IP là giao thức lớp mạng. Giữa lớp mạng và lớp dịch vụ mức ứng dụng là lớp giao vận. Ở lớp này cú hai giao thức chớnh là TCP và UDP. TCP là giao thức hướng kết nối, cú vẻ thớch hợp cho dịch vụ thoại. Tuy nhiờn, giao thức TCP bao giờ cũng gửi lại cỏc gúi bị lỗi và do đú cú thể làm cho cuộc gọi VoIP khụng thực hiện được. UDP khụng gửi lại cỏc gúi bị lỗi, nhưng UDP là giao thức phi kết nối.
Giao thức thời gian thực Real-time Protocol (RTP) được ra đời nhằm giải quyết vấn đề trờn. RTP do tổ chức IETF đề xuất, nú đảm bảo cơ chế vận chuyển và giỏm sỏt phương thức truyền thụng thời gian thực trờn mạng IP. Nú cũng cung cấp cỏc thụng tin cần thiết cho quỏ trỡnh đỏnh giỏ chất lượng truyền tiếng núi trong cuộc thoại qua VoIP.
RTP cú hai thành phần:
Bản thõn RTP mang chức năng vận chuyển, cung cấp cỏc thụng tin về cỏc gúi tin tiếng núi.
Giao thức điều khiển thời gian thực RTCP (Real-time Control Protocol) mang chức năng giỏm sỏt và đỏnh giỏ chất lượng truyền tin.
Header RTP cho biết phương thức mó húa đó được sử dụng cho gúi tin này, chỉ mục gúi, nhón thời gian của nú và cỏc thụng tin quan trọng khỏc. Từ cỏc thụng tin này ta cú thể xỏc định ràng buộc giữa gúi tin với thời gian. Cỏc gúi được sắp xếp lại theo đỳng thứ tự thời gian thực ở bờn nhận rồi được giải mó và phỏt lại.
RTCP phõn tớch và xử lý cỏc thụng tin này để tổng hợp thành cỏc thụng tin trạng thỏi rồi đưa ra cỏc bản tin phản hồi đến tất cả cỏc thành viờn. Cỏc thụng tin được cung cấp gúi tin RTCP cho phộp mỗi thành viờn tham gia hội thoại giỏm sỏt được chất lượng truyền tin, số gúi tin đó gửi đi, số gúi tin nhận được, tỷ lệ gúi tin bị mất, trễ là bao nhiờu…Vỡ vậy, cỏc thụng tin này thường được cập nhật một cỏch định kỳ và chiếm khụng quỏ 5% giải thụng cuộc gọi.
3.2.2. Sử dụng cỏc gúi cú kớch thƣớc bộ
Sử dụng cỏc gúi VoIP cú kớch thước bộ là giải phỏp giảm trễ đúng gúi. Thực ra khụng cú kớch thước chuẩn cho gúi VoIP. Trong nhiều trường hợp cú thể sử dụng kớch thước mặc định của gúi IP.
3.2.3. Sử dụng gúi cú cỏc cấp ƣu tiờn khỏc nhau
Giải phỏp này cho phộp giảm thiểu độ trễ nối tiếp. Tuy nhiờn khụng cú chuẩn nào ỏp dụng cho việc định cấp ưu tiờn của gúi trong mạng IP. Cỏc nhà cung cấp bộ định tuyến IP đều cú phương phỏp phõn cấp lưu lượng của riờng mỡnh. Mặc dự trong mào đầu của gúi IP cú chứa thụng tin về cấp ưu tiờn của gúi (trường TOS, hay type of service) nhưng phần lớn bộ định tuyến khụng sử dụng trường này.
Phõn cấp lưu lượng IP cú thể đảm bảo cỏc gúi VoIP bao giờ cũng chiếm vị trớ đầu tiờn trong hàng đợi của bộ đệm. Tuy nhiờn việc phõn cấp lưu lượng khụng xử lý được tỡnh huống khi gúi VoIP đến bộ đệm nhưng một gúi dữ liệu dài cú cấp ưu tiờn thấp hơn vừa bắt đầu được gửi đi. Độ trễ nối tiếp cũng chưa được loại bỏ do khụng kiểm soỏt được cả số lượng lẫn kớch thước cỏc gúi xếp hàng đợi tại bộ đệm của cỏc bộ định tuyến trờn hành trỡnh của gúi VoIP.
3.2.4. Bộ đệm jitter
Bộ đệm jitter là giải phỏp để giảm sự thiếu ổn định của độ trễ. Bộ đệm này là miền bộ nhớ dựng để lưu cỏc gúi VoIP đến với cỏc độ trễ khỏc nhau. Cỏc mẫu thoại được lấy ra khỏi bộ đệm với tốc độ ổn định tạo ra cảm giỏc độ trễ khụng thay đổi trong suốt thời gian bộ đệm cú dữ liệu.
Chỳng ta xem xột thớ dụ sau. Giả sử cú hai gúi VoIP đến với độ trễ là 100 ms và 90 ms. Thứ tự đến của cỏc gúi khụng thay đổi (thực ra khụng phải bao giờ cũng vậy). Hai gúi này được đưa vào bộ đệm jitter và lưu trong đú tương ứng là 20 ms và 30 ms trước khi được đưa ra để chuyển thành tớn hiệu thoại tương tự. Như thế cú vẻ như là cỏc gúi đều cú độ trễ như nhau là 120 ms.
Xỏc định độ trễ chuẩn cho bộ đệm jitter là rất khú khăn. Nếu độ trễ này quỏ thấp thỡ nhiều gúi VoIP sẽ bị loại bỏ. Trong thớ dụ trờn tất cả cỏc gúi cú độ trễ lớn hơn 120 ms đều bị loại. Như thế chất lượng thoại cú thể giảm sỳt rất đỏng kể do mất nhiều gúi. Nếu độ trễ chuẩn quỏ cao thỡ bộ đệm jitter cú thể bị tràn, hơn nữa điều này gõy ra độ trễ lớn khụng cần thiết của cỏc gúi VoIP.
Một vấn đề khỏc là làm thế nào để xỏc định được độ trễ của gúi trong hành trỡnh qua mạng. Trờn thực tế cú nhiều phương phỏp xỏc định độ trễ được ỏp dụng, từ phương phỏp đơn giản nhất là đỏnh dấu thời gian, đến cỏc phương phỏp phức tạp hơn khỏc.
Bộ đệm jitter là giải phỏp thường được ỏp dụng để tăng sự ổn định của độ trễ trong cỏc mạng thoại gúi. Đơn giản và hiệu quả, giải phỏp này cũn được sử dụng trong cỏc mạng VoFR (Voice over Frame Relay) và thậm chớ trong cỏc ứng dụng VoATM (Voice over ATM).
3.2.5. Kỹ thuật nộn khoảng lặng
Trong cỏc cuộc đàm thoại thụng thường, một người núi thỡ người khi nghe. Kờnh thoại cấp cho mỗi cuộc đàm thoại vẫn là song cụng, gồm hai chiều đi và về vỡ cú thể đụi lỳc hai người cựng núi đồng thời. Nếu kể cả những khoảng ngừng ngắn giữa cỏc cõu, giữa cỏc từ và thậm chớ trong một từ dài thỡ lượng băng thụng bị lóng phớ là trờn 50%. Kĩ thuật nộn khoảng lặng (silence compression) giỳp loại bỏ cỏc khoảng im lặng trong cỏc cuộc đàm thoại nhờ đú tiết kiệm băng thụng, giảm tốc độ bit cần truyền.
Vấn đề của kĩ thuật này là phỏt hiện khi nào người núi bắt đầu núi sau mỗi khoảng im lặng. Bởi vỡ luụn cú tạp õm nền (background noise) và chỉ cú tớn hiệu
thoại thực sự mới được mó hoỏ và gửi đi. Cơ chế phỏt hiện tớch cực thoại (VAD- Voice Activation Detection) cho phộp biết khi nào cú tiếng núi thực sự, biờn độ tiếng núi tăng vượt qua mức tạp õm nền. VAD phải thớch ứng khi mà mức tạp õm nền thay đổi liờn tục và phải cú cơ chế phản ứng nhanh khi tiếng núi bắt đầu nếu khụng sẽ bị mất thụng tin.
Nếu ta đặt ngưỡng quỏ thấp thỡ người đàm thoại sẽ nghe được nhiều tớn hiệu õm thanh nhiễu khụng cần thiết. Nếu ngưỡng là quỏ cao thỡ người đàm thoại sẽ cú cảm giỏc tớn hiệu thoại bị cắt, do nhiều mẫu tương ứng với õm thanh cú ớch bị loại bỏ. Kỹ thuật nộn thoại và kỹ thuật loại bỏ cỏc mẫu tương ứng với khoảng lặng cho phộp sử dụng một tuyến kết nối 64 kb/s để phục vụ đồng thời cho thoại và cỏc dịch vụ dữ liệu khỏc.
Thoại sau khi được mó hoỏ (nộn) thành dũng bit cú tốc độ khụng đổi vớ dụ 8 kb/s. Tuy nhiờn khi sử dụng kĩ thuật nộn khoảng lặng thỡ tốc độ thực sự của tớn hiệu mó hoỏ thoại sẽ thay đổi liờn tục phụ thuộc vào tốc độ õm phỏt ra. Tớn hiệu thoại sau khi mó hoỏ được đúng vào gúi thỡ cỏc gúi sẽ được sinh ra theo từng đợt. Núi nhanh thỡ tạo ra nhiều gúi, núi chậm thỡ ớt gúi được sinh ra, nếu im lặng thỡ khụng cú gúi được phỏt ra. Đặc điểm này cũng giống cỏc loại dữ liệu được truyền trờn mạng gúi.
3.2.6. Độ ồn nền
Nếu khoảng im lặng dài thỡ người nghe dễ nghĩ rằng thụng tin bị giỏn đoạn. Do đú ở bờn thu cần tạo ra tạp õm nền thường đựơc gọi là comfort noise để tạo cảm giỏc dũng thụng tin liờn lạc. Tất nhiờn, comfort noise thực sự khụng được gửi qua mạng. Tạo tạp õm dễ chịu này khỏ đơn giản nhưng phải tạo được cảm giỏc thật cho người nghe. Bộ phỏt tạp õm dễ chịu được sử dụng để bự vào những khoảng trống õm thanh ở bờn nghe khi dựng kĩ thuật nộn khoảng lặng.
Quỏ trỡnh thờm độ ồn nền được gọi là CNG (Comfort Noise Generation).
Cú nhiều giải phỏp CNG khỏc nhau. Đơn giản nhất là tạo ra tớn hiệu “nhiễu trắng” với õm lượng thấp. Tuy nhiờn người đàm thoại sẽ dễ dàng nhận ra tớnh nhõn tạo của độ ồn nền này.
Phương phỏp phức tạp hơn là lưu lại một số mẫu khoảng lặng đầu cuộc đàm thoại. Những mẫu này, dự tương ứng với khoảng lặng, vẫn khụng bị loại đi và vẫn được truyền qua mạng. Cỏc mẫu này sẽ được sử dụng để tạo ra độ ồn nền rất thật.
3.2.7. Triệt tiếng vọng
Trong mạng IP đường truyền tiếng vọng là đường trũn (round–trip) và tạo ra do mạch hybrid (chuyển 2 dõy-4 dõy), mặt khỏc tớn hiệu sẽ tớch luỹ qua cỏc quỏ trỡnh xử lý (mó húa và giải mó, đúng gúi và giải đúng gúi) và truyền dẫn tớn hiệu. Tiếng vọng cú thể làm cho người sử dụng điện thoại bị phõn tỏn khi nghe tiếng núi của họ bị trễ khi họ núi. Nếu trễ tiếng vọng đủ ngắn khụng thể phõn biệt với sidetone thỡ khụng gõy khú chịu, nhưng nếu tiếng vọng bị trễ khoảng 50ms so với sidetone sẽ gõy ra sự khú chịu.Vỡ vậy tiếng vọng là một trong những yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng cuộc thoại trờn mạng Internet.
Hỡnh 3.3. Mạch triệt tiếng vọng
Thụng thường việc khử tiếng vọng được thực hiện trong cỏc Gateway và khối này tuõn theo cỏc khuyến nghị G.165 và G.167. Hỡnh 3.3 mụ tả đường truyền của tớn hiệu trờn đú cú cỏc mạch triệt tiếng vọng.
3.3. Cỏc cơ chế điều khiển chất lƣợng dịch vụ bờn trong một phần tử mạng.
Cỏc cơ chế điều khiển chất lượng dịch vụ bờn trong một phần tử mạng được trỡnh bày dưới đõy với mục đớch cuối cựng là cung cấp sự đảm bảo và dành riờng băng thụng với mức ưu tiờn cao cho lưu lượng thoại. Để làm được điều đú trước tiờn phải phõn biệt lưu lượng thoại trong số cỏc luồng lưu lượng truyền trờn mạng.
Giao thức IP cú chức năng mức ưu tiờn IP (IP precedence). IP Precendence sử dụng 3 bit trong trường ToS (Type of Service) của tiờu đề gúi IP để chỉ thị loại dịch vụ của mỗi gúi. Cú thể chia lưu lượng trong mạng thành 6 lớp dịch vụ
E c h o C a n c e lle r Speech Decoding Packet Buffer Speech Encoding E c h o C a n c e le r Speech Decoding Packet Buffer Speech Encoding Echo - + Echo - + P a c k e t T ra n s m is s io n Telephone Telephone
(hai lớp cũn lại được dành riờng cho mạng sử dụng). Cỏc kỹ thuật xếp hàng trong toàn bộ mạng cú thể sử dụng bỏo hiệu này để thực hiện việc xử lý phự hợp cho từng loại gúi. Thụng thường giỏ trị IP Precedence của gúi VoIP được đặt bằng 5 ( giỏ trị 6 và 7 dành cho cỏc lưu lượng điều khiển mạng).
3.3.1. Cỏc thuật toỏn xếp hàng
Một cỏch để cỏc phần tử mạng xử lý cỏc dũng lưu lượng đến là sử dụng cỏc thuật toỏn xếp hàng để sắp xếp cỏc loại lưu lượng. Cú ba thuật toỏn xếp hàng hay dựng là:
Xếp hàng vào trước ra trước (FIFO Queuing).
Xếp hàng theo mức ưu tiờn (PQ - Priority Queuing).
Xếp hàng tuỳ biến (CQ - Custom Queuing).
Xếp hàng theo cụng bằng trọng số (WFQ - Weighted Fair Queuing).
3.3.1.1. Xếp hàng vào trƣớc ra trƣớc (FIFO Queuing).
Trong dạng đơn giản nhất, thuật toỏn vào trước ra trước liờn quan đến việc lưu trữ gúi thụng tin khi mạng bị tắc nghẽn và rồi chuyển tiếp cỏc gúi đi theo thứ tự mà chỳng đến khi mạng khụng cũn bị tắc nữa. Một nguồn phỏt gúi lỗi phỏt quỏ ra một lưu lượng lớn đột ngột cú thể là tăng độ trễ của cỏc lưu lượng của cỏc ứng dụng thời gian thực vốn nhạy cảm về thời gian.
3.3.1.2. Xếp hàng theo mức ƣu tiờn (PQ - Priority Queuing).
Thuật toỏn PQ đảm bảo rằng những lưu lượng quan trọng sẽ cú được sự xử lý nhanh hơn. Thuật toỏn được thiết kế để đưa ra tớnh ưu tiờn nghiờm ngặt đối với những dũng lưu lượng quan trọng. PQ cú thể thực hiện ưu tiờn căn cứ vào giao thức, giao diện truyền tới, kớch thước gúi, địa chỉ nguồn hoặc điạ chỉ đớch ...Trong thuật toỏn, cỏc gúi được đặt vào 1 trong cỏc hàng đợi cú mức ưu tiờn khỏc nhau dựa trờn cỏc mức độ ưu tiờn được gỏn (Vớ dụ như bốn mức ưu tiờn là High, Medium, Normal, và Low) và cỏc gúi trong hàng đợi cú mức ưu tiờncao sẽ được xử lý để truyền đi trước.
3.3.1.3. Xếp hàng tuỳ biến (Custom Queuing).
CQ được tạo ra để cho phộp cỏc ứng dụng khỏc nhau cựng chia sẻ mạng với cỏc yờu cầu tối thiểu về băng thụng và độ trễ. Trong những mụi trường này, băng thụng phải được chia một cỏch tỉ lệ cho những ứng dụng và người sử dụng. CQ xử lý lưu lượng bằng cỏch gỏn cho mỗi loại gúi thụng tin trong mạng một số
lượng cụ thể khụng gian hàng đợi và phục vụ cỏc hàng đợi đú theo thuật toỏn round-robin (round-robin fashion). Cũng giống như PQ, CQ khụng tự thớch ứng được khi điều kiện của mạng thay đổi.
3.3.1.4. Xếp hàng cụng bằng trọng số (WFQ - Weighted Fair Queuing).
Trong trường hợp muốn cú một mạng cung cấp được thời gian đỏp ứng khụng đổi trong những điều kiện lưu lượng trờn mạng thay đổi thỡ giải phỏp là thuật toỏn WFQ. Thuật toỏn WFQ tương tự như CQ nhưng cỏc giỏ trị sử dụng băng thụng gỏn cho cỏc loại gúi khụng được gỏn một cỏc cố định bởi người sử dụng mà được hệ thống tự động điều chỉnh thụng qua hệ thống bỏo hiệu QoS.
WFQ được thiết kế để giảm thiểu việc thiết đặt cấu hỡnh hàng đợi và tự động thớch ứng với sự thay đổi điều kiện lưu lượng của mạng. Thuật toỏn này phự hợp với hầu hết cỏc ứng dụng chạy trờn những đường truyền khụng quỏ 2Mbps.
3.3.2. Định hỡnh lƣu lƣợng (Traffic Shapping).
Định hỡnh lưu lượng cung cấp một cơ chế điều khiển lưu lượng tại một giao diện cụ thể. Nú giảm lưu lượng thụng tin đi ra khỏi giao diện để trỏnh làm mạng bị tắc nghẽn bằng cỏc buộc tốc độ thụng tin đi ra ở một tốc độ bớt cụ thể đối với trường hợp lưu lượng tăng đột ngột. Nguyờn tắc định hỡnh lưu lượng là phõn loại gúi thụng tin để cho truyền qua hoặc loại bỏ.
3.3.3. Cỏc cơ chế tăng hiệu quả đƣờng truyền.
3.3.3.1. Phõn mảnh và truyền đan xen (LFI - Link Fragmentation and Interleaving).
Cỏc gúi thụng tin của cỏc dịch vụ khỏc nhau cú kớch thước khỏc nhau. Vớ dụ như gúi thụng tin của dũng lưu lượng tương tỏc (telnet) hay của thoại cú kớch thước nhỏ trong khi đú gúi thụng tin của dịch vụ truyền file FTP (File Transfer Protocol) lại cú kớch thước lớn. Cỏc gúi kớch thước lớn cú độ trễ cao sẽ làm tăng độ trễ của cỏc dũng thụng tin cần độ trễ thấp. Cơ chế LFI cung cấp một cơ chế để giảm độ trễ của và jitter của cỏc đường truyền tốc độ thấp bằng cỏch chia nhỏ cỏc gúi tin lớn của cỏc lưu lượng cú độ trễ cao và xen vào những gúi tin nhỏ của cỏc lưu lượng cần độ trễ thấp.
Cỏc gúi thoại sử dụng giao thức RTP để đúng gúi tớn hiệu audio để truyền đi trong mạng gúi. Cỏc mẫu thoại sau khi được mó hoỏ và nộn theo một chuẩn nào đú được đúng vào gúi RTP với phần tiờu đề (header) dài 12 byte. Sau đú lại được đúng vào gúi UDP với tiờu đề dài 8 byte và tiếp tục gửi xuống lớp 3 đúng vào gúi IP với phần tiờu đề 20 byte. Vậy chưa kể đến việc đúng gúi ở lớp liờn kết dữ liệu thỡ toàn bộ phần tiờu đề đó là 40 byte. Trong khi đú phần thụng tin thoại chỉ từ 20 tới 160 byte. Cơ chế nộn tiờu đề gúi thoại được đưa ra giỳp tăng hiệu quả của cỏc lưu lượng thoại trong mạng IP đặc biệt trờn cỏc tuyến tốc độ thấp.
3.4. Giao thức bỏo hiệu QoS
Bỏo hiệu điều khiển QoS là một phần của truyền thụng trong mạng. Bỏo hiệu QoS cung cấp một cơ chế cho phộp trạm cuối hoặc phần tử mạng đưa ra yờu cầu về QoS với mạng. Bỏo hiệu là cần thiết để phối hợp giữa cỏc nỳt mạng với cỏc kĩ thuật xử lớ lưu lượng ở phần trờn nhằm đảm bảo chất lượng dịch vụ