lập cuộc gọi liên vùng……………………………………...42 Hình 3.9 Tiến trình ngắt kết nối liên vùng…………………………………43 Hinh 3.10 Cấu trúc của SIP………………………………………………..44 Hình 3.11 Thiết lập cuộc gọi qua Proxy Server……………………………48 Hình 3.12 Thiết lập cuộc gọi qua Redirect Server…………………………49 Hình 4.1 Định dạng IPv6 header…………………………………………..58 SVTH: Phạm Thị Huyền ĐT16 7 Nghiên cứu và thiết kế hệ thống VoIPv6 Hình 4.2 Địa chỉ Unicast toàn cầu…………………………………………63 Hình 4.3 Mô tả cấu trúc địa chỉ link-local…………………………………64 Hình 4.4 Mô tả cấu trúc địa chỉ Site-Local………………………………..65 Hình 4.5 Mô tả cấu trúc địa chỉ Multicast…………………………………66 Hình 4.6 Mô tả cấu trúc địa chỉ Node Solicited…………………………...68 CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN VỀ VoIP 1.1 Khái niệm VoIP : VoIP (viết tắt của Voice over Internet Protocol – nghĩa là “truyền giọng nói trên giao thức IP”) là truyền tiếng nói của con người (thoại) qua mạng thông tin sử dụng bộ giao thức TCP/IP. Nó sử dụng các gói dữ liệu trên mạng LAN, WAN, Internet với thông tin được truyền tải là mã hóa của âm thanh. VoIP là một trong những công nghệ viễn thông đang được quan tâm nhất hiện nay không chỉ đối với nhà khai thác, các nhà sản xuất mà còn cả với người sử dụng dịch vụ. SVTH: Phạm Thị Huyền ĐT16 8 Nghiên cứu và thiết kế hệ thống VoIPv6 Hình 1.1: mã hóa âm thanh VoIP là một công nghệ mà cho phép tạo cuộc gọi dùng kết nối băng thông rộng thay vì dùng đường dây điện thoại tương tự (analog). Nhiều dịch vụ dùng Voice over IP có thể chỉ cho phép bạn gọi người khác dùng cùng loại dịch vụ, tuy nhiên cũng có những dịch vụ cho phép gọi những người khác dùng số điện thoại như số nội bộ,đường dài, di động, quốc tế. Trong khi cũng có những dịch vụ chỉ làm việc qua máy tính, hay loại điên thoại qua IP(IP phone) đặc biệt. Cũng có vài dịch vụ cho phép dùng điện thoại truyền thống qua một bộ điều hợp (adaptor). VoIP cho phép thực hiện cuộc dùng máy tính qua mạng dữ liệu như Internet. VoIP chuyển đổi tín hiệu thoại từ điện thoại tương tự analog vào tín hiệu số (digital) trước khi truyền qua Internet, sau đó chuyển đổi ngược lại ở đấu nhận. Khi tạo một cuộc gọi VoIP dùng điện thoại với một bộ điều hợp, chúng ta sẽ nghe âm mời gọi, quay số sẽ xảy ra sau tiến trình này. VoIP có thể cũng sẽ cho phép tạo một cuộc gọi trực tiếp từ máy tính dùng loại điện thoại tương ứng hay dùng microphone. SVTH: Phạm Thị Huyền ĐT16 9 Nghiên cứu và thiết kế hệ thống VoIPv6 VoIP cho phép tạo cuộc gọi đường dài qua mạng dữ liệu IP có sẵn thay vì phải được truyền qua mạng PSTN. Ngày nay nhiều công ty đã thực hiện giải pháp VoIP của họ để giảm chi phí cho những cuộc gọi đường dài giữa nhiều chi nhánh xa nhau. Hình 1.2 Mô hình truyền thoại qua IP Nhìn chung VoIP có thể vừa thực hiện mọi cuộc gọi như trên mạng điện thoại kênh truyền thống PSTN, vừa đồng thời truyền dữ trên cơ sở mạng truyền dữ liệu. Do các ưu điểm về giá thành dịch vụ và sự tích hợp nhiều loại hình dịch vụ nên VoIP ngày nay được triển khai một cách rộng rãi. Công nghệ này bản chất là dựa trên chuyển mạch gói, nhằm thay thế công nghệ truyền thoại cũ dùng chuyển mạch kênh. Nó ghép nhiều kênh thoại trên một đường truyền tín hiệu, và những tín hiệu này được truyền qua mạng Internet, vì thế có thể giảm giá thành. Nguyên tắc của VoIP bao gồm việc số hóa tín hiệu tiếng nói, thực hiện việc nén tín hiệu số, chia nhỏ các gói nếu cần và truyền gói SVTH: Phạm Thị Huyền ĐT16 10 Nghiên cứu và thiết kế hệ thống VoIPv6 tin này qua mạng, tới nơi nhận các gói tin này được ráp lại theo đúng thứ tự của bản tin, giải mã tín hiệu tương tự phục hồi lại tiếng nói ban đầu. Để thực hiện việc này, điện thoại IP thường được tích hợp sẵn các nghi thức báo hiệu chuẩn như SIP hay H.323, kết nối tới một tổng đài IP ( IP PBX ) của doanh nghiệp hay của nhà cung cấp dịch vụ. Điện thoại IP có thể ở dạng như một điện thoại thông thường ( chỉ khác là thay vì nối với mạng điện thoại qua đường dây thì điện thoại IP nối trực tiếp vào mạng LAN qua cáp Ethernet ) hoặc phần mềm thoại (soft-phone) cài trên máy tính. Cấu trúc phân lớp của hệ thống VoIP phổ biến hiện nay được mô tả giống như cấu trúc phân lớp của mô hình TCP/IP và được biểu diễn như sau: H.323 RTP, RTCP, RSVP TCP, UDP IPv4, IPv6 Network, Access Hình 1.3 cấu trúc phân lớp của hệ thống VoIP 1.2 Đặc điểm của điện thoại IP và mạng VoIP: Điện thoại IP ra đời nhằm khai thác tính hiệu quả của các mạng truyền số liệu, khai thác tính linh hoạt trong quá trình phát triển các ứng dụng mới của giao thức SVTH: Phạm Thị Huyền ĐT16 11 Nghiên cứu và thiết kế hệ thống VoIPv6 IP và nó được áp dụng trên mạng toàn cầu là mạng Internet. Các tiến bộ của công nghệ mang đến nhưng ưu điểm như sau: • Giảm chi phí cuộc gọi: Ưu điểm nổi bật 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, thì 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 vậy 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 64Kbps xuống thấp tới 8Kbps 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: + PSTN: 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. + 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 SVTH: Phạm Thị Huyền ĐT16 12 Nghiên cứu và thiết kế hệ thống VoIPv6 • 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 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: Nếu như các hệ tổng đài thường là những hệ thống kín, thì 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 tin chỉ cần mang địa chỉ của nơi nhận cuối cùng là thông tin đó 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 cần 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 thoại là cố định, 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 thì băng thông dành cho liên lạc sẽ cho chất lượng thoại tốt nhất có thể, nhưng khi lưu lượng của mạng cao thì mạng sẽ hạn chế băng thông của từng cuocj gọi ở múc 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 điện thoại hội nghị (là loại điện thoại để bàn VoIP SVTH: Phạm Thị Huyền ĐT16 13 Nghiên cứu và thiết kế hệ thống VoIPv6 dựa trên SIP có khả năng mở rộng cao với công nghệ hàng đầu. Điện thoại hội nghị mang lại âm thanh rõ nét tuyệt vời trong toàn bộ phòng họp trên hệ thống điện thoại VoIP), điều mà với công nghệ chuyển mạch cũ thì 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 như: 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. • 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. • Sử dụng hiệu quả: Như đã biết VoIP truyền thoại qua mạng Internet và sử dụng giao thức IP, ngày nay IP là giao thức mạng được sử dụng rộng rãi nhất và có rất nhiều ứng dụng đang được khai thác trên cơ sở các giao thức của mạng IP, VoIP có thể kết hợp sử dụng các ứng dụng này để nâng cao hiệu quả sử dụng mạng. Kỹ thuật VoIP được sử dụng chủ yếu kết hợp với các mạng máy tính do đó có thể tận dụng được sự phát triển của công nghệ thông tin để nâng cao hiệu quả sử dụng, các phần mềm sẽ hỗ trợ rất nhiều cho việc khai thác các dịch vujcua mạng VoIP. Công nghệ thông tin càng phát triển thì việc khai thác càng có hiệu quả, sẽ xuất hiện nhiều dịch vụ mới hỗ trợ người sử dụng trong mọi lĩnh vực. Tuy nhiên công nghệ IP cũng có những hạn chế như: • 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 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 phải có một SVTH: Phạm Thị Huyền ĐT16 14 Nghiên cứu và thiết kế hệ thống VoIPv6 kỹ thuật nén tín hiệu đạt được những yêu cầu khắt khe như: tỉ số nén lớn, 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-bộ mã hóa và giải mã) 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 để có tốc độ cao hơn và có cơ chế thực hiện chức năng QoS (Quality of Service-chất lượng dịch vụ). • Vấn đề bảo mật: Mạng Internet là mạng có tính rộng khắp và hỗn hợp, trông đó có rất nhiều loại máy tính khác nhau, 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. Và nguy cơ nghe lén cuộc gọi VoIP khá cao do các gói dữ liệu phải chuyển tiếp qua nhiều trạm trung gian trước khi đến người nghe hoặc vấn đề truy cập trái phép (unauthorized access attack), hacker có thể lợi dụng các lỗ hổng bảo mật để xâm nhập vào hệ thống mạng. • Ngoài ra: VoIP có thể gặp những vấn đề như không thể sử dụng được dịch vụ khi cúp điện, không thể kết nối đến các dịch vụ khẩn như: cấp cứu, báo cháy... ∗ ) Ứng dụng của VoIP: + Internet Telephone: là thiết bị giống như điện thoại thông thường nhưng có thể kết nối vào mạng máy tính đồng thời có thể hỗ trợ hoặc không hỗ trợ kết nối vào mạng điện thoại công cộng PSTN. Internet Telephone còn có khả năng truyền và nhận tín hiệu âm thanh trực tiếp từ các mạng số liệu, nó có thể sử dụng được như một thiết bị truy cập Internet thông thường. Internet SVTH: Phạm Thị Huyền ĐT16 15 Nghiên cứu và thiết kế hệ thống VoIPv6 Telephone trong tương lai sẽ phát triển mạnh với mô hình nhà cung cấp dịch vụ. + Gateway IP – PSTN: Để có thể sử dụng mạng VoIP với mạng điện thoại công cộng PSTN thì gateway IP – PSTN là một cổng kết nối cho phép trao đổi các thông tin trên hai mạng. Gateway có thể trực tiếp hai mạng nói trên hoặc có thể sử dụng kết hợp với các PBX. Gateway IP – PSTN có hai giao diện chính đó là: giao diện với mạng PSTN và giao diện với mạng Internet. Gateway có nhiệm vụ chuyển đổi các tín hiệu cũng như chuyển đổi và xử lý các bản tin báo hiệu sao cho phù hợp với các giao diện + Các ứng dụng mở rộng: Trên cơ sở gateway IP – PSTN, chúng ta có thể phát triển thiết kế gateway IP – mobile để có thể trực tiếp trao đổi thông tin giữa mạng di động với mạng Internet. Điều này có ý nghĩa hết sức to lớn trong thời điểm thông tin di động đang phát triển trên khắp toàn cầu. Người sử dụng máy di động không chỉ có thể liên lạc được mà còn có khả năng truy nhập thông tin và sử dụng các dịch vụ Internet. Có thể mở rộng kết hợp với các ứng dụng web phone. Ngoài ra có thể phát triển các ứng dụng VoIP như truyền hình hội thảo hay điện thoại có hình. 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 dich vụ hiện có của điênj 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 thoại IP với tư cách là một dịch vụ sẽ không trở nên hấp dẫn hơn PSTN vì nó chạy trên mạng IP. Khách hàng chỉ chấp nhận loại dịch vụ này vì nó đưa ra được một chi phí thấp và những tính năng vượt trội hơn so với dịch vụ điện thoại hiện tại. 1.3 Các hình thức truyền thoại qua IP 1.3.1 Mô hình PC to PC SVTH: Phạm Thị Huyền ĐT16 16 Nghiên cứu và thiết kế hệ thống VoIPv6 Trong mô hình này, mỗi máy tính cần được trang bị một sound card, một microphone, một speraker và được kết nối trực tiếp với mạng Internet thông qua modem hoặc card mạng. Mỗi máy tính được cung cấp một địa chỉ IP và hai máy tính, vậy là đã có thể trao đổi tín hiệu thoại với nhau thông qua mạng Internet. Tất cả các thao tác như lấy mẫu tín hiệu âm thanh, mã hóa và giải mã, nén và giải nén tín hiệu đều được máy tính thực hiện. Trong mô hình này chỉ có những máy tính nối với cùng một mạng mới có khả năng trao đổi thông tin với nhau. 1.3.2 Mô hình PC to phone Mô hình PC to phone là một mô hình được cái tiến hơn so với mô hình PC to PC. Mô hình này cho phép người sử dụng máy tính có thể thực hiện cuộc gọi đến mạng PSTN thông thường và ngược lại. Trong mô hình này mạng Internet và mạng PSTN có thể giao tiếp với nhau nhờ một thiết bị đặc biệt dó là gateway. Đây là mô hình cơ sở để dẫn tới việc kết hợp giữa mạng Internet và mạng PSTN cũng như các mạng GSM hay đa dịch vụ khác. 1.3.3 Mô hình phone to phone Đây là mô hình mở rộng của mô hình PC to phone, sử dụng Internet làm phương tiện liên lạc giữa các mạng PSTN. Tất cả các mạng PSTN đều kết nối với mạng Internet thông qua các gateway. Khi tiến hành cuộc gọi, mạng PSTN sẽ kết nối đến gateway gần nhất, tại đây địa chỉ sẽ được chuyển đổi từ địa chỉ PSTN sang địa chỉ IP để có thể định tuyến các gói tin đến được mạng đích. Đồng thời gateway nguồn có nhiệm vụ chuyển đổi tín hiệu thoại tương tự thành dạng số sau đó mã hóa, nén, đóng gói lại và gửi qua mạng. Mạng đích cũng được kết nối với gateway và tại đó địa chỉ lại được chuyển đổi trở thành địa chỉ PSTN và tín hiệu được giải nén, giải mã, rồi chuyển đổi ngược lại thành tín hiệu tương tự gửi vào mạng PSTN đến đích. 1.4 Cơ chế làm việc của VoIP: SVTH: Phạm Thị Huyền ĐT16 17 Nghiên cứu và thiết kế hệ thống VoIPv6 Khi nói vào ống nghe hay microphone, giọng nói sẽ tạo ra tín hiệu điện từ, đó là những tín hiệu analog. Tín hiệu analog được chuyển sang tín hiệu số dùng thuật toán đặc biệt để chuyển đổi. Những thiết bị khác nhau có cách chuyển đổi khác nhau như IP phony hay soft phone, nếu dùng điện thoại analog thông thường thì cần một Telephone Adapter (TA). Sau đó giọng nói được số hóa sẽ được đóng vào gói tin và gởi trên mạng IP. Trong suốt tiến trình một giao thức như SIP hay H323 sẽ được dùng để điểu khiển cuộc gọi như là thiết lập, quay số, ngắt kết nối… và RTP thì được dùng cho tính năng đảm bảo độ tin cậy và duy trì chất lượng dịch vụ trong quá trình truyền. 1.4.1 Số hóa tín hiệu Analog: Biểu diễn tín hiệu tương tự(analog) thành dạng số (digital) là công việc khó khăn. Vì bản thân dạng âm thanh như giọng nói con người ở dạng analog do đó cần một số lượng lớn các giá trị digital để biểu diễn biên độ (amplitude), tần số(frequency) và pha (phase), chuyển đổi những giá trị đó thành dạng số nhị phân (zero và one) là rất khó khăn. Cần thiết cần có cơ chế dùng để thực hiện sự chuyển đổi này và kết quả của sự phát triển này là sự ra đời của những thiết bị được gọi là codec (coder-decoder) hay là thiết bị mã hóa và giải mã. Tín hiệu đện thoại analog được đặt vào đầu vào của thiết bị codec và được chuyển đổi thành chuỗi số nhị phân ở đầu ra. Sau đó quá trình này thực hiện trở lại bằng cách chuyển chuỗi số thành dạng analog ở đầu cuối, với cùng quy trình codec. 1.4.2 Lấy mẫu (Sampling): Tín hiệu âm thanh trên mạng điện thoại có phổ năng lượng đạt đến 10Khz. Tuy nhiên, hầu hết năng lượng đều tập trung ở phần thấp hơn trong dải này. Do đó để tiết kiệm băng thông trong các hệ thống truyền được ghép kênh theo FDM và cả TDM. Các kênh điện thoại thường giới hạn băng tần trong khoảng từ 300 đến 3400Hz. Tuy nhiên trong thực tế sẽ có một ít năng lương nhiễu được chuyển qua dưới dạng các tần số cao hơn tần số hiệu dụng 3400Hz. Vì thế phổ tẩn số có SVTH: Phạm Thị Huyền ĐT16 18 Nghiên cứu và thiết kế hệ thống VoIPv6 thể được mở rộng đến 4Khz, theo lý thuyết Nyquist: khi một tín hiệu thì được lấy mẫu đồng thời ở mỗi khoảng định kì và có tốc độ ít nhất bằng hai lần phổ tần số cao nhất, sau đó những mẫu này sẽ mang đủ thông tin để cho phép việc tái tạo lại chính xác tín hiệu ở thiết bị nhận. Với phổ tần số cao nhất cho thoại là 4000Hz hay 8000 mẫu được lấy trong một giây, khoảng cách giữa mỗi mẫu là 125 micro giây. 1.4.3 Lượng tử hoá (Quantization): Tiến trình kế tiếp của số hóa tín hiệu tuần tự là biểu diễn giá trị chính xác cho mỗi mẫu được lấy. Mỗi mẫu có thể được gán cho một giá trị số, tương ứng với biên độ (theo chiều cao) của mẫu. Sau khi thực hiện giới hạn đầu tiên đối với biên độ tương ứng với dải mẫu, đến lượt mỗi mẫu sẽ được so sánh với một tập hợp các mức lượng tử và gán vào một mức xấp xỉ với nó. Qui định rằng tất cả các mẫu trong cùng khoảng giữa hai mức lượng tử được xem có cùng giá trị. Sau đó giá trị gán được dùng trong hệ thống truyền. Sự phục hồi hình dạng tín hiệu ban đầu đòi hỏi thực hiện theo hướng ngược lại. 1.4.4 Mã hóa (Encoding): Mỗi mức lượng tử được chỉ định một giá trị số 8 bit, kết hợp 8 bit có 256 mức hay giá trị. Qui ước bit đầu tiên dùng để đánh dấu giá trị âm hoặc dương cho mẫu. Bảy bít còn lại biểu diễn cho độ lớn; bit đầu tiên chỉ nửa trên hay nửa dưới của dãy, bit thứ hai chỉ phần tư trên hay dưới, bit thứ 3 chỉ phần tám trên hay dưới và cứ thế tiếp tục. Ba bước tiến trình này sẽ lặp lại 8000 lần mỗi giây cho dịch vụ kênh điện thoại. Dùng bước thứ tư là tùy chọn để nén hay tiết kiệm băng thông. Với tùy chọn này thì một kênh có thể mang nhiều cuộc gọi đồng thời. 1.4.5 Nén giọng nói(Voice Compression): Mặc dù kĩ thuật mã hóa PCM 64 Kps hiện hành là phương pháp được chuẩn hóa, nhưng có vài phương pháp mã hóa khác được sử dụng trong những ứng dụng đặc biệt. Các phương pháp này thực hiện mã hóa tiếng nói với tốc độ nhỏ SVTH: Phạm Thị Huyền ĐT16 19 Nghiên cứu và thiết kế hệ thống VoIPv6 hơn tốc độ của PCM, nhờ đó tận dụng được khả năng của hệ thống truyền dẫn số. Chắc hẳn, các mã hóa tốc độ thấp này sẽ bị hạn chế về chất lượng, đặt biệt là nhiễu và méo tần số. 1.4.6 Packetizing voice: Mỗi khi giọng nói đã được số hoá và được nén lại, nó phải được chia thành những phần nhỏ, để đặt vào gói IP, VoIP thì không hiệu quả cho những gói tin nhỏ, trong khi những gói tin lớn thì tạo ra nhiều độ trễ, do ảnh hưởng của vài loại header mà kích thưóc cuả dữ liệu thoại (voice data ) cũng sẽ ảnh hưởng. Ví dụ header của IP, UDP, RTP là 40 byte, nếu gói tin voice cũng chỉ khoảng 40 byte thì hoàn toàn không hiệu quả, kích thước gói tin lớn nhất có thể trong môi trường Ethernet là 1500 byte, dùng 40 byte cho header còn lại 1460 byte có thể sử dụng cho phần dữ liệu thoại, tương đương với 1460 mẫu (samples) không được nén hay thời gian để đặt phần dữ liệu vào gói tin. Nếu gói bị mất nhiều hay đến đích không đúng thứ tự sẽ làm cho cuộc thoại bị ngắt quãng. Thông thường, cần khoảng 10 µ s đến 30 µ s (trung bình là 20 µ s) để đặt dữ liệu thoại vào bên trong gói tin, ví dụ phần dữ liệu thoại (voice data) vơí kích thước 160 byte không nén cần khoảng 20 µ s để đặt phần dữ liệu thoại vào bên trong gói tin. Số lượng dữ liệu thoại bên trong gói tin cần cân bằng giữa sự hiệu quả trong sử dụng băng thông và chất lượng của cuộc thoại. 1.5 Các vấn đề chất lượng của VoIP: Đòi hỏi cơ bản nhất của hệ thống VoIP là phải có chất lượng thoại tương đương với chất lượng thoại trong mạng PSTN. Chất lượng thoại được chia thành các cấp độ khác nhau, việc đánh giá chất lượng thoại còn mang tính chủ quan nhưng cũng có một số tham số được dùng để đánh giá chất lượng thoại. Có 3 tham số chính quyết định chất lượng thoại đó là : trễ, trượt và mất gói. SVTH: Phạm Thị Huyền ĐT16 20