Nghiên cứu, áp dụng phân hệ đa phương tiện IP trong mạng Viễn thông Việt Nam

Nghiên cứu, áp dụng phân hệ đa phương tiện IP trong mạng Viễn thông Việt Nam Nguyễn Ngọc Cương Trường Đại học Quốc gia Hà Nội; Trường Đại học Công nghệ Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử; Mã số: 60 52 70 Cán bộ hướng dẫn khoa học: TS. Nguyễn Quốc Tuấn Năm bảo vệ: 2012

Nghiên cứu, áp dụng phân hệ đa phương tiện IP trong mạng Viễn thông Việt Nam Nguyễn Ngọc Cương Trường Đại học Quốc gia Hà Nội; Trường Đại học Công nghệ Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử; Mã số: 60 52 70 Cán bộ hướng dẫn khoa học: TS. Nguyễn Quốc Tuấn Năm bảo vệ: 2012 Abstract. Chương 1: Xu hướng hội tụ mạng viễn thông, lợi ích mà IMS mang lại, tiến trình chuẩn hóa IMS của 3GPP. Phần tiếp theo nghiên cứu về các yêu cầu kỹ thuật trong hệ thống mạng và kiến trúc IMS, các khối chức năng, các thực thể liên quan trong kiến trúc IMS. Chương 2: Nghiên cứu khái quát các giao thức sử dụng phổ biến như: SIP, Diameter, COPS, Megaco/H.248 và phân tích từng bước hoạt động của phân hệ IMS trong việc thiết lập và điều khiển các phiên dịch vụ trong IMS. Chương 3: Phân tích hiện trạng mạng viễn thông Việt Nam hiện nay và tình hình triển khai IMS của VNPT cũng như mô hình các dịch vụ IMS, từ đó xây dựng và mô phỏng mô hình dịch vụ IMS. Keywords: Kỹ thuật truyền thông; Mạng truyền thông; Hệ đa phương tiện; Viễn thông Content. LỜI NÓI ĐẦU Chính sự phát triển với tốc độ chóng mặt của các dịch vụ đa phương tiện với yêu cầu về băng thông và chất lượng dịch vụ cao đã mở ra một kỷ nguyên mới trong lĩnh vực công nghệ viễn thông. Cùng với đó, sự phát triển nhanh chóng của các mạng di động và cố định, các mạng truyền dẫn qua vệ tinh đã làm nảy sinh các ý tưởng về khả năng hội tụ các mạng này. Đó là khởi nguồn để phân hệ đa truyền thông IP IMS ra đời và phát triển. Các nhà khai thác viễn thông lớn ở Việt nam như VNPT, Vietel đang từng bước triển khai các công nghệ này vào mạng của mình. Luận văn gồm có 3 chương: Chương 1: Nghiên cứu kiến trúc IMS Chương 2: Một số giao thức cơ bản và xử lý luồng trong IMS Chương 3 Báo hiệu SIP trong IMS Do nội dung kiến thức của đề tài rất mới, khả năng còn hạn chế nên luận văn này chắc chắn không tránh khỏi những thiếu sót. Tác giả rất mong nhận được sự chỉ bảo góp ý của các thầy cô giáo và đồng nghiệp để đề tài được hoàn thiện và được áp dụng vào thực tế mang lại hiệu quả cao. Chương 1 Nghiên cứu kiến trúc IMS 1.1 Xu hướng hội tụ mạng viễn thông Từ tình hình mạng viễn thông hiện nay và sự bùng nổ về nhu cầu dịch vụ băng rộng, việc xây dựng một mạng cung cấp đa loại hình dịch vụ tốc độ cao băng thông lớn là vấn đề tất yếu của các nhà khai thác mạng. Tổ chức chuẩn hóa viễn thông đã nghiên cứu và đưa ra mô hình mạng hội tụ có khả năng cung cấp dịch vụ đa phương tiện cho người dùng trong khi đó giá thành và thời gian xây dựng mạng là rẻ nhất và nhanh nhất đó chính là mạng IMS/NGN. Hình 1.1 Kiến trúc IMS hỗ trợ sự hội tụ thiết bị truyền thông 1.2 Quá trình chuẩn hóa IMS của 3GPP IMS được định nghĩa như sau: “IMS là kiến trúc toàn cầu, độc lập với truy nhập; điều khiển dịch vụ và kết nối dựa trên giao thức IP. Kiến trúc này cho phép cung cấp nhiều loại dịch vụ đa phương tiện tới người dùng thông qua các giao thức thông dụng trên Internet”. 1.3 Kiến trúc IMS Kiến trúc của một hệ thống IMS được chia thành bốn lớp bao gồm: Lớp ứng dụng , lớp điều khiển, lớp kết nối, lớp quản lý Hình 1.2 Mô hình kiến trúc IMS Hình 1.3 Kiến trúc IMS của 3GPP * IMS của một số tổ chức tiêu chuẩn khác Bên cạnh 3GPP, các tổ chức khác như IETF, ITU-T, ARIB, ETSI… và các công ty điện tử- viễn thông như NEC, MOTOROLA, SIEMEN…cũng nghiên cứu và đưa ra các chuẩn của mình 1.4 Các khối chức năng cơ bản trong mạng lõi IMS 1.4.1 Các phần tử cơ sở dữ liệu 1.4.1.1 HSS (Home Subcriber Server) Máy chủ quản lý thuê bao thường trú HSS có thể xem như là một cải tiến của bộ đăng ký định vị thường trú HLR và AuC trong mạng GSM. HSS là một cơ sở dữ liệu lưu trữ thông tin của tất cả thuê bao và những thông tin dịch vụ liên quan đến thuê bao. Nó chứa đựng các thông tin như nhận dạng người dùng, tên của S-CSCF gán cho người dùng, hồ sơ chuyển vùng, thông số chứng thực cũng như thông tin về dịch vụ thuê bao. 1.4.1.2 SLF (Subscription Locator Function) Trong trường hợp có nhiều HSS trong cùng một mạng, chức năng định vị SLF sẽ được thiết lập nhằm xác định HSS nào đang chứa hồ sơ của người dùng tương ứng. 1.4.2 Các phần tử điều khiển IMS Chức năng điều khiển cuộc gọi CSCF có 3 loại: Proxy-CSCF (P-CSCF), Serving-CSCF (S- CSCF) và Interrogating-CSCF (I-CSCF). Mỗi CSCF có chức năng riêng. Chức năng chung của CSCF là tham gia trong suốt quá trình đăng ký và thiết lập phiên giữa các thực thể IMS. Hơn nữa, những thành phần này còn có chức năng gửi dữ liệu tính cước đến Server tính cước. 1.4.2.1 P-CSCF (Proxy-CSCF) P-CSCF đóng vai trò như một máy chủ SIP, là điểm đầu tiên liên lạc giữa đầu cuối IMS và mạng IMS. Nó có thể được đặt ở mạng khách (trong toàn bộ mạng IMS) hoặc mạng chủ. Một vài mạng có thể sử dụng thiết bị kiểm soát biên giới phiên SBC (Session Border Controller) để thực hiện chức năng này. Để kết nối với hệ thống IMS, người dùng trước tiên phải gửi đăng ký tới P-CSCF trong mạng mà nó đang kết nối. 1.4.2.2 I-CSCF (Interrogating-CSCF ) I-CSCF là một máy chủ SIP khác được đặt ở biên của miền quản trị. Các chức năng của I-CSCF bao gồm: + Định tuyến bản tin yêu cầu SIP nhận được từ một mạng khác đến S-CSCF tương ứng 1.4.2.3 S-CSCF (Serving-CSCF) S-CSCF là một nút trung tâm của hệ thống báo hiệu IMS. S-CSCF vận hành giống như một máy chủ SIP nhưng nó cũng bao hàm cả chức năng quản lý phiên dịch vụ. Thêm vào việc thực hiện chức năng là một máy chủ SIP thì nó cũng đóng vai trò như một trung tâm đăng ký SIP. Điều này có nghĩa là nó duy trì mối liên hệ giữa vị trí của người dùng (nói cách khác là địa chỉ IP của thiết bị đầu cuối mà người dùng đăng nhập) với địa chỉ SIP của người dùng đó (cũng được biết đến như là định danh chung của người dùng). 1.4.3 Các phần tử điều khiển kết nối liên mạng 1.4.3.1 MGCF (Media Gateway Control Function) MGCF là thành phần cổng nối của PSTN hay CS và mạng IMS. Nút này có nhiệm vụ quản lý các cổng đa phương tiện, tương tác với S-CSCF để quản lý các cuộc gọi trên kênh đa phương tiện. Nó thực hiện chuyển đổi giao thức và ánh xạ SIP thành ISUP hoặc BICC. Ngoài ra, MGCF còn điều khiển nguồn tài nguyên trong MGW. 1.4.3.2 BGCF (Breakout Gateway Control Function) Chức năng điều khiển cổng chuyển mạng (BGCF) có nhiệm vụ lựa chọn mạng PSTN hoặc mạng chuyển mạch kênh (CSN) mà lưu lượng trong IMS sẽ được định tuyến sang 1.4.3.3 SGW (Signalling gateway function) SGW (cổng báo hiệu) chức năng được sử dụng để kết nối các mạng báo hiệu khác nhau ví dụ mạng báo hiệu SCTP/ IP và mạng báo hiệu SS7. Chức năng cổng báo hiệu có thể triển khai như một thực thể đứng một mình hoặc bên trong một thực thể khác. Các luồng phiên trong đặc tả này không thể hiện SGW nhưng khi làm việc với PSTN hay miền chuyển mạch kênh thì cần có một SGW để chuyển đổi truyền tải báo hiệu. 1.4.4 Phần tử dịch vụ IMS AS (Application Server) AS (Máy chủ ứng dụng) là một thành phần SIP, thực hiện chức năng tiếp nhận và xử lý dịch vụ. Các AS kết nối với S-CFCS thông qua giao tiếp SIP. Có 3 loại AS: SIP AS, OSA-SCS, IM-SSF. Các máy chủ OSA-SCS, IM-SSF đóng vai trò làm cầu nối để IMS giao tiếp với OSA và gsmSCF 1.4.5 Các phần tử tài nguyên 1.4.5.1 MRF (Media Resource Function) MRF (Chức năng đa phương tiện) được phân thành bộ điều khiển chức năng tài nguyên đa phương tiện MRFC (Media Resource Function Controller) và bộ xử lí chức năng tài nguyên đa phương tiện MRFP (Media Resource Function Processor). 1.4.5.2 MGW (Media gateway function) MGW (Cổng kết nối đa phương tiện) có thể kết thúc các kênh mang từ mạng chuyển mạch kênh và các luồng phương tiện từ mạng chuyển mạch gói (ví dụ dòng RTP trong mạng IP). IMS- MGW có thể hỗ trợ chuyển đổi phương tiện điều khiển mạng và xử lí tải trọng (ví dụ mã hóa, triệt vọng, cầu hội nghị). 1.5 Các điểm tham chiếu IMS Điểm tham chiếu IMS có nhiệm vụ là điểm nối giữa các thực thể trong và ngoài mạng IMS, trao đổi các thông tin và báo hiệu. Chương 2 Một số giao thức cơ bản và xử lý luồng trong IMS 2.1 Giao thức sip 2.1.1 Tổng quan về giao thức SIP SIP là giao thức khởi tạo phiên, dùng để thiết lập, sửa đổi và kết thúc các cuộc gọi điện thoại VoIP. SIP được phát triển bởi IETF và ban hành trong tài liệu RFC 3261 vào tháng 5 năm 2003. SIP có thể sử dụng cho rất nhiều các dịch vụ khác nhau trong mạng IP như dịch vụ tin nhắn, thoại, hội nghị thoại, hội nghị truyền hình, email, dạy học từ xa, quảng bá, … SIP sử dụng khuôn dạng text, một khuôn dạng thường gặp trong mạng IP. Nó kế thừa các các nguyên lý và khái niệm của các giao thức Internet như HTTP và SMTP. SIP sử dụng một số kiểu bản tin và các trường header của HTTP, xác định nội dung luồng thông tin theo header. 2.1.2 Cấu trúc SIP 2.1.2.1 Máy chủ Là một chương trình ứng dụng chấp nhận các bản tin yêu cầu từ máy khách để phục vụ các yêu cầu này và gửi trả các đáp ứng cho các yêu cầu đó. Ta có các loại máy chủ sau: Người dùng là thiết bị đầu cuối trong mạng SIP, có thể là một máy điện thoại SIP, có thể là máy tính chạy phần mềm đầu cuối SIP - Máy chủ ủy quyền - Máy chủ định vị - Máy chủ chuyển đổi địa chỉ - Máy chủ đăng ký 2.1.2.2 Máy khách Máy khách trong giao thức SIP chính là các thiết bị mà người dùng sử dụng để khởi tạo yêu cầu SIP đến các máy chủ. Thiết bị này có thể là các thiết bị phần cứng hổ trợ chuẩn SIP như điện thoại IP hay là phần mềm hổ trợ chuẩn SIP như Express Talk, Sidefisk,… hay hổ trợ cả IMS như: Mercuro IMS Client, UCT Client, OpenIC_Lite,. . . 2.1.3 Bản tin SIP SIP sử dụng các bản tin để khởi tạo, hiệu chỉnh và kết thúc phiên giữa các người dùng. 2.1.4 Thiết lập và hủy cuộc gọi SIP 2.1.5 Tính năng của SIP Giao thức SIP được thiết kế với những chỉ tiêu sau: Tích hợp với các giao thức đã có của IETF. Đơn giản và có khả năng mở rộng. Hỗ trợ tối đa sự di động của đầu cuối. Dễ dàng tạo tính năng mới cho dịch vụ. - Tích hợp với các giao thức đã có của IETF Các giao thức khác của IETF có thể xây dựng để xây dựng những ứng dụng SIP. SIP có thể hoạt động cùng với nhìu giao thức như: RSVP, RTP, RTSP, SAP, SDP, MIME, HTTP, COPS, OSP. - Đơn giản và có khả năng mở rộng - Hỗ trợ tối đa sự di động của đầu cuối - Dễ dàng tạo tính năng mới và dịch vụ mới. 2.2 Giao thức Diameter 2.2.1 Tổng quan về giao thức Diameter Giao thức Diameter chia ra 2 phần: Diameter Base Protocol và Diameter Application. Diameter Base Protocol cần thiết cho việc phân phối các đơn vị dữ liệu, khả năng thương lượng, kiểm soát lỗi và khả năng mở rộng. Diameter là giao thức truyền thông hoạt động trên giao diện Sh giữa HSS, AS, S-CSCF. 2.2.2 Cấu trúc giao thức Diameter Trong Diameter có 3 thành phần chính là Server, Client và Agent. Client là một thiết bị ở biên, thực hiện các truy vấn và sử dụng dịch vụ. Một Diameter Agent thực hiện chức năng như một Proxy, Relay, Redirect Agent va dịch các bản tin. Diameter Server quản lý các yêu cầu về AAA cho một hệ thống. 2.2.3 Bản tin Bản tin Diameter chứa một header và một số cặp giá trị thuộc tính AVP. Header gồm nhiều trường với dữ liệu dạng nhị phân giống header của giao thức IP. 2.2.3.1 Cấu trúc Diameter header Hình 2.10 Cấu trúc header của Diameter 2.2.3.2 Cấu trúc AVP AVP chứa thông tin chứng thực, ủy quyền, và thông tin về tài khoản người dùng để định tuyến, bảo mật, thông tin cấu hình có liên quan đến yêu cầu và đáp ứng bản tin. Hình 2.11 Cấu trúc AVP 2.2.4 Bảo mật trong bản tin Diameter Client trong giao thức Diameter phải hổ trợ chuẩn IPSec và có thể hổ trợ TLS.Server phải hổ trợ cả 2 chuẩn trên. Để bảo mật, khuyến nghị rằng nên sử dụng IPSec ở các nút trong cùng một miền như giữa Client và Proxy và sử dụng TSL để bảo mật khi có giao dịch giữa các miền với nhau. 2.2.5 Khả năng kiểm soát lỗi của giao thức Diameter Lỗi trong giao thức Diameter chia thành 2 loại: lỗi giao thức và lỗi ứng dụng 2.3 COPS Giao thức COPS 2.3.1 Tổng quan về giao thức COPS COPS là giao thức được IETF chuẩn hóa nhằm thực hiện việc quản lý, cấu hình và áp đặt chính sách. Giao thức này hoạt động theo mô hình Client-Server. 2.3.2 Chức năng chính của COPS Giao thức này giao việc cho Client hỗ trợ cho mô hình Client/Server. Trong đó Client sẽ gửi những bản tin: yêu cầu, cập nhật, và xóa tới PDP và PDP gửi trả những quyết định cho PEP. 2.3.2.1 Bản tin COPS * COPS Header Hình 2.15 COPS header 2.4 Giao thức Megaco/H.248 2.4.1 Tổng quan về giao thức Megaco/H.248 Megaco được phát triển bởi IETF (đưa ra vào cuối năm 1998), còn H. 248 được đưa ra vào tháng 5/1999 bởi ITU-T. Sau đó cả IETF và ITU-T cùng hợp tác thống nhất giao thức điều khiển MG, kết quả là vào tháng 6/2000 chuẩn Megaco/H. 248 ra đời. Megaco/H248 cung cấp một giải pháp toàn diện cho việc điều khiển các MG. Giao thức này hỗ trợ đa phương tiện và các dịch vụ hội thoại nâng cao đa điểm các cú pháp lập trình được nâng cao nhằm tăng hiệu quả cho các tiến trình đàm thoại, hỗ trợ cả việc mã hoá text và binary và thêm vào việc mở rộng các định nghĩa cho các gói tin. 2.4.2 Cấu trúc Gateway trong Megaco/H.248 Hình 2.18 Cấu trúc Gateway trong Megaco/H.248 2.4.3 Termination và Context 2.4.3.1 Termination Termination là một thực thể luận lý trên MG như là các nguồn hoặc các luồng điều khiển, … Termination có duy nhất một số nhận dạng (Termination ID) được phân phối bởi MG ở thời điểm chúng được tạo ra. 2.4.3.2 Context Context là một sự kết hợp giữa một số Termination. Có một Context đặc biệt được gọi là Context rỗng. Nó chứa các Termination không kết hợp với các Termination khác. Các Termination rỗng có thể có các tham số được khảo sát hoặc sửa đổi và có thể có các sự kiện xảy ra trên chúng. 2.4.4 Một số lệnh của Megaco/H.248 Add, Modify, Subtract, Move, Auditvalue, Auditcapabilities, Notify, ServiceChange 2.4.5 Hoạt động của Megaco/H.248 2.5 Các luồng xử lý trong IMS 2.5.1 Đăng ký vào mạng IMS Đăng ký vào mạng IMS được chia thành 2 loại - Đăng ký mới - Đăng ký lại 2.5.2 Xóa đăng ký Xóa đăng ký bao gồm - Xóa đăng ký khởi tạo bởi UE - Xóa đăng ký khởi tạo mạng 2.5.3 Thủ tục thiết lập phiên Thủ tục thiết lập phiên bao gồm: - Thủ tục thiết lập phiên giữa thuê bao thuộc hai mạng IMS - Thiết lập phiên giữa thuê bao thuộc mạng IMS và mạng PSTN Chương 3 Giải pháp triển khai IMS tại VNPT 3.1 Giới thiệu viễn thông Việt Nam [4] Theo số liệu thống kê tháng 6 năm 2011 của tổng cục thống kê bộ thông tin và truyền thông, số lượng thuê bao điện thoại cố định được thống kê theo bảng biểu hình 3.1 Hình 3.1 Biểu đồ số thuê bao điện thoại cố định Số thuê bao điện thoại di động thống kê theo bảng biểu hình 3.2 Hình 3.2 Biểu đồ số thuê bao điện thoại di động Doanh thu của ngành viễn thông được thể hiện theo hình 3.3 3.2 Kiến trúc mạng viễn thông Việt Nam Mạng viễn thông Việt Nam được tạo nên bởi các mạng khác nhau: - PSTN - Mạng số liệu/IP - Mạng điện thoại di động 3.3. Tình hình triển khai NGN ở Việt Nam Đến năm 2010, VNPT đã thực hiện được 2 pha triển khai NGN, cung cấp thành công nhiều dịch vụ mới và đang tiến hành pha mở rộng mạng trên toàn quốc. VNPT xây dựng mạng NGN theo 2 bước: - Bước 1: xây dựng mạng lõi NGN truyền tải dịch vụ dữ liệu, Internet, VoIP. - Bước 2: chuyển lưu lượng thoại từ PSTN sang NGN. 3.4 Giải pháp triển khai IMS tại VNPT 3.4.1 Tổng quan giải pháp triển khai IMS Hiểu rõ các yêu cầu khả năng ứng dụng và phát triển của IMS ngày 8/9/2010, VNPT/VTN lựa chọn Alcatel-Lucent cung cấp giải pháp tổng thể IMS đầu tiên ở Việt Nam. Dự án IMS này sẽ góp phần đưa VNPT/VTN trở thành nhà cung cấp hàng đầu về dịch vụ mạng thế hệ mới (Next Generation Networks - NGN) và nâng cao chất lượng dịch vụ thông tin và truyền thông dành cho các khách hàng của mình. Hình 3.9 Mô hình giải pháp của Alcatel Lucent 3.4.2 Kiến trúc triển khai hệ thống IMS của VNPT Mô hình triển khai hệ thống IMS của VNPT được thể hiện như hình 3.11 Trong đó: - Hệ thống quản lý dịch vụ, khách hàng, quản lý thiết bị như HSS, EMS/NMS, OSS… đặt tại các trung tâm của VTN. Các viễn thông tỉnh sẽ được trang bị các thiết bị máy khách để có thể truy nhập và khai thác, vận hành hệ thống. IP Transport (MPLS Core + MAN-E) MGW Core HN MGCF MRS Core DN MGCF MRS Core HCM MGCF MRS HSS HSS ASASEMS/ NMS Charg ing VTN HN VTN DN VTN HCM SBC SBC SBC Host Host LE LE RCU RCU LE RCU SIP MSAN / IAD POTS VNPT Tỉnh / TP KV1 OSS client EMS client H . 248 SIP V5.2 MSAN POTS SIP Phone Access Gateway SIP IP DSLAM MxU SIP VTN MGW Host Host LE LE RCU RCU LE RCU SIP MSAN / IAD POTS VNPT Tỉnh / TP KV3 OSS client EMS client H . 248 SIP V5.2 MSAN POTS SIP Phone Access Gateway SIP IP DSLAM MxU SIP VTN MGW Host Host LE LE RCU RCU LE RCU SIP MSAN / IAD POTS VNPT Tỉnh / TP KV2 OSS client EMS client H . 248 SIP V5.2 MSAN POTS SIP Phone Access Gateway SIP IP DSLAM MxU SIP VTN Hình 3.11 Mô hình triển khai hệ thống IMS của VNPT Các thiết bị hiê ̣ n ta ̣ i: HSS: 8650 SDM, 1310 OMC-P, 1300 XMC. CCF: BTS. - Lớp dịch vụ gồm các máy chủ dịch vụ như VoiceMail, CRBT, conference… cung cấp các dịch vụ khách hàng. Các máy chủ dịch vụ được lắp đặt tại VTN HN. Các thiết bị hiê ̣ n ta ̣ i: 5100 CMS, 5900 PRBT, 5420 CTS. - Trung tâm của hệ thống điều khiển là phân hệ IMS bao gồm các thiết bị S/P/I/E-CSCF, MRS, MGCF… Các thiết bị thuộc lớp dịch vụ và lõi IMS được lắp đặt và vận hành tại các trung tâm vùng của VTN tại HN, ĐN, HCM. Các thiết bị hiê ̣ n ta ̣ i: . Nghiên cứu, áp dụng phân hệ đa phương tiện IP trong mạng Viễn thông Việt Nam Nguyễn Ngọc Cương Trường Đại học Quốc gia Hà Nội; Trường Đại học Công nghệ. SIP thu được Luồng bản tin SIP KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO Với nội dung đưa ra là nghiên cứu áp dụng phân hệ đa phương tiện IP trong mạng viễn