CHƯƠNG 3: KIẾN TRÚC VÀ CÁC THÀNH PHẦN CHÍNH CỦA SOFTSWITCH
3.1. Mụ hỡnh kiến trỳc mạng và cỏc chức năng của Softswitch[4]
Hiện tại, cụng nghệ chuyển mạch mềm vẫn đang trong quỏ trỡnh phỏt triển. Do cụng nghệ là mới nờn cỏc tổ chức tiờu chuẩn chớnh như ITU hay IETF cũng chưa bắt đầu quỏ trỡnh chuẩn húa chuyển mạch mềm. Hiện tại, một vài diễn đàn kĩ thuật mới xuất hiện nhưng đó quy tụ hầu hết cỏc tờn tuổi lớn trong lĩnh vực viễn thụng bao gồm cả cỏc nhà khai thỏc và cung cấp sản phẩm.
Hỡnh 3.1 – Hoạt động của một hệ thống chuyển mạch mềm
Mặc dự vậy, thị trường cụng nghệ chuyển mạch mềm Softswitch hiện đang phỏt triển rất nhanh chúng. Mỗi hóng đều cú dũng sản phẩm với những đặc điểm riờng. Nhưng cỏc chức năng và tập cỏc giao thức hỗ trợ cho kết nối là tương đối giống nhau và phần lớn tuõn theo mụ hỡnh của mạng NGN của ISC (International Softswitch Consortsium) và MSF (Multiservice Switching
Forum), hai diễn đàn kĩ thuật chớnh về cụng nghệ chuyển mạch mềm và kiến
trỳc mạng NGN.
Vỡ thế, chương này sẽ phõn tớch Softswitch theo cỏc chức năng mà nú đảm nhiệm trong mụ hỡnh mạng NGN. Cỏc chức năng này được thể hiện qua cỏc giao
Loi Softswitch Cỏc API MGCP /Megaco SNMP H323 LDAP/ RADIUS Network
Management Media gateway
Đầu cuối SIP Directory Service Billing System Application SIP Thiết bị H323
tiếp của chuyển mạch mềm với cỏc phần khỏc nhau của mạng. Tại từng giao tiếp cú thể dựng nhiều loại giao thức (protocol) để kết nối trao đổi thụng tin.
í tưởng chủ yếu nhằm thiết kế một hệ thống chuyển mạch mềm Softswitch được dựa trờn việc tạo cỏc hệ thống phần mềm phõn tỏn cú khả năng mở rộng, độc lập trờn nền tảng phần cứng và hệ điều hành cú độ ổn định và hiệu năng cao; và đặc biệt phải hoạt động tốt, tin cậy với cỏc sản phẩm, ứng dụng của cỏc nhà phỏt triển thứ ba. Cũng đó cú rất nhiều nhà phỏt triển xõy dựng hệ thống giải phỏp Softswitch, được gọi dưới cỏc thương hiệu khỏc nhau và bao gồm cỏc thành phần cấu trỳc khỏc nhau.
Núi chung, cú thể xem Softswitch bao gồm cỏc thành phần sau:
Gateway Controller hay Call Agent: Đõy là một trong những đơn vị chức năng chớnh của Softswitch, trong đú bao hàm cỏc luật, giao thức xử lý cuộc gọi và nú sử dụng Media Gateway cựng với Signaling Gateway để thực hiện chức năng này. Nú cú nhiệm vụ của một Signaling Gateway để thực hiện việc thiết lập và hủy bỏ cuộc gọi. Ngoài ra, Gateway Controller cũn giao tiếp với hệ thống OSS và BSS. Gateway controller được biết đến như một tỏc nhõn cuộc gọi – Call Agent – hay Media Gateway Contrroller (MGC). MGC liờn kết với cỏc thành phần khỏc của Softswitch và với mạng ngoài thụng qua hệ thống cỏc giao thức (sẽ được đề cập đến ở phần sau).
Signaling Gateway – Cổng bỏo hiệu SS7 – hoạt động như một cầu nối mạng PSTN và IP, thực hiện phiờn dịch thụng tin bỏo hiệu giữa hai mạng này.
Media Gateway: Đúng vai trũ như một giao diện vật lý giữa mạng chuyển mạch kờnh PSTN và mạng chuyển mạch gúi IP. Nú cú nhiệm vụ bỏo hiệu và nhận tớn hiệu đến và từ mạng PSTN. Nú sẽ nhận số điện thoại, chuyển đổi cỏc số điện thoại và đại chỉ IP và cuối cựng là quản lý quỏ trỡnh xử lý cuộc gọi. Xử lý cuộc gọi bao gồm việc nhận tớn hiệu thoại, nộn, gúi húa, triệt tiếng vọng, nộn khoảng lặng…
Media Server: Thực hiện cỏc chức năng ngoại vi nhằm tăng cường thờm khả năng của Softswitch. Nếu cần, nú cũn cú thể hỗ trợ khả năng xử lý tớn hiệu số DSP (Digital Signal Processing). Nếu hệ thống cung cấp cỏc dịch vụ trả trước thỡ nú cũng được thực thi trờn Media Server.
Feature Server: Cung cấp tớnh năng để cung cấp cỏc dịch vụ như: tớnh cước, hội nghị đa điểm…
Cỏc hóng cú thể định nghĩa phần lừi Call Agent (hoặc Gateway Controller) như là một chuyển mạch mềm cú chức năng tối thiểu hoặc một hệ thống bao gồm tất cả cỏc thành phần nờu trờn tạo thành một giải phỏp Softswitch đầy đủ. Thành phần SG cú thể được bao gồm trong chuyển mạch mềm hoặc tỏch riờng. Một số hóng gộp cả MG – một thành phần về cơ sở hạ tầng mạng – vào một giải phỏp chung.
Xột về mặt kiến trỳc thỡ mạng NGN cú thể cú thể chia ra làm 4 lớp chức năng như sau:
- Lớp truyền thụng (Transport Plane)
- Lớp điều khiển và bỏo hiệu cuộc gọi (Call Control and Signaling Plane)
- Lớp ứng dụng và dịch vụ (Service and Application Plane) - Lớp quản lý (Management Plane)
Hỡnh 3.2 – Mụ hỡnh kiến trỳc mạng NGN
Chức năng cơ bản của lớp truyền thụng là xử lý, chuyển vận gúi tin. Lớp này bao gồm cỏc thiết bị đảm nhiệm đúng mở gúi, định tuyến, chuyển gúi tin dưới sự điều khiển của lớp điều khiển và bỏo hiệu cuộc gọi (Call Control and Signalling Plane).
Lớp truyền thụng được phõn chia làm 3 miền con (sub-domain):
1) Miền truyền tải thụng tin theo giao thức IP (IP Transport Domain) Miền này bao gồm:
- Mạng truyền thụng xương sống (Blackbone Network) - Cỏc thiết bị mạng như: Router, Switch
- Cỏc thiết bị cung cấp cơ chế QoS
2) Miền liờn kết mạng (Interworking Domain)
Miền liờn kết bao gồm cỏc thiết bị với nhiệm vụ chớnh là nhận cỏc dữ liệu đến và từ nú đi tới cỏc mạng khỏc, sau đú chuyển đổi khuụn dạng dữ liệu cho phự hợp để thụng tin cú thể truyền thụng một cỏch trong suốt trờn toàn bộ mạng. Trong miền này là tập hợp cỏc gateway như Signaling Gateway, Media Gateway và Interworking Gateway, trong đú, Signaling Gateway thực hiện chức năng cầu nối giữa mạng PSTN và mạng IP và tiến hành phiờn dịch thụng tin bỏo hiệu giữa hai mạng này. Media Gateway thực hiện quỏ trỡnh chuyển đổi khuụn dạng dữ liệu giữa cỏc mụi trường truyền thụng khỏc nhau.
3) Miền truy nhập khụng dựa trờn giao thức IP (Non-IP Access Domain)
Trong miền này bao gồm cỏc thiết bị truy cập cung cấp cỏc cổng kết nối cho thiết bị đầu cuối thuờ bao. Cỏc thiết bị đầu cuối thuờ bao cú thể là mỏy điện thoại số, cỏc thiết bị truy nhập tớch hợp IADs, đầu cuối ISDN, đầu cuối Modem/Multimedia Terminal Adaptor (MTAs). Cỏc thiết bị truy nhập cung cấp cỏc cổng cho thuờ bao như: POST, ISDN-BA, ISDN-PRA, IP, xDSL, WDM, ATM, Frame Relay,… Cỏc thiết bị truy nhập này thực hiện chức năng chuyển đổi cỏc loại lưu lượng khỏc nhau thành dạng tớn hiệu gúi dưới sự điều khiển của lớp điều khiển và bỏo hiệu.
b) Lớp điều khiển và bỏo hiệu cuộc gọi (Call Control and Signaling Plane)
Đõy là lớp trung tõm của hệ thống thực thi quỏ trỡnh điều khiển, giỏm sỏt và xử lý cuộc gọi nhằm cung cấp cỏc dịch vụ thụng suốt từ đầu cuối đến đầu cuối
(end-to-end) với bất cứ loại giao thức và bỏo hiệu nào. Thực thi quỏ trỡnh giỏm sỏt cỏc kết nối cuộc gọi giữa cỏc thuờ bao thụng qua việc điều khiển cỏc thành phần của lớp truyền thụng. Quỏ trỡnh xử lý và bỏo hiệu cuộc gọi về bản chất cú nghĩa là xử lý cỏc yờu cầu của thuờ bao về việc thiết lập và hủy bỏ cuộc gọi thụng qua cỏc bản tin bỏo hiệu. Lớp này cũn cú chức năng kết nối cuộc gọi thuờ bao với lớp ứng dụng và dịch vụ. Cỏc chức năng này sẽ được thực thi thụng qua cỏc thiết bị như MGC (hay Call Agent hay Call Controller), cỏc SIP Server hay Gatekeeper.
c)Lớp ứng dụng và dịch vụ (Service and Application Plane)
Lớp ứng dụng và dịch vụ là lớp cung cấp cỏc ứng dụng và dịch vụ như mạng thụng minh IN – Intelligent Networks, cỏc dịch vụ giỏ trị gia tăng… Lớp
này liờn kết với lớp điều khiển và bỏo hiệu thụng qua cỏc giao diện lập trỡnh mở API – Applicatoin Programing Interface. Cũng chớnh nhờ đú mà việc cập nhật, tạo mới và triển khai ứng dụng, dịch vụ mạng trở nờn vụ cựng nhanh chúng và hiệu quả. Trờn lớp này sử dụng cỏc thiết bị như AS/FS. Lớp này cũng cú thể thực thi việc điều khiển những thành phần đặc biệt như Media Server, một thiết bị được biết đến với tập cỏc chức năng như conferencing, IVR, xử lý tone…
d) Lớp quản lý (Management Plane)
Lớp quản lý mang nhiệm vụ cung cấp cỏc chức năng như giỏm sỏt cỏc dịch vụ và khỏch hàng, tớnh cước và cỏc tỏc vụ quản lý mạng khỏc. Nú cú thể tương tỏc với bất kỳ hoặc cả 3 lớp cũn lại thụng qua cỏc chuẩn cụng nghiệp vớ dụ như SNMP hoặc cỏc chuẩn riờng và cỏc APIs – giao diện lập trỡnh mở.
Dựa vào mụ hỡnh mạng NGN ở trờn, chuyển mạch mềm Softswitch phải thực hiện cỏc chức năng sau:
- Trung tõm bỏo hiệu và điều khiển cuộc gọi trong toàn mạng, quản lý và điều khiển cỏc loại gateway truy nhập mạng, họat động theo tất cả cỏc loại giao thức bỏo hiệu từ H323, SIP đến MGCP/MEGACO.
- Giao tiếp với bỏo hiệu của mạng PSTN (chủ yếu là kết nối mạng bỏo hiệu SS7) và liờn kết với hệ thống Softswitch khỏc.
- Tạo ra cỏc mụi trường lập trỡnh mở để cho phộp cỏc hóng thứ ba dễ dàng tớch hợp và phỏt triển ứng dụng (trờn nền IP) và kết nối với cỏc mụi trường cung cấp dịch vụ cú sẵn (vớ dụ IN).
3.2. Cỏc giao thức điều khiển và bỏo hiệu [6]
Cú thể núi chức năng điều khiển và bỏo hiệu cuộc gọi là phần cốt lừi của Softswitch. Cỏc chức năng này được thực hiện thụng qua một loạt cỏc giao thức bỏo hiệu. Cỏc giao thức bỏo hiệu chớnh sử dụng trong cỏc hệ thống chuyển mạch mềm là:
- H.323
- SIP (Sesion Initiation Protocol)
- MGCP (Media Gateway Control Protocol)
Hỡnh 3.3 – Quan hệ giữa cỏc giao thức trong mạng
3.2.1. Giao thức H.323
3.2.1.1. Giới thiệu chung
H.32x là họ giao thức của ITU-T định nghĩa cỏc dịch vụ đa phương tiện qua cỏc mạng khỏc nhau và H.323 là một phần trong họ này. H.323 là giao thức xỏc định cỏc thành phần, cỏc giao thức cũng như cỏc bước thực hiện để cung cấp dịch vụ đa phương tiện qua mạng gúi. Cỏc dịch vụ đa phương tiện ở đõy cú thể là truyền tớn hiệu tiếng, tớn hiệu hỡnh thời gian thực và dữ liệu. Người ta hy vọng rằng cỏc mụ hỡnh truyền thụng đa phương tiện này cú thể hỗ trợ cho ngành viễn thụng trong cỏc ứng dụng video như teleconferencing và data-conferencing hoặc truyền file.
Mạng gúi cú thể là Internet, EN (Enterprise Network), LAN (Local Area Network), MAN (Metropolitan Area Network), WAN (Wide Area Network).
H.323 cú thể cung cấp 1 trong 3 dịch vụ sau tiếng, hỡnh hay dữ liệu cũng như tổ hợp cỏc dịch vụ. Ngoài ra nú cú thể được sử dụng để cung cấp dịch vụ đa phương tiện đa điểm (multipoint multimedia communications).
Mặc dự H.323 cú nhiều cụng dụng nhưng trọng tõm chớnh của thị trường đối với khuyến nghị này là khả năng audio để thực hiện thoại IP. Thực tế, trong giai đoạn đầu cụng nghệ VoIP sử dụng chuẩn H.323 làm giao thức bỏo hiệu cuộc gọi trong mạng và vỡ thế VoIP chỉ sử dụng một phần cấu trỳc H.323. Trong mạng NGN tương lai, H.323 vẫn cú thể sử dụng để bỏo hiệu cho cỏc VoIP gateway hay cho đầu cuối đa phương tiện.
H.323 cú thể được sử dụng với PSTN toàn cầu, N-ISDN hoặc B-ISDN sử dụng ATM. Thậm chớ là một điện thoại hoặc một đầu cuối cũng cú thể tham gia vào hội nghị H.323 nhưng chỉ với khả năng audio. H.323 cú mối liờn quan chặt chẽ với cỏc chuẩn H32x, là cỏc chuẩn truyền thụng video cho mạng ISDN.
Khi được sử dụng cho thoại IP, H.323 bao gồm cả cỏc cuộc gọi VoIP được thực hiện giữa cỏc kết cuối H.323 hoặc giữa kết cuối H.323 và cỏc gateway H.323.
3.2.1.2. Cỏc thành phần của H.323
Giao thức H.323 định nghĩa 4 thành phần: Terminal – kớ hiệu là T, Gateway – GW, Gatekeeper – GK, MCU - multipoint control unit.
Hỡnh 3.4 - Mụ hỡnh mạng H.323 đơn giản
Chồng giao thức mà H.323 hỗ trợ được trỡnh bày trong hỡnh sau:
Hỡnh 3.6 - Cỏc giao thức thuộc H.323
a) Terminal
Là thành phần dựng trong truyền thụng 2 chiều đa phương tiện thời gian thực được dựng trong việc kết nối cỏc cuộc gọi.
Đầu cuối H.323 cú thể là một mỏy tớnh, một điện thoại, điện thoại truyền hỡnh, hệ thống voicemail, thiết bị IVR (Interactive Voice Response) hay là 1 thiết bị độc lập cú cỏc ứng dụng đa phương tiện H.323. Ngoài ra nú cũn tương thớch với đầu cuối H.324 của mạng chuyển mạch kờnh và mạng di động, đầu cuối H.310 của B-ISDN, đầu cuối H.320 của ISDN, v.v…
Một đầu cuối H.323 phải hỗ trợ cỏc giao thức sau:
H.245 cho việc trao đổi khả năng của đầu cuối và để tạo cỏc kờnh thụng tin. H.225 cho quỏ trỡnh bỏo hiệu và thiết lập cuộc gọi.
RAS cho việc đăng ký và điều khiển cỏc hoạt động quản lý khỏc với GK. RTP/RTCP được sử dụng cho việc truyền cỏc gúi thụng tin thoại và hỡnh. G.711 cho quỏ trỡnh mó húa và giải mó tiếng núi
T.120 cho hội thảo dữ liệu và hỗ trợ khả năng tương tự của MCU. Hỡnh sau minh họa cỏc giao thức mà một đầu cuối H.323 phải hỗ trợ:
Hỡnh 3.7 - Chồng giao thức tại đầu cuối H.323
b) Gateway
GW là thành phần dựng để kết nối 2 mạng khỏc loại nhau. Một cổng H.323 dựng để liờn kết mạng H.323 với mạng khụng phải là mạng chuẩn H.323. Việc kết nối giữa 2 mạng khỏc loại nhau thực hiện được nhờ việc dịch cỏc giao thức (protocol translation) khỏc nhau cho quỏ trỡnh thiết lập và giải tỏa cuộc gọi, việc chuyển đổi dạng thụng tin giữa cỏc mạng khỏc nhau và việc truyền thụng tin giữa cỏc mạng kết nối với GW. Tuy nhiờn một GW sẽ khụng cần thiết cho việc liờn lạc giữa cỏc đầu cuối thuộc cựng mạng H.323.
Cấu tạo của một gateway bao gồm một Media Gateway Controller (MGC), Media Gateway (MG) và Signaling Gateway (SG) được minh họa trong hỡnh vẽ sau:
Hỡnh 3.8 - Cấu tạo của gateway
Hỡnh 3.9 - Chồng giao thức của một Gateway
c) Gatekeeper
Một GK được xem là bộ nóo của mạng H.323, nú chớnh là điểm trung tõm cho mọi cuộc gọi trong mạng H.323. Mặc dự là thành phần tựy chọn nhưng GK cung cấp cỏc dịch vụ quan trọng như việc dịch địa chỉ, sự ban quyền và nhận thực cho đầu cuối terminal và GW, quản lý băng thụng, thu thập số liệu và tớnh cước.
Ngoài ra nú cũng cung cấp dịch vụ định tuyến cuộc gọi. Đõy là một chức năng cú rất nhiều ưu điểm vỡ quỏ trỡnh giỏm sỏt cuộc gọi cũng như định tuyến qua GK sẽ cung cấp hoạt động mạng tốt hơn. Điều này là do việc GK đưa ra quyết định định tuyến dựa trờn rất nhiều yếu tố, vớ dụ như yếu tố cõn bằng tải giữa cỏc GW.
Cỏc chức năng cần thiết của một GK:
- Dịch địa chỉ (Address Translation): một cuộc gọi đi trong mạng H.323 cú thể dựng bớ danh (alias) để chỉ địa chỉ của đầu cuối đớch (destination terminal). Do đú ta cần phải sử dụng chức năng này để dịch bớ danh sang địa chỉ H.323.
- Quản lý việc thu nhận đầu cuối (Admission Control): GK sử dụng bỏo hiệu RAS để quản lý việc tham gia vào mạng H.323 để cú thể tham gia vào một kết nối nào đú của cỏc đầu cuối dựa vào một số tiờu chuẩn như băng thụng cũn trống, sự cho phộp hay một số tiờu chuẩn khỏc mà một số yờu cầu đặc biệt khỏc đũi hỏi đỏp ứng.
- Điều khiển băng thụng (Bandwidth Control): GK điều khiển băng thụng bằng bỏo hiệu RAS. Vớ dụ nếu người điều hành mạng đó xỏc định số cuộc gọi tối đa được thực hiện cựng lỳc thỡ mạng cú quyền từ chối bất cứ cuộc gọi nào khi số cuộc gọi tại thời điểm đú đó đạt đến ngưỡng này.
- Quản lý vựng hoạt động (Zone management): GK chỉ cú thể thực hiện cỏc chức năng trờn đối với cỏc terminal, GW và MCU thuộc vựng quản lý của nú. Hay núi cỏch khỏc GK định nghĩa cỏc đầu cuối (endpoint) nú quản lý. Cỏc chức năng tựy chọn của GK: