NGHIÊN CỨU GIAO THỨC TRONG MẠNG VOIP

BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG CAO ĐẲNG KỸ THUẬT CAO THẮNG KHOA ĐIỆN TỬ - TIN HỌC ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Đề Tài: NGHIÊN CỨU GIAO THỨC TRONG MẠNG VOIP HỒ CHÍ MINH - 2009 BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG CAO ĐẲNG KỸ THUẬT CAO THẮNG KHOA ĐIỆN TỬ - TIN HỌC ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Đề Tài: NGHIÊN CỨU GIAO THỨC TRONG MẠNG VOIP HỒ CHÍ MINH - 2009 LỜI CẢM ƠN Trước hết em xin gửi tới cô Bùi Thị Kim Chi lời cảm ơn chân thành sâu sắc trực tiếp hướng dẫn , bảo tận tình suốt trình em làm Đồ án tốt nghiệp Em xin chân thành cảm ơn thầy cô giáo Trường Cao Đẳng Kĩ Thuật CAO THẮNG hết lòng dạy bảo, giúp đỡ em năm học Cao Đẳng, giúp em có kiến thức kinh nghiệm quý giá chuyên môn sống Những hành trang tài sản vô giá nâng bước cho em tới với thành công tương lai Cuối cùng, em xin cảm ơn người thân gia đình bạn bè giúp đỡ, động viên em hoàn thành Đồ án tốt nghiệp Hồ Chí Minh, tháng 06 năm 2009 Sinh viên TÓM TẮT NỘI DUNG Với phát triển nhảy vọt mạng chuyển mạch gói IP không đem lại cho dịch vụ đa dạng mà hội cải thiện dịch vụ viễn thông trước với chất lượng tốt giá thành rẻ Đã từ lâu, mạng chuyển mạch kênh ghép phân kênh theo thời gian PSTN có vai trò vô quan trọng với phát triển xã hội Bên cạnh ưu điểm chất lượng dịch vụ tốt, vùng dịch vụ rộng lớn khắp lãnh thổ,… mạng PSTN bộc lộ nhiều hạn chế số lượng dịch vụ hạn chế, sử dụng tài nguyên đường truyền không tối ưu, giá thành cao Trên sở đó, mạng VoIP đời ngày đáp ứng tốt yêu cầu đặt chất lượng dịch vụ, giá thành, số lượng tích hợp dịch vụ thoại lẫn phi thoại Cũng công nghệ đời thời gian gần đây, vấn đề Giao thức đặc biệt quan trọng Việc nắm Giao thức chìa khóa thành công việc triển khai công nghệ vào thực tế Chính vậy, nội dung Khóa luận tốt nghiệp này, em xin giới thiệu “Giao thức sử dụng mạng VoIP” với nội dung sau: Chương 1: Tổng quan mạng VoIP Chương 2: Các giao thức truyền tải VoIP Chương 3: Giao thức báo hiệu VoIP Một vấn đề đặc biệt quan công nghệ, giao thức sinh vần đề tương thích với công nghệ giao thức trước Đó nguyên nhân định sống mạng VoIP đề cập tới tại: Chương 4: Kết nối mạng VoIP PSTN Và phần cuối là: Chương 5: Khảo sát giao thức gọi VoIP SIP – PSTN thực tế Đây minh chứng rõ nét việc triển khai giao thức VoIP nghiên cứu toàn nội dung Luân văn tốt nghiệp vào toán viễn thống thực tế MỤC LỤC Chương TỔNG QUAN VỀ MẠNG VOIP 1.1 TỔNG QUAN VỀ MẠNG VOIP 1.2 ĐẶC TÍNH CỦA MẠNG VOIP 1.2.1 Ưu điểm 1.2.2 Nhược điểm 1.3 YÊU CẦU CHẤT LƯỢNG ĐỐI VỚI VOIP Chương CÁC GIAO THỨC TRUYỀN TẢI TRONG MẠNG VOIP 2.1 MÔ HÌNH KIẾN TRÚC TỔNG QUAN CỦA MẠNG VOIP 2.2 GIAO THỨC IP 2.2.1 Giao thức IP phiên (IPv4) 2.2.2 Giao thức IP phiên (IPv6) 12 2.3 GIAO THỨC TCP/IP 13 2.4 GIAO THỨC UDP 19 2.5 GIAO THỨC SCTP 20 2.6 GIAO THỨC RTP 24 2.7 GIAO THỨC RTCP 30 Chương GIAO THỨC BÁO HIỆU VOIP 33 3.1 GIAO THỨC BÁO HIỆU H.323 33 3.1.1 Các thành phần mạng 33 3.1.2 Giao thức H.323 37 3.1.3 Thiết lập gọi VoIP sử dụng giao thức H.323 42 3.2 GIAO THỨC BÁO HIỆU SIP 46 3.2.1 Các thành phần mạng SIP 47 3.2.2 Bản tin SIP 49 3.2.3 Mô tả gọi SIP 54 3.3 SO SÁNH GIỮA GIAO THỨC H.323 VÀ SIP 56 Chương KẾT NỐI GIỮA MẠNG VOIP VÀ PSTN 58 4.1 VẤN ĐỀ KẾT NỐI GIỮA VOIP VÀ PSTN 58 4.2 MẠNG BÁO HIỆU SS7 60 4.2.1 Các thành phần mạng báo hiệu SS7 60 4.2.2 Liên kết mạng SS7 62 4.2.3 Định tuyến mạng SS7 62 4.2.4 Giao thức mạng SS7 64 4.2.5 Các bước thiết lập gọi mạng SS7 69 4.3 GIAO THỨC SIGTRAN 70 4.3.1 M2UA/ M2PA 71 4.3.2 M3UA 72 4.3.3 SUA 73 4.3.4 Kết nối mạng VoIP với mạng PSTN 74 Chương KHẢO SÁT GIAO THỨC CUỘC GỌI VOIP SIP – PSTN TRÊN THỰC TẾ 79 5.1 GIỚI THIỆU VỀ KIẾN TRÚC MẠNG VOIP ĐƯỢC NGHIÊN CỨU 79 5.2 GIỚI THIỆU CHƯƠNG TRÌNH WIRESHARK 80 5.3 KHẢO SÁT CUỘC GỌI VOIP SIP – PSTN TRÊN THỰC TẾ 81 DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT Kí hiệu viết tắt Viết đầy đủ Ý nghĩa VoIP Voice over IP Công nghệ truyền thoại mạng IP PSTN Public Switch Telephone Network Mạng điện thoại công cộng PCM Pulse-Code Modulation Bộ mã hóa mã xung Simple Network Management Protocol Giao thức quản trị mạng đơn giản Session Initiation Protocol Giao thức thiết lập phiên ATM Asynchronous Transfer Mode Chế độ truyền không đồng QoS Quality of Service Chất lượng dịch vụ ToS Type of Service Kiểu dịch vụ IP Internet Protocol Giao thức Internet IPv4 IP version Giao thức Internet phiên IPv6 IP version Giao thức Internet phiên TCP Transmission Control Protocol Giao thức điều khiển truyền thông tin UDP User Datagram Protocol Giao thức Datagram người dùng SCTP Stream Control Giao thức truyền điều khiển luồng Transmission Protocol RTP Real-time Transport Protocol Giao thức truyền thời gian thực RTCP Real Time Control Giao thức điều khiển thời gian thực SNMP SIP Protocol Giao thức truyền báo hiệu SS7 mạng IP Sigtran Signalling Transport ITU-T International Telecommunication Hiệp hội viễn thông quốc tế - Bộ phận chuẩn Unionviễn thông Telecommunication Standardization Sector RAS Register Admission Status Báo hiệu đăng kí, cấp phép, thông tin trạng thái SAP Session Announcement Protocol Giao thức thông báo phiên SDP Session Description Protocol Giao thức mô tả phiên SS7 Signaling System No.7 Hệ thống báo hiệu số SSP Switch Service Point Điểm dịch vụ chuyển mạch SCP Signal Control Point Điểm điều khiển báo hiệu STP Signal Tranfer Point Điểm truyền báo hiệu MTP Message Tranfer Part Phần truyền tin TCAP Transaction Capabilities Application Part Phần ứng dụng cung cấp giao dịch TUP Telephone User Part Phần người dùng điện thoại ISUP ISDN User Part Phần người dùng ISDN ISDN Integrated Services Digital Network Mạng tích hợp dịch vụ số SCCP Signaling Connection Control Part Phần điều khiển kết nối báo hiệu M2UA MTP2 User Adapter Bộ chuyển đổi người dùng MTP2 M2PA MTP L2 Peer-to-Peer Adapter Bộ chuyển đổi tin lớp ngang hàng M3UA MTP3 User Adapter Bộ chuyển đổi người dùng MTP3 IUA ISDN User Adapter Bộ chuyển đổi người dùng ISDN SUA SCCP User Adapter Bộ chuyển đổi người dùng SCCP MỞ ĐẦU Mạng VoIP đời mạng hệ thống viễn thông xã hội Với ưu điểm vượt trội, mạng VoIP chứng tỏ sức sống tính thực tiễn cao Sự phát triển nhanh mạng VoIP đặt vấn đề nan giải việc chuẩn hóa giao thức VoIP nhiều nhà phát triển khác Mà có hai giao thức nhắc tới nhiều H.323 ITU-T SIP IETF Như tất yếu khách quan, mạng VoIP chia thành nhiều miền giao thức khác Nên vấn đề quan trọng để triển khai mạng VoIP vào thực tế phải hiểu chất giao thức sử dụng, đặc biệt giao thức báo hiệu Tuy điều kiện cần cho đời vấn đề then chốt cho tồn phát triển mạng VoIP lại vấn đề kết nối với hệ thống viễn thông vốn có Và cụ thể vấn đề kết nối mạng VoIP mạng PSTN Và hai nội dung Luân văn tốt nghiệp Trên sở nhận thức rõ quan trọng cách thức hoạt động giao thức mạng VoIP, phương pháp nghiên cứu em chủ yếu sâu nghiên cứu thông qua tài liệu quy chuẩn Giao thức VoIP (RFC IETF, tài liệu chuẩn ITU-T); đồng thời tham chiếu đến tài liệu chuyên môn sâu VoIP để làm rõ vấn đề cần giải Từ hiểu biết nghiên cứu lý thuyết sâu chuyên môn, em tham chiếu với mô hình thực tế Từ làm rõ vấn đề vướng mắc mà nghiên cứu lý thuyết chưa thể giải lảm rõ Hình 47 Quá trình thiết lập gọi PSTN – PSTN thông qua mạng SIP Trong hình vẽ mô tả hoạt động SIP việc thiết lập kết nối hai tổng đài PSTN với nhau(thường để giảm chi phí thiết lập gọi đường dài).Bên cạnh việc ánh xạ sang tin SIP cần thiết để thiết lập báo hiệu hai Gateway tin tin SIP nhúng nội dung tin SS7 Việc giúp không thông tin báo hiệu cần thiết cho việc định tuyến mạng PSTN sau 77 Chương KHẢO SÁT GIAO THỨC CUỘC GỌI VOIP SIP – PSTN TRÊN THỰC TẾ 5.1 GIỚI THIỆU VỀ KIẾN TRÚC MẠNG VOIP ĐƯỢC NGHIÊN CỨU Trước vào giới thiệu việc thiết lập gọi SIP - PSTN, ta vào giới thiệu thành mạng mà tiến hành khảo sát sau: Hình 48 Kiến trúc mạng VoIP nghiên cứu  Các thiết bị cần thiết cho mạng VoIP:  Media Gateway: thiết bị Audio Codec Mediant 1000 có giao diện mạng: o giao diện FXO kết nối với PSTN qua số thuê bao 7689333 o giao diện Ethernet kết nối với mạng nội cấp IP 172.16.0.22/24  SIP Server: đóng vai trò vừa Proxy Server, Registrar Server, Location Server Sip Server có địa IP public 221.148.96.65  SIP Phone: điện thoại Softphone có hỗ trợ giao thức SIP, đăng kí với SIP Server với số thuê bao 7004 có địa IP 172.16.0.99 78  Chương trình gọi điện thoại VoIP hỗ trợ giao thức SIP X-Lite, đăng kí với Sip Server với số thuê bao 7010 có địa IP 172.16.0.98  Các thiết bị mạng IP:  Router: cấu hình với địa IP 123.30.4.2/25 nối với ISP VDC thông qua modem ADSL  Firewall: nhằm bảo vệ mạng VoIP khởi bị công từ bên Firewall có giao diện mạng khác o Giao diện với mạng Internet với địa 123.30.4.5/25 kết nối với Router để định tuyến gói tin o Giao diện với mạng DMZ (mạng vùng biên): với dải địa 172.16.0.0/24 o Giao diện với mạng nội (được bảo vệ): với dải địa 192.168.1.0/24 (nhưng không nghiên cứu nên không vẽ mô hình)  Hub: Vì muốn bắt gói tin gửi mạng thiết bị VoIP đơn giản nên ta sử dụng Hub Vì thay Hub Switch không thực Switch thiết bị có xử lý địa MAC nên ta bắt gói tin Card mạng thiết bị 5.2 GIỚI THIỆU CHƯƠNG TRÌNH WIRESHARK Wireshark chương trình bắt gói tin mạng Nó cố gắng bắt tất gói tin hiển thị thông tin chi tiết Mục đích việc sử dụng Wireshark là:  Quản trị mạng: kiểm tra lỗi mạng  Bảo mật hệ thống: kiểm tra lỗi bảo mật  Phát triển hệ thống: gỡ rối hoạt động giao thức  Các đối tượng khác: học giao thức nội mạng 79 Hình 49 Giao diện chương trình Wireshark Wireshark có số ưu điểm sau:  Có thể chạy hệ thống UNIX Windows  Bắt tin trực tuyến card mạng  Hiện gói tin với thông tin giao thức  Có thể mở lưu lại liệu bắt  Import and Export gói tin từ nhiều chương trình khác  Lọc gói tin với nhiều tiêu chí khác  Tìm kiếm gói tin với nhiều tiêu chí  Hiển thị gói tin với màu bật dựa lọc  Tạo nhiều thống kê 5.3 KHẢO SÁT CUỘC GỌI VOIP SIP – PSTN TRÊN THỰC TẾ Ta mô tả gọi từ thuê bao SIP 7010 có IP 172.16.0.98 tới số điện thoại 0936.346.346 Có ý mô hình gọi là:  Toàn thông tin báo hiệu SIP thông tin gọi (trên luồng RTP) định tuyến thông qua SIP-Server Nên thực chất, Gateway SIP Phone có mặt nhau; công việc cần thiết thực SIP-Server 80  Việc báo hiệu SIP có số điểm khác so với chuẩn SIP định nghĩa RFC 3261 (sẽ làm rõ phần sau) Ta tiến hành bắt gói tin thu kết sau: 81 82 Hình 50 Kết thu giao thức gọi SIP – PSTN thực tế Trước vào phân tích gọi, ta đối chiếu với sơ đồ gọi mô tả giao thức gọi RFC 3666 - Session Initiation Protocol (SIP) Public Switched Telephone Network (PSTN) Call Flows 83 Hình 51 Giao thức gọi IETF định nghĩa Dựa kết qua thu được, ta phân tích vẽ lại Giao thức gọi sau: Hình 52 Quá trình thiết lập gọi SIP - PSTN 84 SIP Phone 7010 gửi tin INVITE tới SIP-Server để yêu cầu thiết lập gọi SIP-Server trả lại tin 100 Trying báo nhận tin INVITE thiết lập gọi Hình 53 Bản tin INVITE gửi tới Proxy Server để thiết lập gọi SIP-Server nhận thấy gọi PSTN nên chuyển tiếp tin INVITE tới Gateway Sau Gateway nhân tin INVITE, trả lời tin 100 Trying giống trường hợp Hình 54 Bản tin INVITE gửi từ Proxy Server tới Gateway 85 Gateway gửi tín hiệu DC tới tổng đài nội hạt thông báo nhấc máy Tổng đài nội hạt tiến hành xác thực thông tin thuê bao gửi tín hiệu mời quay số (tín hiệu 1VF – đơn tần) Khi nhận tín hiệu mời quan số, Gateway tiến hành chuyển thông tin trường To tin INVITE sang tín hiệu DTMF chứa số thuê bao gọi tới tổng đài nội hạt; thông tin khác sử dụng Gateway mạng SIP Gateway gửi tin 183 Session Progress thông báo gọi thực Hình 55 Cấu trúc tin 183 Session Progress Lúc này, tổng đài nội hạt gửi tin IAM mạng SS7 để thiết lập tuyến nối tổng đài đích Đồng thời phát tín hiệu thực gọi đến thuê bao gọi để người dùng giữ máy Sau nhận tin 183 Session Progress thuê bao SIP 7010 thiếp lập luồng RTP chiều tới SIP-Server Khi Gateway nhận tín hiệu thiết lập gọi từ tổng đài nội hạt Nó gửi tin 200 OK thiết lập luồng RTP hai chiều tới SIP Server chuyển tiếp tới thuê bao 7010 Sau nhận tin luồng RTP thiết lập trước chuyển thành hai chiều gửi tin ACK xác nhận 86 Hình 56 Cấu trúc tin 200 OK Lúc này, người sử dụng đầu cuối 7010 nghe thấy tiếng tút ngắn 10 Sau tổng đài nội hạt nhận tin ACM thông báo lập tuyến Nó nhận tín hiệu báo rung chuông từ tổng đài đích gửi chuyển tiếp cho thuê bao gọi 11 Tín hiệu Gateway gửi tới người dùng người dùng biết thuê bao gọi rung chuông 12 Khi người bị gọi nhấc máy, tin ANM gửi bắt đầu thực gọi Bây thông tin gọi “trong suốt” Hình 57 Giao thức hủy gọi SIP - PSTN 87 13 Giả sử thuê bao SIP dập máy trước, tin BYE gửi luồng RTP điều chỉnh lại theo chiều từ SIP-Server SIP-Phone Hình 58 Cấu trúc tin BYE đến Proxy Server 14 Sau nhận tin BYE, Gateway gửi tin hiệu DC tới tổng đài nội hạt để thông báo thuê bao dập máy Tổng đài gửi tin REL để hủy tuyến thiết lập trả lời tin RLC từ tổng đài đích Hình 59 Cấu trúc tin BYE đến Gateway 15 Người sử dụng nghe thấy tiếng tút ngắn biết gọi kết thúc liền dập máy Cuộc gọi hoàn tất Ở có khái niệm mà cần quan tâm khái niệm Media sớm (Early media) Media sớm đời nhằm giải vấn đề thiết lập gọi mạng SIP PSTN(đặc biệt gọi từ SIP sang PSTN) Do thiết bị đầu cuối SIP phát media gửi tin 200 OK; gọi bắt đầu thực đầu cuối nhận xác nhận ACK Điều làm cho phía bên không nghe phần đầu thoại Ngoài ra, trình thực gọi, người sử dụng cách đề biết trạng thái trình thiết lập gọi mà quen thông qua tiếng nghe (tiếng tút ngắn, tút dài, ) Chính lý đó, mà luồng RTP thiết lập “sớm” trước phiên media cho gọi thiết lập để truyền trạng thái trả tổng đài thông báo trạng thái thiết lập gọi cho người dùng Đó luồng RTP thiết lập sau 88 tin ACM mạng SS7 chứa tiếng chuông thu đường trung kế (trong giao thức gọi RFC) Khác so với gọi định nghĩa RFC trình bày trên, gọi thực đường dây thuê bao nên sử dụng báo hiệu in-band (DTMF, 1VF,…) Do đó, trình thiết lập luồng RTP không chờ nhận tin ACM mà thực sau “quay số” xong đường thuê bao Do đó, nên ta nghe thấy có hai tiếng báo hiệu từ tổng đài Thứ nhất, tiếng tút ngắn nhanh báo thực định tuyến gọi Và thứ hai, tiếng tút dài báo hiệu rung chuông thuê bao PSTN phát từ tổng đài thuê bao bị gọi đường trung kế 89 KẾT LUẬN Qua việc nghiên cứu mạng VoIP, em nhận thấy hội hướng phát triển tương lai Việc phát triển dựa công nghệ VoIP không mang tính chất kinh tế, xã hội to lớn mà hội lớn để Việt Nam có sản phầm mang tính chiến lược hoàn toàn khả thi đầu tư hướng Các giao thức VoIP đề cập tới Đồ án tốt nghiệp đầy đủ toàn diện Đồ án sâu tìm hiểu vấn đề mở rộng với nhiều góc cạch cách nhìn khác người xây dựng mạng Sau hoàn thành nội dung luận văn này, em học hỏi nhiều chắp nối tốt kiến thức học lớp mạng viễn thông, giao thức Nó giúp em phát triển phương pháp luận, cách đặt vấn đè giải vấn đề Do hạn chế thời gian, khuôn khổ luận văn kinh nghiệm thực tiễn em chưa nhiều nên không tránh khỏi sai sót nhầm lẫn Nên đóng góp thầy cô bạn không giúp luận văn em có chất lượng cao mà trang bị cho em kiến thức vững vàng nghiên cứu công tác sau Em xin chân thành cảm ơn! 90 TÀI LIỆU THAM KHẢO [ ] Alan B.Johnson SIP Understanding The Session Initiation Protocol Artech House [ ] Jonathan Davidson, James Peters, Manoj Bhatia, Satish Kalidindi, Sudipto Mukherjee Voice over IP Fundamentals, 2nd Edition Cisco Press [ ] Henry Sinnreich, Alan B Johnston Wiley Internet Communications Using SIP Delivering VoIP and Multimedia Services with Session Initiation Protocol [ ] Morgan Kaufmann Network Routing Algorithms Protocols and Architectures [ ] RFC 3261 SIP - Session Initiation Protocol [ ] RFC 3372.Session Initiation Protocol for Telephone [ ] RFC 3550 RTP: A Transport Protocol for Real-Time Applications [ ] RFC 3666 Session Initiation Protocol (SIP) Public Switched Telephone Network (PSTN) Call Flows [ ] RFC 3959 The Early Session Disposition Type for SIP [ 10 ] RFC 3960 Early Media and Ringing Tone Generation in SIP [ 11 ] RFC 4166 Telephony Signalling Transport over Stream Control Transmission Protocol (SCTP) Applicability Statement [ 12 ] RFC 4960 SCTP transport SIP 91