Chương 2 NGHIấN CỨU CễNG NGHỆ VÀ CÁC Mễ HèNH MẠNG NGN
2.2. MỘT SỐ CHUẨN CễNG NGHỆ VÀ KỸ THUẬT QUAN TRỌNG ĐƯỢC SỬ
2.2.1. Cỏc giao thức chuyển mạch/định tuyến
2.2.1.1 Cụng nghệ ATM
Xuất phỏt từ nhu cầu truyền thụng đa phương tiện ngày càng đũi hỏi cỏc cụng nghệ truyền dẫn tốc độ cao, trong hơn một thập kỷ vừa qua cụng nghệ ATM đó được phỏt triển mạnh và là một mạng truyền dữ liệu khỏ hiệu quả, đặc biệt là trong cỏc mạng truyền dữ liệu nội vựng, một số mạng đường trục dữ liệu.
ATM dựa trờn kỹ thuật chuyển mạch tế bào (cell) với cỏc cell cú chiều dài cố định là 53Bytes và truyền số liệu định hướng kết nối (connection oriented). Hệ thống thiết bị chuyển mạch ATM dựa trờn lớp 2 trong mụ hỡnh OSI và thực hiện bởi phần cứng cỏc tổng đài. Do cỏc đặc điểm đú, ATM thường đảm bảo tốt chất lượng (QoS) cỏc dịch vụ nú truyền tải. ATM đỏp ứng được nhu cầu truyền dẫn và chuyển mạch tốc độ cao. Tuy nhiờn, cụng nghệ ATM cũng cú những hạn chế về mặt hiệu quả kinh doanh dịch vụ, do cụng nghệ thiờn về phần cứng nờn việc đầu tư vào hạ tầng mạng là lớn và chi phớ khỏ tốn kộm. Với sự phỏt triển mạnh của mạng IP với cỏc kỹ thuật mới như MPLS, dẫn đến cụng nghệ ATM cú xu hướng phỏt triển ớt trong tương lai.
2.2.1.2 Giao thức IP
Cú thể núi rằng, NGN ra đời chớnh từ sự bựng nổ của mạng dữ liệu IP. Trong những năm qua mạng IP đó phỏt triển mạnh mẽ, mạng Internet và cỏc mạng Voice Over IP đó ngày càng chiếm một tỷ trọng lớn trong cỏc lưu lượng dữ liệu và thoại trờn mạng viễn thụng thế giới.
Mạng IP mà trước đõy là mạng Internet, vốn là mạng khụng định hướng kết nối (connectionless oriented) và được coi là cú chất lượng QoS khụng được đảm bảo. Tuy nhiờn, ngày nay với việc ỏp dụng chuẩn MPLS và dưới sự hỗ trợ của cỏc
hóng thiết bị về khả năng định tuyến ưu tiờn theo lớp dịch vụ CoS (Class of Service), đó khiến IP trở thành mạng định hướng kết nối và đảm bảo việc truyền tin qua mụi trường mạng IP đạt chất lượng tốt, đỏp ứng được cỏc dịch vụ đũi hỏi thời gian thực như cỏc dịch vụ VoIP, Internet telephony…
IP cú một điểm nổi bật hơn ATM đú là quỏ trỡnh định tuyến được xử lý bằng phần mềm mạng, tương ứng với lớp 3 trong mụ hỡnh OSI. Trong khi ATM là chuyển mạch thiờn về phần cứng tương ứng với lớp 2 của mụ hỡnh OSI. Việc định tuyến bằng phần mềm, giỳp cho mạng IP được thiết kế mềm dẻo, nhỏ gọn, hiệu quả kinh tế cao, trong khi cỏc chuyển mạch ATM phải cú hệ thống phần cứng mạnh, cồng kềnh và chi phớ khỏ tốn kộm.
2.2.1.3 Cụng nghệ MPLS
- Tổng quan cụng nghệ chuyển mạch nhón đa giao thức MPLS
MPLS được IETF xem xột nghiờn cứu vào năm 1997, trước đú nú được Cisco giới thiệu với cỏi tờn chuyển mạch thẻ (Tag Switching). MPLS là cụng nghệ chuyển mạch IP trờn kờnh ảo, nú đưa ra một cơ chế chuyển tiếp định hướng kết nối tổng quỏt hơn cho việc định tuyến và chuyển mạch tớch hợp dựa vào cỏc nhón cú độ dài cố định.
Cơ chế hoạt động của MPLS là việc gỏn nhón (Label) cho cỏc gúi tin IP, dựa trờn thụng tin định tuyến của cỏc giao thức định tuyến cung cấp. Gúi tin sau khi đó được gỏn nhón được chuyển qua cỏc kờnh ảo dựa trờn nhón được gỏn đú.
Về bản chất MPLS thay thế việc tỡm kiếm bảng định tuyến chuẩn được thực hiện ở lớp 3 bằng một hoạt động trao đổi và tỡm kiếm nhón đơn giản ở lớp 2. Việc phõn bố cỏc nhón trờn một con đường định tuyến cụ thể tạo nờn một kờnh ảo chuyển mạch.
Theo mụ hỡnh OSI, MPLS nằm giữa tầng liờn kết dữ liệu (Data Link) và tầng mạng (Network). MPLS chuyển mạng IP từ cơ chế khụng định hướng kết nối sang định hướng kết nối.
MPLS cũn hỗ trợ cỏc phương phỏp mới cho kỹ thuật lưu lượng và quản lý lưu lượng trong cỏc mạng IP. MPLS cú cỏc ưu điểm của mụ hỡnh chuyển mạch kờnh cộng với sự linh hoạt và mềm dẻo đó cú trong cỏc mạng IP.
- Cỏc khỏi niệm:
+ Nhón (label) :
Là một tiờu đề ngắn chiều dài cố định được chứa trong mỗi gúi (được chốn vào giữa mào đầu lớp 2 và lớp 3) đúng vai trũ như một nhận dang kờnh ảo (vớ dụ như giỏ trị VPI /VCI của tế bào ATM hay DLCI trong một PDU của Frame Relay ) để xỏc định một FEC và chọn cỏch chuyển tiếp cho gúi.
+ Mào đầu MPLS :
20 bit nhón 3bit CoS 1bit
stack
8 bit TTL
Trường nhón truyền tải giỏ trị thực của nhón MPLS, trường CoS cú thể tỏc động đến cỏc thuật toỏn xếp hàng ỏp dụng cho gúi tin trờn mạng; trường stack được sử dụng để nhận dạng chỗ kết thỳc của ngăn khi sử dụng nhiều nhón; cuối cựng là trường TTL cung cấp thời gian sống cho gúi tin khi đi qua mạng MPLS (mỗi khi qua một bộ định tuyến chuyển mạch nhón TTL lại giảm giỏ trị đi một đơn vị, và bị loại bỏ khi TTL =0 ).
+ Lớp chuyển tiếp tương đương (FEC forwarding equivelence class)
Là luồng cỏc gúi tin cú một tập cỏc đặc tớnh chung được xử lý và chuyển gửi theo cỏch tương tự khi đi qua mạng. Tất cả cỏc gúi tin thuộc cựng một FEC sẽ sử dụng cựng một kờnh ảo gọi là đường chuyển mạch nhón LSP và cựng được ỏnh xạ tới một nhón.
+ Đường chuyển mạch nhón (LSP):
Tương tự như kờnh ảo cố định của ATM hoặc Frame Relay, là đường hầm đơn cụng lớp 2 xuyờn qua một mạng hay dóy ghộp của một hoặc nhiều hop chuyển mạch nhón.
+ Bộ định tuyến chuyển mạch nhón (LSR).
Là một bộ định tuyến thực hiện cỏc thủ tục phõn phối nhón và cú thể chuyển tiếp cỏc gúi dựa trờn cỏc nhón. Cú khả năng chuyển tiếp cỏc gúi IP nguyờn thuỷ, thực hiện một hoặc nhiều giao thức định tuyến IP. Tham gia vào cỏc giao thức điều khiển MPLS.
+ Bộ định tuyến nhón biờn đầu vào (ingress LSR) (‘head –end LSR’)
Kiểm tra cỏc gúi IP đến biờn của mạng MPLS và ấn định chỳng cho một FEC. Tạo mào đầu MPLS và ấn định nhón khởi đầu.
+ LSR core: thực hiện chuyển tiếp cỏc gúi MPLS sử dụng trao đổi nhón.
+ LSR edge: thực hiện thỏo bỏ mào đầu MPLS và định tuyến gúi IP nguyờn
thuỷ.
- Cấu trỳc mạng MPLS
Một mạng MPLS bao gồm : Cỏc Edge LSR bao quanh một trục lừi cỏc LSR. LSR thường dựa trờn IP. Cỏc mạng khỏch hàng (CN: Customer Network) được kết nối với mạng MPLS nhà cung cấp thụng qua cỏc CE router như Hỡnh vẽ 2-1
CE PE ELSR LSR LSR PE CE C Network (Customer Control)
P Network (Provider control) C Network (Customer Control) LDP
Hỡnh 2-1: Hoạt động của mạng MPLS2.2.2 Cỏc chuẩn bỏo hiệu và điều khiển 2.2.2 Cỏc chuẩn bỏo hiệu và điều khiển
- Tổng quan về chuẩn bỏo hiệu H.323
Là một khuyến nghị nằm trong họ giao thức H.32x do ITU đề xuất. H.323 cung cấp một kiến trỳc hệ thống tổng thể cỏc cơ chế thực thi cho toàn bộ quỏ trỡnh thiết lập, điều khiển cuộc gọi và cho cả phương tiện truyền thụng được sử dụng trong cuộc gọi trờn mụi trường IP.
Chuẩn H.323 giải quyết được vấn đề kỹ thuật cho truyền thoại, hỡnh ảnh và số liệu theo thời gian thực qua mụi trường mạng IP và mạng Internet.
Chuẩn H.323 được ứng dụng một cỏch rất rộng rói, cú thể dựng cho truyền thoại trờn IP (VoIP), hỡnh ảnh, dữ liệu và hội nghị đa phương tiện (Multimedia Conferencing)…
Hiện nay, VNPT đang phối hợp với SIEMENS để thử nghiệm H323 cho cỏc dịch vụ NGN trờn nền mạng VoIP 171 như đó đề cập trong chương 1.
Trong phần này, ta sẽ xem xột về cỏc giao thức trong tập giao thức H323, cỏc thành phần trong một mạng H323 và chức năng tương ứng của nú, khỏi quỏt quỏ trỡnh xử lý bỏo hiệu đối với cỏc giai đoạn thực hiện của một cuộc gọi.
Data Link and Physical Layer IP TCP UDP RTP Audio codec G.711 G.722 G.723 G.728 G.729 Video codec H.261 H.263 RT CP H .2 25 .0 (R A S) H .2 25 .0 ( Q .9 31 ) H .2 45 T.120 Data Hỡnh 2-2: Chồng giao thức H.323
- Chồng giao thức H.323:
Chồng giao thức H.323 được thể hiện như Hỡnh vẽ 2-2, bao gồm:
+ Cỏc chuẩn nộn tớn hiệu thoại: G.711 (64 kbps PCM), G.722, G.723, G.726 (40/32/24/16 kbps ADPCM), G.728 (16 kbps), G.729 (8 kbps). + Cỏc chuẩn nộn tớn hiệu video: H.261, H.263.
+ H.245: Dựng cho bỏo hiệu và điều khiển kờnh. + H.225: Dựng cho bỏo hiệu cuộc gọi.
+ T.120: Dựng cho cỏc ứng dụng truyền dữ liệu.
+ RTP/RTCP: Ứng dụng cho việc truyền cỏc gúi tin theo thời gian thực. - Cỏc thành phần kiến trỳc của H.323:
Chuẩn H.323 đưa ra định nghĩa 4 loại thành phần kiến trỳc mạng như sau: Thiết bị đầu cuối, Gateway, Gatekeeper, khối điều khiển liờn kết đa điểm (MCU – Multipoint Control Unit), như Hỡnh 2-3:
H.323 Terminal H.323MCU GateKeeper Gateway H.323 Terminal Non-H.323 network (PSTN, ISDN ...) Hỡnh 2-3: Thành phần kiến trỳc mạng H.323
- Thiết bị đầu cuối:
Thiết bị đầu cuối dựng để thực hiện việc liờn lạc hai chiều theo thời gian thực với cỏc thiết bị đầu cuối khỏc. Thiết bị đầu cuối H.323 cú thể là một thiết bị độc lập hoặc là mỏy PC cú cài đặt ứng dụng H.323. Núi chung, thiết bị đầu cuối H.323 gồm cỏc thành phần sau (Hỡnh 2-4):
+ Phần giao tiếp với người sử dụng.
+ Cỏc bộ mó hoỏ/giải mó (Codec) thoại, video. + Phần điều khiển hệ thống (H.245, H.225).
+Lớp H.225.0 cho việc đúng gúi luồng thụng tin (audio, video, data, control).
+ Giao diện với mạng LAN. Audio codec G.711, G.722, G.723.1, G.728, G.729 Video codec H.261, H.263 H.225.0 Layer LAN interface Microphone or Speaker Camera or Display H.245 Control H.225 Call Control (Q.931) RAS control System Control Data application System Control User Interface Receive path delay
- Gateway
Một Gateway cung cấp khả năng kết nối giữa mạng H.323 với cỏc mạng khỏc như: PSTN, ISDN,... Gateway thực hiện việc biờn dịch, chuyển đổi cỏc giao thức bỏo hiệu cuộc gọi và khuụn dạng dữ liệu giữa cỏc mạng khỏc nhau. Nếu chỉ đơn thuần cỏc đầu cuối H.323 trong cựng một mạng liờn lạc với nhau thỡ khụng cần đến sự tham gia của Gateway.
- Gatekeeper
Gatekeeper được coi là bộ nóo của mạng H.323. Gatekeeper giỏm sỏt và điều khiển mọi hoạt động trong miền mà nú quản lý. Mặc dự là thành phần khụng bắt buộc phải cú trong mạng H.323 nhưng Gatekeeper lại cung cấp những dịch vụ quan trọng cho cỏc đầu cuối. Chuẩn H.323 đưa ra định nghĩa về cỏc chức năng bắt buộc tối thiểu phải cú cho Gatekeeper như: dịch địa chỉ, điều khiển truy nhập, điều khiển băng thụng, quản lý miền và cỏc chức năng tuỳ chọn là: điều khiển bỏo hiệu cuộc gọi, tớnh cước... Khi Gatekeeper cú mặt trong hệ thống, tất cả cỏc thiết bị đầu cuối phải đăng ký trước khi thực hiện cuộc gọi. Ta cú bảng chức năng như sau:
Chức năng Định nghĩa
Dịch địa chỉ Dịch từ địa chỉ alias sang địa chỉ giao vận (địa chỉ trong mạng H.323).
Điều khiển quyền truy nhập
Gatekeper cú thể chấp nhận hoặc từ chối yờu cầu truy nhập của đầu cuối (thụng qua bản tin ARQ, ACF, ARJ).
Điều khiển băng thụng
Gatekeeper điều khiển băng thụng bằng cỏc bản in RAS (BRQ, BRJ, BCF). Gatekeeper đảm bảo băng thụng dành cho cỏc cuộc gọi khụng vượt quỏ ngưỡng đặt ra.
Quản lý miền Gatekeeper thực hiện cỏc chức năng quản lý như trờn với cỏc đầu cuối trong miền.
hiệu cuộc gọi H.225/Q.931 hoặc để hai đầu cuối gửi bản tin bỏo hiệu trực tiếp cho nhau.
Quản lý cuộc gọi
Gatekeeper duy trỡ một danh sỏch về cỏc cuộc gọi đang được tiến hành, nhờ đú nú xỏc định được đầu cuối nào đang bận.
Quản lý băng thụng
Do băng thụng cú hạn, Gatekeeper giới hạn số đầu cuối được phộp truy nhập cựng một lỳc.
Call
Authorization
Gatekeeper cú thể giới hạn quyền truy nhập hoặc thời gian truy nhập của một đầu cuối.
Tớnh cước Gatekeeper quản lý mọi hoạt động diễn ra trong miền mà nú quản lý, do đú sẽ rất thuận lợi nếu nú đảm nhận cả chức năng tớnh cước.
Bảng 2-1: Cỏc chức năng của Gatekeeper trong mạng H323
- MCU
MCU hỗ trợ khả năng thực hiện cỏc cuộc đàm thoại hội nghị với số bờn tham gia lớn hơn 3. MCU bao gồm hai thành phần : MC (bắt buộc), và MP (tựy chọn):
+ MC (Multipoint Control): Điều khiển việc liờn kết giữa cỏc đầu cuối tham gia vào cuộc hội thoại.
+ MP (Multipoint Processor): Thực hiện việc trộn, chuyển, phõn kờnh cho từng luồng dữ liệu trong quỏ trỡnh đàm thoại giữa cỏc bờn.
MCU, Gatekeeper, Gateway là cỏc thực thể tỏch biệt về mặt logic, chỳng cú thể được định vị trong cựng một thiết bị vật lý.
- Bỏo hiệu và điều khiển trong H.323
Bản tin H.225 RAS được truyền tải trờn kờnh RAS qua giao thức UDP. Cỏc thiết bị đầu cuối và Gateway trao đổi cỏc bản tin H.225 RAS với Gatekeeper nhằm:
+ Tỡm kiếm Gatekeeper. + Đăng ký.
+ Định vị đầu cuối (Terminal và Gateway). + Điều khiển truy nhập.
+ Điều khiển băng thụng. + Giải phúng cuộc gọi. + Thụng bỏo trạng thỏi.
- Bỏo hiệu cuộc gọi H225 (Q.931):
Cỏc bản tin Q.931 được truyền trờn kờnh bỏo hiệu cuộc gọi qua giao thức TCP (cổng 1720). Đõy là cỏc bản tin sẽ được sử dụng tiếp theo sau khi quỏ trỡnh trao đổi RAS thành cụng. Nếu trong hệ thống khụng cú Gatekeeper, cỏc bản tin Q.931 sẽ được trao đổi trực tiếp giữa cỏc đầu cuối để thiết lập hoặc huỷ bỏ cuộc gọi. Cũn trong trường hợp cú Gatekeeper, cú hai cỏch để cỏc đầu cuối trao đổi bản tin bỏo hiệu:
+ Trao đổi trực tiếp: Hai đầu cuối trực tiếp trao đổi bản tin bỏo hiệu cho nhau
+ Trao đổi giỏn tiếp: Cỏc bản tin bỏo hiệu được định tuyến qua Gatekeeper. Sử dụng cỏch nào là do Gatekeeper quyết định trong quỏ trỡnh trao đổi bản tin truy nhập trờn kờnh RAS.
- Bỏo hiệu điều khiển H.245:
Bản tin H.245 được truyền tải trờn kờnh điều khiển H.245 qua giao thức TCP. Kờnh điều khiển H.245 là kờnh logic 0 và thường xuyờn mở trong quỏ trỡnh thực hiện cuộc gọi. Cỏc bản tin này được trao đổi giữa cỏc đầu cuối sau quỏ trỡnh bỏo hiệu Q.931 thành cụng. Mục đớch của việc trao đổi cỏc bản tin H.245 này là: trao
đổi về cỏc khả năng của đầu cuối, mở /đúng cỏc kờnh logic để truyền cỏc gúi tin RTP/RTCP.
2.2.2.2 Giao thức khởi tạo phiờn - SIP
- Tổng quan về SIP:
SIP là chuẩn bỏo hiệu do IETF đưa ra (RFC 2543-thỏng 3/1999) nhằm giải quyết cỏc vấn đề truyền tải tớn hiệu õm thanh và hỡnh ảnh trờn mụi trường mạng IP. SIP dựa trờn nền tảng văn bản sử dụng bộ ký tự ISO 10646, điều này tạo cho SIP tớnh linh hoạt, mềm dẻo, dễ mở rộng và dễ thực thi cỏc ngụn ngữ lập trỡnh cấp cao như Java, Tol, Perl.
- Chồng giao thức SIP (SIP protocol stack):
SIP là giao thức lớp ứng dụng, hoạt động và chức năng của nú khụng phụ thuộc vào giao thức lớp dưới (SIP cú thể chạy trờn nền IPX, Frame Relay, ATM AAL5 hoặc X25). Nhưng thụng dụng nhất vẫn là SIP hoạt động trờn cơ sở mạng IP, trong đú cỏc bản tin bỏo hiệu cuộc gọi SIP cú thể vận chuyển qua TCP hoặc UDP.
Hỡnh 2-5 mụ tả vị trớ của SIP trong mụ hỡnh TCP/IP:
Hỡnh 2-5: Giao thức SIP trong mạng IP
SDP (Session Description Protocol): Giao thức mụ tả phiờn.
RTP (Real-time Transport Protocol): Đõy là giao thức được sử dụng để truyền tải tớn hiệu õm thanh, hỡnh ảnh theo thời gian thực.
RTCP (Real-time Transport Control Protocol): Đõy là giao thức điều khiển truyền tải tớn hiệu õm thanh, hỡnh ảnh theo thời gian thực.
- Vai trũ, chức năng của SIP:
SIP là giao thức điều khiển lớp ứng dụng dựng để thiết lập, thay đổi và giải phúng cỏc phiờn truyền thụng đa phương tiện hoặc cuộc gọi. Cỏc phiờn kết nối đa phương tiện ở đõy cú thể là: hội thảo, đào tạo từ xa, điện thoại IP, hoặc cỏc ứng dụng tương tự khỏc.
SIP hỗ trợ 5 khớa cạnh trong việc thiết lập và kết thỳc cỏc cuộc liờn lạc đa phương tiện:
+ Định vị người sử dụng: Xỏc định vị trớ của thiết bị đầu cuối đang thực