Dịch vụ điện thoại qua mạng IP 2

Tài liệu tham khảo ngành viễn thông Dịch vụ điện thoại qua mạng IP

Chơng I: Tổng Quan về Điện thoại IP.

I Khái niệm điện thoại IP :

Trong một vài năm gần đây, số lợng ngời sử dụng Internet và số lợng máy chủ cung cấp dịch vụ đã tăng một cách mạnh mẽ Song song với việc không ngừng tăng nhu cầu sử dụng internet là sự xuất hiện đa dạng của các loại hình dịch vụ mới chạy trên nền tảng kỹ thuật của mạng toàn cầu Một trong số các dịch vụ mới tỏ ra có rất nhiều hứa hẹn là điện thoại IP (IP Telephony, IP Telephone, VoIP, Netphone, Internet Telephone) Khi ngời dùng Internet đã quen làm việc trực tuyến trong một thời gian dài trên mạng thì cũng rất tự nhiên nếu họ muốn chiếc máy tính PC của mình trở thành một phơng tiện truyền thông cho mọi loại hình dịch vụ khác Thật may mắn là những tiến bộ trong công nghệ điện tử, kỹ thuật nén và xử lý số liệu đã cho phép con ngời tạo ra và sử dụng một loại hình điện thoại dựa trên nền tảng kỹ thuật của giao thức Internet (IP: Internet Protocol), đó chính là dịch vụ IP Telephony Nói một cách ngắn gọn, IP Telephony là một dịch vụ truyền thoại sử dụng công nghệ mạng IP kết hợp với khả năng tính toán và xử lý dữ liệu của các thiết bị đầu cuối để thực hiện truyền tải các cuộc đàm thoại.

Dịch vụ điện thoại IP bao gồm các dịch vụ truyền thoại, fax, multimedia, qua những mạng IP đợc quản lý về chất lợng dịch vụ (QoS) Các dịch vụ này có thể

đợc thực hiện hoàn toàn trong phạm vi mạng IP hoặc có thể đợc thực hiện kết hợp giữa mạng IP và các mạng khác.

II Đặc điểm của điện thoại IP.

Điện thoại IP là một dịch vụ truyền thoại qua các mạng IP Mạng IP ở đây là các mạng dữ liệu sử dụng bộ giao thức TCP/IP cho các chức năng tầng giao vận (Transport Layer) và tầng mạng (Network Layer) Còn giao thức các tầng thấp hơn (các giao thức truy cập mạng: Network Access Protocols) có thể là giao thức trong mạng LAN, X.25, Frame Relay, ATM, hay PPP Bởi vậy so với điện thoại chuyển mạch kênh thông thờng điện thoại IP có nhiều khác biệt Để thấy đợc những khác biệt này, trớc hết ta xem xét đặc điểm mạng PSTN, mạng chuyển mạch gói và mạng Internet.

II.1 PSTN, mạng chuyển mạch gói và Internet:

Mạng điện thoại công cộng (Public Switched Telephone Network - PSTN) là mạng truyền thông dựa trên nền tảng kỹ thuật chuyển mạch kênh (Circuit

Switching) Chuyển mạch kênh là phơng pháp truyền thông trong đó một kênh

truyền dẫn dành riêng đợc thiết lập giữa hai thiết bị đầu cuối thông qua một hay

nhiều nút chuyển mạch trung gian Dòng thông tin truyền trên kênh này là dòng bit truyền liên tục theo thời gian Băng thông của kênh dành riêng đợc đảm bảo và cố

định trong quá trình liên lạc (64Kbps đối với mạng điện thoại PSTN), và độ trễ

thông tin là rất nhỏ chỉ cỡ thời gian truyền thông tin trên kênh (propagation time).

2Mạng chuyểnmạch gói4

Hình I.1: Mạng chuyển mạch kênh

Khác với mạng chuyển mạch kênh, mạng chuyển mạch gói (Packet

Switching Network) sử dụng hệ thống lu trữ rồi truyền (store-and-forward system)

tại các nút mạng Thông tin đợc chia thành các phần nhỏ (gọi là gói), mỗi gói đợc thêm các thông tin điều khiển cần thiết cho quá trình truyền nh là địa chỉ nơi gửi, địa chỉ nơi nhận Các gói thông tin đến nút mạng đợc xử lý và lu trữ trong một

thời gian nhất định rồi mới đợc truyền đến nút tiếp theo sao cho việc sử dụng kênh có hiệu quả cao nhất Trong mạng chuyển mạch gói không có kênh dành riêng nào đợc thiết lập, băng thông của kênh logic giữa hai thiết bị đầu cuối thờng không cố định, và độ trễ thông tin lớn hơn mạng chuyển mạch kênh rất nhiều

Xét trên quan điểm mô hình phân tầng OSI, việc tryền thông tin trong mạng truyển mạch kênh và mạng chuyển mạch gói đợc minh hoạ nh trong hình I.1 và

hình I.2.

Khi các mạng số liệu trên thế giới đợc liên kết lại, một mạng số liệu lớn đợc thiết lập, đó là Internet Giao thức liên mạng sử dụng trong internet là giao thức IP (Internet Protocol) Cũng giống nh mạng điện thoại PSTN, mạng Internet có quy mô toàn cầu, phù hợp cho việc khai thác và phát triển các dịch vụ viễn thông trên thế giới Tuy nhiên, giữa chúng có sự khác biệt sâu sắc về mặt kỹ thuật:

• Khác nhau về kỹ thuật chuyển mạch: Mạng Internet sử dụng phơng

pháp định tuyến động (dynamic routing) dựa trên việc đánh địa chỉ không mang tính địa lý (non-geographic addressing) Ngợc lại mạng PSTN, sử dụng phơng pháp chuyển mạch tĩnh (static switching) dựa trên số điện thoại phụ thuộc vị trí của thuê bao (geographic telephone numbering).

• Kiến trúc mạng: Kiến trúc của Internet là phân tán Sự “thông minh”

của Internet phân bố trên toàn bộ mạng Các ứng dụng cung cấp dịch vụ cho mạng là các phần mềm hớng máy khách (client-oriented software) và đợc bố trí khắp nơi trên mạng Trong khi đó mạng PSTN tập trung các phơng tiện truyền dẫn và các chơng trình điều khiển lại với nhau tại một vài trung tâm trong mạng.

Kiến trúc phân tán của internet có một ý nghĩa hết sức quan trọng Nó tạo cho internet tính linh hoạt trong triển khai và ứng dụng các công nghệ mới Điều này giải thích cho sự phát triển mạng mẽ của internet trong một vài năm gần đây

II.2 Ưu điểm và nhợc điểm của điện thoại IP:

Điện thoại IP ra đời nhằm khai thác tính hiệu quả của các mạng truyền số liệu, khai thác tính linh hoạt trong phát triển các ứng dụng mới của giao thức IP và nó đợc áp dụng trên một mạng toàn cầu là mạng Internet Các tiến bộ của công nghệ mang đến cho điện thoại IP những u điểm sau:

+ Giảm chi phí cuộc gọi: Ưu điểm nổi bật nhất của điện thoại IP so với dịch vụ điện thoại hiện tại là khả năng cung cấp những cuộc gọi đờng dài giá rẻ với chất lợng chấp nhận đợc Nếu dịch vụ điện thoại IP đợc triển khai, chi phí cho một cuộc gọi đờng dài sẽ chỉ tơng đơng với chi phí truy nhập internet Nguyên nhân dẫn đến chi phí thấp nh vây là do tín hiệu thoại đợc truyền tải trong mạng IP có khả năng sử dụng kênh hiệu quả cao Đồng thời, kỹ thuật nén thoại tiên tiến giảm tốc độ bít từ 64 Kbps xuống thấp tới 8 Kbps (theo tiêu chuẩn nén thoại G.729A của ITU-T) kết hợp với tốc độ xử lý nhanh của các bộ vi xử lý ngày nay cho phép việc truyền tiếng nói theo thời gian thực là có thể thực hiện đợc với lợng tài nguyên băng thông thấp hơn nhiều so với kỹ thuật cũ.

So sánh một cuộc gọi trong mạng PSTN với một cuộc gọi qua mạng IP, ta thấy:

• Chi phí phải trả cho cuộc gọi trong mạng PSTN là chi phí phải bỏ ra để duy trì cho một kênh 64kbps suốt từ đầu cuối này tới đầu cuối kia thông qua một hệ thống các tổng đài Chi phí này đối với các cuộc gọi đờng dài (liên tỉnh, quốc tế) là khá lớn.

• Trong trờng hợp cuộc gọi qua mạng IP, ngời sử dụng từ mạng PSTN chỉ phải duy trì kênh 64kbps đến Gateway của nhà cung cấp dịch vụ tại địa phơng Nhà cung cấp dịch vụ điện thoại IP sẽ đảm nhận nhiệm vụ nén, đóng gói tín hiệu thoại và gửi chúng đi qua mạng IP một cách có hiệu quả nhất để tới đợc Gateway nối tới một mạng điện thoại khác có ngời liên lạc đầu kia Việc kết nối nh vậy làm giảm đáng kể chi phí cuộc gọi do phần lớn kênh truyền 64Kbps đã đợc thay thế bằng việc truyền thông tin qua mạng dữ liệu hiệu quả cao.

+ Tích hợp mạng thoại, mạng số liệu và mạng báo hiệu: Trong điện thoại IP, tín hiệu thoại, số liệu và ngay cả báo hiệu đều có thể cùng đi trên cùng một mạng IP Điều này sẽ tiết kiệm đợc chi phí đầu t để xây dựng những mạng riêng rẽ.

+ Khả năng mở rộng (Scalability): Nếu nh các hệ tổng đài thờng là những hệ thống kín, rất khó để thêm vào đó những tính năng thì các thiết bị trong mạng internet thờng có khả năng thêm vào những tính năng mới Chính tính mềm dẻo đó mang lại cho dịch vụ điện thoại IP khả năng mở rộng dễ dàng hơn so với điện thoại truyền thống.

+ Không cần thông tin điều khiển để thiết lập kênh truyền vật lý: Gói thông tin trong mạng IP truyền đến đích mà không cần một sự thiết lập kênh nào Gói chỉ cần mang địa chỉ của nơi nhận cuối cùng là thông tin đã có thể đến đợc đích Do vậy, việc điều khiển cuộc gọi trong mạng IP chỉ cần tập trung vào chức năng cuộc gọi mà không phải tập trung vào chức năng thiết lập kênh

+ Quản lý băng thông: Trong điện thoại chuyển mạch kênh, tài nguyên băng thông cung cấp cho một cuộc liên lạc là cố định (một kênh 64Kbps) nhng trong điện thoại IP việc phân chia tài nguyên cho các cuộc thoại linh hoạt hơn nhiều Khi một cuộc liên lạc diễn ra, nếu lu lợng của mạng thấp, băng thông dành cho liên lạc sẽ cho chất lợng thoại tốt nhất có thể; nhng khi lu lợng của mạng cao, mạng sẽ hạn chế băng thông của từng cuộc gọi ở mức duy trì chất lợng thoại chấp nhận đợc nhằm phục vụ cùng lúc đợc nhiều ngời nhất Điểm này cũng là một yếu tố làm tăng hiệu quả sử dụng của điện thoại IP Việc quản lý băng thông một cách tiết kiệm nh vậy cho phép ngời ta nghĩ tới những dịch vụ cao cấp hơn nh truyền hình hội nghị, điều mà với công nghệ chuyển mạch cũ ngời ta đã không thực hiện vì chi phí quá cao.

+ Nhiều tính năng dịch vụ: Tính linh hoạt của mạng IP cho phép tạo ra nhiều tính năng mới trong dịch vụ thoại Ví dụ cho biết thông tin về ngời gọi tới hay một thuê bao điện thoại IP có thể có nhiều số liên lạc mà chỉ cần một thiết bị đầu cuối duy nhất (Ví dụ nh một thiết bị IP Phone có thể có một số điện thoại dành cho công việc, một cho các cuộc gọi riêng t).

+ Khả năng multimedia: Trong một “cuộc gọi” ngời sử dụng có thể vừa nói chuyện vừa sử dụng các dịch vụ khác nh truyền file, chia sẻ dữ liệu, hay xem hình ảnh của ngời nói chuyện bên kia.

Điện thoại IP cũng có những hạn chế:

+ Kỹ thuật phức tạp: Truyền tín hiệu theo thời gian thực trên mạng chuyển mạch gói là rất khó thực hiện do mất gói trong mạng là không thể tránh đợc và độ trễ không cố định của các gói thông tin khi truyền trên mạng Để có đợc một dịch vụ thoại chấp nhận đợc, cần thiết phải có một kỹ thuật nén tín hiệu đạt đợc những yêu cầu khắt khe: tỉ số nén lớn (để giảm đợc tốc độ bit xuống), có khả năng suy đoán và tạo lại thông tin của các gói bị thất lạc Tốc độ xử lý của các bộ Codec (Coder and Decoder) phải đủ nhanh để không làm cuộc đàm thoại bị gián đoạn Đồng thời cơ sở hạ tầng của mạng cũng cần đợc nâng cấp lên các công nghệ mới nh Frame Relay, ATM, để có tốc độ cao hơn và/hoặc phải có một cơ chế thực hiện chức năng QoS (Quality of Service) Tất cả các điều này làm cho kỹ thuật thực hiện điện thoại IP trở nên phức tạp và không thể thực hiện đợc trong những năm tr-ớc đây.

+ Vấn đề bảo mật (security): Mạng Internet là một mạng có tính rộng khắp và hỗn hợp (hetorogenous network) Trong đó có rất nhiều loại máy tính khác nhau cùng các dịch vụ khác nhau cùng sử dụng chung một cơ sở hạ tầng Do vậy không có gì đảm bảo rằng thông tin liên quan đến cá nhân cũng nh số liên lạc truy nhập sử dụng dịch vụ của ngời dùng đợc giữ bí mật.

Nh vậy, điện thoại IP chứng tỏ nó là một loại hình dịch vụ mới rất có tiềm năng Trong tơng lai, điện thoại IP sẽ cung cấp các dịch vụ hiện có của điện thoại trong mạng PSTN và các dịch vụ mới của riêng nó nhằm đem lại lợi ích cho đông

đảo ngời dùng Tuy nhiên, điện thoại IP với t cách là một dịch vụ sẽ không trở nên hấp dẫn hơn PSTN chỉ vì nó chạy trên mạng IP Khách hàng chỉ chấp nhận loại dịch vụ này nếu nh nó đa ra đợc một chi phí thấp và/hoặc những tính năng vợt trội hơn so với dịch vụ điện thoại hiện tại.

III Mô hình của dịch vụ IP Telephony.III.1 Các phần mềmVoIP.

Trong thực tế, VoIP đã đợc thực hiện bởi các ứng dụng phần mềm chạy trên các máy tính PC Các ứng dụng này cho phép hai máy tính có thể kết nối với nhau qua nhờ một server Các máy tính có trang bị multimedia có thể nói chuyện với nhau qua kết nối internet nay Phần mềm điển hình cho phép thực hiện truyền thoại qua mạng IP là Microsoft NetMeeting của hãng Microsoft.

Giải pháp VoIP bằng phần mềm có u điểm là tạo đợc các cuộc nói chuyện trên một diện rộng và không đòi hỏi một sự nâng cấp đặc biệt về phần cứng nào Tuy nhiên, giải pháp loại này hầu nh không đáp ứng đợc yêu cầu chất lợng trong điều kiện mạng internet vì lý do không điều khiển đợc băng thông của mạng Th-ờng thì các phần mềm VoIP chỉ cho chất lợng tạm đợc khi việc truyền thoại diễn ra trong mạng nội bộ LAN Ngoài ra, giải pháp loại này cha toàn diện, thiếu những tính năng quan trọng nh tính cớc, nhận thực cuộc gọi và cha cung cấp đợc dịch vụ thoại cho đa số ngời dùng trong mạng chuyển mạch kênh Dịch vụ thoại này chỉ có vai trò là một dịch vụ thêm vào cùng với các dịch vụ internet truyền thống.

III.2 Mô hình dịch vụ IP Telephony quy mô nhà cung cấp dịch vụ.

♦ Thực hiện đợc các chức năng cơ bản của một dịch vụ viễn thông nh tính cớc, quản lý cuộc gọi

♦ Có thể thực hiện những chức năng mới của điện thoại IP.

Mô hình mang tính nguyên lý cho dịch vụ điện thoại IP đợc trình bày trong

hình I.3.

Để hoạt động cùng với mạng chuyển mạch kênh, mô hình buộc phải bao gồm hệ thống báo hiệu của mạng điện thoại Có nh vậy nó mới có khả năng thiết lập đợc một kết nối thông suốt giữa hai đầu cuối thông qua mạng IP Trong mô hình, hệ thống báo hiệu đợc sử dụng là SS7 nhng trong thực tế hệ thống báo hiệu có thể là những hệ thống báo hiệu khác nh R2

Các thành phần trong hệ thống VoIP bao gồm:Media Gateway:

♦ Chuyển đổi khuôn dạng thông tin: từ dạng thông tin ghép kênh theo thời gian (TDM) trong mạng chuyển mạch kênh sang dạng gói trong mạng IP và ngợc lại.

♦ Thực hiện các quá trình xử lý cần thiết khác nh: Nén tín hiệu thoại (voice compression), nén khoảng lặng (silence suppression), triệt tiếng vọng (echo cancellation)

♦ Cung cấp nhiều giao diện vật lý cần thiết cho kết nối: Giao diện với mạng chuyển mạch kênh (E1/T1, PRI-ISDN, ), giao diện với mạng IP (Ethernet, Fast Ethernet, Frame Relay, ).

Signalling Gateway: Phục vụ cho báo hiệu giữa các terminal trong mạng chuyển mạch kênh và các terminal trong mạng IP: Đóng gói lại các thông điệp SS7 thành các gói phù hợp với mạng IP, lọc các dòng lu lợng không phù hợp Thành phần này kết hợp hoạt động của mạng IP và mạng báo hiệu SS7.

Call Control Center:

♦ Hớng dẫn Media Gateway cách thiết lập, xử lý và kết thúc dòng thông tin media (thông tin thời gian thực) phục vụ cho cuộc gọi.

♦ Xử lý thông tin báo hiệu.

♦ Theo dõi trạng thái của tất cả các dòng media đang truyền trong hệ thống.

♦ Thực hiện nhiều dịch vụ của hệ thống: Tính cớc, tạo ra các bản ghi lu trữ, các chức năng quản lý mạng, quản lý cuộc gọi

Các thành phần khác: Bao gồm các terminal PSTN (máy điện thoại, máy fax), tổng đài PSTN PBX; thiết bị trong mạng IP (IP phone, IP PBX).Signalling Gateway có thể là một thiết bị độc lập hoặc đợc tích hợp với Media Gateway vào một Gateway duy nhất.

Dung lợng của các Gateway có thể biến đổi tuỳ thuộc vào những ứng dụng cụ thể Từ các gateway có dung lợng nhỏ phục vụ cho hoạt động của một văn phòng công ty tới các gateway công cộng có dung lợng lớn và cực lớn để phục vụ các cuộc gọi tới từng gia đình.

a) Mô hình đã đa ra hai giải pháp VoIP:

Một là, giải pháp cho các doanh nghiệp (Enterprize): Thông thờng các mô

hình thông tin của doanh nghiệp sử dụng hai liên kêt một cho các dịch vụ thoại qua mạng PSTN và một cho kết nối internet để sử dụng các dịch vụ nh e-mail, web Với giải pháp VoIP cho doanh nghiệp, các doanh nghiệp sử dụng gateway của riêng họ để kết nối các thiết bị đầu cuối thoại truyền thống (máy điện thoại, fax, PBX) vào Internet Nhờ vậy, thoại và các dịch vụ internet đợc tích hợp vào một đ-ờng truyền chung thay vì phải dùng hai đờng truyền nh trớc kia.

Hai là, giải pháp cho dịch vụ công cộng (Carier): Những gateway có dung

l-ợng lớn đợc đợc nhà cung cấp dịch vụ IP Telephony bố trí, kết nối thờng xuyên vào mạng IP sẵn sàng cho ngời sử dụng truy nhập tới để sử dụng dịch vụ VoIP Những ngời sử dụng với các máy điện thoại thông thờng truy nhập đến gateway thông qua

InternetMail Server

Web Server

ASCEND MAX

A S C E N D

Hình I.5: Mô hình thông tin của

doanh nghiệp với giải pháp VoIP

Hình I.4: Mô hình thông tin

truyền thống của doanh nghiệp

dịch vụ điện thoại tại địa phơng Giải pháp này đa dịch vụ điện thoại IP đến đợc với phần lớn ngời dùng, cung cấp cho ngời dùng những cuộc gọi đờng dài giá rẻ

b) Quay số truy nhập dịch vụ.

Quay số truy nhập dịch vụ liên quan đến vấn đề là làm thế nào để định hớng cuộc gọi đi qua mạng IP mà không đi qua mạng PSTN nh dịch vụ điện thoại thông thờng (trờng hợp liên lạc phone to phone) Để truy nhập dịch vụ IP Telephony ngới sử dụng có thể có hai cách thức truy nhập tuỳ thuộc vào khả năng của hệ thống.

♦ Quay số hai giai đoạn: Ngời sử dụng quay số để liên lạc đến Gateway IP

Telephony và quá trình giao tiếp với gateway sẽ quyết định việc định hớng tiếp cuộc gọi đến terminal nào ở đầu bên kia Việc tơng tác với gateway có thể nhờ liên lạc với nhân viên trực gateway hoặc thông qua một giao diện tơng tác thoại đợc cung cấp bởi hệ thống IVR của gateway (IVR - Interactive Voice Response) Phơng pháp truy nhập kiểu này là duy nhất đối với những hệ thống báo hiệu đơn giản nh hệ thống báo hiệu R2.

♦ Quay số một giai đoạn: Với những khả năng mạnh của hệ thống báo hiệu SS7,

dịch vụ điện thoại IP có thể trở nên trong suốt đối với ngời sử dụng giống nh dịch vụ điện thoại truyền thống Ngời sử dụng quay một mã truy nhập đặc biệt kèm theo số điện thoại đích và việc quay số chỉ phải thực hiện một lần Căn cứ vào mã truy nhập, hệ thống báo hiệu sẽ quyết định việc định tuyến cuộc gọi thông qua mạng IP hay chỉ đi trong mạng PSTN nh thông thờng.

c) Thiết lập cuộc gọi:

Xét trờng hợp ngời sử dụng truy nhập dịch vụ IP Telephone từ trong mạng PSTN đến một ngời sử dụng khác cũng trong mạng PSTN Để cuộc gọi có thể đợc tạo ra, cần phải quan tâm đến ba giai đoạn báo hiệu thiết lập kết nối:

1 Giai đoạn thiết lập kết nối giữa ngời gọi và Gateway đợc sử dụng để truy nhập mạng IP (gateway 1).

2 Giai đoạn thiết lập cuộc gọi từ Gateway 1 và đến gateway đích (gateway 2).

3 Giai đoạn thiết lập liên lạc từ gateway 2 tới máy điện thoại của ngời bị gọi

Các giai đoạn thiết lập 1 và 3 sử dụng hệ thống báo hiệu cuộc gọi trong mạng PSTN nh trong dịch vụ điện thoại thông thờng Giai đoạn thiết lập liên kết giữa các Gateway qua mạng IP sử dụng các thủ tục báo hiệu riêng dành cho các ứng dụng truyền thông đa phơng tiện trong mạng gói Các thủ tục này sẽ đợc trình bày trong chơng III.

c) Thông tin thoại trong hệ thống VoIP

Tín hiệu thoại từ ngời sử dụng đợc chuyển thành tín hiệu PCM ghép kênh theo thời gian (TDM) truyền đến qua một hệ thống tổng đài để đến Media Gateway của dịch vụ IP Telephony Media gateway thực hiện việc triệt tiếng vọng,