DSpace at VNU: Xây dựng hệ thống hội nghị truyền hình chất lượng cao trên mạng IP

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ -oOo - Bùi Thanh Quang XÂY DỰNG HỆ THỐNG HỘI NGHỊ TRUYỀN HÌNH CHẤT LƢỢNG CAO TRÊN MẠNG IP Ngành: Công nghệ điện tử viễn thông Chuyên ngành: Kỹ thuật vô tuyến điện tử thông tin liên lạc Mã số: 2.07.00 LUẬN VĂN THẠC SỸ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: GS TSKH Huỳnh Hữu Tuệ Hà Nội - 2006 LỜI NÓI ĐẦU Mấy năm trở lại báo chí phương tiện truyền thơng đại chúng đề cập đến nhiều khái niệm siêu lộ thông tin, mạng LAN, mạng WAN, Internet, đào tạo từ xa, khám bệnh từ xa Tất khái niệm gắn kết với loại hình dịch vụ hội nghị truyền hình Hội nghị truyền hình loại hình dịch vụ multimedia tương tác mạng ATM, ISDN, LAN, WAN, Internet v.v… Hệ thống hội nghị truyền hình cho phép trao đổi thơng tin khách hàng với khách hàng, khách hàng với nhóm khách hàng, nhóm khách hàng với nhóm khách hàng khác, thông tin trao đổi không văn mà kết hợp hình ảnh âm (tiếng nói) theo thời gian thực Trước việc giảm chi phí lại động lực kích thích chủ yếu để công ty sử dụng hệ thống hội nghị truyền hình (HNTH), nhiên đến người ta nhận thấy hệ thống hội nghị truyền hình (HNTH) hệ thống có tính chiến lược làm tăng sức mạnh cạnh tranh cho công ty, yếu tố sống để phát triển bền vững xã hội thơng tin Vì Hội nghị truyền hình ngày ứng dụng rộng rãi kinh doanh, nghiên cứu khoa học, quân sự, y tế giáo dục Với tính hữu dụng HNTH đến trở thành nhu cầu thiết yếu sống, khơng riêng phủ, tổ chức, cơng ty sử dụng mà trở thành nhu cầu phổ biến cá nhân gia đình Cơng nghệ phần mềm truyền dẫn hệ thống HNTH cần băng thông lớn đảm bảo chất lượng Vì HNTH triển khai mạng ATM ISDN thường phải thuê kênh riêng lĩnh vực y tế nên giá thành chi phí cho hệ thống HNTH cao Còn hệ thống HNTH Internet băng thông hạn chế nên đáp ứng dịch vụ với chất lượng thấp Để đảm bảo chất lượng cao cho HNTH mạng IP cần phải giải nhiều khó khăn giao thức truyền theo thời gian thực, truyền video với băng thông nhỏ, tránh tắc nghẽn hệ thống có số lượng lớn v.v…Tuy nhiên hệ thống sử dụng mạng IP có chi phí thấp, thân thiện với người sử dụng, phù hợp với xu phát triển mạng viễn thông khai thác mạng dịch vụ sử dụng IP làm tảng truyền dẫn cho loại dịch vụ tương lai Kết hợp với thành tựu công nghệ nén video phát triển vượt bậc cơng nghệ phần cứng giải khó khăn Từ đưa đề xuất “Xây dựng hệ thống hội nghị truyền hình chất lượng cao mạng IP” Nhằm giải vấn đề khó khăn thực xây dựng hệ thống hội nghị truyền hình mạng IP Luận văn chia thành chương Chƣơng Trình bày giao thức mạng IP, phương thức truyền tải mạng IP Chƣơng Trình bày kỹ thuật nén âm Chƣơng Trình bày kỹ thuật nén video Chƣơng Trình bày QoS, phương pháp đảm bảo QoS cho hội nghị truyền hình mạng IP Chƣơng Trình bày Các hệ thống hội nghị truyền hình Chƣơng Xây dựng hệ thống hội nghị truyền hình – Trung tâm nhiệt đới Việt - Nga Phụ lục Kết đo kiểm hệ thống giao ban truyền hình CHƢƠNG1 BỘ GIAO THỨC TRÊN MẠNG IP Mạng IP mạng chuyển mạch gói hoạt động dựa giao thức TCP/IP Mạng Internet sử dụng giao thức coi tảng cho việc xây dựng mạng truyền thơng tích hợp cho thoại liệu Ngoài để đảm bảo việc cung cấp dịch vụ multimedia mạng IP dựa họ giao thức H323 ITU SIP IETF (Internet Engineering Task Force) H323 ITU thiết kế để chạy mạng chuyển mạch gói nên không tối ưu cho mạng IP Giao thức SIP IETF phát triển để sử dụng cho riêng mạng IP Do tích hợp hồn tồn với họ giao thức IP nên có số ưu so với H323 chạy IP 1.1 TCP/IP 1.1.1 Giới thiệu TCP/IP Họ giao thức TCP/IP phát triển từ năm 1970 hai tác giả Vint Cerf Robert Kahn, ban đầu tồn với giao thức NCP (Network Control Protocol) tới năm 1983 TCP/IP thay hoàn toàn giao thức NCP TCP/IP kết hợp hai giao thức điều khiển truyền TCP (Transmission Control Protocol) giao thức Internet (Internet Protocol) TCP/IP chế truyền thông liệu chủ yếu mà nhờ Internet phát triển nhanh chóng Tuy nhiên thực tế, TCP/IP không đơn kết hợp hai giao thức mà bao hàm tất giao thức họ TCP/IP – hệ thống phần mềm cung cấp dịch vụ mạng Có số ưu điểm TCP/IP sau: Giao thức chuẩn mở không giới hạn sẵn sàng phát triển độc lập với phần cứng hệ điều hành Do hỗ trợ nhiều nhà cung cấp TCP/IP lý tưởng cho việc hợp phần cứng phần mềm khác nhau, truyền thông Internet Sự độc lập rành mạch với phần cứng vật lý mạng cho phép TCP/IP hợp mạng khác TCP/IP chạy mạng Ethernet, mạng Token ring, mạng quay số (Dial-up line), mạng X.25 mạng ảo môi trường vật lý truyền thông Một sơ đồ địa dùng chung cho phép thiết bị TCP/IP có địa mạng mạng tồn cầu Internet Hỗ trợ mơ hình client-server, mơ hình mạng bình đẳng, hỗ trợ kỹ thuật dẫn đường động Kiến trúc TCP/IP: Kiến trúc phân tầng TCP/IP tuân theo nguyên tắc phân tầng mơ hình tham chiếu OSI TCP/IP phân thành tầng tương ứng với mơ hình OSI sau: Các ứng dụng dịch vụ Lớp ứng dụng Lớp trình bày Lớp phiên TCP UDP Lớp truyền tải IP Lớp mạng Lớp Lớp Hình 1.1 So sánh TCP/IP mơ hình OSI Từ hình 1.1 ta thấy: mẫu TCP/IP kết hợp hai lớp vật lý liên kết liệu OSI thành lớp riêng: lớp truy nhập mạng (Network Access), chức lớp mạng OSI nói chung thực lớp Internet TCP/IP Chức hai lớp Transport OSI TCP/IP nói chung tương tự nhau, chúng cung cấp liên lạc end-to-end đáng tin cậy qua mạng khác Trong kiến trúc TCP/IP, nhà thiết kế đưa thêm vào giao thức gói liệu người sử dụng UDP Ba lớp: Application, Presentation, Session lớp OSI kết hợp thành lớp Application TCP/IP Điều cho phép tạo lớp Application TCP/IP rộng ứng dụng thực tế 1.1.2 Giao thức IP Giao thức IP (Internet Protocol) giao thức quan trọng quản lý việc chuyển gói liệu mạng, đảm bảo gói liệu chuyển đến đích Nhiệm vụ giao thức IP đánh địa gói liệu thơng tin đầu cuối quản lý trình xử lý gói liệu Giao thức IP có định nghĩa hình thức cách bố trí gói liệu phần khuôn dạng phần Header chứa đựng thơng tin gói liệu IP đảm nhiệm việc định đường truyền để xác định gói liệu phải đến đâu có khả điều chỉnh đường truyền trường hợp có trục trặc Một mục đích quan trọng IP làm việc với việc phân phối khơng tin cậy gói liệu Sự không tin cậy trường hợp có nghĩa việc phân phối gói liệu khơng bảo đảm, trễ đường truyền, đường truyền, bị sai hỏng trình phân chia lắp ráp mảnh thông báo Nếu giao thức IP khơng có chức điều khiển truyền liệu đáng tin cậy khơng thể đảm bảo gói liệu truyền đến nơi nhận cách xác IP khơng có phần kiểm tra Checksum cho nội dung liệu mà có Checksum cho phần thông tin header Việc kiểm tra điều khiển truyền mơ hình lớp đảm nhiệm Một phần IP định nghĩa Gateway quản lý gói liệu nào, tạo thông báo lỗi làm để giải vấn đề nảy sinh User progra m User progra m User progra m TCP User progra m Ứng dung UDP ICMP IP ARR Network device IGMP RAR P Truyền tải Mạng Giao diện mạng Physical Media Hình 1.2 kiến trúc giao thức TCP/IP Giao thức IP cho phép gói liệu có kích thước tối đa 65535 bytes, kích thước lớn để mạng xử lý được, phải có q trình phân mảnh lắp ráp lại thông tin (Fragmentation & Reasembly Process): phân mảnh để truyền lắp ráp lại nơi nhận IP có khả tách gói liệu lớn thành gói liệu nhỏ cần thiết Khi gói liệu tách từ thông báo lớn đến đích đếm thời gian cho việc xếp gói liệu thành thơng báo ban đầu khởi động lớp IP máy nhận Nếu đếm thời gian đạt đến giá trị định trước mà chưa nhận hết gói liệu cần thiết tất gói liệu nhận bị huỷ tồn Nhờ thơng tin phần header IP mà máy nhận biết thứ tự gói xếp Một hậu trình phân mảnh thơng tin gói bị phân mảnh đến chậm thơng báo khơng bị phân mảnh, phần lớn ứng dụng thường tránh kỹ thuật phân mảnh thơng tin (đây đặc điểm quan trọng cho việc ứng dụng IP ATM: việc truyền thông tin ATM thực chất truyền tế bào có kích thước nhỏ) IP giao thức phi kết nối (Connectionless), nghĩa khơng quan tâm đến việc gói liệu chuyển qua nút đường truyền, chí khơng quan tâm đến máy gửi nhận gói liệu Các thơng tin chứa phần header, q trình phân tích chuyển gói liệu khơng phải phân tích địa IP nơi gửi địa nơi nhận Phiên IP (IPv4) quản lý việc đánh địa gói liệu địa Internet 32 bit, giao thức giao vận dùng địa bit Phiên IP (IPv6) quản lý header lớn nhiều, kích thước địa tăng lên 128 bit Đơn vị liệu dùng giao thức IP Internet Datagram hay IP Datagram Datagram Một Datagram chia làm hai phần bản: header phần chứa liệu cần truyền (data) Datagram header Datagram Data Dạng gói Ipv4 (Ip version 4) sở: Version Internet Header length Identification TTL (Time-To-Live) Type of service Length 20bytes Flag Protocol Source IP address Destination IP address Options Data Fragment offset Header Checksum heade r Hình 1.3: Trình bày gói liệu IPv4 Phần Header ( 20 bytes) bao gồm: + Version : bit, chứa số hiệu phiên IP + Internet Header Length (IHL): chiều dài tổng cộng header IPv4 + Type of service (TOS): dùng để rõ mức dịch vụ mà gói liệu IP cần trao (8 bit) + Total length: chiều dài tổng cộng gói liệu IP kể phần header, đơn vị tính byte (16 bit) + Flag: dùng điều khiển phân đoạn (3 bit) + Identification: giá trị ấn định nơi gửi IP IP để trợ giúp việc lắp ráp lại gói bị phân đoạn, trường Source IP address Destination IP address để định danh IP mạng (16 bit) + Fragment offset: cho biết vị trí đoạn (sau datagram bị phân đoạn) datagram, đơn vị tính 64 bit, (8 byte) + Time-to-live: thời gian tồn mạng datagram, tránh trường hợp tồn lâu mạng gây tắc nghẽn, đơn vị tính giây (8bit) + Protocol: cho biết giao thức tầng nhận liệu trạm đích, giao thức tầng IP thường TCP hay UDP, (8bit) + Header Checksum: chiếm 16 bit, mã kiểm soát lỗi 16 bit theo phương pháp CRC (Cyclic Redundance Code) cho vùng header để phát lỗi Datagram, ví dụ như: truyền không địa + Source IP address Destination IP address: cho biết địa nơi gửi nơi nhận Datagram, trường 32 bit liên mạng, địa trạm nguồn trạm đích + Options: trường khơng có, dùng để khai báo option mà người sử dụng u cầu, chiều dài phụ thuộc vào option lựa chọn + Data: vùng chứa liệu datagram, kích thước vùng thay đổi phụ thuộc vào lượng liệu chứa datagram Kích thước tối đa trường 65535 bytes có giá trị bội số * Sự phân mảnh IP (IP Fragmentation): Trong truyền qua internetwork nột gói liệu IP bị phân mảnh Sự phân mảnh xảy hai nơi: + Host nguồn: IP nhận yêu cầu chuyển gói liệu tới Host đích, kiểm tra gói, tổng số liệu gói lớn đơn vị truyền lớn (Maximum Transmission Unit: MTU – kích thước lớn gói mạng) gói liệu phân mảnh thành số gói liệu nhỏ + Trong định đường (Router): router kết nối với mạng mang kích thước gói khác khởi tạo phân mảnh gói khởi tạo Nếu router nhận gói liệu IP lớn để định đường vào mạng mà mạng khơng gói liệu lớn router phải chia gói thành số gói liệu IP riêng biệt nhỏ để truyền Mặt khác, router hay xảy tắc nghẽn nên không đảm bảo QoS Sau bị phân mảnh, gói liệu khơng ráp lại tới host đích, mặt khác lại tạo gói liệu phụ nên lại phải có q trình xử lý phụ làm giảm tính mạng Hơn nữa, giao thức IP không tin cậy nên mảnh bị gói liệu ban đầu không khôi phục phải truyền lại Đây khuyết điểm lớn IP, khuyết điểm nên IP không hỗ trợ cho QoS * Quá trình gửi nhận datagram: + Đối với IP trạm nguồn, nhận hàm Primitive Send (hàm nguyên thủy yêu cầu gửi liệu) tầng trên, : - Tạo datagram dựa tham số Primitive Send - Tính checksum ghép vào phần header datagram - Ra định chọn đường - Chuyển datagram xuống tầng để truyền qua mạng + Khi gateway nhận datagram, sẽ: - Tính checksum, khơng có lợi loại bỏ datagram - Giảm thời gian sống (TTL) datagram, TTL hết loại bỏ datagram - Ra định chọn đường (Nếu thấy cần thiết phân mảnh gói) - Sửa đổi header - Chuyển gói xuống tầng để truyền qua mạng + Khi nhận datagram, IP trạm đích thực hiện: ... dựng hệ thống hội nghị truyền hình chất lượng cao mạng IP Nhằm giải vấn đề khó khăn thực xây dựng hệ thống hội nghị truyền hình mạng IP Luận văn chia thành chương Chƣơng Trình bày giao thức mạng. .. hệ thống hội nghị truyền hình Chƣơng Xây dựng hệ thống hội nghị truyền hình – Trung tâm nhiệt đới Việt - Nga Phụ lục Kết đo kiểm hệ thống giao ban truyền hình CHƢƠNG1 BỘ GIAO THỨC TRÊN MẠNG IP. .. hình dịch vụ hội nghị truyền hình Hội nghị truyền hình loại hình dịch vụ multimedia tương tác mạng ATM, ISDN, LAN, WAN, Internet v.v… Hệ thống hội nghị truyền hình cho phép trao đổi thơng tin