nghiên cứu các giao thức truyền dữ liệu ứng dụng trong hệ thống điều khiển thời gian thực

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI --- Lương Thị Thanh Hoa NGHIÊN CỨU CÁC GIAO THỨC TRUYỀN DỮ LIỆU ỨNG DỤNG TRONG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN THỜI GIAN THỰC Chuyên ngành : Kỹ thuật truyền thông K

Trang 1

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

- Lương Thị Thanh Hoa

NGHIÊN CỨU CÁC GIAO THỨC TRUYỀN DỮ LIỆU ỨNG DỤNG TRONG HỆ THỐNG ĐIỀU

KHIỂN THỜI GIAN THỰC Chuyên ngành : Kỹ thuật truyền thông (KH)

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

PGS.TS Nguyễn Văn Khang

Trang 2

HV: Lương Thị Thanh Hoa – CB110789 Trang 2

Hà Nội – Năm 2013

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN 4

THUẬT NG VIẾT TẮT 5

DANH SÁCH BẢNG 6

DANH SÁCH HÌNH VẼ 7

LỜI NÓI ĐẦU 9

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 11

1.1 Đặt vấn đề 11

1.2 Tổng quan về các vấn đề nghiên cứu 11

1.2.1 Hệ thống điều khiển thời gian thực 11

1.2.2 Các giao thức truyền dữ liệu trong hệ thống thời gian thực: 15

CHƯƠNG 2 NGHIÊN CỨU CÁC GIAO THỨC TRUYỀN D LIỆU TRONG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN THỜI GIAN THỰC 20

2.1 Quá trình truyền dữ liệu thời gian thực 20

2.2 Giao thức truyền dữ liệu 24

2.2.1 Giao thức TCP ( Transmision Control Protocol) 24

2.2.2 Giao thức UDP (User Datagram Protocol) 29

2.2.3 Định tuyến Multicast 30

2.3 Lựa chọn các giao thức truyền dữ liệu thời gian thực phù hợp 32

2.3.1 Giao thức RTP (Real Time Protocol) 32

2.3.2 Giao thức RTCP (Real Time Control Protocol) 36

2.3.3 Các bộ RTP Tranlators và RTP Mixers 41

2.4 Các giao thức truyền dữ liệu trong hệ thống điều khiển thời gian thực 43 2.4.1 Hệ thống điều khiển thời gian thực 45

2.4.2 Xử lý thời gian thực 46

CHƯƠNG 3 NGHIÊN CỨU CÁC GIAO THỨC TRUYỀN D LIỆU TRONG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TỔNG ĐÀI ASTERISK 49

Trang 3

3.1 Giới thiệu hệ thống Tổng đài Asterisk 49

3.1.1 Kiến trúc hệ thống Asterisk: 49

3.1.2 Chức năng hệ thống 50

3.2 Tham chiếu giao thức truyền dữ liệu vào mô hình OSI 52

3.2.1 Giao thức IAX (Inter-Asterisk eXchange) 54

3.2.2 Giao thức SIP (Session Initiation Protocol) 55

3.2.3 Giao thức H.323 66

3.2.4 Giao thức MGCP (Media Gateway Control Protocol): 69

3.2.5 Lựa chọn giao thức truyền dữ liệu trong hệ thống Asterisk 72

3.3 Bảo mật các giao thức truyền dữ liệu thời gian thực 73

3.3.1 Kỹ thuật bức tường lửa 73

3.3.2 Kỹ thuật NAT 74

3.3.3 Kỹ thuật VPN 75

CHƯƠNG 4 DEMO PHƯƠNG THỨC TRUYỀN D LIỆU TRONG HỆ THỐNG TỔNG ĐÀI 78

4.1 Các thiết bị thực hiện demo 78

4.1.1 Phần mềm ứng dụng: 78

4.1.2 Softphone 78

4.2 Mô hình kết nối 79

4.3 Demo giao thức truyền dữ liệu trong hệ thống tổng đài Asterisk 80

4.3.1 Demo cuộc cuộc gọi qua tổng đài Asterisk 81

4.3.2 Demo cuộc gọi sử dụng BGM 87

4.3.3 Demo giao cuộc gọi với tổng đài trả lời tự động 88

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 90

TÀI LIỆU THAM KHẢO 91

PHỤ LỤC 92

Trang 4

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là đề tài nghiên cứu của riêng tôi Các số liệu, kết quả trong luận văn là trung thực Tôi xin chịu trách nhiệm về nội dung của luận văn này trước Viện đào tạo sau đại học- Trường đại học Bách khoa Hà Nội

Người cam đoan

Lương Thị Thanh Hoa

Trang 5

ISO International Standard

Organization

Tổ chức chuẩn quốc tế

ITU-T International Telecommunication

Union-Telecommunication Standardization Sector

Tiểu an chuẩn hoá viễn thông thuộc tổ chức viễn thông quốc tế MAC Message Authentication Code Mã nhận thực ản tin

NAT Network Access Translation Biên dịch địa chỉ mạng

RFC Request for Comment Các chuẩn khuyến nghị của IETF RTP Real Time Protocol Giao thức truyền dữ liệu thời gian

thực RTCP Real Time Control Protocol Giao thức điều khiển thời gian

thực SDP Session Description Protocol Giao thức mô tả phi n

SIP Session Initiation Protocol Giao thức khởi tạo phi n

TCP Transmission Control Protocol Giao thức điều khiển truyền tải UDP User Datagram Protocol Giao thức dữ liệu đ người sử

dụng URI Uniform Resourse Indicator Chỉ thị dạng thức tài nguy n URL Uniform Resource Locator Dạng ngu n nội ộ

VPN Virtual Private Network Mạng ri ng ảo

Trang 6

DANH SÁCH BẢNG

Bảng 2-1 Bảng mã hóa dữ liệu 22

Bảng 3-1 Bảng thông số SDP 59

Bảng 3-2 Các phương thức SIP 63

Bảng 3-3 Các mã trạng thái SIP 64

Bảng 3-4 So sánh giữa SIP và H.323 67

Bảng 3-5 Các báo hiệu trong MGCP 70

Bảng 3-6 So sánh H.323 và MGCP 71

Bảng 3-7 Ứng dụng giao thức truyền dữ liệu trong hệ thống tổng đài 73

Bảng 4-1 Quá trình truyền các bản tin trong cuộc thoại 83

Bảng 4-2 Quá trình truyền bản tin khi gặp lỗi 87

Trang 7

DANH SÁCH HÌNH VẼ

Hình 1:1 Mô hình hệ thống điều khiển thời gian thực 12

Hình 1:2 Kiến trúc cơ bản của RCS-1 13

Hình 1:6 Mô hình TCP/IP 16

Hình 1:7 Mô hình OSI 18

Hình 2:1 Quá trình truyền dòng video/audio 21

Hình 2:2 Hoạt động của giao thức TCP trong việc cung cấp kết nối 25

Hình 2:3 Cấu trúc tải TCP 26

Hình 2:4 Khuôn dạng UDP Datagram 30

Hình 2:5 Truyền Multicast 30

Hình 2:6 Địa chỉ multicast 32

Hình 2:7 Mô hình tổng quát về giao thức RTP 33

Hình 2:8 Nhãn thời gian và sự đồng bộ 33

Hình 2:9 Kiểm soát quá trình phân phối dữ liệu 34

Hình 2:10 Mô hình phiên RTP 36

Hình 2:11 Hoạt động của RTCP 37

Hình 2:12 Minh hoạ việc ghép các gói RTCP vào gói UDP 40

Hình 2:13 Mô hình mạng với các bộ traslator và mixer 43

Hình 2:14 Phương pháp lập lịch (Scheduling) 47

Hình 3:1Kiến trúc của Asterisk 50

Hình 3:2 Khái quát giao thức truyền dữ liệu của Asterisk 52

Hình 3:3 Giao thức truyền dữ liệu trong mô hình OSI 53

Hình 3:4 Cấu trúc của hệ thống SIP 57

Hình 3:5 Cấu trúc bản tin SIP 64

Trang 8

Hình 3:6 Mô hình điều khiển cuộc gọi H.323 67

Hình 3:7 Quá trình thay đổi địa chỉ trong NAT 74

Hình 3:8 Client-to-LAN VPN 75

Hình 3:9 Cấu trúc L2PT 76

Hình 4:1 Điện Thoại Softphone 79

Hình 4:2 Ngữ cảnh thực hành ứng dụng 80

Hình 4:3 Flow cuộc gọi qua tổng đài Asterisk 81

Hình 4:4 Quá trình đăng ký với Server đăng ký 82

Hình 4:5 Các giao thức truyền dữ liệu trong cuộc gọi thành công 85

Hình 4:6 Các giao thức truyền dữ liệu trong cuộc gọi BGM thành công 88

Hình 4:7 Các giao thức truyền dữ liệu trong cuộc gọi Tổng đài thành công 89

Trang 9

LỜI NÓI ĐẦU

Hiện nay, điều khiển theo thời gian thực đang dần trở thành một trong những xu hướng bắt buộc trong điều khiển công nghiệp hiện đại Trong tất cả các lĩnh vực, bao g m mạng máy tính giờ đã trải rộng trên toàn cầu, với chất lượng đường truyền có chất lượng cao Ngoài ra tính bảo mật, độ tin cậy trên mạng cũng ngày càng được củng cố Những ứng dụng trên mạng đang ngày càng phong phú: trong các nhà mạng (thoại, data), trong các buổi hội thảo trực tuyến, trong đào tạo từ xa trên mạng, trong dịch vụ video/audio theo yêu cầu,

….Tuy nhi n sự phát triển của các hệ thống điều khiển thời gian thực nói chung đòi hỏi tính thời gian thực rất cao

Tại Việt Nam, các ứng dụng điều khiển thời gian thực còn đang phát triển, nhưng với nhu cầu cấp thiết của thực tế, trong thời gian tới chắc chắn các ứng dụng thời gian thực sẽ phát triển mạnh mẽ

Đây cũng là một trong những lý do chính để tôi chọn lựa đề tài: ―Nghi n cứu các giao thức truyền dữ liệu ứng dụng trong hệ thống điều khiển thời gian thực‖ với 04 chương:

Chương 1: Tổng quan: giới thiệu tổng quan các vấn đề nghiên cứu về giao

thức truyền dữ liệu thời gian thực được ứng dụng trong các hệ thống điều khiển thời gian thực

Chương 2: Nghiên cứu các giao thức truyền dữ liệu trong hệ thống điều khiển thời gian thực: tập trung nghiên cứu hoạt động và các tính năng của các

giao thức truyền dữ liệu thời thực

Chương 3: Nghiên cứu các giao thức truyền dữ liệu trong hệ thống điều khiển tổng đài Asterisk: tập trung nghiên cứu các giao thức truyền dữ liệu

trong hệ thống tổng đài, các ưu nhược điểm của các giao thức và lựa chọn giao thức truyền dữ liệu phù hợp với hệ thống tổng đài Asterisk

Trang 10

Chương 4: Demo phương thức truyền dữ liệu trong hệ thống điều khiển tổng đài: thiết lập đăng ký, thực hiện cuộc gọi tại tổng đài Asterisk, kiểm tra

flow thoại, thực hiện bắt gói, kiểm tra các giao thức truyền dữ liệu

K t luận: tóm tắt luận văn và hướng phát triển luận văn

Do điều kiện về thời gian và kiến thức hiểu biết của cá hân về lĩnh vực này còn hạn chế, nên luận văn chỉ giới hạn ở việc nghiên cứu và demo các giao thức truyền dữ liệu trong hệ thống tổng đài Asterisk

Tôi xin chân thành cảm ơn thầy giáo PGS - TS Nguyễn Văn Khang, đã tận tình giúp đỡ, tạo điều kiện thuận lợi và hiệu chỉnh cho luận văn Cảm ơn các thây giáo, cô giáo Viện Điện tử - Viễn thông và các bạn bè đã hỗ trợ tôi hoàn thành luận văn tốt nghiệp

Trang 11

C ƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1.1 Đặt vấn đề

Điều khiển theo thời gian thực đang dần trở thành một trong những xu hướng bắt buộc trong điều khiển công nghiệp hiện đại Trong những năm gần đây, các hệ thống điều khiển theo thời gian thực là một trong các lĩnh vực thu hút nhiều sự chú ý trong giới khoa học nghiên cứu về khoa học trong máy tính Trong đó, vấn đề điều hành thời gian thực và vấn đề lập lịch là đặc biệt quan trọng Một số ứng dụng quan trọng của hệ thống thời gian thực (RTS) đã và đang được ứng dụng rộng rãi hiện nay là các dây chuyền sản xuất tự động, rôbốt, điều khiển không lưu, điều khiển các thí nghiệm tự động, điều khiển trong quân sự và đặc biệt ngày càng được phát triển trong các lĩnh vực công nghệ thông tin, các nhà mạng hiện nay Hệ thống điều khiển thời gian thực

đã và đang giữ vai trò quan trọng trong sự phát triển mới

Để đáp ứng được yêu cầu càng cao về tính thời gian thực của các hệ thống, luận văn thực hiện nghiên cứu các giao thức truyền dữ liệu trong hệ thống thời gian thực

1.2 Tổng quan về các vấn đề nghiên cứu

1.2.1 Hệ thống điều khiển thời gian thực

Một hệ thống thời gian thực (RTS – Realtime Systems) có thể hiểu như một mô hình xử lý mà tính đúng đắn của hệ thống không chỉ phụ thuộc vào kết quả tính toán logic mà còn phụ thuộc vào thời gian mà kết quả này phát sinh Hệ thống thời gian thực được thiết kế nhằm cho phép trả lại các yếu tố kích thích phát sinh từ các thiết bị phần cứng trong một ràng buộc thời gian xác định Ở đây ta có thể được thiết kế nhằm cho phép trả lời lại các yếu tố kích thíchphát sinh từ các thiết bị phần cứng trong một ràng buộc thời gian xác định Ở đây ta có thể hiểu thế nào là một RTS bằng cách hiểu thế nào là một tiến trình, một công việc thời gian thực Nhìn chung, trong những RTS chỉ có một số công việc được gọi là công việc thời gian thực, các công việc này có một mức độ khẩn cấp riêng phảihoàn tất, ví dụ một tiến trình đang cố gắng điều khiển hoặt giám sát một sự kiện đang xảy ra trong thế giới thực Bởi vì mỗi sự kiện xuất hiện trong thế giới thực nên tiến trình giám sát sự kiện này phải xử lý theo kịp với những thây đổi của sự kiện này Sự thay đổi của sự kiện trong thế giới thực xảy ra rất nhanh, mỗi tiến trình giám sát sự kiện này phải thực hiện việc xử lý trong một khoản thời gian ràng buộc gọi là deadline, khoản thời gian ràng buộc này được xác định bởi thời gian bắt đầu và thời gian hoàn tất công việc Trong thực tế, các yếu tố kích thích xảy ra trong thời gian rất ngắn vào khoảng vài mili giây, thời gian mà hệ thống trả lời lại yếu

tố kích thích đó tốt nhất vào khoảng dưới một giây, thường vào khoảng vài chục mili

Trang 12

giây, khoảng thời gian này bao g m thời gian tiếp nhận kích thích, xử lý thông tin và trả lời lại kích thích Một yếu tố khác cần quan tâm trong RTS là những công việc thời gian thực này có tuần hoàn hay không ? Công việc tuần hoàn thì ràng buộc thời gian

ấn định theo từng chu kỳ xác định Công việc không tuần hoàn xảy ra với ràng buộc thời gian vào lúc bắt đầu và lúc kết thúc công việc, ràng buộc này chỉ được xác định vào lúc bắt đầu công việc Các biến cố kích hoạt công việc không tuần hoàn thường dựa trên kỹ thuật xử lý ngắt của hệ thống phần cứng

Hệ thống điều khiển thời gian thực là kiến trúc mô thông minh được phát triển hơn 30 năm trước, theo kiến trúc: ―theoretical model of the cere ellum, the portion of the rain responsi le for fine motor coordination and control of conscious motions‖ Ban đầu nó được thiết kế cho cảm giác tương tác kiểm soát mục ti u định hướng của thao tác trong phòng thí nghiệm Hơn a thập kỷ, RCS đã phát triển thành một kiến trúc điều khiển thời gian thực cho máy công cụ thông minh, hệ thống tự động hóa nhà máy, và phương tiện tự động thông minh RCS áp dụng cho nhiều lĩnh vực một loạt các ứng dụng bao g m điều khiển của các bộ phận và các công cụ của các hệ thống dây truyền, kiểm soát các máy trạm gia công…

Hình 1:1 Mô hình hệ thống điều khiển thời gian thực

Với sự phát triển của khoa học công nghệ, các hệ thống điều khiển thời gian thực phát triển trải nhiều phiên bản, cụ thể là:

- Mô hình điều khiển RCS-1: được đưa ra ởi Nico Tin ergen Mô hình điều khiển RCS-1 được xây dựng dựa trên mô hình CMAC (Cerebellar Model Arithmetic Computer.Ở mỗi cấp, các lệnh đầu vào là kết quả lựa chọn một hành vi được định hướng bởi thông tin phản h i trước đó.)

Trang 13

Hình 1:2 Kiến trúc cơ ản của RCS-1

- Mô hình điều khiển RCS-2: được phát triển bởi Barbera, Fitzgerald, Kent vào đầu những năm 1980 với mục ti u điều khiển tự động hóa sản xuất RCS-2 được

sử dụng để xác định một hệ thống phân cấp tám bao g m Servo, Coordinate Transform, E-Move, Task, Workstation, Cell, Shop, and Facility levels of control

- Mô hình điều khiển RCS-3: được thiết kế cho dự án NBS/DARPA Multiple Autonomous Undersea Vehicle(MAUV) và được chuyển cho NASA/NBS Standard Reference Model Telerobot Control System Architecture (NASREM) để phát triển trạm vũ trụ bay Telerobotic Servicer Những tính năng mới được giới thiệu trong chính RCS-3 là sự toàn cầu hóa và giao diện điều hành Sự bao g m mô hình toàn cầu hóa cung cấp cơ sở cho việc lập kế hoạch công việc và xử lý công việc dựa tr n mô hình điều khiển RCS-3

Trang 14

- Mô hình điều khiển RCS-4: RCS-4 được phát triển từ những năm 1990 ởi NIST Robot Systems Division Các khối xây dựng cơ ản được thể hiện trong hình vẽ) Các tính năng mới chính trong RCS-4 là Kiểm soát các loại chức năng cung cấp cho hệ điều hành của các hệ thống Các mô-đun VJ có quá trình tính toán chi phí, lợi ích và nguy cơ của các hành động theo kế hoạch, và giá trị nơi tr n đối tượng, vật liệu , lãnh thổ, tình huống, các sự kiện, và kết quả Đánh giá giá trị, hoặc chức năng đánh giá, là một phần thiết yếu của bất kỳ hình thức lập kế hoạch Việc áp dụng đánh giá giá trị các hệ thống điều khiển thông minh đã được giải quyết bởi George Pugh Cấu trúc và chức năng của các mô-đun VJ được phát triển hoàn toàn phát triển hơn trong Al us (1991)

Trang 15

1.2.2 Các giao thức truyền dữ liệu trong hệ thống thời gian thực:

Các giao thức truyền dữ liệu là một tập hợp các quy tắc chuẩn dành cho việc biểu diễn dữ liệu, phát tín hiệu, chứng thực và phát hiện lỗi dữ liệu - những việc cần thiết

để gửi thông tin qua các kênh truyền thông, nhờ đó mà các máy tính (và các thiết bị)

có thể kết nối và trao đổi thông tin với nhau Các giao thức truyền thông dành cho truyền thông tín hiệu số trong mạng máy tính có nhiều tính năng để đảm bảo việc trao đổi dữ liệu một cách đáng tin cậy qua một kênh truyền thông không hoàn hảo Các giao thức truyền dữ liệu được phân loại bộ giao thức TCP/IP hoặc chia theo giao thức OSI

a) Bộ giao thức TCP/IP

Bộ giao thức TCP/IP (Internet protocol suite hoặc IP suite hoặc TCP/IP protocol suite - bộ giao thức liên mạng), là một bộ các giao thức truyền thông mà Internet và hầu hết các mạng máy tính thương mại đang chạy tr n đó Bộ giao thức này được đặt tên theo hai giao thức chính của nó là TCP (Giao thức Điều khiển Giao vận)

và IP (Giao thức Liên mạng) Chúng cũng là hai giao thức đầu ti n được định nghĩa

Bộ giao thức TCP/IP có thể được coi là một tập hợp các tầng, mỗi tầng giải quyết một tập các vấn đề có li n quan đến việc truyền dữ liệu, và cung cấp cho các giao thức tầng cấp trên một dịch vụ được định nghĩa rõ ràng dựa trên việc sử dụng các dịch vụ của các tầng thấp hơn Về mặt lôgic, các tầng trên gần với người dùng hơn và làm việc với dữ liệu trừu tượng hơn, chúng dựa vào các giao thức tầng cấp dưới để biến đổi dữ liệu thành các dạng mà cuối cùng có thể được truyền đi một cách vật lý

Bộ giao thức liên mạng xuất phát từ công trình DARPA, từ những năm đầu thập niên kỷ 1970 Với nhiệm vụ là một mạng lưới truyền thông bị hạ cấp tới mức cơ ản tối thiểu, khiến việc hội nhập với các mạng lưới truyền thông khác trở nên hầu như ất khả thi, mặc dầu đặc tính của chúng là gì, và vì thế, giải đáp nan đề đầu tiên của Kahn Một câu nói cửa miệng vì thế mà TCP/IP, sản phẩm cuối cùng do những cống hiến của Cerf và Kahn, sẽ chạy tr n "đường dây nối giữa hai ống ơ rỉ", và quả nhi n nó đã được thực thi dùng các con chim b câu đưa thư (homing pigeons) Một máy vi tính được dùng là cổng nối (gateway) (sau này đổi thành bộ định tuyến (router) để tránh nhầm với những loại cổng nối khác) được thiết bị một giao diện với từng mạng lưới truyền thông, truyền tải gói dữ liệu qua lại giữa chúng

Ý tưởng này được nhóm nghiên cứu mạng lưới truyền thông của Cerf, tại Stanford, diễn giải ra tỉ mỉ, cụ thể vào khoảng thời gian trong năm 1973-1974 (Những công trình về mạng lưới truyền thông trước đó tại Xerox PARC, nơi sản sinh ra bộ

Trang 16

giao thức PARC Universal Packet, phần lớn được dùng vào thời kỳ đó, cũng gây ảnh hưởng về kỹ thuật không ít; nhiều người nhảy qua nhảy lại giữa hai cái.)

Sau đó DARPA ký hợp đ ng với BBN, Stanford, và Trường đại học chuyên nghiệp Luân Đôn (The University College London - viết tắt là UCL) kiến tạo một số phiên bản của giao thức làm việc được, trên các nền tảng phần cứng khác nhau Có bốn phiên bản đã được xây dựng—TCP v1, TCP v2 Phiên bản 3 được tách ra thành hai phần TCP v3 và IP v3, vào mùa xuân năm 1978, và sau đó ổn định hóa với phiên bản TCP/IP v4—giao thức tiêu chuẩn hiện dùng của Internet ngày nay

Vào năm 1975, cuộc thử nghiệm thông nối hai mạng lưới TCP/IP, giữa Stanford

và UCL đã được tiến hành Vào tháng 11 năm 1977, một cuộc thử nghiệm thông nối

ba mạng lưới TCP/IP, giữa Mỹ, Anh và Na-uy đã được chỉ đạo Giữa năm 1978 và

1983, một số những bản mẫu của TCP/IP đã được thiết kế tại nhiều trung tâm nghiên cứu Ngày 1 tháng 1 năm 1983, ARPANET đã hoàn toàn được chuyển hóa sang dùng TCP/IP

Vào tháng Ba năm 1982, ]Bộ Quốc Phòng Mỹ chấp thuận TCP/IP thành một tiêu chuẩn cho toàn bộ mạng lưới vi tính truyền thông quốc phòng Vào năm 1985, Uỷ ban kiến trúc Internet (Internet Architecture Board) đã dành 3 ngày hội thảo về TCP/IP cho công nghiệp điện toán, với sự tham dự của 250 đại biểu từ các công ty thương mại Cuộc hội thảo này đã làm tăng th m uy tín và sự nổi tiếng của giao thức, khiến nó ngày càng phổ biến trên thế giới

Hình 1:6 Mô hình TCP/IP

Trang 17

b) Bộ giao thức OSI (Open System Interconnection)

Mô hình OSI miêu tả một tập cố định g m 7 tầng mà một số nhà sản xuất lựa chọn và nó có thể được so sánh tương đối với bộ giao thức TCP/IP

Mô hình OSI phân chia chức năng của một giao thức ra thành một chuỗi các tầng cấp Mỗi một tầng cấp có một đặc tính là nó chỉ sử dụng chức năng của tầng dưới nó,

đ ng thời chỉ cho phép tầng trên sử dụng các chức năng của mình Một hệ thống cài đặt các giao thức bao g m một chuỗi các tầng nói tr n được gọi là "ch ng giao thức" (protocol stack) Ch ng giao thức có thể được cài đặt trên phần cứng, hoặc phần mềm, hoặc là tổ hợp của cả hai Thông thường thì chỉ có những tầng thấp hơn là được cài đặt trong phần cứng, còn những tầng khác được cài đặt trong phần mềm

Mô hình OSI này chỉ được ngành công nghiệp mạng và công nghệ thông tin tôn trọng một cách tương đối Tính năng chính của nó là quy định về giao diện giữa các tầng cấp, tức qui định đặc tả về phương pháp các tầng liên lạc với nhau Điều này có nghĩa là cho dù các tầng cấp được soạn thảo và thiết kế bởi các nhà sản xuất, hoặc công ty, khác nhau nhưng khi được lắp ráp lại, chúng sẽ làm việc một cách dung hòa (với giả thiết là các đặc tả được thấu đáo một cách đúng đắn) Trong cộng

đ ng TCP/IP, các đặc tả này thường được biết đến với cái tên RFC (Requests for Comments, dịch sát là "Đề nghị duyệt thảo và bình luận") Trong cộng đ ng OSI, chúng là các tiêu chuẩn ISO (ISO standards)

Thường thì những phần thực thi của giao thức sẽ được sắp xếp theo tầng cấp, tương tự như đặc tả của giao thức đề ra, song bên cạnh đó, có những trường hợp ngoại

lệ, còn được gọi là "đường cắt ngắn" (fast path) Trong kiến tạo "đường cắt ngắn", các giao dịch thông dụng nhất, mà hệ thống cho phép, được cài đặt như một thành phần đơn, trong đó tính năng của nhiều tầng được gộp lại làm một

Việc phân chia hợp lí các chức năng của giao thức khiến việc suy xét về chức năng và hoạt động của các ch ng giao thức dễ dàng hơn, từ đó tạo điều kiện cho việc thiết kế các ch ng giao thức tỉ mỉ, chi tiết, song có độ tin cậy cao Mỗi tầng cấp thi hành và cung cấp các dịch vụ cho tầng ngay tr n nó, đ ng thời đòi hỏi dịch vụ của tầng ngay dưới nó Như đã nói ở trên, một thực thi bao g m nhiều tầng cấp trong mô hình OSI, thường được gọi là một "ch ng giao thức" (ví dụ như ch ng giao thức TCP/IP)

Mô hình tham chiếu OSI là một cấu trúc phả hệ có 7 tầng, nó xác định các yêu cầu cho sự giao tiếp giữa hai máy tính Mô hình này đã được định nghĩa ởi Tổ chức tiêu chuẩn hoá quốc tế (International Organization for Standardization) trong tiêu

Trang 18

chuẩn số 7498-1 (ISO standard 7498-1) Mục đích của mô hình là cho phép sự tương giao (interoperability) giữa các hệ máy (platform) đa dạng được cung cấp bởi các nhà sản xuất khác nhau Mô hình cho phép tất cả các thành phần của mạng hoạt động hòa

đ ng, bất kể thành phần ấy do ai tạo dựng Vào những năm cuối thập niên 1980, ISO

đã tiến cử việc thực thi mô hình OSI như một tiêu chuẩn mạng

Tại thời điểm đó, TCP/IP đã được sử dụng phổ biến trong nhiều năm TCP/IP là nền tảng của ARPANET, và các mạng khác - là những cái được tiến hóa và trở thành Internet (Xin xem thêm RFC 871 để biết được sự khác biệt chủ yếu giữa TCP/IP và ARPANET.)

Hình 1:7 Mô hình OSI

Tổng k t: Chương 1 tập trung vào việc giới thiệu tổng quan về hệ thống điều

khiển thời gian thực với các giao thức truyền dữ liệu thời gian thực Chương 1 giới thiệu các mô hình truyền dẫn dữ liệu theo mô hình OSI và TCP/UDP, mở ra các khái

niệm để triển khai nghiên của luận văn

Trang 19

Với mục tiêu phù hợp với chuy n ngành đào tạo, luận văn thực hiện nghiên cứu các giao thức truyền dữ liệu ứng dụng trong các hệ thống điều khiển thời gian thực trong lĩnh vực viễn thông

Trang 20

C ƯƠNG 2 NGHIÊN CỨU CÁC GIAO THỨC TRUYỀN DỮ LIỆU TRONG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN THỜI GIAN

THỰC 2.1 Quá trình truyền dữ liệu thời gian thực

Có rất nhiều ứng dụng hiện nay đòi hỏi tính thời gian thực (real time) Đặc biệt là trong các dịch vụ thoại VOIP, trong truyền hình qua mạng, hội thảo trực tuyến, chat hình, chat tiếng…mỗi ứng dụng có những đặc điểm riêng của nó.Tuy nhiên, có một số điều chung nhất mà các dịch vụ này đều yêu cầu đó là việc truyền dữ liệu theo dòng (streaming) Do vậy, chúng ta sẽ bắt đầu với việc tìm hiểu về khái niệm truyền dòng Khái niệm truyền dòng có thể hiểu là khi nội dung của audio hay video được truyền tới nơi nhận, nơi nhận có thể thể hiện được ngay trong quá trình truyền mà không cần phải đợi đến khi toàn bộ nội dung video được truyền xong Cơ chế này hoàn toàn khác với cơ chế download file của các giao thức HTTP hay FTP

Truyền dữ liệu thời gian thực cho phép chúng ta thể hiện các dòng video thời gian thực mà không phụ thuộc vào độ dài của video Điều này rất có ý nghĩa khi truyền các file video có kích thước lớn hay các dòng video có độ dài không xác định Khi đó, các giao thức khác như FTP hay HTTP sẽ không thể sử dụng được

Chúng ta có thể bắt gặp rất nhiều trường hợp sử dụng cơ chế truyền dữ liệu thời gian thực như các chương trình truyền hình trực tiếp, hội thảo qua mạng Với khả năng truyền tải nội dung video, audio thông qua mạng, chúng ta có một phương pháp giao tiếp và truy nhập thông tin mới

Với góc nhìn bao quát, truyền dữ liệu thời gian thực là một phương pháp truyền thông tin liên tục, trong đó nội dung video được truyền đi theo thời gian thể hiện của nội dung video đó B n nhận khi nhận dòng thông tin nội dung video sẽ có thể thể hiện ngay nội dung của video theo thời gian Khả năng này rất có ý nghĩa đối với các loại

dữ liệu phụ thuộc thời gian như video, audio, ởi vì để đảm bảo chất lượng cảm thụ video thì phải đảm bảo được mối quan hệ về mặt thời gian giữa các khung hình

Để có thể hình dung một cách đơn giản về cơ chế truyền dữ liệu thời gian thực, chúng ta lấy một ví dụ như sau Giả thiết có hai máy được kết nối với nhau, trong đó một máy đóng vai trò là máy truyền và một máy đóng vai trò là máy nhận Bên truyền

Trang 21

được trang bị camera để thu hình giảng viên giảng bài và dữ liệu video thu được được truyền tới máy nhận Bên nhận có nhiệm vụ nhận dòng dữ liệu từ bên truyền gửi tới và thể hiện lên thiết bị ra như TV hay màn hình máy tính Khi đó với việc sử dụng cơ chế truyền dòng thời gian thực, các hình ảnh của giảng viên mà bên nhận thể hiện sẽ phản ánh một cách tức thời (về mặt lí thuyết) những gì đang xảy ra đối với giảng viên ở bên truyền Còn với các bài giảng được lưu trữ trước, truyền dòng thời gian thực sẽ đảm bảo việc thể hiện của video tương đương như khi nó được thể hiện trên máy truyền Khi đó, môi trường mạng là trong suốt đối với người sử dụng, người sử dụng có cảm giác việc thể hiện đoạn video như là được thực hiện ngay trên máy cục bộ

Truyền d dữ liệu thời gian thực đối với video hay audio phải trải qua nhiều công đoạn với từng nhiệm vụ ri ng để đi đến kết quả cuối cùng là đạt được khả năng thể hiện ngay ở bên nhận

Hình 2:1 Quá trình truyền dòng video/audio

Để có thể tìm hiểu sâu được cơ chế truyền dòng, chúng ta cần đi sâu vào quá trình mà thông tin được truyền đi thông qua môi trường mạng Bất cứ một nội dung video hay audio nào được truyền đi dưới dạng truyền dòng đều phải trải qua các ước sau:

Trang 22

Việc mã hoá video, mà cụ thể là nén video là một công đoạn không bắt buộc nhưng rất cần thiết Với các loại dữ liệu video thô như dữ liệu thu từ camera, thì việc lưu trữ hay truyền video không nén sẽ phải trả giá cao, đôi khi là điều không thể Ta lấy ví dụ với một định dạng tiêu biểu thường được sử dụng trong các ứng dụng hội nghị từ xa bằng video là định dạng CIF (Common Intermediate Format) CIF sử dụng

độ phân giải 352 pixel mỗi dòng và 288 dòng tất cả Một ảnh không nén cho một frame hình (chế độ 352x288x16bpp) chiếm 202752 byte Việc ghi video không nén với tốc độ 15 hình một giây sẽ cần xấp xỉ 3 MB một giây và nếu truyền qua mạng thì ăng thông cần thiết cho một dòng video không nén là 24 Mbps Từ ví dụ tr n đây, ta thấy việc nén video gần như là không thể thiếu được nếu các dòng video được truyền

tr n môi trường mạng tốc độ thấp Bảng sau cho biết độ nén cần thiết đối với từng môi trường mạng khác nhau:

Trang 23

Khi lấy mẫu, các mẫu phải chứa đựng đầy đủ các thụng tin dựng cho việc khôi phục lại dữ liệu video hay audio về cả mặt không gian cũng như thời gian khi ên nhận nhận được các mẫu này Với việc sử dụng một giao thức như giao thức truyền thụng thời gian thực như RTP, quá trình lấy mẫu sẽ được tiến hành tự động

Bước 3 - Truyền các mẫu qua mạng:

Việc truyền các mẫu dữ liệu video có thể được thực hiện một cách trực tiếp thông qua các giao diện của môi trường mạng như Socket hay được thực hiện thông qua một giao thức cấp cao ở tầng ứng dụng như RTP Thông thường người ta sẽ chọn giải pháp thứ hai, tức là sử dụng một giao thức truyền dòng thời gian thực cho việc truyền các mẫu nếu như giao thức đó được hỗ trợ trên nền phần cứng cũng như phần mềm

Việc sử dụng một giao thức truyền dòng thời gian thực có nhiều ưu điểm Ưu điểm thứ nhất là tính hiệu quả, ởi vì các giao thức truyền thông thời gian thực được thiết kế cho việc truyền các loại dữ liệu động, như dữ liệu video chẳng hạn, khi đó tính thời gian thực sẽ được chú trọng hơn là tính chính xác về mặt dữ liệu Ví dụ như đối với giao thức RTP, giao thức truyền thông lớp dưới thường được sử dụng là UDP (User Datagram Protocol) là giao thức với độ tin cậy thấp nhưng có tốc độ truyền dữ liệu cao hơn các giao thức với độ tin cậy cao như TCP

Ưu điểm thứ hai là các giao thức thời gian thực hỗ trợ mạnh việc đ ng ộ các dòng dữ liệu từ các ngu n khác nhau nhưng có quan hệ với nhau về mặt thời gian thực Ví dụ như đối với việc truyền âm thanh và hình ảnh của cùng một sự vật, khi đó bên nhận khi thể hiện phải đảm ảo yêu cầu là âm thanh phải phù hợp với hình ảnh Ngoài ra, các giao thức điều khiển còn cung cấp các dịch vụ cho phép quản lý các thành viên tham gia và điều khiển chất lượng của việc phân phối dữ liệu

Với việc sử dụng một giao thức truyền thông thời gian thực cho việc truyền, khi

đó các mẫu sẽ được đóng gói thành các gói tin Các gói tin sẽ mang đầy đủ các thông tin như nhãn thời gian, số thứ tự của gói tin và các thông tin khác đủ dùng cho việc khôi phục dữ liệu và đ ng ộ các dòng khi bên nhận tiến hành nhận và thể hiện nội dung của video hay audio Thông qua các giao thức lớp dưới, cỏc gói tin sẽ được truyền đi trong môi trường mạng

Bước 4 - Nhận và khôi phục dữ liệu và đồng bộ các dòng dữ liệu:

Đây là quá trình ngược với ước thứ a, được thực hiện ở ên nhận khi dữ liệu dưới dạng các gói tin được truyền đến Các gói tin được truyền đến có thể là của nhiều

Trang 24

dòng tương ứng với nhiều ngu n dữ liệu khác nhau và cũng có thể thứ tự các gói tin nhận được không giống như khi chúng được gửi đi Khi đó n nhận phải căn cứ vào các tin được ghi trong từng gói tin để có thể xác định được vị trí về mặt khung gian và thời gian của các mẫu dữ liệu mà gói tin mang theo Việc xác định được vị trí của các mẫu dữ liệu trong gói tin giúp cho việc khôi phục lại nội dung của video hay audio một cách chính xác nhất Với việc truyền các dòng đơn lẻ không có quan hệ với nhau

về mặt thời gian, thì nội dung của audio hay video vừa được khôi phục có thể đuợc sử dụng để trình diễn Còn trong trường hợp có nhiều dòng khác nhau có quan hệ với nhau về mặt thời gian thực thì cần phải đ ng ộ các dòng về mặt thời gian

Việc đ ng ộ các dòng chỉ cần thiết khi cỏc các dòngquan hệ với nhau về mặt thời gian, chẳng hạn như việc đ ng ộ hình với tiếng khi truyền video, khi đó thời gian thể hiện của các dòngphải được tính toán sao cho phự hợp với nhau Việc đ ng ộ là một công việc phức tạp, thường được thực hiện tự động ởi các giao thức truyền thông thời gian thực như RTP Khi đó, mặc dù thứ tự cỏc gói tin nhận được có thể không giống như thứ tự khi được gửi, thậm chí có một số gói tin ị mất nhưng giao thức vẫn phải đảm ảo tính đ ng ộ cho các dòng khi được thể hiện ở nơi nhận

Bước 5 - Giải nén:

Bước này sẽ tiến hành giải nén dòng video/audio với chuẩn nén được sử dụng khi nén Dữ liệu sau khi giải nộn có thể được thể hiện ra các thiết ị ra hay được ghi ra file

2.2 Giao thức truyền dữ liệu

Như đã tìm hiểu tại mục giới thiệu thì các giao thức truyền dữ liệu được phân theo bộ giap thức lớp truyền tải TCP, UDP cùng với khái niệm trueyefn đa điểm Multicast

2.2.1 Giao thức TCP ( Transmision Control Protocol)

TCP là một giao thức kiểu có liên kết (Connection – Oriented), tức là phải có

giai đoạn thiết lập liên kết giữa một cặp thực thể TCP trước khi truyền dữ liệu

Là một giao thức ở tầng giao vận TCP nhận thông tin từ các lớp trên chia nó thành nhiều đoạn nếu cần thiết Mỗi gói dữ liệu được chuyển tới giao thức lớp mạng (thường là IP) để truyền và định tuyến Bộ xử TCP của nó nhận thông áo đã nhận từng gói, nếu nó nhận thành công, các gói dữ liệu không có thông báo sẽ được truyền

Trang 25

lại TCP của nơi nhận lắp ráp lại thông tin và chuyển nó tới tầng cao hơn khi nó nhận được toàn bộ

Trước khi các gói dữ liệu được gửi tới máy đích nơi gửi và nơi nhận phải thương lượng để thiết lập một kết nối logic tạm thời Kết nối này về đặc trưng sẽ ở trạng thái

mở trong suốt phiên truyền

2.2.1.1 Đặc điểm giao thức TCP

Trong bộ giao thức TCP/IP TCP là giao thức được phát triển như là cách để kết nối các mạng máy tính khác nhau về các phương pháp truyền dẫn và hệ điều hành TCP thiết lập kết nối hai đường giữa hai hệ thống cần trao đổi thông tin với nhau, thông tin trao đổi giữa hai hệ thống được chia thành các gói TCP có những đặc điểm sau:

- Sự b t tay: Hai hệ thống cần kết nối với nhau cần phải thực hiện một loạt các sự

bắt tay để trao đổi những thông tin về việc chúng muốn kết nối Quá trình bắt tay

đảm bảo ngăn trặn sự tràn và mất mát dữ liệu khi truyền

- Xác nhận: Trong phiên truyền thông tin, hệ thống nhận dữ liệu cần phải gửi các

xác nhận cho hệ thống phát để xác nhận rằng nó đã nhận được dữ liệu

- Trật tự: Các gói tin có thể đến đích không theo thứ tự sắp xếp của dòng dữ liệu

liên tục bởi các gói tin đi từ cùng một ngu n tin theo những đường dẫn khác nhau

để đi tới cùng một đích Vì vậy thứ tự đúng của các gói tin phải được đảm bảo

sắp xếp lại tại hệ thống nhận

- Phát lại: Khi phát hiện gói tin bị lỗi thì nơi gửi chỉ phát lại những gói tin bị lỗi

Hình 2:2 Hoạt động của giao thức TCP trong việc cung cấp kết nối

Trang 26

2.2.1.2 Cấu trúc đơn vị truyền tải TCP

Đơn vị dữ liệu sử dụng trong giao thức TCP được gọi là Segment Khuôn

dạng của Segment được mô tả như sau

Hình 2:3 Cấu trúc tải TCP

Các tham số của khuôn dạng trên có ý ngh a như sau:

- Source Port (16 bits): Số hiệu của cổng

- Destination Port (16 bits): Số hiệu cổng của trạm đích Số hiệu này là địa chỉ

thâm nhập dịch vụ lớp giao vận (CCISAP Addess) cho biết dịch vụ mà TCP cung cấp là dịch vụ gì TCP có số lượng cổng trong khoảng 0216-1 tuy nhiên các cổng nằm trong khoảng từ 01023 là được biết nhiều nhất vì nó được sử dụng cho việc truy cập các dịch vụ tiêu chuẩn, ví dụ 23 là dịch vụ Telnet, 25 là dịch vụ mail

- Sequence Number (32 bits): Số hiệu của Byte đầu tiên của Segment trừ khi bit

SYN được thiết lập Nếu it SYN được thiết lập thì Sequence Number là số hiệu tuần tự khởi đầu (ISN) và Byte dữ liệu đầu tiên là ISN+1 Tham số này có vai trò như tham số N(S) trong HDLC

- Acknowledgment Number (32 bits): Số hiệu của Segment tiếp theo mà trạm

ngu n dang chờ để nhận Ngầm ý áo đã nhận tốt các Segment mà trạm trạm

Trang 27

đích đã gửi cho trạm ngu n Tham số này có vai trò như tham số N(R) trong HDLC

- Data offset (4bits): Số lượng từ 32 bit trong TCP header (Tham số này chỉ ra

vùng bắt đầu của vùng dữ liệu )

- Reserved (6 bits): Dành để dùng trong tương lai

- Control bits: Các its điều khiển Nếu tính từ trái sang phải:

+ URG : Vùng con trỏ khẩn có hiệu lực

+ ACK : Vùng báo nhận (ACK number) có hiệu lực

+ PSH: Chức năng PUSH

+ RST: Khởi động lại (reset) liên kết

+ SYN : Đ ng bộ các số liệu tuần tự (sequence number)

+ FIN : Không còn dữ liệu từ trạm ngu n

- Window (16bits): Cấp phát credit để kiểm soát lu ng dữ liệu (cơ chế cửa sổ)

Đây chính là số lượng các Byte dữ liệu bắt đầu từ Byte được chỉ ra trong vùng ACK number, mà trạm ngu n đã sẵn sàng để nhận

- Checksum (16bits): Mã kiểm soát lỗi (theo phương pháp CRC) cho toàn bộ Segment

- Urgent Pointer (16 bits) : Con trỏ này trỏ tới số liệu tuần tự của Byte đi theo sau

dữ liệu khẩn, cho phép bên nhận biết được độ dài của dữ liệu khẩn Vùng này

chỉ có hiệu lực khi it URG được thiết lập

- Option (độ dài thay đổi): Khai báo các option của TCP, trong đó có độ dài tối đa

của vùng TCP data trong một Segment

- Padding (độ dài thay đổi): Phần chèn th m vào Header để bảo đảm phần Header

luôn kết thúc ở một mốc 32 bits Phần thêm này g m toàn số 0

Việc kết hợp địa chỉ IP của một máy trạm và số cổng được sử dụng tạo thành một

Socket Các máy gửi và nhận đều có Socket riêng Số Socket là duy nhất trên mạng

2.2.1.3 Điều khiển luồng dữ liệu

Trong việc điều khiển lu ng dữ liệu phương pháp hay sử dụng là dùng phương

pháp cửa sổ trượt Phương pháp này giúp cho việc nhận lu ng dữ liệu hiệu quả hơn

Phương pháp cửa sổ trượt cho phép nới gửi (Sender) có thể gửi đi nhiều gói tin r i sau

đó mới đợi tín hiệu báo nhận ACK (Acknowledgement) của nơi nhận (Receiver).Với

phương pháp cửa sổ trượt khi cần truyền các gói tin, giao thức sẽ đặt một cửa sổ có

Trang 28

kích cố định l n các gói tin Những gói tin nào nằm trong vùng cửa sổ ở một thời điểm nhất định sẽ được truyền đi

2.2.1.4 Thiết lập và huỷ bỏ liên kết

Như ta đã iết TCP là một giao thức kiểu có li n kết, tức là cần phải có giai đoạn thiết lập một li n kết giữa một cặp thực TCP trước khi truyền dữ liệu và huỷ ỏ li n kết khi không còn nhu cầu trao đổi dữ liệu nữa

- Thiết lập liên kết TCP:

Một li n kết có thể được thiết lập theo một trong hai cách chủ động (active) và ị động (passive) Nếu li n kết được thiết lập theo cách ị động thì đầu ti n TCP tại trạm muốn thiết lập li n kết sẽ nghe và chờ y u cầu li n kết từ một trạm khác Tuỳ trường hợp của lời gọi hàm mà người sử dụng phải chỉ ra cổng y u cầu kết nối hoặc có thể kết nối với một cổng ất kỳ

Với phương thức chủ động thì người sử dụng y u cầu TCP thử thiết lập một li n kết với một Socket nào đó với một mức ưu ti n và độ an toàn nhất định Nếu trạm ở xa kia đáp lại ằng một hàm Passive open tương hợp hoặc đã gửi một active open tương hợp thì li n kết sẽ được thiết lập Nếu li n kết được thiết lập thành công thì thì hàm Open success primitive được dùng để thông áo cho người sử dụng iết (cũng được sử dụng trong trường hợp Passive Open) còn nếu thất ại thì hàm Open failure primitive được dùng để thông áo

- Huỷ bỏ một liên kết:

Khi không còn nhu cầu trao đổi dữ liệu nữa thì li n kết TCP có thể được huỷ ỏ

Li n kết có thể được huỷ ỏ theo hai cách:

Trang 29

2.2.1.5 Truyền và nhận dữ liệu

Sau khi li n kết được thiết lập giữa một cặp thực thể TCP thì có thể tiến hành việc truyền dữ liệu Với li n kết TCP dữ liệu có thể được truyền theo cả hai hướng Khi nhận được một khối dữ liệu cần chuyển đi từ người sử dụng, TCP sẽ lưu giữ

nó tại ộ đệm gửi Nếu cờ PUST được dựng thì toàn ộ dữ liệu trong ộ đệm sẽ được gửi đi hết dưới dạng các TCP Sgment Còn nếu cờ PUST không được dựng thì toàn ộ

dữ liệu vẫn được lưu giữ trong ộ đệm để chờ gửi đi khi có cơ hội thích hợp

Tại n nhận, dữ liệu gửi đến sẽ được lưu giữ trong ộ đệm nhận Nếu dữ liệu đệm được đánh dấu ởi cờ PUST thì toàn ộ dữ liệu trong ộ đệm nhận sẽ được gửi

l n cho người sử dụng Còn nếu dữ liệu không được đánh dấu với cờ PUST thì chúng vẫn được lưu trong ộ đệm Nếu dữ liệu khẩn cần phải chuyển gấp thì cờ URGENT được dùng và đánh dấu dữ liệu ằng it URG để áo rằng dữ liệu khẩn cần được chuyển gấp

2.2.2 Giao thức UDP (User Datagram Protocol)

UDP (User Datagram Protocol) là một giao thức kiểu không kết nối, được sử dụng trong một số y u cầu ứng dụng thay thế cho TCP Tương tự như giao thức IP, UDP không thực hiện các giai đoạn thiết lập và huỷ ỏ li n kết, không có các cơ chế

áo nhận (Acknowledgement) như trong TCP UDP cung cấp các dịch vụ giao vận không đáng tin cậy Dữ liệu có thể ị mất, ị lỗi hay ị truyền luẩn quẩn tr n mạng mà không hề có thông áo lỗi đến nơi gửi hoặc nơi nhận Do thực hiện ít chức năng hơn TCP n n UDP chạy nhanh hơn, nó thường được sử dụng trong các dịch vụ không đòi hỏi độ tin vậy cao Đơn vị dữ liệu dùng trong giao thúc UDP là UDP Datagram Khuôn dạng của một UDP Datagrram g m hai phần : Phần ti u đề (Header) chứa các thông tin điều khiển và phần Data chứa dữ liệu

Khuôn dạng của UDP Datagram cụ thể như hình 2.4

UDP Source Port UDPDestinationPort

Data

Trang 30

Hình 2:4 Khuôn dạng UDP Datagram

Trong đó ý nghĩa của các trường là:

- UDPSourcePort (16 bits) : Cho biết địa chỉ cổng của trạm ngu n Nếu nó không

được chỉ ra thì trường này được thiết lập là 0

- UDP Destination Port (16 bits) : Cho biết địa chỉ cổng của trạm đích

- UDP Message Length (16 bits): Cho biết kích thước của một UDP Datagram (kể

cả phần Header) Kích thước tối thiểu của một UDP Datagram là 8 Bytes (chỉ

có phần Header, không có phần dữ liệu)

- UDP Checksum (16 bits): Là mã kiểm soát lỗi theo phương pháp CRC

Lớp UDP được đặt tr n lớp IP, tức là UDP Datagram khi chuyển xuống tầng dưới sẽ được đặt vào IP Datagram để truyền tr n li n mạng IP Datagram này được ghép vào một khung tin r i được gửi tới li n mạng đến trạm đích Tại trạm đích các PDU được gửi từ dưới l n tr n, qua mỗi tầng phần Header của PDU được gỡ ỏ và

cuối cùng chỉ còn lại phần dữ liệu như an đầu được chuyển cho người sử dụng 2.2.3 Định tuy n Multicast

IP Multicast là một kỹ thuật duy trì dải thông bằng cách làm giảm lưu lượng thông qua việc phân phát đ ng thời một lu ng dữ liệu tới hang ngàn người bên nhận Các ứng dụng sử dụng ưu điểm của Multicast như là hội nghị video, truyền thông theo nhóm, lớp học từ xa, hoặc là để phân phối các phần mềm, các chỉ số chứng khoán và tin tức

Hình 2:5 Truyền Multicast

Trang 31

IP Multicast thực hiện phân phối ngu n thông tin tới rất nhiều các bên nhận mà không cần them bất thông tin gì vào trong ngu n hay các bên nhận trong khi chỉ sử dụng một mức dải thông tối thiểu Các gói multicast được tái tạo lại bên trong các Router mà đã kích hoạt khả năng PIM (Protocol Independent Multicast) và các giao thức hỗ trợ multicast khác đưa đến kết quả là nó tạo ra khả năng phát chuyển dữ liệu tới nhiều thành viên một cách hiệu quả nhất Tất cả mọi con đường đều yêu cầu ngu n phải gửi nhiều hơn một bản copy của dữ liệu Một vài cách thì yêu cầu ngu n gửi cho mỗi một bên nhận một bản copy độc lập Nếu như có hang ngàn n nhận, việc sử dụng IP Multicast là rất có lợi Với các ứng dụng yêu cầu ăng thông cao như là MPEG video, thì nó có thể yêu cầu một phần lớn dải thông đường truyền cho một

lu ng đơn Trong những ứng dụng này, cách duy nhất để gửi dữ liệu tới hang ngàn đích một cách đ ng thời là sử dụng IP Multicast Hình dưới đây sẽ cho chúng ta biết làm thế nào mà một ngu n gửi dữ liệu tới nhiều đích sử dụng IP Multicast

2.2.3.1 Khái niệm nhóm Multicast

Multicast dựa trên khái niệm của nhóm Một nhóm tuỳ ý của các bên nhận biểu diễn một sự quan tâm đến việc nhận một lu ng dữ liệu Nhóm này không có bất cứ một ranh giới rõ rang về mặt vật lý hay địa lý Các thành viên (hosts) của nhóm này có thể nằm ở bất cứ nơi nào tr n Internet Các thành vi n này có cùng sở thích là nhận một lu ng dữ liệu phát tới một nhóm đơn mà để nhận được lu ng thông tin này thì buộc phải tham gia vào nhóm sử dụng giao thức IGMP Các máy này phải là thành viên của nhóm thì mới nhận được lu ng dữ liệu mà họ quan tâm

Trang 32

Hình 2:6 Địa chỉ multicast

Bốn ít đầu tiên chứa 1110 và xác định đây là địa chỉ multicast Phần còn lại, 28

it, xác định nhóm multicast cụ thể Không còn cấu trúc nào nữa trong nhóm các bit

Cụ thể, vùng group không được phân chia thành các it để xác định ngu n gốc hay đơn vị sở hữu của nhóm, nó cũng không chứa thông tin quản trị như là các thành viên của nhóm có ở trên một mạng vật lý không

2.3 Lựa chọn các giao thức truyền dữ liệu thời gian thực phù hợp

Việc lựa chọn giao thức phù hợp với việc truyền dữ liệu thời gian thực là tối quan trọng cho các ứng dụng truyền dữ liệu thời gian thực Như tr n, chúng ta đã thấy được, việc truyền thông đa phương tiện, thời gian thực đòi hỏi sự có mặt của một giao thức mới, dựa tr n cơ sở giao thức UDP Đó chính là giao thức RTP Trong phần này

ta sẽ tìm hiểu những điều tổng quan nhất về giao thức này

2.3.1 Giao thức RTP (Real Time Protocol)

2.3.1.1 Giới thiệu giao thức

RTP là một giao thức chuẩn dùng cho việc truyền các dữ liệu thời gian thực như

video, audio Nó có thể được sử dụng trong media-on-demand cũng như trong các dịch

vụ tương tác khác như điện thoại internet…giao thức RTP bao g m hai phần, dữ liệu

và điều khiển (RTCP)

Trang 33

Hình 2:7 Mô hình tổng quát về giao thức RTP

Giao thức RTP (Real-time transport protocol), cung cấp các hàm phục vụ việc truyền tải dữ liệu ―end to end‖ cho các ứng dụng thời gian thực, qua các mạng multicast hay qua mạng unicast Các dịch vụ này bao g m:

- Sự phân loại tải: payload type identification

Trang 34

Hình 2:9 Kiểm soát quá trình phân phối dữ liệu

Để hỗ trợ cho RTP là giao thức điều khiển RTCP Giao thức này nhằm đảm bảo cho việc truyền dữ liệu, cho phép theo dõi được quá trình truyền tải trên một mạng multicast Ngoài ra nó còn cung cấp các dịch vụ cac chức năng điều khiển và nhận dạng Cả RTP và RTCP đều được thiết kế để có thể cài đặt một cách độc lập với các giao thức lớp mạng và lớp giao vận

Các ứng dụng RTP hoạt động phía trên của ch ng giao thức UDP, với vai trò điều chế và cung cấp các dịch vụ kiểm soát lỗi Tuy nhi n RTP cũng có thể sử dụng kết hợp với các ch ng giao thức dưới lớp mạng hay dưới lớp giao vận RTP hộ trợ truyền tải dữ liệu tới đa điểm theo cơ chế Mutilcast

RTP bản thân nó không hề cung cấp một cơ chế nào nhằm đảm bảo về mặt thời gian, cũng như sự đảm bảo về chất lượng dịch vụ(QoS) của các ứng dụng thời gian thực Nhưng điều này vẫn được đảm bảo dựa trên các dịch vụ lớp dưới

Cũng như vậy RTP không đảm bảo độ tin cậy hay thứ tự của các gói tin Nhưng các cơ chế đảm bảo độ tin cậy và việc đảm bảo thứ tự các gói tin nhận được sẽ được đảm bảo dưới các cơ chế của lớp mạng Số thứ tự được đánh trong khung RTP cho phép bên nhận có thể khôi phục lại thứ tự gói phía gởi, nhưng có thể nó cũng được dùng để định vị gói tin như trong quá trình giải mã tín hiệu Video Khi đó thì việc giải

mã tín hiệu Video theo thứ tự là không nhất thiết

Tuy mục đích đầu tiên của giao thức RTP là nhằm đảm bảo cho các ứng dụng multimedia conference Tuy nhiên các ứng dụng truyền dòng, các chương trình mô phỏng phân tán, các ứng dụng trong điều khiển, đo lường cũng nhanh chóng tìm thấy

sự ứng của RTP

Khi đề cập đến giao thức RTP là chúng ta đề cập đến hai vấn đề:

Trang 35

- Giao thức truyền tải thời gian thực (real-time transport protocol): Với chức năng truyền tải các dữ liệu có thuộc tính thời gian thực

- Giao thức điều khiển RCTP: Với chức năng giám sát chất lượng dịch vụ và truyền các thông tin về những phiên truyền RTCP giúp cho việc điều khiển các phiên

2.3.1.2 Các thành phần cơ bản của giao thức RTP

- RTP payload: Đây là phần dữ liệu được truyền trong các gói RTP Đây có thể là

các mẫu tín hiệu thoại hoặc dữ liệu Video đã được nén Việc phân định dạng dữ liệu (được chỉ định bởi phần payload type) sẽ được để cập đến ở phần sau

- RTP packet: Là gói dữ liệu RTP, bao g m phần cố định RTP header, phần danh

sách các ngu n phân tán (có thể rỗng), phần RTP payload Một số giao thức tầng dưới có thể yêu cầu phải đóng gói lại các gói RTP Thông thường 1 gói lớp dưới chứa 1 gói RTP Tuy nhi n cũng có trường hợp nhiều gói RTP được đóng vào một gói, điều này hoàn toàn phụ thuộc cách đóng gói của lớp dưới

- RTCP packet: Đây là gói tin điều khiển RTCP, có phần ti u đề cố định gần

giống gói RTP Tiếp theo đến phần có cấu trúc, dạng của cấu trúc sẽ tuỳ thuộc vào loại gói RTCP Thông thường một số gói RTCP sẽ được ghép chung trong một gói của lớp dưới Điều này có thể thực hiện được do các gói RCTP có phần

ti u đề cố định

- Port: Cổng địa chỉ UDP được sử dụng Đây là khái niệm trừu tượng mà các giao

thức truyền tải sử dụng để phân biệt các phiên truyền Với giao thức TCP/IP nó

là số nguy n dương 16Bit Khái niệm Port tương đương với khái niệm TSEL (transport selectors) trong mô hình OSI RTP dựa tr n các cơ chế tương tự sự phân cổng được cung cấp bởi giao thức lớp dưới để gởi đ ng thời các gói dữ liệu RTP và gói tin điều khiển RTCP trong mỗi phiên truyền

- Transport address: Địa chỉ này phục vụ cho việc vận chuyển dữ liệu Nó là sự

kết hợp giữa địa chỉ mạng và các cổng được định nghĩa ở tầng giao vận Ví dụ như sự kết hợp giữa địa chỉ IP với một cổng UDP nhất định Các gói tin sẽ được truyền từ địa chỉ Transport address ngu n tới địa chỉ Transport address đích

- RTP media type: Đây là một tập các loại tải có cùng một số tính chất được

mang trong phiên truyền RTP Trong hội thảo đa phương tiện ta có thể có hai loại

RTP media type là video-MPEG2 và audio-PCMA Cụ thể hơn về các loại RTP

được trình bày trong phụ lục 3

- RTP session: Một phiên RTP có thể có sự tham gia của một tập các thành viên

cùng trao đổi thông tin Mỗi thành vi n được xác định dựa trên cặp địa chỉ ngu n

Trang 36

(một dùng truyền gói RTP, một dùng truyền gói RCTP) Cặp địa chỉ đích có thể

là chung cho tất cả các thành viên còn lại (trong trường hợp truyền đa điểm multicast ) hoặc riêng biệt cho từng thành vi n(trong trường hợp truyền điểm điểm unicast) Trong một phiên truyền Mutilmedia, các tín hiệu thành phần (video/audio) được truyền theo một cặp cổng riêng

Hình 2:10 Mô hình phiên RTP

2.3.2 Giao thức RTCP (Real Time Control Protocol)

Như ta đã iết, giao thức RTP bản thân nó không có cơ chế bảo đảm gói tin có thể đến đích theo đúng thứ tự, đúng thời gian Do vậy để có thể điều khiển việc vận chuyển các gói RTP trên mạng cần có thêm một giao thức hỗ trợ Đó chính là giao thức điều khiển RTP, hay còn được gọi tắt là RTCP Đây là một phần rất quan trọng trong chùm giao thức RTP

2.3.2.1 Chức năng hoạt động RTCP

Giao thức này dùng để điều khiển các gói mang tin trong phiên truyền của mỗi thành vi n, được phân phối theo cùng cơ chế như các gói mang tin Các giao thức lớp dưới phải đảm bảo các gói mang dữ liệu RTP và các gói mang thông tin điều khiển RTCP được truyền trên 2 cổng UDP khác nhau Thường thì các gói mang thông tin điều khiển đi qua cổng lẻ, các gói dữ liệu đi qua cổng chẵn

Trang 37

Hình 2:11 Hoạt động của RTCP

Giao thức RTCP được sử dụng với một số chức năng sau:

- Cung cấp các thông tin phản h i về chất lượng của đường truyền dữ liệu

+ Đây là một phần không thể thiếu được với vai trò là một giao thức giao vận,

nó li n quan đến các hàm điều khiển lu ng (flow control) và kiểm soát sự tắc nghẽn (congestion control) Chức năng này được thực hiện dựa trên các bản tin thông báo từ phía người gởi và phía người nhận

+ Thông tin h i đáp có thể được sử dụng trực tiếp cho việc điều khiển việc thay đổi phương pháp mã hoá (adaptive encoding) Trong trường hợp truyền IP multicasrt, thì các thông tin h i tiếp từ phía người nhận là tối quan trọng cho việc chuẩn đoán các sự cố xảy ra trong quá trình truyền

+ Ngoài ra, việc các bản tin phản h i từ phía người nhận đến tất cả các thành viên khác giúp cho mỗi thành viên có thể quan sát lỗi và đánh giá xem lỗi xảy

ra với mình là lỗi cục bộ hay là lỗi trên toàn mạng

+ Với cơ chế truyền IP multicast, có thể cần đến một thực thể đóng vai trò của nhà cung cấp dịch vụ, nhận các thông tin phản h i Thực thể này đóng vai trò bên thứ 3, quan sát và phân tích các vấn đề xảy ra

- RTCP mang một thông tin định danh ở lớp vận chuyển gọi là CNAME (canonical name) Thông tin này giúp ta định danh một ngu n phát RTP(tương ứng với 1 thành viên tham gia hội thảo)

Trang 38

+ Trong 1 phiên truyền RTP, khi giá trị của SSRC của phía phát thay đổi có thể gây ra xung đột sẽ đòi hỏi thiết lập lại kết nối Do đó phía nhận cần sử dụng CNAME để duy trì kết nối tới từng thành viên

+ Ngoài ra, việc CNAME có thể xác định được từng thành viên, giúp cho bên nhận có thể phân chia những lu ng tin nhận được thành từng tập tương ứng với từng người gởi Ví dụ, xác định một cặp tín hiệu video/audieo của cùng một người gởi (vì 2 lu ng này có định danh SSRC khác nhau) Điều này giúp cho việc đ ng bộ tín hiệu audio với tín hiệu video

+ Việc đ ng bộ nội cho từng lu ng tín hiệu (video hoặc audio) được thực hiện dựa trên các thông tin về số thứ tự, nhãn thời gian gắn trên các gói RTP và RTCP của bên gởi

+ Hai chức năng tr n đòi hỏi tất cả các thành vi n đều phải gởi đi các gói RTCP

Do vậy, trong trường hợp có một số lượng lớn người cùng tham gia hội thảo, đòi hỏi phải có sự điều chỉnh tốc độ cho phù hợp để dành tài nguyên cho các gói RTP Dựa vào việc mỗi thành viên gởi gói tin điều khiển của mình tới tất

cả các thành viên khác, mỗi thành viên có thể độc lập quan sát số lượng người tham gia

- Chức năng tuỳ chọn

+ Cho phép tuỳ chọn các chức năng, giúp giảm tối đa các việc truyền các thông

tin điều khiển Điều này rất hữu ích trong các phiên truyền "loosely controlled", các thành viên có thể tham gia và rời bỏ mà không điều khiển

quan hệ tới các thành viên khác

+ Ví dụ, một thành viên chỉ cần nghe các thông tin chuyển tới, như một RTCP Server Nó có thể sử dụng một kênh thích hợp kết nối với tất cả các thành

vi n, nhưng nó không cần sử dụng tất cả các chức năng của một ứng dụng

Ba chức năng đầu n n được cài đặt trong mọi môi trường hoạt động, đặc biệt là trong môi trường IP multicast Những nhà thiết kế ứng dụng RTP n n tránh các cơ chế

mà chỉ sử dụng được trong môi trường unicast, không tương thích với số người dùng lớn Việc truyền tải RTCP có thể được điều khiển khác nhau giữa người nhận và người gởi, trong trường hợp sử dụng đường truyền đơn hướng

Trang 39

2.3.2.2 Các loại gói tin RTCP

Chúng ta sẽ đề cập đến nhiều loại gói tin RTCP tương ứng với những loại thông tin điều khiển khác nhau:

- SR (Sender report): Bản tin phía gởi, dùng để thông tin về trạng thái truyền và nhận của phía gởi tin

- RR (Receiver report): Bản tin người nhận, dùng để thông tin về trạng thái nhận của phía nhận tin

- SDES (Source description items): Thông tin mô các về ngu n gởi, bao g m cả CNAME

- BYE: Dùng khi thành vi n nào đó thoát khỏi hội thảo

- APP (Application specific functions): Xác định các chức năng phụ thuộc vào từng ứng dụng cụ thể

Mỗi gói tin RTCP được bắt đầu với phần ti u đề cố định tương tự như của gói tin RTP, tiếp theo là các thành phần cấu trúc, chúng có thể có chiều dài biến đổi tuỳ thuộc vào loại của gói tin, nhưng phải giới hạn trong 32-bit

Sự chuẩn hoá và các trường có chiều dài cố định trong mỗi gói RTCP làm cho chúng có thể được lưu trong ngăn xếp Nhiều gói RTCP có thể được kết nối với nhau thành gói ghép (compound packet ), mà không cần sử dụng dấu phân cách giữa các gói RTCP, khi đưa chúng xuống đóng gói ở các lớp dưới Ví dụ như đóng trong các gói UDP

Mỗi gói RTCP trong gói ghép có thể được xử lý một cách độc lập, không cần dựa vào thứ tự hoặc sự kết hợp giữa các gói Tuy nhi n để thực hiện được điều này thì ta phải thiết lập một số ràng buộc:

- Các thông báo trạng thái (trong RS hoặc RR) phải được gởi đi định một cách thường xuyên nhất có thể, điều này cho phép để cập nhật các thông tin trạng thái Trong mỗi gói ghép RTCP, phải có 1 gói mang bản tin (RS hoặc RR)

- Một người nhận mới cần nhận được giá trị CNAME càng sớm càng tốt Điều này giúp cho việc định danh ngu n gởi, từ đó có thể thực hiện đ ng bộ giữa các thành phần (video/audio) Do vậy trong mỗi gói ghép RTCP cần phải có gói SDES chứa CNAME

- Số các kiểu gói có thể chứa trong phần đầu tiên của gói ghép Để giới hạn sự gia tăng của các hằng số định kiểu, giá trị này được chứa trong 2 Byte

Trang 40

Mỗi gói tin RTCP phải được gởi trong một gói ghép chứa được ít nhất 1 bộ các gói RTCP riêng lẻ được chỉ ra sau đây:

- Encryption prefix: tiền tố của phần mã mật

+ Trường này chỉ được sử dụng khi gói tin được mã hoá theo phương thức mã mật được đề cập ở phần sau Đây là một chuỗi 32-bit truyền kèm theo mỗi gói ghép Nếu trường đệm (padding) được truyền theo mã mật thì nó sẽ được thêm vào ở gói cuối cùng trong gói ghép

- SR hoặc RR:

+ Gói RTCP đầu tiên trong gói ghép luôn là gói report packet, để xác định hiệu

lực của phần header Sự kiện này phải luôn được đảm bảo Nếu trong trường hợp không có dữ liệu được gởi hay nhận thì RR rỗng sẽ được gởi, thậm chí trong trường hợp trong gói ghép chỉ chứa 1 gói BYTE

- Additional RRs:

+ Khi số ngu n gởi các thông tin trạng thái vượt quá 31 (giá trị tối đa mà SR

hoặc RR có thể chứa), khi đó gói RR sẽ được thêm vào sau gói report packet

khởi tạo

- SDES:

+ Một gói SDES có chứa CNAME Phải được thêm vào mỗi gói RTCP ghép Còn một số các thông số về ngu n phát khác có thể được lựa chọn, tuỳ thuộc vào từng ứng dụng cụ thể

Định dạng
Số trang	96
Dung lượng	1,95 MB