Do khái niệm báo hiệu và điều khiển kết nối là một khái niệm rộng nên có thể nhìn nhận từ nhiều khía cạnh khác nhau của mạng. Mục này sẽ cung cấp một số đặc tính cơ bản của báo hiệu theo kiến trúc mô hình tham chiếu OSI. Mô hình kết nối hệ thống mở OSI (ISO/IEC 7498-1) là mô hình khái niệm để đặc tính và tiêu chuẩn hóa các chức năng nội của một hệ thống truyền thông bằng cách phân chia thành các lớp trừu tƣợng. Mô hình OSI nhóm các chức năng truyền thông tƣơng tự vào một trong 7 lớp logic (hình 1.8).
Lớp Vật lý: Các mạch vật lý tạo ra lớp vật lý của mô hình OSI. Lớp vật lý mô tả các
tín hiệu điện, quang sử dụng cho truyền thông và chỉ liên quan tới các đặc tính vật
lý của tín hiệu điện hoặc quang gồm: điện áp, dòng điện, kiểu phƣơng tiện, đặc tính vật lý của đầu nối, đồng bộ... Báo hiệu và điều khiển kết nối sử dụng lớp vật lý tƣơng tự nhƣ các luồng dữ liệu để thực hiện các tác vụ. Một số nhiệm vụ báo hiệu tới thiết bị đầu cuối có thể sử dụng chính các tham số vật lý của đƣờng truyền dẫn làm phƣơng tiện báo hiệu và điều khiển. Ví dụ nhƣ báo hiệu mạch vòng đƣờng dây thuê bao sử dụng dòng điện xoay chiều để cấp chuông cho thuê bao điện thoại.
Hình 1.8: Mô hình tham chiếu kết nối hệ thống mở OSI
Lớp liên kết dữ liệu: Lớp liên kết dữ liệu cung cấp một liên kết tin cậy giữa các nút
có kết nối trực tiếp bằng cách phát hiện và có khả năng hiệu chỉnh lỗi có thể xảy ra tại lớp vật lý. Lớp liên kết dữ liệu đƣợc chia thành hai phân lớp: điều khiển truy nhập phƣơng tiện MAC (Media Access Control) và điều khiển liên kết dữ liệu LLC (Logical Link Control). Phân lớp MAC có thể chứa các giao thức điều khiển truy nhập với các thuật toán điều khiển khác nhau. Ví dụ, giao thức đa truy nhập cảm nhận sóng mang/ dò tìm xung đột CSMA/CD hay đa truy nhập cảm nhận sóng mang/ tránh xung đột CSMA/CA. Phân lớp LLC chịu trách nhiệm cho các khung đồng bộ, kiểm tra lỗi và điều khiển luồng. Các khe thời gian đặc biệt hoặc phần đầu hoặc kết thúc khung đƣợc sử dụng để mang các thông tin báo hiệu và điều khiển.
Lớp mạng: Lớp mạng trong mô hình OSI chịu trách nhiệm quản lý thông tin địa chỉ
logic trong các gói tin và chuyển phát các gói tin đó tới địa chỉ chính xác. Các địa chỉ lớp mạng là một phần không thể thiếu trong hoạt động của các giao thức báo
hiệu nhằm điều khiển kết nối, chuyển phát bản tin báo hiệu và thiết lập các tham số báo hiệu và điều khiển. Chức năng báo hiệu trong mạng viễn thông thƣờng gắn liền với các cơ chế định tuyến do định tuyến luôn là bƣớc đầu tiên trong quá trình thiết lập kết nối. Trong mạng truyền thông dữ liệu, chức năng báo hiệu tại lớp mạng thƣờng là một phần của chức năng định tuyến vì các giai đoạn thiết lập, truyền và giải phóng kết nối đƣợc thực hiện đồng thời.
Lớp truyền tải: Lớp truyền tải xử lý các chức năng truyền tải nhƣ là chuyển phát tin
cậy hoặc không tin cậy dữ liệu tới đích. Trong mạng máy tính, thiết bị gửi đi chịu trách nhiệm chia dữ liệu thành các gói nhỏ hơn nhằm phát lại khi bị tổn thất. Các gói tổn thất đƣợc phát hiện bởi các bản tin xác nhận ACK từ phía thiết bị thu. Biên cạnh đó, lớp truyền tải cung cấp tùy chọn địa chỉ dịch vụ cho các dịch vụ và ứng dụng lớp trên. Các thông tin điều khiển và báo hiệu cũng dựa trên chỉ số cổng để đƣa ra các quyết định điều khiển dịch vụ. Các cơ chế điều khiển cửa sổ luồng thông tin đƣợc ứng dụng trực tiếp trên giao thức TCP rất phổ biến trong các môi trƣờng mạng truyền thông. Thông thƣờng, bài toán tối ƣu hiệu năng mạng NUM (Network Utility Maximization) đƣợc tối ƣu tại lớp truyền tải cùng với các tham số lớp dƣới đƣợc đặt ra nhƣ một vấn đề then chốt trong điều khiển.
Lớp phiên: Lớp phiên chịu trách nhiệm thiết lập, quản lý và giải phóng các phiên
kết nối giữa các ứng dụng tại các điểm cuối của truyền thông. Trong giai đoạn thiết lập, dịch vụ và các luật áp dụng cho dữ liệu cho phiên truyền thông giữa các thiết bị đƣợc đƣa ra. Khi các thiết bị đầu cuối thỏa thuận đƣợc luật truyền, giai đoạn truyền dữ liệu đƣợc tiến hành. Giải phóng phiên kết nối để dành tài nguyên cho các kết nối khác đƣợc thực hiện khi phiên truyền kết thúc. Nhƣ vậy, phần lớn các tác vụ điều khiển và báo hiệu nằm tại lớp phiên nên các giao thức báo hiệu thƣờng đƣợc coi thuộc lớp phiên của mô hình OSI.
Lớp trình diễn: Lớp trình diễn nằm ngay dƣới lớp ứng dụng, khi nhận đƣợc dữ liệu
từ lớp ứng dụng cần đƣợc gửi đi qua mạng, lớp trình diễn đảm bảo khuôn dạng truyền thích hợp cho thông tin dữ liệu đó cho phía bên nhận đƣợc thành công. Các
chức năng tạo khuôn dạng dữ liệu tại lớp trình diễn có thể gồm nén, mã hóa và đảm bảo rằng các tập mã ký tự thể hiện đúng tại phía bên nhận.
Lớp ứng dụng: Lớp ứng dụng là lớp cao nhất trong mô hình OSI. Dữ liệu lƣu lƣợng
thực thƣờng đƣợc phát sinh từ lớp ứng dụng. Lớp ứng dụng là lớp tƣơng tác gần nhất với ngƣời sử dụng thông qua các phần mềm ứng dụng. Các chức năng của lớp ứng dụng thƣờng gồm: nhận diện thành phần truyền thông, xác định nguồn tài nguyên khả dụng và đồng bộ truyền thông. Một số tác vụ điều khiển và báo hiệu nhằm quản lý tài nguyên cho các ứng dụng đƣợc thực hiện tại lớp này.
Qua tóm tắt các chức năng của mô hình OSI trên đây cho thấy, các tác vụ báo hiệu và điều khiển hiện diện hầu hết tại các lớp của mô hình. Tuy nhiên, từ góc độ mạng thì các vấn đề báo hiệu chủ yếu tập trung tại lớp phiên của mô hình OSI thông qua các giao thức. Vấn đề điều khiển tài nguyên cục bộ thƣờng đƣợc xử lý tại các phân lớp thấp nhƣ lớp vật lý và lớp liên kết dữ liệu. Các vấn đề điều khiển tối ƣu hệ thống thƣờng đƣợc tiến hành tại lớp mạng và lớp truyền tải của mô hình OSI.
1.6 KẾT LUẬN CHƯƠNG
Nội dung chƣơng 1 tập trung vào vấn đề nền tảng của điều khiển hệ thống cũng nhƣ khái quát chung về báo hiệu trong mạng truyền thông. Từ các nguyên tắc chung của điều khiển tới tiếp cận điều khiển trong mạng viễn thông cho thấy vấn đề điều khiển các hệ thống lớn nhƣ hệ thống viễn thông là rất phức tạp. Tiếp cận điều khiển hệ thống viễn thông hiện nay thƣờng dựa trên một phần điều khiển tự động và quyết định cao nhất từ ngƣời điều hành. Các thuộc tính cơ bản của hệ thống điều khiển cũng đã đƣợc trình bày nhằm giúp ngƣời đọc có đƣợc kiến thức trong phân tích các phƣơng pháp điều khiển. Cụ thể hơn, các giải pháp chính điều khiển mạng viễn thông cũng đƣợc đƣa ra với các phân tích trên nhiều khía cạnh khác nhau. Phần cuối của chƣơng giới thiệu khái quát các vấn đề liên quan tới kiến trúc và phân loại báo hiệu là nền tảng ban đầu cho các chƣơng tiếp theo.
Các nội dung ôn tập chính trong chương
- Các phƣơng pháp tiếp cận và thuộc tính điều khiển hệ thống viễn thông;
- Các giải pháp điều khiển hệ thống viễn thông;
- Tiếp cận RACF và RASF;
- Kiến trúc và phân loại chức năng báo hiệu.
CHƯƠNG 2: BÁO HIỆU TRONG MẠNG CỐ ĐỊNH
Tóm tắt: Nội dung của chương tập trung vào các giao thức báo hiệu sử dụng cho mạng cố định bao gồm hệ thống báo hiệu số 7 cho mạng chuyển mạch điện thoại công cộng, các giao thức báo hiệu chính theo mô hình hội tụ mạng PSTN và Internet. Các giao thức được trình bày ngắn gọn thông qua kiến trúc, thành phần chức năng và nguyên tắc hoạt động cơ bản.
2.1 KIẾN TRÚC MẠNG HỘI TỤ THEO HƯỚNG MÁY CHỦ CUỘC GỌI
Vào khoảng thập niên 60 của thế kỷ 20, xuất hiện sản phẩm tổng đài điện tử số là sự kết hợp giữa công nghệ điện tử với kỹ thuật máy tính. Tổng đài điện tử số công cộng đƣợc điều khiển theo chƣơng trình ghi sẵn SPC (Stored Program Control) đã tạo ra nền tảng phát triển mạng viễn thông số không chỉ phục vụ cho dịch vụ thoại mà còn cho các mạng dịch vụ tích hợp số ISDN (Integrated Service Digital Network). Vào thập niên 90 (1996) khi mạng Internet trở thành bùng nổ trong thế giới công nghệ thông tin đã tác động mạnh mẽ đến công nghiệp viễn thông và xu hƣớng hội tụ các mạng máy tính, truyền thông và điều khiển. Hạ tầng mạng viễn thông đã trở thành tâm điểm trong hạ tầng xã hội với vai trò truyền tải thông tin. Một mạng có thể truyền băng rộng với các loại hình dịch vụ thoại và phi thoại, tốc độ cao và đảm bảo đƣợc chất lƣợng dịch vụ QoS đã trở thành cấp thiết trên nền tảng của một kỹ thuật mới - kỹ thuật truyền tải không đồng bộ ATM (Asynchronous Transfer Mode). Mạng chuyển mạch kênh công cộng PSTN và IP dần hội tụ tới cùng một mục tiêu nhằm hƣớng tới một hạ tầng mạng tốc độ cao có khả năng tƣơng thích với các ứng dụng đa phƣơng tiện tƣơng tác và đảm bảo chất lƣợng dịch vụ. Sự khác biệt này bắt đầu từ những năm 1980, PSTN chuyển hƣớng tiếp cận sang phƣơng thức truyền tải bất đồng bộ ATM để hỗ trợ đa phƣơng tiện và QoS, sau đó chuyển hƣớng sang công nghệ kết hợp với IP để thực hiện chuyển mạch nhãn đa giao thức MPLS (Multi Protocol Label Switch) hiện nay. Trong khi đó Internet đƣa ra một tiếp cận khác với PSTN qua giải pháp triển khai kiến trúc phân lớp dịch vụ
CoS (Class Of Service) và hƣớng tới đảm bảo chất lƣợng dịch vụ QoS thông qua mô hình tích hợp dịch vụ IntServ và phân biệt dịch vụ DiffServ. Các chiến lƣợc của Internet theo hƣớng tƣơng thích với IP, các hạ tầng lớp 2 tích cực và mạng truyền tải quang.
Sự hình thành cấu trúc hội tụ đƣợc tiếp cận từ hai góc độ: giữa hạ tầng mạng cố định và internet; hạ tầng mạng cố định và mạng di động. Với hai khái niệm về hội tụ bao gồm: hội tụ mạng là tiếp cận sử dụng chung hạ tầng truyền thông và hội tụ dịch vụ tại các lớp cao hơn của hệ thống. Dƣới góc độ hội tụ mạng, sự thay đổi công nghệ đƣợc chú trọng vào các hệ thống chuyển mạch, với yêu cầu độ mềm dẻo lớn nhằm tƣơng thích và đáp ứng các yêu cầu tăng trƣởng lƣu lƣợng từ phía khách hàng. Vì vậy, cơ chế điều khiển các hệ thống chuyển mạch đã đƣợc phát triển theo hƣớng phân lớp và module hoá nhằm nâng cao hiệu năng chuyển mạch và đảm bảo QoS từ đầu cuối tới đầu cuối.
Đặc trƣng cơ bản của mạng hội tụ đƣợc phản ánh qua một hình thái mạng mới với tên gọi là mạng thế hệ kế tiếp NGN (Next Generation Network). Định nghĩa thƣờng đƣợc sử dụng cho NGN là một mạng hội tụ có hạ tầng thông tin duy nhất dựa trên công nghệ chuyển mạch gói và đƣợc điều khiển tập trung bởi chuyển mạch mềm (Softswitch). NGN cần đƣợc quản lý tập trung và cho phép triển khai nhanh chóng các dịch vụ mới. NGN còn đƣợc biết đến với các tên gọi khác nhƣ: mạng đa dịch vụ - cung cấp nhiều loại hình dịch vụ trên cùng một hệ thống mạng; mạng hội tụ - hổ trợ cả lƣu lƣợng thoại và số liệu, cả cố định và di động; mạng phân lớp - phân thành nhiều lớp chức năng.
Khuyến nghị Y.2001 của liên minh viễn thông quốc tế ITU-T đƣa ra định nghĩa: Mạng thế hệ kế tiếp (NGN) là mạng chuyển mạch gói có khả năng cung cấp các dịch vụ viễn thông và tạo ra ứng dụng băng thông rộng, các công nghệ truyền tải đảm bảo chất lƣợng dịch vụ và trong đó các chức năng dịch vụ độc lập với các công nghệ truyền tải liên quan. NGN cho phép truy nhập không giới hạn tới mạng và là môi trƣờng cạnh tranh giữa các nhà cung cấp dịch vụ trên các kiểu dịch vụ cung
cấp. NGN hỗ trợ tính di động toàn cầu cho các dịch vụ cung cấp tới ngƣời sử dụng sao cho đồng nhất và đảm bảo.
Hƣớng tiếp cận máy chủ cuộc gọi CS đƣợc hình thành trong quá trình chuyển đổi các hạ tầng mạng chuyển mạch kênh sang chuyển mạch gói trong mạng PSTN. Để thực hiện quá trình chuyển đổi và truyền thoại trên nền IP, một giải pháp có thể thực thi là tạo ra một thiết bị lai có thể chuyển mạch thoại ở cả dạng kênh và gói với sự tích hợp của phần mềm xử lý cuộc gọi. Điều này đƣợc thực hiện bằng cách tách riêng chức năng xử lý cuộc gọi khỏi chức năng chuyển mạch vật lý. Thiết bị Bộ điều khiển cổng đa phƣơng tiện MGC (Media Gateway Controller) đƣợc coi là thành phần mấu chốt trong giải pháp kỹ thuật chuyển mạch mềm (Softswitch). Thực chất của khái niệm chuyển mạch mềm chính là phần mềm thực hiện chức năng xử lý cuộc gọi trong hệ thống chuyển mạch có khả năng chuyển tải nhiều loại thông tin với các giao thức khác nhau (chức năng xử lý cuộc gọi bao gồm định tuyến cuộc gọi và quản lý, xác định và thực thi các đặc tính cuộc gọi). Theo thuật ngữ chuyển mạch mềm thì chức năng chuyển mạch vật lý đƣợc thực hiện bởi cổng đa phƣơng tiện MG (Media Gateway), còn xử lý cuộc gọi là chức năng của bộ điều khiển cổng đa phƣơng tiện MGC.
Trong chuyển mạch truyền thống, phần cứng chuyển mạch luôn đi kèm với phần mềm điều khiển của cùng một nhà cung cấp. Điều này làm tăng tính độc quyền trong việc cung cấp các hệ thống chuyển mạch, không cung cấp một môi trƣờng kiến tạo dịch vụ mới, làm giới hạn khả năng phát triển các dịch vụ mới của các nhà quản trị mạng. Khắc phục điều này, chuyển mạch mềm đƣa ra giao diện lập trình ứng dụng mở API (Application Programable Interface), cho phép tƣơng thích phần mềm điều khiển và phần cứng của các nhà cung cấp khác nhau. Điều này cho phép các nhà cung cấp phần mềm và phần cứng có đƣợc tiếng nói chung và tập trung vào lĩnh vực của mình. Với các giao diện lập trình mở, chuyển mạch mềm có thể dễ dàng đƣợc nâng cấp, thay thế và tƣơng thích với ứng dụng của các nhà cung cấp khác nhau.
2.1.1 Mô hình kiến trúc mạng
Do NGN đƣợc tiếp cận từ nhiều khía cạnh khác nhau, nên các mô hình cấu trúc mạng cũng đƣợc xây dựng trên nhiều quan điểm khác nhau. Dƣới đây sẽ khái quát một số hƣớng tiếp cận chính do các tổ chức viễn thông lớn của thế giới đƣa ra.
Mô hình NGN của ITU-T : Cấu trúc mạng thế hệ kế tiếp NGN nằm trong mô hình cấu trúc thông tin toàn cầu GII (Global Information Infrastructure) do ITU-T đƣa ra. Mô hình này gồm 3 lớp chức năng: (i) các chức năng ứng dụng, (ii) các chức năng trung gian (điều khiển dịch vụ, quản lý) và (iii) các chức năng cơ sở (chức năng mạng, chức năng lƣu trữ và xử lý, chức năng giao tiếp ngƣời-máy).
Hình 2.1: Các chức năng GII và mối quan hệ
Mô hình NGN của IETF: Tổ chức đặc nhiệm kỹ thuật internet IETF (Internet Engineering Task Force) quan niệm cấu trúc hạ tầng mạng thông tin toàn cầu cần có mạng truyền tải sử dụng giao thức IP với bất cứ công nghệ lớp nào. Nghĩa là IP cần có khả năng truyền tải kết hợp với các mạng truy nhập và đƣờng trục sử dụng các giao thức kết nối khác nhau. Đối với mạng truy nhập, IETF có IP trên mạng cáp và IP trên môi trƣờng vô tuyến. Đối với mạng đƣờng trục, IETF có hai giao thức chính là IP trên ATM và IP với giao thức điểm nối điểm PPP trên nền mạng phân cấp số đồng bộ SONET/SDH. IETF cũng là tổ chức đƣa ra nhiều tiêu chuẩn về chức năng
C¸cchøcn¨ngtrunggian GiaodiÖn