NGHIÊN cứu GIAO THỨC TRONG MẠNG VOIP

BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG CAO ĐẲNG KỸ THUẬT CAO THẮNG KHOA ĐIỆN TỬ - TIN HỌC NGHIÊN CỨU GIAO THỨC TRONG MẠNG VOIP GVHD: BÙI THỊ KIM CHI SVTH: NGUYỄN ĐỖ ANH VIỆT LỚP: CĐĐTVT 06B Giới Thiệu Tổng Quan Về VOIP • Đầu năm 1995 công ty VOCALTEC đưa thị trường sản phẩm phần mềm thực thoại qua Internet giới Tháng năm 1996, VOLCALTEC kết hợp với DIALOGIC tung thị trường sản phẩm kết nối mạng PSTN Internet • Voice over Internet Protocol (VoIP) công nghệ cho phép truyền thoại sử dụng giao thức mạng IP, sở hạ tầng sẵn có mạng Internet VoIP công nghệ viễn thông quan tâm không nhà khai thác, nhà sản xuất mà với người sử dụng dịch vụ VoIP vừa thực gọi thoại mạng điện thoại kênh truyền thống (PSTN) đồng thời truyền liệu sở mạng truyền liệu Như vậy, tận dụng sức mạnh phát triển vượt bậc mạng IP vốn sử dụng để truyền liệu thông thường • 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 • 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 Đây hai nội dung Luân văn tốt nghiệp • VoIP Server: chức Server mạng VoIP tùy thuộc vào giao thức báo hiệu sử dụng Nhưng mô hình chung VoIP Server thực chức sau: – Định tuyến tin báo hiệu mạng VoIP – Đăng kí, xác thực người sử dụng – Dịch địa mạng • IP Phone (hay gọi SoftPhone): thiết bị giao diện đầu cuối phía người dùng với mạng VoIP Cấu tạo IP Phone gồm hai thành phần chính: – Thành phần báo hiệu mạng VoIP: báo hiệu H.323 sử dụng giao thức TCP hay SIP sử dụng UDP TCP làm giao thức truyền tải Mô hình kiến trúc tổng quan mạng VoIP – Thành phần truyền tải media: sử dụng RTP để truyền luồng media với chất lượng thời gian thực điều khiển theo giao thức RTCP CÁC GIAO THỨC TRUYỀN TẢI TRONG VOIP 2.1 Giao thức IP • Giao thức mạng IP thiết kế để liên kết mạng máy tính sử dụng phương pháp truyền thông nhận liệu dạng gói Giao thức IP cho phép truyền gói liệu từ điểm nguồn tới điểm đích có địa cố định Đơn vị liệu trao đổi gói liệu Các chức thực IP là: – Đánh địa chỉ: tất host mạng liên mạng cung cấp địa IP Theo giao thức IP version 4, địa IP gồm 32bit chia làm lớp A,B,C,D,E Các lớp A,B,C sử dụng để định danh host mạng Lớp sử dụng cho trình truyền đa điểm lớp E để dự phòng – Định tuyến: giúp xác định đường (tuyến)cho gói tin truyền mạng Nó giúp lựa chọn đường tối ưu cho gói liệu Nếu hai host cần liên lạc không nằm subnet bảng định tuyến sử dụng để định việc chuyển liệu định tuyến thường xuyên trao đổi cập nhật thông tin bảng định tuyến tùy thuộc vào phương pháp định tuyến sử dụng – Truyền đa điểm: Hiện có ba cách truyền gói IP là: • Truyền điểm đích (unicast): gói tin truyền từ host nguồn đến host đích • Truyền quảng bá: gói tin truyền đến tất host mạng • Truyền đa điểm: gói tin gửi đến số host định mạng 2.2 Giao thức IPV4 • Version: độ rộng bit mô tả phiên • • • • IP IP Header Length(IHL): có độ rộng bit, xác định độ rộng phần tiêu đề gói tin IP Type of Service: có độ rộng bit, xác định tham số dịch vụ sử dụng truyền gói tin qua mạng Được mô tả cụ thể sau: – Quyền ưu tiên (3 bit) – Độ trễ D (1 bit) • D=0: độ trễ bình thường • D=1: độ trễ cao – Thông lượng T (1bit) • T=0: thông lượng bình thường • T=1: thông lượng cao – Độ tin cậy (1bit): • R=0: độ tin cậy bình thường • R=1: độ tin cậy cao Total Length (16bit): xác định độ dài gói tin kể phần tiêu đề Có giá trị tối đa 65535 byte Indentification: với trường địa nguồn, đích dùng để định danh cho gói tin khoảng thời gian tồn • Flag : có độ rộng bit, độ phân đoạn gói tin • • • • • • • • • – Bit 0: – Bit (DF): • DF=0: có phân đoạn • DF=1: không phân đoạn – Bit (DF): • DF=0: mảnh cuối • DF=1: mảnh cuối Fragment Offset: độ rộng 13 bit, rõ vị trí phân mảnh gói tin tính theo đơn vị 64bit Time to Live: độ rộng bit, quy định thời gian tồn gói tin Protocol: độ rộng bit, xác định giao thức tầng giao vận Ví dụ – Protocol = 6: giao thức TCP – Protocol=17: giao thức UDP Header Checksum: độ rộng 16 bit, mã kiểm tra CRC-16 phần tiêu đề cho phát hiệnlỗi Source Address: độ rộng 32 bit, xác định địa nguồn Destination Address: độ rộng 32 bit, xác định địa đích Option: có độ dài thay đổi để lưu thông tin tùy biến người dùng Padding: có độ dài thay đổi, đảm bảo độ dài header bội 32 bit Data: có độ dài tối đa 65535 byte chứa liệu lớp cao 2.3 Giao thức IPV6 • • • • • • • Version: có giá trị với IPv6 Traffic Class: độ dài bit, xác định độ ưu tiên Flow Label: độ dài 20bit, xác định gói liệu ưu tiên đường truyền có xảy tranh chấp, thường sử dụng cho dịch vụ đòi hỏi chất lượng dịch vụ cao hay thời gian thực Payload Length: độ dài 16 bit, xác định độ dài phần liệu không tính phần tiêu đề Hop Limit: độ dài bit, giống trường Time to Live IPv4 Source Address Destination Address giống IPv4 có độ dài 128bit Data: có độ dài tối đa 65535 byte 2.3 Giao thức TCP/IP • Giao thức TCP giao thức điều khiển truyền thông hướng kết nối có độ tin cậy cao TCP cung cấp dịch vụ sau: – Thiết lập liên kết: TCP giao thức hướng kết nối, trước gửi liệu cần thiết lập trước đường truyền Liên kết thiết lập phải đảm bảo tính xác độ tin cậy, liên kết không đủ độ tin cậy bị huỷ bỏ thiết lập lại Khi trình truyền tin hoàn thành kết nối giải phóng – Cung cấp đường truyền hai chiều (song công - full duplex) – Đảm bảo độ tin cậy: Giao thức TCP cung cấp tham số kiểm tra với số thứ tự (Sequence number), xác nhận (ACKnowledge ) kiểm tra lỗi tổng (Checksum) Các segment đánh số tuần tự, cách làm nhằm mục đích loại bỏ segment bị trùng lặp hay không yêu cầu Tại bên thu, nhận segment thực việc kiểm tra nhờ trường checksum Nếu segment nhận không lỗi hay lặp, tín hiệu ACK gửi trả lại bên phát để khẳng định liệu nhận tốt Ngược lại segment nhận bị lỗi hay bị trùng lặp segment loại bỏ bên thu gửi tin hiệu yêu cầu bên phát phát lại segment bị lỗi đó, chế đảm bảo tính xác độ tin cậy cho liệu – Cung cấp dịch vụ (chức năng) kiểm tra đường truyền, cho phép điều khiển luồng điều khiển tắc nghẽn • • • Source Port: độ dài 16 bit, xác định số hiệu cổng trạm nguồn Destination Port: độ dài 16 bit, xác định số hiệu cổng trạm đích Sequence Number: độ dài 32 bit Số hiệu byte segment từ bit SYN thiết lập Nếu bit SYN thiết lập Sequence Number số hiệu khởi đầu (ISN) byte liệu ISN+1 • ACK Number: độ dài 32 bit, xác định số hiệu segment mà trạm nguồn chờ xác nhận • Data Offset: độ dài bit, xác định vị trí bắt đầu khối liệu lớp đơn vị liệu TCP • Control bit: – URG: vùng Urgent Pointer có hiệu lực – ACK: vùng ACK có hiệu lực – PSH: chức Push – RST: khởi động lại liên kết – SYN: đồng hóa số hiệu – FIN: không số liệu từ trạm cuối • • • Window: Cho biết số byte mà bên nhận mong muốn nhận từ tin Checksum: mã CRC-16 Urgent Pointer: trỏ trỏ tới số hiệu byte sau liệu khẩn, cho bên nhận biết độ dài liệu khẩn Vùng có hiệu lực bit URG thiết lập • Option: có độ dài thay đổi, khai báo lựa chọn TCP có độ dài tối đa vùng liệu đơn vị liệu segment • Padding: đảm bảo phần tiêu đề TCP kết thúc bit 32 • TCP data: chứa liệu lớp có giá trị tối đa 536 byte Giá trị thay đổi nhờ khai báo Option Bản tin Tên đầy đủ Ý nghĩa IAM Initial Address Sử dụng để thiết lập gọi Bản tin thường chứa số thuê bao bị gọi ACM Address Complete Thông báo gọi thiết lập ANM Answer Phía bị gọi có tín hiệu trả lời REL Release Cuộc gọi bị hủy Cũng sử dụng kiểu tin để thông báo tổng đài tandem tổng đài đích thiết lập kết nối RLC Resume Phục hồi trạng thái gọi dừng trước đó.SUS RES dùng cấu trúc tin tham số FOT Forward Transfer INR Information Request Yêu cầu thông tin từ phía tổng đài đích tới tổng đài nguồn để lấy thêm thông tin INR Information Request Yêu cầu thông tin từ phía tổng đài đích tới tổng đài nguồn để lấy thêm thông tin INF Information Cung cấp thông tin yêu cầu INR COT Continuity Test Dùng để kiểm tra tính liên tục đường trunk CPG Call Process Đang rung chuông thuê bao bị gọi SUS Suspend Dừng gọi kết nối giữ 4.2.2 Các bước thiết lập gọi mạng SS7 Người gọi nhấc ống nghe, nhận biết tổng đài địa phương A nhờ báo hiệu chiều Tổng đài A phát tín hiệu mời quay số Người gọi quay số Vì số thuê bao bị gọi không nằm tổng đài A, nên phải xác định cách để thiết lập gọi thông qua bảng định tuyến Thông tin bảng định tuyến cho phép xác định kênh rỗi cho phép thiết lập gọi Tổng đài gửi tin IAM qua mạng SS7 tới tổng đài có chứa thuê bao người bị gọi Khi tổng đài B nhận tin IAM, gửi tin ACM tới tổng đài A thông báo tuyến sẵn sàng để A phát tín hiệu cho người gọi biết Đồng thời, B phát tín hiệu rung chuông tới thuê bao bị gọi Khi thuê bao bị gọi nhấc máy, tin ANM gửi từ tổng đài B tới A để thông báo bắt đầu gọi Cuộc gọi thực Với trình này, thông tin suốt Giả sử người gọi dập máy trước, tổng đài A nhận báo hiệu gửi tin REL tới tổng đài B để chấm dứt gọi Tổng đài B gửi tín hiệu kết thúc gọi tới thuê bao bị gọi tin RLC tới tổng đài A để thông báo việc hủy gọi xong 4.3 Giao thức SIGTRAN • Giao thức SIGTRAN giao thức tin cậy để truyền tải tin SS7 qua mạng IP Cấu trúc gồm thành phần : giao thức truyền tải chung cho lớp giao thức SS7 module tương thích để giả lập lớp thấp giao thức Ví dụ module xử lí SS7 Softswitch xử lí tin MTP lớp 3, giao thức sigtran cung cấp chức tương đương với chức MTP lớp Nếu xử lí mức ISUP SCCP, giao thức sigtran cung cấp chức giống MTP lớp lớp 3, tương tự TCAP Do SIGTRAN tập giao thức để giả lập (thực adaptation) SS7 mạng IP • Giao thức SIGTRAN cung cấp tất chức cần thiết để hỗ trợ cho báo hiệu SS7 qua mạng IP, bao gồm: – Điều khiển luồng – Phân phối tin luồng điều khiển độc lập – Xác định điểm báo hiệu nguồn đích – Xác định kênh thoại – Phát lỗi, truyền lại thủ tục sửa sai khác – Khôi phục lại thành phần nằm đường chuyển tiếp – Điều khiển tránh nghẽn Internet – Xác định trạng thái thực thể mạng (đang phục vụ, ngừng phục vụ) – Hỗ trợ chế bảo mật để bảo vệ thông tin báo hiệu – Mở rộng khả hỗ trợ bảo mật yêu cầu phát triền sau 4.3.1 M2UA M2PA • M2UA M2PA để truyền tin lớp Trong đó, M2UA (MTP L2 User Adapter) để truyền tin lớp hai thực thể không ngang hàng mạng (giữa Media Gateway Controller hay Softswitch với Signalling Gateway); M2PA (MTP L2 Peerto-Peer Adapter) hai thực thể ngang hàng với (giữa hai signaling gateway với nhau) 4.3.2 M3UA • M3UA dùng để truyền tải tin báo hiệu user MTP3 ISUP, TUP, SCCP IP sử dụng SCTP Các tin TCAP hay RANAP giao thức lớp SCCP truyền băng SCCP sử dụng M3UA hay giao thức SIGTRAN khác gọi SUA • M3UA sử dụng Gateway báo hiệu MGC hay sở liệu điện thoại IP Gateway báo hiệu kết cuối MTP2, MTP3 phân phối ISUP, TUP, SCCP hay tin lớp MTP3 khác • Các lớp ISUP hay SCCP điểm báo hiệu IP không nhận thấy dịch vụ MTP3 Tương tự MTP3 GW báo hiệu không nhận thấy giao thức người sử dụng thực chất phần giao thức xa lớp M3UA Từ ta thấy chất M3UA M3UA mở rộng truy cập dịch vụ GW báo hiệu cho điểm báo hiệu IP 4.3.3 SUA • SUA (SCCP User Adaptation Layer) giao thức định nghĩa IETF để truyền tải tin báo hiệu SS7 SCCP phần user qua mạng IP sử dụng giao thức SCTP • Để chuyển tải dịch vụ hướng kết nối, SCCP SUA giao tiếp SG để liên kết phiên kết nối cần cho truyền liệu hướng kết nối điểm báo hiệu SS7 IP • endpoint • SUA sử dụng để chuyển tải thông tin user SCCP trực tiếp IP endpoints qua SG SG cần để kết nối với báo hiệu SS7 mạng chuyển mạch kênh 4.4 Kết nối mạng VOIP với PSTN 4.4.1 Cuộc gọi mạng VoIP (SIP) kết thúc PSTN • • • • • • Quá trình thiết lập gọi SIP-PSTN • SIP User Agent gửi tin INVITE tới Gateway yêu cầu kết nối với thuê bao PSTN Gateway trả lời tin 100 Trying sau khởi tạo tin SS7 IAM tới mạng PSTN để lập tuyến tới thuê bao bị gọi Chú ý việc gửi tin 100 Trying thực trước gửi tin IAM, điều phụ thuộc vào việc cấu hình Gateway Mạng PSTN trả tin ACM sau xác định địa thuê bao bị gọi Bản tin SS7 chuyển thành tin SIP 183 Session Progress Để báo thuê bao bị được rung chuông đây, mạng SIP trọn cách an toàn truyền nguyên trạng thái tín hiệu nhận Gateway đến thuê bao SIP Việc cho phép báo hiệu xác trạng thái diễn đề phòng có trục trặc lúc thực kết nối với PSTN Thông tin truyền luồng RTP chiều – biểu diễn hình vẽ Khi thuê bao bị gọi nhấc máy, tin SS7 ANM gửi Bản chuyển thành tin 200OK báo hiệu cổng Gateway sẵn sàng cho gọi Sau thuê bao SIP trả lời tin ACK luồng RTP thiết lập chiều Gateway SIP User Agent truyền tải tín hiệu thoại Gateway nhận từ tổng đài mạng PSTN Giả sử thuê bao SIP dập máy trước, gửi tin BYE tới Gateway để giải phóng gọi Gateway gửi tin REL tới tổng đài PSTN để hủy kết nối Sau Gateway gửi tin 200 OK nhận tin RLC, gọi thức chấm dứt 4.4.2 Cuộc gọi bắt đầu PSTN kết thúc mạng VOIP • Thông tin báo hiệu chuyển đổi tương đương tin SS7 SIP Để thông báo trạng thái rung chuông mình, thuê bao SIP gửi trả tin 180 Ringing tới Gateway Bản tin tương ứng với tin SS7 ACM Khi đó, Gateway gửi tín hiệu thoại chiều mô tả trạng thái thuê bao bị gọi tới thuê bao gọi Việc có tác dụng lớn việc đảm bảo thông tin trạng thái thiết lập đường truyền kiểm soát thuê bao gọi Quá trình thiết lập gọi PSTN SIP 4.4.3 Cuộc gọi PSTN thông qua mạng VOIP • 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 4.4.4 Khảo sát gọi VOIP SIP-PSTN thực tế • • • • • • • •  Các thiết bị cần thiết cho mạng VoIP: Media Gateway: thiết bị Audio Codec Mediant 1000 có giao diện mạng: – giao diện FXO kết nối với PSTN qua số thuê bao 7689333 – 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 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 – Giao diện với mạng Internet với địa 123.30.4.5/25 kết nối với Router để định tuyến gói tin – Giao diện với mạng DMZ (mạng vùng biên): với dải địa 172.16.0.0/24 – 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 Ta dùng trương trình Wireshark tiến hành bắt gói tin thu kết sau: Quá trình thiết lập gọi SIPPSTN 10 11 12 13 14 15 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 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 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 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 Lúc này, người sử dụng đầu cuối 7010 nghe thấy tiếng tút ngắn 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 Tín hiệu Gateway gửi tới người dùng người dùng biết thuê bao gọi rung chuông Khi người bị gọi nhấc máy, tin ANM gửi bắt đầu thực gọi Bây thông tin gọi “trong suốt” Giả sử thuê bao SIP dập máy trước, tin BYE gửi luồng RTP điều chỉnh lại theo chiều từ SIP-Server SIP-Phone 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 Người sử dụng nghe thấy tiếng tút ngắn ... theo giao thức RTCP CÁC GIAO THỨC TRUYỀN TẢI TRONG VOIP 2.1 Giao thức IP • Giao thức mạng IP thiết kế để liên kết mạng máy tính sử dụng phương pháp truyền thông nhận liệu dạng gói Giao thức IP... thể vấn đề kết nối mạng VoIP mạng PSTN Đây hai nội dung Luân văn tốt nghiệp • VoIP Server: chức Server mạng VoIP tùy thuộc vào giao thức báo hiệu sử dụng Nhưng mô hình chung VoIP Server thực chức... liệu thông thường • 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 • Mạng VoIP chia thành nhiều miền giao thức khác Nên vấn