ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ
Đào Ngọc Anh
NGHIÊN CỨU GIAO THỨC TRONG MẠNG VOIP
KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC HỆ CHÍNH QUY
Ngành: Điện tử - Viễn thông
ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ
Đào Ngọc Anh
NGHIÊN CỨU GIAO THỨC TRONG MẠNG VOIP
KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC HỆ CHÍNH QUY
Ngành: Điện tử - Viễn thông
Cán bộ hướng dẫn: Th.S Nguyễn Quốc Tuấn
LỜI CẢM ƠN
Trước hết em xin gửi tới thầy giáo Nguyễn Quốc Tuấn – nguyên Chủ nhiệm Bộ môn Hệ thống Viễn thông , lời cảm ơn chân thành và sâu sắc đã trực tiếp hướng dẫn , chỉ bảo tận tình trong suốt quá trình em làm luận văn.
Em cũng xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo trong Trường Đại học Công Nghệ - Đại học Quốc Gia Hà Nội đã hết lòng dạy bảo, giúp đỡ em trong những năm học Đại Học, giúp em có những kiến thức và kinh nghiệm quý báu trong chuyên môn và cuộc sống. Những hành trang đó là một tài sản vô giá nâng bước cho em tới được với những thành công trong tương lai.
Cuối cùng, em xin cảm ơn những người thân trong gia đình và bạn bè đã giúp đỡ, động viên em hoàn thành luận văn này.
Hà nội, tháng 05 năm 2008 Sinh viên
TÓM TẮT NỘI DUNG
Với sự phát triển nhảy vọt của mạng chuyển mạch gói IP hiện nay không chỉ đem lại cho chúng ta những dịch vụ mới đa dạng mà còn là cơ hội cải thiện các dịch vụ viễn thông trước kia với chất lượng tốt hơn và giá thành rẻ hơn. Đã từ lâu, mạng chuyển mạch kênh ghép phân kênh theo thời gian PSTN đã có một vai trò vô cùng quan trọng với sự phát triển của xã hội. Bên cạnh những ưu điểm về chất lượng dịch vụ tốt, vùng dịch vụ rộng lớn trên khắp mọi lãnh thổ,… thì mạng PSTN cũng bộc lộ nhiều hạn chế như số lượng các dịch vụ hạn chế, sử dụng tài nguyên đường truyền không tối ưu, giá thành cao.
Trên cơ sở đó, mạng VoIP ra đời và ngày càng đáp ứng tốt hơn các yêu cầu đặt ra như chất lượng dịch vụ, giá thành, số lượng tích hợp các dịch vụ thoại lẫn phi thoại. Cũng như các công nghệ ra đời trong thời gian gần đây, thì vấn đề Giao thức là đặc biệt quan trọng. Việc nắm chắc Giao thức là chìa khóa thành công của việc triển khai mỗi một công nghệ mới vào thực tế. Chính vì vậy, trong nội dung của bài Luận văn tốt nghiệp này, em xin được giới thiệu về “Giao thức sử dụng trong mạng VoIP”. Bài luận văn sẽ gồm các nội dung chính như sau:
Chương 1: Tổng quan về mạng VoIP.
Chương 2: Các giao thức truyền tải trong VoIP. Chương 3: Giao thức báo hiệu VoIP.
Một vấn đề đặc biệt quan trong khi mỗi công nghệ, một giao thức mới được sinh ra là vần đề tương thích với các công nghệ và giao thức trước đó. Đó cũng là một trong nguyên nhân quyết định sự sống còn của mạng VoIP được đề cập tới tại:
Chương 4: Kết nối mạng VoIP và PSTN. Và phần cuối cùng trong bài Luận văn tốt nghiệp:
Chương 5: Khảo sát giao thức cuộc gọi VoIP SIP – PSTN trên thực tế. Đây là một minh chứng rõ nét về việc triển khai các giao thức VoIP đã nghiên cứu trong toàn bộ nội dung bài Luân văn tốt nghiệp vào bài toán viễn thống thực tế.
MỤC LỤC Chương 1. Tổng quan về mạng VoIP ... 2 1.1. Tổng quan về mạng VoIP ... 2 1.2. Đặc tính của mạng VoIP ... 4 1.2.1. Ưu điểm ... 4 1.2.2. Nhược điểm ... 5
1.3. Yêu cầu chất lượng đối với VoIP ... 6
Chương 2. Các giao thức truyền tải trong VoIP ... 8
2.1. Giao thức IP ... 8
2.1.1. Giao thức IP phiên bản 4 (IPv4) ... 8
2.1.2. Giao thức IP phiên bản 6 (IPv6) ... 12
2.2. Giao thức TCP/IP ... 13
2.3. Giao thức UDP ... 19
2.4. Giao thức SCTP ... 19
2.5. Giao thức RTP ... 24
2.6. Giao thức RTCP ... 30
Chương 3. Giao thức báo hiệu VoIP ... 33
3.1. Giao thức báo hiệu H.323 ... 33
3.1.1. Các thành phần trong mạng ... 33
3.1.2. Giao thức H.323 ... 37
3.1.3. Thiết lập cuộc gọi VoIP sử dụng giao thức H.323 ... 42
3.2. Giao thức SIP ... 46
3.2.1. Các thành phần trong mạng SIP ... 47
3.2.2. Bản tin SIP ... 49
3.2.3. Mô tả cuộc gọi SIP ... 54
Chương 4. Kết nối giữa mạng VoIP và PSTN ... 58
4.1. Mạng báo hiệu SS7 ... 58
4.1.1. Các thành phần trong mạng báo hiệu SS7 ... 58
4.1.2. Liên kết trong mạng SS7 ... 59
4.1.3. Định tuyến trong mạng SS7 ... 60
4.1.4. Giao thức trong mạng SS7 ... 61
4.1.5. Các bước thiết lập cuộc gọi trong mạng SS7 ... 66
4.2. Giao thức Sigtran ... 67
4.2.1. M2UA/ M2PA ... 68
4.2.2. M3UA ... 69
4.2.3. SUA ... 70
4.2.4. Kết nối mạng VoIP với mạng PSTN ... 71
Chương 5. Khảo sát giao thức cuộc gọi VoIP SIP – PSTN trên thực tế ... 76
5.1. Giới thiệu kiến trúc mạng VoIP được nghiên cứu ... 76
5.2. Giới thiệu chương trình Wireshark ... 77
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT Kí hiệu
viết tắt Viết đầy đủ Ý nghĩa
VoIP Voice over IP Công nghệ truyền thoại trên mạng IP PSTN Public Switch
Telephone Network Mạng điện thoại công cộng PCM Pulse-Code
Modulation Bộ mã hóa mã xung SNMP Simple Network
Management Protocol Giao thức quản trị mạng đơn giản SIP Session Initiation
Protocol Giao thức thiết lập phiên RTP Real Time Protocol Giap thức thời gian thực RTCP Real Time Control
Protocol Giap thức điều khiển thời gian thực ATM Asynchronous
Transfer Mode Chế độ truyền không đồng bộ QoS Quality of Service Chất lượng dịch vụ
ToS Type of Service Kiểu dịch vụ IP Internet Protocol Giao thức Internet
IPv4 IP version 4 Giao thức Internet phiên bản 4 IPv6 IP version 6 Giao thức Internet phiên bản 6 TCP Transmission Control
Protocol Giao thức điều khiển truyền thông tin UDP User Datagram
SCTP Stream Control
Transmission Protocol Giao thức truyền điều khiển luồng
ITU-T International Telecommunication Union- Telecommunication Standardization Sector
Hiệp hội viễn thông quốc tế - Bộ phận chuẩn viễn thông
RAS Register Admission
Status Báo hiệu đăng kí, cấp phép, thông tin trạng thái SAP
Session
Announcement Protocol
Giao thức thông báo phiên
SDP Session Description
Protocol Giao thức mô tả phiên SS7 Signaling System No.7 Hệ thống báo hiệu số 7 SSP Switch Service Point Điểm dịch vụ chuyển mạch SCP Signal Control Point Điểm điều khiển báo hiệu STP Signal Tranfer Point Điểm truyền báo hiệu MTP Message Tranfer Part Phần truyền bản tin TCAP
Transaction Capabilities Application Part
Phần ứng dụng cung cấp giao dịch TUP Telephone User Part Phần người dùng điện thoại
ISUP ISDN User Part Phần người dùng ISDN ISDN Integrated Services
Digital Network Mạng tích hợp dịch vụ số SCCP Signaling Connection
Control Part Phần điều khiển kết nối báo hiệu M2UA MTP2 User Adapter Bộ chuyển đổi người dùng MTP2
M2PA MTP L2 Peer-to-Peer
Adapter Bộ chuyển đổi bản tin lớp 2 ngang hàng M3UA MTP3 User Adapter Bộ chuyển đổi người dùng MTP3
IUA ISDN User Adapter Bộ chuyển đổi người dùng ISDN SUA SCCP User Adapter Bộ chuyển đổi người dùng SCCP
MỞ ĐẦU
Mạng VoIP ra đời như là một cuộc các mạng của hệ thống viễn thông và xã hội. Với những ưu điểm vượt trội, mạng VoIP đã chứng tỏ được sức sống và tính thực tiễn cao của nó. Sự phát triển quá nhanh của mạng VoIP cũng đặt ra một vấn đề nan giải đó là việc chuẩn hóa giữa các giao thức VoIP của nhiều nhà phát triển khác nhau. Mà trong đó có hai giao thức được nhắc tới nhiều nhất đó là H.323 của ITU-T và SIP của IETF. Như một tất yếu khách quan, mạng VoIP sẽ được chia thành nhiều miền giao thức khác nhau. Nên vấn đề quan trọng để có thể triển khai được mạng VoIP vào thực tế đó là phải hiểu được bản chất của các giao thức VoIP và quan trọng nhất đó là các giao thức báo hiệu sử dụng trong VoIP. Tuy vâyh mới là điều kiện cần cho sự ra đời còn vấn đề then chốt cho sự tồn tại và phát triển của mạng VoIP lại là vấn đề kết nối với hệ thống viễn thông vốn có. Và cụ thể là vấn đề kết nối giữa mạng VoIP và mạng PSTN. Và đây cũng là hai nội dung chính của bài Luân văn tốt nghiệp này.
Trên cơ sở nhận thức rõ sự quan trọng cũng như cách thức hoạt động của giao thức trong mạng VoIP, thì phương pháp nghiên cứu của em trong nội dung Luận văn chủ yếu đi sâu nghiên cứu thông qua tài liệu quy chuẩn về Giao thức VoIP (RFC của IETF, các tài liệu chuẩn của ITU-T); đồng thời tham chiếu đến các tài liệu chuyên môn sâu về VoIP để làm rõ các vấn đề cần giải quyết.
Từ những hiểu biết nghiên cứu lý thuyết khá sâu về chuyên môn, em sẽ tham chiếu với mô hình thực tế. Từ đó làm rõ các vấn đề vướng mắc mà khi nghiên cứu lý thuyết chưa thể giải quyết và lảm rõ được.
Chương 1. Tổng quan về mạng VoIP 1.1. Tổng quan về mạng VoIP
Đầu năm 1995 công ty VOCALTEC đưa ra thị trường sản phẩm phần mềm thực hiện cuộc thoại qua Internet đầu tiên trên thế giới. Sau đó có nhiều công ty đã tham gia vào lĩnh vực này. Tháng 3 năm 1996, VOLCALTEC kết hợp với DIALOGIC tung ra thị trường sản phẩm kết nối mạng PSTN và Internet. Hiệp hội các nhà sản xuất thoại qua mạng máy tính đã sớm ra đời và thực hiện chuẩn hoá dịch vụ thoại qua mạng Internet. Việc truyền thoại qua internet đã gây được chú ý lớn trong những năm qua và đã dần được ứng dụng rộng rãi trong thực tế.
Có thể định nghĩa: Voice over Internet Protocol (VoIP) là một công nghệ cho phép truyền thoại sử dụng giao thức mạng IP, trên cơ sở hạ tầng sẵn có của mạng Internet. VoIP là một trong những công nghệ viễn thông đang được quan tâm nhất hiện nay không chỉ đối với các nhà khai thác, các nhà sản xuất mà còn cả với người sử dụng dịch vụ. VoIP có thể vừa thực hiện cuộc gọi thoại như trên mạng điện thoại kênh truyền thống (PSTN) đồng thời truyền dữ liệu trên cơ sở mạng truyền dữ liệu. Như vậy, nó đã tận dụng được sức mạnh và sự phát triển vượt bậc của mạng IP vốn chỉ được sử dụng để truyền dữ liệu thông thường.
Để có thể hiểu được những ưu điểm của VoIP mang lại, trước hết chúng ta đi vào nghiên cứu sự khác biệt giữa mạng kênh PSTN hiện có với mạng chuyển mạch gói nói chung và mạng VoIP nói riêng.
Kỹ thuật chuyển mạch kênh (Circuit Switching): Một đặc trưng nổi bật của kĩ
thuật này là hai trạm muốn trao đổi thông tin với nhau thì giữa chúng sẽ được thiết lập một “ kênh” (circuit) cố định, kênh kết nối này được duy trì và dành riêng cho hai trạm cho tới khi cuộc truyền tin kết thúc. Thông tin cuộc gọi là trong suốt. Quá trình thiết lập cuộc gọi tiến hành gồm 3 giai đoạn:
• Giai đoạn thiết lập kêt nối: Thực chất quá trình này là liên kết các tuyến giữa các trạm trên mạng thành một tuyến (kênh) duy nhất dành riêng cho cuộc gọi. Kênh này đối với PSTN là 64kb/s (do bộ mã hóa PCM có tốc độ lấy mẫu tiếng nói 8kb/s và được mã hóa 8 bit).
• Giai đoạn truyền tin: Thông tin cuộc gọi là trong suốt. Sự trong suốt thể hiện qua hai yếu tố: thông tin không bị thay đổi khi truyền qua mạng và độ trễ nhỏ.
• Giai đoạn giải phóng (huỷ bỏ) kết nối: Sau khi cuộc gọi kết thúc, kênh sẽ được giải phóng để phục vụ cho các cuộc gọi khác.
Qua đó, ta nhận thấy mạng chuyển mạch kênh có những ưu điểm nổi bật như chất lượng đường truyền tốt, ổn định, có độ trễ nhỏ. Các thiết bị mạng của chuyển mạch kênh đơn giản, có tính ổn định cao, chống nhiễu tốt. Nhưng ta cũng không thể không nhắc tới những hạn chế của phương thức truyền dữ liệu này như:
• Sử dụng băng thông không hiệu quả: Tính không hiệu quả này thể hiện qua hai yếu tố. Thứ nhất, độ rộng băng thông cố định 64k/s. Thứ hai là kênh là dành riêng cho một cuộc gọi nhất định. Như vậy, ngay cả khi tín hiệu thoại là “lặng” (không có dữ liệu) thì kênh vẫn không được chia sẻ cho cuộc gọi khác.
• Tính an toàn: Do tín hiệu thoại được gửi nguyên bản trên đường truyền nên rất dễ bị nghe trộm. Ngoài ra, đường dây thuê bao hoàn toàn có thể bị lợi dụng để an trộm cước viễn thông.
• Khả năng mở rộng của mạng kênh kém: Thứ nhất là do cơ sở hạ tầng khó năng cấp và tương thích với các thiết bị cũ. Thứ hai, đó là hạn chế của hệ thống báo hiệu vốn đã được sử dụng từ trước đó không có khả năng tùy biến cao.
Kỹ thuật chuyển mạch gói (Packet Switching): Trong chuyển mạch gói mỗi
bản tin được chia thành các gói tin (packet), có khuôn dạng được quy định trước. Trong mỗi gói cũng có chứa thông tin điều khiển: địa chỉ trạm nguồn, địa chỉ trạm đích và số thứ tự của gói tin,… Các thông tin điều khiển được tối thiểu, chứa các thông tin mà mạng yêu cầu để có thể định tuyến được cho các gói tin qua mạng và đưa nó tới đích. Tại mỗi node trên tuyến gói tin được nhận, nhớ và sau đó thì chuyển tiếp cho tới chạm đích. Vì kỹ thuật chuyển mạch gói trong quá trình truyền tin có thể được định tuyến động để truyền tin. Điều khó khăn nhất đối với chuyển mạch gói là việc tập hợp các gói tin để tạo bản tin bản đầu đặc biệt là khi mà các gói tin được truyền theo nhiều con đường khác nhau tới trạm đích. Chính vì lý do trên mà các gói tin cần phải được đánh dấu số thứ tự, điều này có tác dụng, chống lặp, sửa sai và có thể truyền lại khi hiên tượng mất gói xảy ra.
Các ưu điểm của chuyển mạch gói:
• Mềm dẻo và hiệu suất truyền tin cao: Hiệu suất sử dụng đường truyền rất cao vì trong chuyển mạch gói không có khái niệm kênh cố định và dành riêng, mỗi đường truyền giữa các node có thể được các trạm cùng chia sẻ cho để truyền tin, các gói tin sắp hàng và truyền theo tốc độ rất nhanh trên đường truyền.
• Khả năng tryền ưu tiên: Chuyển mạch gói còn có thể sắp thứ tự cho các gói để có thể truyền đi theo mức độ ưu tiên. Trong chuyển mạch gói số cuộc gọi bị từ chối ít hơn nhưng phải chấp nhận một nhược điểm vi thời gian trễ sẽ tăng lên.
• Khả năng cung cấp nhiều dịch vụ thoại và phi thoại.
• Thích nghi tốt nếu như có lỗi xảy ra: Đặc tính này có được là nhờ khả năng định tuyến động của mạng.
Bên cạnh những ưu điểm thì mạng chuyển mạch gói cũng bộ lộ những nhược điểm như:
• Trễ đường truyền lớn: Do đi qua mỗi trạm, dữ liệu được lưu trữ, xử lý trước khi được truyền đi.
• Độ tin cậy của mạng gói không cao, dễ xảy ra tắc nghẽn, lỗi mất bản tin
• Tính đa đường có thể gây là lặp bản tin, loop làm tăng lưu lượng mạng không cần thiết.
• Tính bảo mật trên đường truyền chung là không cao.
1.2. Đặc tính của mạng VoIP 1.2.1. Ưu điểm
• Giảm chi phí: Đây là ưu điểm nổi bật của VoIP so với điện thoại đường dài
thông thường. Chi phí cuộc gọi đường dài chỉ bằng chi phí cho truy nhập Inter-net. Một giá cước chung sẽ thực hiện được với mạng Internet và do đó tiết kiệm đáng kể các dịch vụ thoại và fax. Sự chia sẻ chi phí thiết bị và thao tác giữa những người sử dụng thoại và dữ liệu cũng tăng cường hiệu quả sử dụng mạng. Đồng thời kỹ thuật nén thoại tiên tiến làm giảm tốc độ bit từ 64Kbps xuống dưới 8Kbps, tức là một kênh 64Kbps lúc này có thể phục vụ đồng thời 8 kênh thoại độc lập. Như vậy, lý dó lớn nhất giúp cho chi phí thực hiện cuộc gọi VoIP thấp chính là việc sử dụng tối ưu băng thông.
• Tích hợp dịch vụ nhiều dịch vụ: Do việc thiết kế cơ sở hạ tầng tích hợp nên có
khả năng hỗ trợ tất cả các hình thức thông tin cho phép chuẩn hoá tốt hơn và giảm thiểu số thiết bị. Các tín hiệu báo hiệu, thoại và cả số liệu đều chia sẻ cùng
mạng IP. Tích hợp đa dịch vụ sẽ tiết kiệm chi phí đầu tư nhân lực, chi phí xây dựng các mạng riêng rẽ.
• Thống nhất: Vì con người là nhân tố quan trọng nhưng cũng dễ sai lầm nhất
trong một mạng viễn thông, mọi cơ hội để hợp nhất các thao tác, loại bỏ các điểm sai sót và thống nhất các điểm thanh toán sẽ rất có ích. Trong các tổ chức kinh doanh, sự quản lý trên cơ sở SNMP (Simple Network Management Proto-col) có thể được cung cấp cho cả dịch vụ thoại và dữ liệu sử dụng VoIP. Việc sử dụng thống nhất giao thức IP cho tất cả các ứng dụng hứa hẹn giảm bớt phức tạp và tăng cường tính mềm dẻo. Các ứng dụng liên quan như dịch vụ danh bạ và dịch vụ an ninh mạng có thể được chia sẻ dễ dàng hơn.
• Vấn đề quản lý băng thông: Trong PSTN, băng thông cung cấp cho một cuộc
gọi là cố định. Trong VoIP, băng thông được cung cấp một cách linh hoạt và mềm dẻo hơn nhiều. Chất lượng của VOIP phụ thuộc vào nhiều yếu tố, quan trọng nhất là băng thông. Do đó không có sự bắt buộc nào về mặt thông lượng giữa các thiết bị đầu cuối mà chỉ có các chuẩn tuỳ vào băng thông có thể của mình, bản thân các đầu cuối có thể tự điều chỉnh hệ số nén và do đó điều chỉnh được chất lượng cuộc gọi.
• Nâng cao ứng dụng và khả năng mở rộng: Thoại và fax chỉ là các ứng dụng
khởi đầu cho VoIP, các lợi ích trong thời gian dài hơn được mong đợi từ các ứng dụng đa phương tiện (multimedia) và đa dịch vụ. Tính linh hoạt của mạng IP cho phép tạo ra nhiều tinh năng mới trong dịch vụ thoại. Đồng thời tính mềm dẻo còn tạo khả năng mở rộng mạng và các dịch vụ.
• Tính bảo mật cao: VOIP được xây dựng trên nền tảng Internet vốn không an
toàn, do đó sẽ dẫn đến khả năng các thông tin có thể bị đánh cắp khi các gói tin bị thu lượm hoặc định tuyến sai địa chỉ một cách cố ý khi chúng truyền trên mạng. Các giao thức SIP (Session Ineitiation Protocol – giao thức khởi đầu phiên) có thể thành mật mã và xác nhận các thông điệp báo hiệu đầu cuối. RTP (Real Time Protocol) hỗ trợ mã thành mật mã của phương thức truyền thông trên toàn tuyến được mã hoá thành mật mã đảm bảo truyền thông an toàn.
1.2.2. Nhược điểm
• Chất lượng dịch vụ chưa cao: Các mạng số liệu vốn dĩ không phải xây dựng
với mục đích truyền thoại thời gian thực, vì vậy khi truyền thoại qua mạng số liệu cho chất lượng cuộc gọi không được đảm báo trong trường hợp mạng xảy ra
tắc nghẽn hoặc có độ trễ lớn. Tính thời gian thực của tín hiệu thoại đòi hỏi chất lượng truyền dữ liệu cao và ổn định. Một yếu tố làm giảm chất lượng thoại nữa là kỹ thuật nén để tiết kiệm đường truyền. Nếu nén xuống dung lượng càng thấp thì kỹ thuật nén càng phức tạp, cho chất lượng không cao và đặc biệt là thời gian xử lý sẽ lâu, gây trễ.
• Vấn đề tiếng vọng: Nếu như trong mạng thoại, độ trễ thấp nên tiếng vọng không
ảnh hưởng nhiều thì trong mạng IP, do trễ lớn nên tiếng vọng ảnh hưởng nhiều đến chất lượng thoại.
• 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 được và độ trễ không cố định của các gói thông tin khi truyền trên mạng. Để có được một dịch vụ thoại chấp nhận được, cần thiết phải có một kỹ thuật nén tín hiệu đạt được những yêu cầu khắt khe: tỉ số nén lớn (để giảm được 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 được nâng cấp lên các công nghệ mới như Frame Relay, ATM,... để có tốc độ cao hơn 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 được trong những năm trước đây
Ngoài ra có thể kể đến tính phức tạp của kỹ thuật và vấn đề bảo mật thông tin (do Internet nói riêng và mạng IP nói chung vốn có tính rộng khắp và hỗn hợp, không có gì bảo đảm rằng thông tin cá nhân được giữ bí mật).
1.3. Yêu cầu chất lượng đối với VoIP
Từ những nhược điểm chính của mạng chuyển mạch gói đã đặt ra những yêu cầu cho VoIP như sau:
• Chất lượng thoại phải ổn định, độ trễ chấp nhận được.
• Mạng IP cơ bản phải đáp ứng được những tiêu chí hoạt động khắt khe gồm giảm thiểu việc không chấp nhận cuộc gọi, mất mát gói và mất liên lạc. Điều này đòi hỏi ngay cả trong trường hợp mạng bị nghẽn hoặc khi nhiều người sử dụng chung tài nguyên của mạng cùng một lúc.
• Việc báo hiệu có thể tương tác được với báo hiệu của mạng PSTN.
• Quản lý hệ thống an toàn, địa chỉ hoá và thanh toán phải được cung cấp, tốt nhất là được hợp nhất với các hệ thống hỗ trợ hoạt động PSTN.
Chương 2. Các giao thức truyền tải trong VoIP 2.1. Giao thức IP
Giao thức mạng IP được thiết kế để liên kết các mạng máy tính sử dụng phương pháp truyền thông và nhận dữ liệu dưới dạng gói. Giao thức IP cho phép truyền các gói dữ liệu từ điểm nguồn tới điểm đích có địa chỉ cố định. Đơn vị dữ liệu được trao đổi là các gói dữ liệu. Các chức năng được thực hiện ở IP là:
• Đánh địa chỉ: tất cả các host trong mạng và trong liên mạng đều được cung cấp một địa chỉ IP duy nhất. Theo giao thức IP version 4, mỗi địa chỉ IP gồm 32bit và được chia làm 5 lớp A,B,C,D,E. Các lớp A,B,C được sử dụng để định danh các host trên các mạng. Lớp được sử dụng cho quá trình truyền đa điểm còn lớp E để dự phòng.
• Định tuyến: giúp xác định đường đi (tuyến)cho gói tin khi được truyền trên mạng. Nó giúp lựa chọn đường đi tối ưu cho các gói dữ liệu. Nếu hai host cần liên lạc không nằm trên một subnet thì bảng định tuyến sẽ được sử dụng để quyết định việc chuyển dữ liệu và các bộ định tuyến thường xuyên trao đổi và cập nhật thông tin trong bảng định tuyến tùy thuộc vào phương pháp định tuyến được sử dụng.
• Truyền đa điểm:
Hiện nay có ba cách truyền các gói IP là:
o Truyền một điểm đích (unicast): các gói tin được truyền từ host nguồn đến host đích duy nhất.
o Truyền quảng bá: gói tin được truyền đến tất cả các host trong mạng. o Truyền đa điểm: gói tin được gửi đến một số các host nhất định trong
mạng
Ngoài ra, giao thức IP còn cung cấp khả năng phân mảnh dữ liệu lớn thành các gói có kích thước nhỏ hơn để truyền qua mạng.
2.1.1. Giao thức IP phiên bản 4 (IPv4)
Hình 1. Cấu trúc gói IP phiên bản 4 Ý nghĩa các trường như sau:
• Version: độ rộng 4 bit mô tả phiên bản IP
• IP Header Length(IHL): có độ rộng 4 bit, xác định độ rộng của phần tiêu đề của gói tin IP
• Type of Service: có độ rộng 8 bit, xác định các tham số chỉ dịch vụ sử dụng khi truyền gói tin qua mạng. Rất nhiều mạng cung cấp các dịch vụ về độ ưu tiên lưu thông, đặc biệt khi mạng bị quá tải. Việc lựa chọn này đảm bảo đường truyền đạt ba tiêu chuẩn là thời gian trễ, độ tin cậy, bộ thông suốt của gói tin. Được mô tả cụ thể như sau:
o Quyền ưu tiên (3 bit) o Độ trễ D (1 bit) D=0: độ trễ bình thường D=1: độ trễ cao o Thông lượng T (1bit) T=0: thông lượng bình thường T=1: thông lượng cao
o Độ tin cậy (1bit):
R=0: độ tin cậy bình thường R=1: độ tin cậy cao
• Total Length (16bit): xác định độ dài của gói tin kể cả phần tiêu đề. Có giá trị tối đa là 65535 byte. Thông thường các host chỉ có thể xử lý gói tin có độ dài là 576 byte gồm 512 byte dữ liệu và 64 byte tiêu đề. Các host chỉ có thể gửi các gói tin cố độ dài lớn hơn 576 byte khi biết trước là host đích có khả năng xử lý gói này.
• Indentification: cùng với trường địa chỉ nguồn, đích dùng để định danh duy nhất cho một gói tin trong khoảng thời gian nó tồn tại.
• Flag : có độ rộng 3 bit, chỉ độ phân đoạn của gói tin o Bit 0: luôn bằng 0 o Bit 1 (DF): DF=0: có phân đoạn DF=1: không phân đoạn o Bit 2 (MF): MF=0: mảnh cuối cùng MF=1: không phải mảnh cuối cùng
• Fragment Offset: độ rộng 13 bit, chỉ rõ vị trí của phân mảnh trong gói tin tính theo đơn vị 64bit.
• Time to Live: độ rộng 8 bit, quy định thời gian tồn tại của gói tin.
• Protocol: độ rộng 8 bit, xác định giao thức tầng giao vận. Ví dụ o Protocol = 6: giao thức TCP
o Protocol=17: giao thức UDP
• Header Checksum: độ rộng 16 bit, mã kiểm tra CRC-16 của phần tiêu đề cho phát hiệnlỗi
• Source Address: độ rộng 32 bit, xác định địa chỉ nguồn.
• Option: có độ dài thay đổi để lưu thông tin tùy biến của người dùng
• Padding: có độ dài thay đổi, đảm bảo độ dài của header luôn là bội 32 bit
• Data: có độ dài tối đa là 65535 byte chứa dữ liệu lớp cao hơn.
Đánh địa chỉ trong IPv4
Hệ thống địa chỉ này được thiết kế mềm dẻo qua một sự phân lớp, có 5 lớp địa chỉ IP là: A, B, C, D, E. Sự khác nhau cơ bản giữa các lớp địa chỉ này là ở khả năng tổ chức các cấu trúc con của nó.
Lớp Nhận dạng Địa chỉ đầu Địa chỉ cuối Mặt nạ mạng
A 0xxx 0.0.0.0 127.255.255.255 255.0.0.0 B 10xx 128.0.0.0 191.255.255.255 255.255.0.0 C 110x 192.0.0.0 223.255.255.255 255.255.255.0 D 1110 224.0.0.0 239.255.255.255
E 1111 240.0.0.0 255.255.255.255
Địa chỉ lớp A: Lớp A sử dụng byte đầu tiên của 4 byte để đánh địa chỉ mạng. Như
hình trên, nó được nhận ra bởi bit đầu tiên trong byte đầu tiên của địa chỉ có trị giá 0. Ba byte còn lại được sử dụng để đánh địa chỉ máy trong mạng. Có 126 địa chỉ lớp A với số máy tính trong mạng là 2563 – 2 = 16.777.214 máy cho mỗi địa chỉ lớp A. Địa chỉ lớp A thường được cấp cho những tổ chức có số lượng máy tính lớn. Nguyên nhân chỉ có 126 network trong khi dùng 8 bit vì bit đầu tiên mang giá trị 0 dùng để định nghĩa lớp A. Do vậy còn lại 7 bit đánh từ 0 – 127, tuy nhiên người ta không sử dụng một địa chỉ chứa toàn các con số 1 hoặc 0 nên chỉ còn lại 126 mạng lớp A được sử dụng. Giá trị byte đầu tiên của lớp A sẽ luôn nằm trong khoảng từ 1 tới 126, mỗi một byte trong 3 byte còn lại sẽ có giá trị trong khoảng 1 đến 254.
Địa chỉ lớp B: Một địa chỉ lớp B được nhận ra bởi 2 bit đầu tiên của byte thứ
nhất mang giá trị 10. Lớp B sử dụng 2 byte đầu tiên của 4 byte để đánh địa chỉ mạng và 2 byte cuối đánh địa chỉ máy trong mạng. Có 64*256 – 2 = 16.128 địa chỉ mạng lớp B với 65.534 máy cho mỗi địa chỉ lớp B.
Địa chỉ lớp C: Một số tổ chức có quy mô nhỏ có thể xin cấp phát địa chỉ lớp C. Một địa chỉ lớp C được nhận ra với 3 bit đầu mạng giá trị 110. Mạng lớp C sử dụng 3 byte đầu để đánh địa chỉ mạng và 1 byte cuối đánh địa chỉ máy trong mạng. Có 2.097.150 địa chỉ lớp C, mỗi địa chỉ lớp C có 254 máy.
Từ các lớp mạng cơ bản trên, ta có thể thực hiện chia subnet cho mạng để tạo thành các mạng con (subnet) tùy theo yêu cầu cụ thể. Phần dùng để đánh mạng con được lấy để đánh subnet được lấy từ phần dành đánh địa chỉ host.
Hình 2. Quy các địa chỉ IP khi chia subnet
Khi đó, để xác định địa chỉ mạng của trạm, ta cần phải biết mặt nạ mạng tương ứng với IP được chia. Việc tính toán ra địa chỉ mạng của IP được tính như sau:
Dạng thập phân Dạng nhị phân
Địa chỉ IP của trạm 192.168.5.130 11000000.10101000.00000101.10000010 Mặt nạ mạng 255.255.255.192 11111111.11111111.11111111.11000000 Địa chỉ mạng 192.168.5.128 11000000.10101000.00000101.10000000
2.1.2. Giao thức IP phiên bản 6 (IPv6)
Trong IPv4 trường địa chỉ nguồn và đích có độ dài 32 bit nên không thể đáp ứng đủ nhu cầu đánh địa chỉ của mạng. Ngoài ra, do sự phát triển của Internet, bảng định tuyến của router không ngừng lớn lên và khả năng định tuyến đã bộc lộ hạn chế. Yêu cầu nâng cao chất lượng dịch vụ và bảo mật được đặt ra. IPv6 là giao thức Internet mới được kế thừa đặc điểm chính của IPv4 và có nhiều cải tiến để khắc phục những hạn chế:
• Tăng kích thước địa chỉ từ 32 bit lên 128 bit
• Phạm vi định tuyến đa điểm: giao thức này hỗ trợ phương thức truyền mới “anycasting”. Phương thức này sử dụng để gửi các gói tin đến một nhóm xác định.
• Phần tiều đề của IPv6 được đơn giản hóa hơn IPv4. Điều đó cho phép xử lý gói tin nhanh hơn. Ngoài ra, IPv6 còn cung cấp một số tiêu đề phụ cho phép giao thức IPv6 có thể sử dụng một cách mềm dẻo hơn hẳn so với IPv4.
Cấu trúc gói tin IPv6 như sau:
Hình 3. Cấu trúc gói tin IP phiên bản 6 Ý nghĩa các trường như sau:
• Version: có giá trị bằng 6 với IPv6
• Traffic Class: độ dài 8 bit, xác định độ ưu tiên
• Flow Label: độ dài 20bit, xác định các gói dữ liệu được ưu tiên trên đường truyền nếu có xảy ra tranh chấp, thường được sử dụng cho các dịch vụ đòi hỏi chất lượng dịch vụ cao hay thời gian thực.
• Payload Length: độ dài 16 bit, xác định độ dài phần dữ liệu không tính phần tiêu đề.
• Hop Limit: độ dài 8 bit, giống như trường Time to Live của IPv4
• Source Address và Destination Address giống như IPv4 nhưng có độ dài 128bit.
• Data: có độ dài tối đa là 65535 byte.
2.2. Giao thức TCP/IP
Giao thức TCP là giao thức điều khiển truyền thông hướng kết nối và có độ tin cậy cao. TCP cung cấp là giao thức được xây dựng phức tạp hơn UDP rất nhiều, ngoài các dịch vụ như UDP, TCP còn cung cấp các dịch vụ khác cho ứng dụng. Dịch vụ quan trọng nhất là truyền dữ liệu có độ tin cậy cao, các cơ chế điều khiển lưu lượng và kiểm soát tắc nghẽn, đánh số thứ tự và số thứ tự bên nhận, bộ định thời,....Cụ thể TCP cung cấp các dịch vụ sau:
• Thiết lập liên kết: TCP là giao thức hướng kết nối, trước khi gửi dữ liệu cần thiết lập trước đường truyền (chính là 1 liên kết lôgic giữa hai thực thể TCP), thủ tục này gọi là thủ tục “bắt tay”. Liên kết được thiết lập phải đảm bảo tính chính xác và độ tin cậy, một liên kết khi không còn đủ độ tin cậy thì sẽ bị huỷ bỏ và thiết lập lại. Khi quá trình truyền tin hoàn thành thì kết nối được giải phóng .
• Cung cấp đường truyền hai chiều (song công - full duplex).
• Đảm bảo độ tin cậy: Giao thức TCP cung cấp các tham số kiểm tra cùng với số thứ tự (Sequence number), xác nhận (ACKnowledge ) và kiểm tra lỗi tổng (Checksum). Các segment được đánh số tuần tự, cách làm này nhằm mục đích loại bỏ các segment bị trùng lặp hay không đúng yêu cầu. Tại bên thu, khi nhận được các segment thực hiện việc kiểm tra nhờ trường checksum. Nếu segment nhận được không lỗi hay lặp, tín hiệu ACK sẽ được gửi trả lại bên phát để khẳng định dữ liệu nhận tốt. Ngược lại nếu segment nhận được bị lỗi hay bị trùng lặp thì segment này sẽ được loại bỏ và bên thu sẽ gửi một tin hiệu yêu cầu bên phát phát lại segment bị lỗi đó, bằng cơ chế này sẽ đảm bảo tính chính xác và độ tin cậy cho dữ liệu.
• Cung cấp các dịch vụ (chức năng) kiểm tra đường truyền, cho phép điều khiển luồng và điều khiển tắc nghẽn.
Trong ứng dụng VoIP, giao thức TCP được sử dụng làm giao thức truyền báo hiệu chứ không phục vụ việc truyền tín hiệu thoại. Lý do là vì phần mào đàu của TCP lớn
Hình 4. Cấu trúc đơn vị dữ liệu TCP Ý nghĩa các trường như sau:
• Source Port: độ dài 16 bit, xác định số hiệu cổng của trạm nguồn
• Sequence Number: độ dài 32 bit. Số hiệu của byte đầu tiên của segment từ khi bit SYN được thiết lập. Nếu bit SYN được thiết lập thì Sequence Number là số hiệu tuần tự khởi đầu (ISN) và byte dữ liệu đầu tiên là ISN+1
• ACK Number: độ dài 32 bit, xác định số hiệu của segment tiếp theo mà trạm nguồn đang chờ được xác nhận
• Data Offset: độ dài 4 bit, xác định vị trí bắt đầu của khối dữ liệu lớp trên trong đơn vị dữ liệu TCP.
• Control bit:
o URG: vùng Urgent Pointer có hiệu lực o ACK: vùng ACK có hiệu lực
o PSH: chức năng Push o RST: khởi động lại liên kết
o SYN: đồng bộ hóa các số hiệu tuần tự o FIN: không còn số liệu từ trạm cuối
• Window: cấp phát thẻ bài để kiểm soát luồng dữ liệu theo cơ chế cửa sổ. Đây chính là số lượng các byte dữ liệu bắt đầu từ byte được chỉ ra trong vùng ACK mà trạm nguồn sẵn sàng nhận.
• Checksum: mã CRC-16
• Urgent Pointer: con trỏ trỏe tới số hiệu tuần tự của byte đi sau dữ liệu khẩn, cho bên nhận biết được độ dài của dữ liệu khẩn. Vùng này có hiệu lực khi bit URG được thiết lập.
• Option: có độ dài thay đổi, khai báo các lựa chọn của TCP trong đó có độ dài tối đa của vùng dữ liệu trong một đơn vị dữ liệu segment.
• Padding: đảm bảo phần tiêu đề của TCP luôn là bội 32 bit.
• TCP data: chứa dữ liệu lớp trên có giá trị tối đa là 536 byte. Giá trị này có thể thay đổi nhờ khai báo trong Option
Thiết lập và hủy kết nối TCP
Để hiểu được chức năng của hàm connect, accept, close và giúp debug các ứng dụng TCP bằng chương trình netstat, chúng ta cần hiểu làm thế nào để thiết lập và hủy một kết nối TCP, cũng như trạng thái của TCP.
Hình 5. Bắt tay 3 bước trong thiết lập kết nối TCP Giản đồ trên đây diễn ra khi một kết nối TCP được thiết lập:
1) Server đã sẵn sàng accept một kết nối tới. Công việc này được thực hiện bằng việc gọi hàm socket, bind, listen. Và được gọi là “passive open” (mở ở trạng thái bị động)
2) Client thiết lập một “active open” bằng cách gọi hàm connect. Khi đó, phía client sẽ gửi SYN để báo cho server biết số thứ tự của dữ liệu client sẽ gửi trong kết nối. Thông thường, SYN không chứa dữ liệu, chỉ chứa tiêu đề IP, TCP và có thể là các tùy chọn TCP.
3) Server xác nhận SYN của server. Nó sẽ SYN với số thứ tự cho dữ liệu của nó. Server gửi SYN và ACK cho SYN của client trong cùng một segment.
4) Client xác nhận SYN của server.
Số gói tối thiểu được truyền là ba nên được gọi là there-way handshake (bắt tay 3 bước).
Hủy kết nối TCP
Trong khi chỉ cần ba segment để thiết lập một kết nối TCP thì cần bốn segment để hủy kết nối.
1) Một ứng dụng gọi hàm close trước, chúng ta gọi đầu cuối này thực hiện active-close. Đầu cuối này sẽ gửi FIN segment để kế thúc việc gửi dữ liệu
2) Đầu cuối khác nhận FIN thực hiện “passive close”. FIN nhận được gọi xác nhận bởi TCP. FIN nhận được cũng được truyền lên lớp ứng dụng như là end-of-file(sau khi các dữ liệu khác đã được nhận đủ). Khi nhận được FIN nghĩa là ứng dụng không nhận thêm dữ liệu nữa.
3) Ứng dụng sau khi nhận được end-of-file sẽ close (đóng) socket lại. TCP của nó sẽ gửi FIN.
4) TCP của phía yêu cầu hủy kết nối nhận bản tin FIN cuối cùng, xác nhận FIN.
Hình 6. Hủy kết nối TCP
Hoạt động của TCP trong thiết lập và hủy cuộc gọi được mô tả bằng lược đồ trạng thái. Có 11 trạng thái khác nhau cho một kết nối và luật cho phép chuyển từ trạng thái này sang trạng thái khác dựa trên cơ sở trạng thái đã có. Ví dụ: nếu một ứng dụng thiết lập một “active open” ở trạng thái CLOSED, TCP gửi SYN và trạng thái mới là SYN_SENT. Nếu TCP sau đó nhận được SYN với ACK, nó sẽ gửi ACK và một trạng thái mới ESTABLISH. Trạng thái cuối khi mà việc truyền dữ liệu diễn ra. Hai đường mũi tên chỉ từ trạng thái ESTABLISHED tới trạng thái ngắt kết nối. Nếu ứng dụng gọi close trước khi nhận FIN, thì trạng thái là FIN_WAIT1. Nhưng nếu ứng dụng nhận FIN trong khi đang ESTABLISHED, trạng thái sẽ là CLOSE_WAIT.
Một lý do cần thiết phải hiểu được lược đồ trạng thái là để hiểu được 11 trạng thái TCP với tên của nó. Trạng thái này được hiện bởi netstat, là một công cụ hữu hiệu trong việc debug ứng client/server.
Hình 7. Sơ đồ thay đổi trạng thái thiết lập TCP
Truyền các gói
Hình 8. Truyền dữ liệu với TCP
Hình trên biễu diễn việc truyền gói thực diễn ra cho một TCP hoàn chỉnh: thiết lập kết nối, truyền dữ liệu, hủy kết nối. Client trong ví dụ này thông báo MSS=536(xác định kích thước buffer của nó) và server có kích thước buffer là 1460. Với mỗi kết nối được thiết lập, client tạo một yêu cầu và gửi nó tới server. Yêu cầu này được gắn trọn trong chỉ một TCP segment. Server xử lý yêu cầu và gửi trả lời (kích thước nhỏ hơn 536). Hai gói dữ liệu được biểu diễn bằng đường mũi tên đậm. Chú ý rằng ACK của yêu cầu của
client được gửi kèm với trả lời của server. Cách thức này được gọi là piggybacking và thường được thực hiện khi thời gian server xử lý và trả lời nhỏ hơn 200ms. Nếu lâu hơn, thì ACK sẽ được gửi trước khi gửi trả lời. Một điều quan trọng trong mô hình này là: Nếu chỉ để gửi một segment yêu cầu đi và nhận một segment trả lời thì cần tám segment khác. Nếu UDP được sử dụng, chỉ có hai segment được truyền: yêu cầu, trả lời. Nhưng chuyển từ TCP sang UDP thì chúng ta không còn tính tin cậy mà TCP cung cấp cho ứng dụng nữa, việc đảm bảo truyền tin sẽ do chương trình UDP thực hiện. Một yếu tố quan trọng nữa của TCP đó là điều khiển tắc nghẽn mà ở UDP không có. Các ứng dụng thường sử dụng UDP với các dữ liệu nhỏ cần tốc độ truyền cao(độ trễ nhỏ).
2.3. Giao thức UDP
UDP là giao thức lớp Giao vận đơn giản nhất, được mô tả trong RFC 768. Ứng dụng gửi bản tin tới socket UDP, sau đó được đóng gói thành một UDP paragram và được truyền xuống lớp IP để gửi tới đích. Gói tin UDP được truyền mà không đảm bảo rằng nó có thể tới đích, giữ đúng thứ tự và đến đích một lần. Vấn đề của người lập trình mạng với UDP là đảm bảo tính tin cậy. Nếu datagram tới đích nhưng trường kiểm tra tổng (checksum) có lỗi hay gói tin bị drop ở trên mạng thì nó sẽ được truyền lại. Nếu muốn xác định được rằng gói tin đã tới đích thì cần rất nhiều tính năng trong ứng dụng: ACK từ đầu cuối khác, điều khiển việc truyền lại,.. Mỗi một UDP datagram có chiều dài và được truyền lên cùng với dữ liệu cho lớp ứng dụng. Điều này khác với TCP là giao thức luồng byte (byte-stream protocol). Chúng ta cũng có thể nói: UDP cung cấp dịch vụ không hướng kết nối. Ví dụ, client UDP có thể tạo một socket và gửi datagram tới server này và sau đó gửi một datagram khác cũng tới server khác. Cũng giống như server UDP có thể nhận nhiều datagram trên một socket UDP từ các client khác nhau.
Hình 9. Cấu trúc đơn vị dữ liệu UDP
2.4. Giao thức SCTP
Năm 1998, nhóm làm việc của IETF được tập hợp để thiết kế một cơ chế giao vận tin cậy để truyền báo hiệu điều khiển cuộc gọi trên mạng Internet. Kết quả là Sigtran đã được ra đời cho phép truyền các bản tin SS7 trên mạng IP. Vấn đề chính mà Sigtran cần giải quyết chính mà TCP chưa đáp ứng được đó là:
Head of line blocking: Vấn đề xảy ra khi gửi các bản tin độc lập trên kết nối
TCP đã được thiết lập thì các bản tin được nhận sau bị làm trễ và lưu trong bộ đệm của tầng giao vận của phía nhận tới khi các bản tin trước đó bị mất được truyền lại và tới đích. Mà ở đó, các bản tin sau thường thiết lập các cuộc gọi độc lập. Như vậy, trễ ở các bản tin sau là nguyên nhân sinh ra timeout trong điều khiển cuộc gọi gây ra lỗi không mong muốn trong quá trình điều khiển cuộc gọi. Multihoming: Khi một trạm với nhiều đường truy cập Internet với mục đích dự
phòng, không muốn đợi để định tuyến trong khi mạng bị tắc nghẽn để truyền tin với trạm ngang hàng với nó. Với báo hiệu cuộc gọi, trễ này là không thể chấp nhận được khi có nhiều đường đã có. Do TCP chỉ gắn một đường kết nối giữa hai đầu cuối nên sẽ không thể giải quyết được vấn đề này.
Cân nhắc những vấn đề này, Sigtran được thiết kế như là một giao thức tầng giao vận mới cho phép mang báo hiệu cuộc gọi trên mạng IP. Đồng thời, IETF mở rộng phạm vi của nhóm thiết kế từ một nhóm nhỏ đến một nhóm chuyên trách để thiết kế một giao thức giao vận có thể phục vụ nhiều mục đích và hoạt động tốt với nhiều ứng dụng. Và khi đó SCTP ra đời với các đặc tính sau:
Multistreaming: SCTP hỗ trợ đa luồng (stream) bản tin độc lập với nhau
trên một liên kết SCTP. Mỗi bản tin được gửi trên đó được gán cho một luồng riêng. Tất cả dữ liệu trong một luồng được nhận theo thứ tự với dữ liệu khác trong luồng. Dữ liệu trong các luồng khác nhau thì không có đặc tính này. Do vậy, SCTP cung cấp cơ chế cho phép việc nhận dữ liệu có thứ tự một cách cục bộ. Như vậy là nó đã giải quyết được vấn đề head-of-line blocking. Ứng dụng của đa luồng (multistreaming) có thể hỗ trợ các ứng dụng liên quan tới hợp kênh dữ liệu như thoại, văn bản, video trên một đường truyền giữa hai đầu cuối thay vì mở nhiều kết nối TCP cho mỗi luồng.
Multihoming: giữa hai đầu cuối trong quá trình thiết lập liên kết có thể xác
định liên kết đa điểm. Việc có nhiều giao diện cho phép dữ liệu được tự động gửi theo nhiều địa chỉ khác nhau khi có lỗi xảy ra. Điều này là hoàn toàn không thể thực hiện được ở TCP vì nó gắn kết một đầu cuối với một giao diện nhất định. Nếu như có lỗi xảy ra, tất cả các kết nối được gắn với giao diện đó vần có thời gian timeout và được hủy bỏ. Và sau đó, ứng dụng là phải thiết lập lại các kết nối khác.
Message Orientation: Trong TCP, dữ liệu được gửi giữa hai đầu cuối là
luồng các byte. Nếu cần thiết, ứng dụng phải làm chức năng định dạng khung (frame) cho bản tin. Ở SCTP, bản tin được giữ nguyên định dạng. Tức là nếu tầng ứng dụng phía phát gửi bản tin 100 byte đi thì phía thu cũng nhận được đúng 100 byte. UDP cũng cung cấp dịch vụ hướng bản tin nhưng không có độ tin cậy cao như SCTP.
Un-ordered Service: Đối với TCP, tất cả các bản tin được nhận tin cậy đúng
theo thứ tự được gửi. Còn với SCTP, giao thức này cung cấp cơ chế nhận tin không có thứ tự (giữa các luồng song song với nhau). Ở UDP cũng cấp dịch vụ này nhưng không có độ tin cậy như SCTP.
Extensibility: Gói TCP bị giới hạn bởi 40 byte trường Option. Trái lại, gói
SCTP được mở rộng thông qua việc sử dụng trường TLV (Tag-Length-Val-ue).
Heartbeat/Keep-alive: SCTP có một tùy chọn cho phép xác định thời gian
sống của bản tin. Nó cho phép ứng dụng truyền tin xác định khoảng thời gian mà bản tin còn có ích. Nếu thời gian này hết hạn trước khi được truyền tin cậy tới phía nhận, thì thực thể SCTP gửi có thể dừng việc cố gửi bản tin hay hủy bỏ bản tin. Kiểu tin cậy này gọi là “tin cậy cục bộ”. Điều này rất hữu ích như trong truyền tin di động hay ở các game online. Việc này sẽ giúp tiết kiệm băng thông đường truyền chống tắc nghẽn.
Syn cookie: SCTP sử dụng bắt tay bốn bước bới việc sử dụng cookie có dấu
hiệu định trước. Phía nhận của bản tin thiết lâpk liên kết SCTP mới duy trì trạng thái no-state (không được cấp tài nguyên) cho tới khi phía khởi tạo chứng thực được đó là IP của đối tượng yêu cầu kết nối. Cơ chế này cho phép chống lại tấn công từ chối dịch vụ bằng cách SYN flooding.
Stronger checksum: SCTP cung cấp 32 bit kiểm tra tổng với khả năng phát
hiện lỗi tốt hơn 16 bit ở TCP hay UDP.
Advanced TCP services: các dịch vụ mới của TCP như SACK (RFC 2018),
Appropriate Byte Counting Byte Counting (RFC 3465) và Explicit Conges-tion Notificaion (RFC3168) đã được tích hợp sẵn trong SCTP.
Hướng liên kết Có Có Không
Song công Có Có Có
Tin cậy Có Có Không
Tin cậy cục bộ optional Không Không Nhận dữ liệu có thứ tự Có Có Không Nhận dữ liệu không có thứ tự Có no Có Điều khiển luồng Có Có Không Điều khiển tắc nghẽn Có Có Không Cơ chế ECN Có Có Không Selective ACKs Có Tùy chọn Không Hướng bản tin Có no Có Tìm lại đường MTU Có Có Không Phân mảnh PDU tầng ứng dụng Có Có Không Bọc các PDU tầng ứng dụng Có Có Không Đa luồng Có Không Không Multihoming Có Không Không Chống tấn công tràn SYN Có Không Không Kêt nối half-closed Không Có Không Kiểm tra dữ liệu tới đích Có Có Không Giả tiều đề cho checksum Không
(sử dụng vtags) Có Có Trạng thái đợi vtags 4-tuple Không
SCTP là giao thức hướng kết nối giống như TCP và cũng có việc bắt tay để thiết lập và hủy kết nối. Tuy vậy, việc bắt tay của SCTP khác so với TCP.
Hình 10. Thiết lập kết nối SCTP
1) Server sẵn sàng chấp nhận một association đến. Việc này được thực hiện thông qua lời gọi hàm socket, bind, listen và được gọi là passive open.
2) Client thiết lập một active open bằng cách gọi hàm connect hay gửi một bản tin yêu cầu mở một association. Khi đó, SCTP client sẽ gửi bản tin INIT thông báo với server danh sách địa chỉ IP của nó, số hiệu thứ tự, tag thiết lập để xác định tất cả các gói là trong một association, số luồng mà client yêu cầu, số luồng vào mà nó hỗ trợ.
3) Server xác nhận bản tin INIT của client với bản tin INIT-ACK chứa danh sách địa chỉ IP, số thứ tự thiết lập, tag thiết lập, số luồng mà nó hỗ trợ và một cookie trạng thái. Cookie trạng thái chứa tất cả các trạng thái mà server xác nhận associ-ation là hợp lệ và được gán số để cho việc xác thực này.
4) Client gửi lại cookie trạng thái của server với bản tin COOKIE-ECHO. Bản tin này chứa dữ liệu người dùng gắn kèm.
5) Server xác nhận rằng cookie là hợp lệ và association được thiết lập với bản tin COOKIE-ACK. Bản tin này cũng chứa dữ liệu người dùng.
Hủy association
Không giống như TCP, SCTP không cho phép “half-closed” association. Khi một đầu cuối ngừng thì đầu cuối kia cũng phải dừng gửi dữ liệu mới. Phía nhận yêu cầu hủy kết nối gửi nốt dữ liệu đã được xếp hàng trước khi hủy kết nối. SCTP không có trạng thái TIME_WAIT như TCP mà sử dụng tag để làm việc này. Tất cả các chunk được tag hóa với tag gửi trong chunk INIT, một chunk từ một kết nối cũ sẽ được nhận với tag sai. Như vậy, SCTP sử dụng việc xác nhận giá trị tag trong TIME_WAIT.
Hình 11. Hủy kết nối SCTP
Các trạng thái trong kết nối SCTP được biểu diễn bằng lược đồ sau:
Hình 12. Sơ đồ trạng thái thiết lập SCTP
2.5. Giao thức RTP
RTP là một giao thức dựa trên giao thức IP tạo ra các hỗ trợ để truyền tải các dữ liệu yêu cầu thời gian thực với các yêu cầu:
Liên tục: Các gói tin phải được sắp xếp theo đúng thứ tự khi chúng đến bên nhận,
các gói đến có thể không theo thứ tự và nếu gói tin bị mất thì bên nhận phải dò tìm hay bù lại sự mất các gói tin này.
Sự đồng bộ trong các phương thức truyền thông: Các khoảng lặng trong tiếng nói
được triệt và nén lại để giảm thiểu băng thông cần thiết, tuy nhiên khi đến bên nhận, thời gian giữa các khoảng lặng này phải được khôi phục một cách chính xác.
Sự đồng bộ giữa các phương thức truyền thông: Có thể tín hiệu thoại sử dụng
một phương thức truyền thông trong khi tín hiệu video lại sử dụng một phương thức truyền thông khác, các tín hiệu tiếng và hình phải được đồng bộ một cách chính xác, gọi là sự đồng bộ tiếng - hình.
Sự nhận diện phương thức truyền tải: Trong Internet, thông thường cần thay đổi
sự mã hoá cho phương thức truyền tải (payload) trên hành trình truyền để hiệu chỉnh thay đổi độ rộng băng thông sẵn sàng hoặc đủ khả năng cho người dùng mới kết nối vào nhóm. Một vài cơ chế cần được sử dụng để nhận diện sự mã hoá cho mỗi gói đến.
Các dịch vụ cung cấp bởi RTP bao gồm:
Đa phát đáp thân thiện: (multicast – friendly): RTP và RTCP là kỹ thuật cho đa
phát đáp, cung cấp khả năng mở rộng cuộc hội thoại nhiều bên. Trên thực tế, chúng được thiết kế để có thể hoạt động trong cả các nhóm đa phát đáp nhỏ, phù hợp cho các cuộc điện đàm ba bên. Đối với các nhóm lớn, chúng sử dụng đa phát đáp quảng bá (broadcasting).
Độc lập thiết bị: RTP cung cấp các dịch vụ cần thiết chung cho phương thức
truyền thông thời gian thực nói chung như thoại, video hay bất kì một bộ mã hoá, giải mã cụ thể nào có sự định nghĩa các phương thức mã hoá và giải mã riêng bằng các thông tin tiêu đề và định nghĩa.
Các bộ trộn và chuyển đổi: Các bộ trộn là thiết bị nắm giữ phương thức truyền
thông từ một vài người sử dụng riêng lẻ, để trộn hoặc nối chúng vào các dòng phương thức truyền thông chung, chuyển đổi chúng vào khuôn dạng khác và gửi nó ra. Các bộ chuyển đổi có ích cho sự thu nhỏ băng thông yêu cầu của dòng số liệu từ dòng số liệu chung trước khi gửi vào từng kết nối băng thông hẹp hơn mà không yêu cầu nguồn phát RTP thu nhỏ tốc độ bit của nó. Điều này cho phép các bên nhận kết nối theo một liên kết nhanh để vẫn nhận được truyền thông chất lượng cao. RTP hỗ trợ cả các bộ trộn và cả các bộ chuyển đổi.
Mã hoá thành mật mã: Các dòng phương thức truyền thông RTP có thể mã hoá
thành mật mã dùng các khoá, việc mã hoá đảm bảo cho việc thông tin trên mạng được an toàn hơn.
Các gói tin truyền trên mạng Internet có trễ và jitter không dự đoán được. Nhưng các ứng dụng đa phương tiện yêu cầu một thời gian thích hợp khi truyền các dữ liệu và phát lại. RTP cung cấp các cơ chế bảo đảm thời gian, số thứ tự và các cơ chế khác liên
quan đến thời gian. Bằng các cơ chế này RTP cung cấp sự truyền tải dữ liệu thời gian thực giữa các đầu cuối qua mạng.
Bản thân RTP không cung cấp một cơ chế nào cho việc bảo đảm phân phối kịp thời các dữ liệu tới các trạm mà nó dựa trên các dịch vụ của tầng thấp hơn để thực hiện điều này. RTP cũng không đảm bảo việc truyền các gói theo đúng thứ tự. Tuy nhiên, số thứ tự trong RTP header cho phép bên thu xây dựng lại đúng thứ tự các gói của bên phát.
Hoạt động của RTP được hỗ trợ bởi một giao thức khác là RTCP để nhận các thông tin phản hồi về chất lượng truyền dẫn và các thông tin về thành phần tham dự các phiên hiện thời. Không giống như các giao thức khác là sử dụng các trường trong header để thực hiện các chức năng điều khiển, RTP sử dụng một cơ chế điều khiển độc lập trong định dạng của gói tin RTCP để thực hiện các chức năng này.
Khuôn dạng bản tin RTP:
RTP header bao gồm một phần cố định có ở mọi gói RTP và một phần mở rộng phục vụ cho các mục đích nhất định.
Phần cố định:
Hình 13. Phần cố định của đơn vị dữ liệu RTP
• Version (2 bits): Chỉ ra version của RTP, hiện nay là version 2.
• Padding (1 bit): Nếu bit này được đặt, sẽ có thêm một vài octets thêm vào cuối
gói dữ liệu. Các octets này không phải là thông tin, chúng được thêm vào để nhằm mục đích:
o Phục vụ cho một vài thuật toán mã hoá thông tin cần kích thước của gói cố định.
o Dùng để cách ly các gói RTP trong trường hợp có nhiều gói thông tin được mang trong cùng một đơn vị dữ liệu của giao thức ở tầng dưới.
• Extension (1 bit): nếu bit này được đặt, thì theo sau phần header cố định sẽ là một
header mở rộng.
• Contributing Sources Count (4 bits): số lượng các thành phần nhận dạng nguồn
CSRC nằm trong phần header gói tin. Số này lớn hơn 1 nếu các gói tin RTP đến từ nhiều nguồn.
• Marker (1 bit): mang ý nghĩa khác nhau, tuỳ theo từng trường hợp cụ thể, được
chỉ ra trong profile đi kèm.
• Payload Type (7 bits): chỉ ra loại tải trọng mang trong gói. Các mã sử dụng trong
trường này ứng với các loại tải trọng được quy định trong một profile đi kèm.
• Sequence Number (16 bits): mang số thứ tự của gói RTP. Số này được tăng thêm
1 sau mỗi gói RTP được gửi đi. Có thể được sử dụng để phát hiện được sự mất gói và khôi phục mất gói tại đầu thu. Giá trị khởi đầu của trường này là ngẫu nhiên.
• Time stamp (tem thời gian, 32 bits): Phản ánh thời điểm lấy mẫu của octet đầu
tiên trong gói RTP. Thời điểm này được lấy từ một đồng hồ tăng đều đặn và tuyến tính theo thời gian để cho phép việc đồng bộ và tính toán độ jitter. Tần số đồng hồ này không cố định, tuỳ thuộc vào loại tải trọng. Giá trị khởi đầu được chọn ngẫu nhiên. Một vài gói RTP có thể mang cùng một giá trị “Tem thời gian” nếu như chúng được phát đi cùng lúc về mặt logic. Nếu gói dữ liệu được phát ra đều đặn thì “tem thời gian” được tăng một cách đều đặn. Trong trường hợp khác thì giá trị “tem thời gian” tăng không đều.
“Tem thời gian” là thành phần thông tin quan trọng nhất trong các ứng dụng thời gian thực. Người gửi thiết lập các “tem thời gian” ngay thời điểm octet đầu tiên của gói được lấy mẫu. “Tem thời gian” tăng dần theo thời gian đối với mọi gói. Sau khi nhận được gói dữ liệu, bên thu sử dụng các “tem thời gian” này nhằm khôi phục thời gian gốc để chạy các dữ liệu này với tốc độ thích hợp. Ngoài ra, nó còn được sử dụng để đồng bộ các dòng dữ liệu khác nhau (chẳng hạn như giữa hình và tiếng). Tuy nhiên RTP không thực hiện đồng bộ mà các ứng dụng phía trên sẽ thực hiện sự đồng bộ này.
• Synchronization Source Identifier (SSRC, 32 bits): chỉ ra nguồn đồng bộ của
gói RTP, số này được chọn ngẫu nhiên. Trong 1 phiên RTP có thể có nhiều hơn một nguồn đồng bộ. Mỗi một nguồn phát ra một luồng RTP. Bên thu nhóm các gói của cùng một nguồn đồng bộ lại với nhau để phát lại tín hiệu thời gian thực.
• Contributing Source Identifier (CSRC, từ 0-15 mục, mỗi mục 32 bits): chỉ ra
những nguồn đóng góp thông tin vào phần tải trọng của gói. Giúp bên thu nhận biết được gói tin này mang thông tin của những nguồn nào.
Hình 14. Ví dụ về Cấu trúc gói RTP
Phần mở rộng: có độ dài thay đổi. Sự tồn tại phụ thuộc vào bit Extension của
phần cố định.
Hình 15. Phần mở rộng cấu trúc dữ liệu RTP
• 16 bit đầu tiên được sử dụng với mục đích riêng cho từng ứng dụng được định nghĩa bởi profile. Thường được dùng để phân biệt các loại header mở rộng.
• Length (16 bits): giá trị chiều dài phần header mở rộng tính theo đơn vị 32 bit,
không bao gồm 32 bit đầu tiên của phần header mở rộng.
Cơ chế mở rộng của RTP cho phép các ứng dụng riêng lẻ của giao thức RTP thực hiện được với những chức năng mới đòi hỏi những thông tin thêm vào phần header của gói. Cơ chế này được thiết kế để một vài ứng dụng có thể bỏ qua phần header mở rộng
này (mà vẫn không ảnh hưởng tới hoạt động) trong khi một số ứng dụng khác lại có thể sử dụng được phần đó.
Bộ phận nhận dạng tải xác định kiểu định dạng của tải tin cũng như cách mã hoá và nén. Từ các bộ phận định dạng này, các ứng dụng phía thu biết cách phân tích và chạy các dòng dữ liệu tải tin. Tại một thời điểm bất kỳ trong quá trình truyền tin, các bộ phát RTP chỉ có thể gửi một dạng của tải tin cho dù dạng của tải tin có thể thay đổi trong thời gian truyền (thay đổi để thích ứng với sự tắc nghẽn của mạng).
Một chức năng khác của RTP là xác định nguồn: cho phép phía thu biết được dữ liệu đến từ đâu. Ví dụ trong thoại hội nghị, từ thông tin nhận dạng nguồn một người sử dụng có thể biết được ai đang nói.
RTP được cố tình để cho không hoàn thiện. Nó chỉ cung cấp các dịch vụ phổ thông nhất cho hầu hết các ứng dụng truyền thông hội nghị đa phương tiện. Mỗi một ứng dụng cụ thể đều có thể them vào RTP các dịch vụ mới sao cho phù hợp với các yêu cầu của nó. Các khả năng mở rộng này được mô tả trong một profile đi kèm. Profile này còn chỉ ra các mã tương ứng sử dụng trong trường PT (Payload Type) của phần tiêu đề RTP ứng với các loại tải trọng mang trong gói.
RTP nằm ở phía trên UDP, sử dụng các chức năng ghép kênh và kiểm tra của UDP. Sở dĩ UDP được sử dụng làm thủ tục truyền tải cho RTP là bởi vì 2 lý do:
• Thứ nhất, RTP được thiết kế chủ yếu cho việc truyền tin đa đối tượng, các kết nối có định hướng, có báo nhận không đáp ứng tốt điều này.
• Thứ hai, đối với dữ liệu thời gian thực, độ tin cây không quan trọng bằng truyền đúng theo thời gian. Hơn nữa, sự tin cậy trong TCP là do cơ chế báo phát lại, không thích hợp cho RTP. Ví dụ khi mạng bị tắc nghẽn một số gói có thể mất, chất lượng dịch vụ dù thấp nhưng vẫn có thể chấp nhận được. Nếu thực hiện việc phát lại thì sẽ gây nên độ trễ rất lớn cho chất lượng thấp và gây ra sự tắc nghẽn của mạng.
Thực tế RTP được thực hiện chủ yếu trong các ứng dụng mà tại các mức ứng dụng này có các cơ chế khôi phục lại gói bị mất, điều khiển tắc nghẽn.
Mạng Internet hiện nay vẫn chưa thể đáp ứng được đầy đủ các yêu cầu của các dịch vụ thời gian thực. Các dịch vụ RTP yêu cầu băng thông cao có thể làm giảm chất lượng các dịch vụ khác trong mạng đến mức nghiêm trọng. Trong quá trình triển khai phải chú ý đến giới hạn băng thông sử dụng của các ứng dụng trong mạng.
2.6. Giao thức RTCP
RTCP (Real-time Transport Control Protocol) là giao thức hỗ trợ cho RTP cung cấp các thông tin phản hồi về chất lượng truyền dữ liệu. Các dịch vụ mà RTCP cung cấp là:
• Giám sát chất lượng và điều khiển tắc nghẽn: Đây là chức năng cơ bản của RTCP. Nó cung cấp thông tin phản hồi tới một ứng dụng về chất lượng phân phối dữ liệu. Thông tin điều khiển này rất hữu ích cho các bộ phát, bộ thu và giám sát. Bộ phát có thể điều chỉnh cách thức truyền dữ liệu dựa trên các thông báo phản hồi của bộ thu. Bộ thu có thể xác định được tắc nghẽn là cục bộ, từng phần hay toàn bộ. Người quản lý mạng có thể đánh giá được hiệu suất mạng.
• Xác định nguồn: Trong các gói RTP, các nguồn được xác định bởi các số ngẫu nhiên có độ dài 32 bít, các số này không thuận tiện đối với người sử dụng. RTCP cung cấp thông tin nhận dạng nguồn cụ thể hơn ở dạng văn bản. Nó có thể bao gồm tên người sử dụng, số điện thoại, địa chỉ e-mail và các thông tin khác.
• Đồng bộ môi trường: Các thông báo của bộ phát RTCP chứa thông tin để xác định thời gian và nhãn thời gian RTP tương ứng. Chúng có thể được sử dụng để đồng bộ giữa âm thanh với hình ảnh.
• Điều chỉnh thông tin điều khiển: Các gói RTCP được gửi theo chu kỳ giữa những người tham dự. Khi số lượng người tham dự tăng lên, cần phải cân bằng giữa việc nhận thông tin điều khiển mới nhất và hạn chế lưu lượng điều khiển. Để hỗ trợ một nhóm người sử dụng lớn, RTCP phải cấm lưu lượng điều khiển rất lớn đến từ các tài nguyên khác của mạng. RTP chỉ cho phép tối đa 5% lưu lượng cho điều khiển toàn bộ lưu lượng của phiên làm việc. Điều này được thực hiện bằng cách điều chỉnh tốc độ phát của RTCP theo số lượng người tham dự. Mỗi người tham gia một phiên truyền RTP phải gửi định kỳ các gói RTCP đến tất cả những người khác cũng tham gia phiên truyền. Nhờ vậy mà có thể theo dõi được số người tham gia.
Gói RTCP góp phần làm tăng nghẽn mạng. Băng thông yêu cầu bởi RTCP là 5% tổng số băng thông phân bổ cho phiên. Khoảng thời gian trung bình giữa các gói RTCP được đặt tối thiểu là 5s.
