Luận Văn Nghiên cứu giao thức SIP và thiết kế hệ thống ứng dụng thoại trên Internet

Nghiên cứu giao thức SIP và thiết kế hệ thống ứng dụng thoại trên Internet
Hiện nay dang diễn ra một cuộc cách mạng công nghệ trên mạng điện thoại công cộng. Cuộc cách mạng về công nghệ này bắt đầu từ mong ước dùng một máy tính cá nhân để truyền các gói chứa tiếng nói đi qua một mạng chuyển mạch gói (Packet Switching Network). Đây là một ý tưởng đột phá dẫn đến truyền thoại qua giao thức Internet (IP) được gọi là Voice over IP (VoIP). Ý tưởng thì đã rõ nhưng thực hiện như thế nào? Việc chuyển từ các dịch vụ thoại chất lượng toll của PSTN sang VoIP quả là điều không tầm thường. Tuy nhiên, sức hấp dẫn của VoIP khiến cho nó được hiện thực qua từng bước phát triển vượt bậc của công nghệ và chỉ trong một vài năm gần đây.

Chúng ta chưa thể thay thế hoàn toàn mạng điện thoại chuyển mạch công cộng (PSTN) bằng công nghệ VoIP bởi còn nhiều điều khá phức tạp bên trong thế giới của các giao thức mới lấy IP làm nền tảng. Tuy nhiên, gần đây các giao thức cho báo hiệu cuộc gọi và điều khiển thiết bị đang được chuẩn hóa, chúng ta đang gần đạt đến một môi trường có tính liên kết hoạt động cao. Giao thức điều khiển cổng truyền thông MGCP và Megaco hiện nay đã là các tiêu chuẩn chính thức, trong khi đó các cải tiến được thừa nhận gần đây trong phiên bản 4 của H.323 đã tạo điều kiện thuận lợi khi kết hợp với các giao thức khác để tạo ra các giải pháp cho hệ thống truyền thoại hoàn chỉnh và đặc tính kết nối ngang cấp cho các mạng gói. Giao thức khởi tạo phiên (SIP) đang được xem như giao thức báo hiệu chính trong cơ cấu chuyển mạch mềm (softswitch), điều khiển gọi trong một miền (domain) và điều khiển gọi xuyên qua các ranh giới miền.

SIP rất gần gũi với giao thức HTTP phiên bản 1.1 và SMTP. Nó đại diện cho một cuộc cách mạng truyền thông vì nó bỏ qua các mô hình điều khiển và báo hiệu trong viễn thông đã được phát triển cho điện thoại trong rất nhiều năm, mà thay vào đó nó ưu tiên sử dụng Internet và các giao thức dựa trên Web. Người sử dụng và người cung cấp dịch vụ thu được không chỉ sự tích hợp không chắp vá của điện thoại và hội nghị với nhiều ứng dụng World Wide Web và thông báo, mà còn hưởng lợi từ những dạng truyền thông mới như thông điệp tức thời và hiển thị.

Ngày nay, SIP được nhìn nhận như giao thức cho kỹ thuật điện thoại trong tương lai. Nó đang được triển khai trên diện rộng bởi các nhà cung cấp dịch vụ và các doanh nghiệp và được sử dụng hàng ngày bởi người sử dụng dùng hệ điều hành phổ biến của máy tính. Các khả năng to lớn cho phép bởi SIP hiện nay mới chỉ thể hiện một cách khái quát. Rất nhiều khả năng to lớn hơn nữa sẽ sớm trở thành hiện thực trong một tương lai không xa.

Với những ưu điểm tuyệt vời đó của SIP, chúng tôi quyết định đi sâu tìm hiểu vào lĩnh vực mới mẻ này với đề tài luận văn: “Nghiên cứu giao thức SIP và thiết kế hệ thống ứng dụng thoại trên Internet”. Đây là một vấn đề còn khá mới mẻ trong hệ thồng thông tin thoại của nước ta, vì vậy, nó có nhiều điều kiện và cơ hội để phát triển tiếp sau này.

Cấu trúc luận văn chia làm 11 chương, với nội dung chính của từng chương được mô tả như sau:

Chương 1: Đây là chương đầu tiên của luận văn, nó chỉ mang ý nghĩa giới thiệu nhưng không kém phần quan trọng. Đầu chương, chúng ta sẽ nghiên cứu về chồng giao thức TCP/IP, nhìn nhận nó dưới góc độ mô hình OSI để thấy sự tương quan giữa hai mô hình. Sau đó, chúng ta sẽ nghiên cứu về địa chỉ IP, cách biểu diễn và nguồn tài nguyên sử dụng chúng. Các giao thức lớp Internet và lớp vận chuyển sẽ được trình bày trong phần tiếp theo của chương này. Trong đó, chúng ta sẽ tìm hiểu về hai giao thức chính là TCP và UDP cùng với IP là những giao thức quan trọng nhất của chuỗi giao thức này. Các khái niệm về cổng, socket và mô hình client/server sẽ là tiền đề và không thể thiếu cho việc làm quen với khái niệm lập trình mạng mà phần thực hiện hệ thống sẽ thể hiện rõ nét điều đó. Như vậy, chương này cung cấp những khái niệm nền tảng để từ đó hình thành nên các khái niệm tiếp theo.

Chương 2: Sau khi nghiên cứu chồng giao thức TCP/IP, chương này sẽ trình bày những khái niệm cơ bản về chồng giao thức VoIP, sử dụng hạ tầng cơ sở mạng IP để truyền thoại, và giới thiệu một giao thức dùng để điều khiển cuộc gọi trên mạng IP, giao thức SIP. Trước hết, chúng ta sẽ xem xét sơ lược về các giao thức có trong chồng VoIP, xem xét sự khác nhau giữa hai giao thức phổ biến SIP và H.323. Sau đó, chúng ta sẽ tìm hiểu những khái niệm cơ bản nhất về giao thức SIP, chức năng, lợi ích cũng như vai trò của nó trong truyền thông thoại ngày nay. Kết thúc chương này là phần xem xét mối liên hệ giữa SIP và Internet để thấy được vị trí của giao thức SIP trong các giao thức lớp ứng dụng, sự kế thừa về cấu trúc thông điệp và định vị các nguồn tài nguyên của các giao thức sẵn có.

Chương 3: Chúng ta bắt đầu nghiên cứu về SIP với các thông điệp SIP. Các thông điệp SIP là một bộ phận nền tảng trong giao thức SIP. Các thành phần SIP hoạt động dựa trên việc trao đổi các thông điệp này. Chương này sẽ bắt đầu với việc trình bày cấu trúc cơ bản của một thông điệp SIP. Sau đó, cấu trúc của các yêu cầu và các đáp ứng được trình bày cụ thể. Tồn tại rõ ràng nhất trong các thông điệp là các trường tiêu đề. Cũng giống như thông điệp, các trường tiêu đề cũng được phân loại để có mặt trong các đáp ứng hay yêu cầu. Cuối cùng là trình bày về phần thân thông điệp và các thành phần chung có trong các thông điệp SIP.

Chương 4: Các phiên giao dịch SIP sử dụng hai thành phần chính: SIP User Agent và SIP Server. Những thành phần này cùng với nhau tạo nên các hệ thống có thể phân phát những thông điệp đã bao hàm phần nội dung được định nghĩa bởi giao thức SDP và các đặc trưng của nó để hoàn thành một phiên SIP. Chương này sẽ đặc tả ở mức thấp về mỗi thành phần SIP và vai trò của chúng trong quá trình truyền thông điệp.

Chương 5: Chương này tiếp tục đi sâu nghiên cứu về giao thức SIP. Những vấn đề được trình bày trong chương này là đặc biệt quan trọng đối với hoạt động của giao thức SIP. SIP được cấu trúc như là một giao thức có phân lớp, nghĩa là ứng xử của nó được mô tả theo một tập hợp các tầng xử lý tương đối độc lập nhau với một sự ghép cặp lỏng lẻo giữa mỗi tầng. Trước hết, chúng ta xem xét cấu trúc tổng quát của giao thức. Sau đó, chúng ta sẽ lần lượt nghiên cứu và xem xét chức năng của các lớp được thể hiện như thế nào thông qua các khái niệm về hội thoại, giao dịch và giao vận, đó là các lớp quan trọng trong SIP, từ trên xuống. Một hội thoại thể hiện một mối quan hệ SIP ngang hàng giữa hai user agent tồn tại trong một khoảng thời gian. Trong đó, chúng ta sẽ tìm hiểu về quá trình khởi tạo, xử lý và kết thúc nó. Khi đã tạo ra hội thoại, các thành phần SIP phải bao gồm các giao dịch mới có thể gửi thông điệp được. Vì vậy, nhiệm vụ tiếp theo của chương này là đặc tả về các loại giao dịch và quá trình chuyển đổi trạng thái của các giao dịch này khi xử lý các yêu cầu và đáp ứng. Tuy nhiên, các thông điệp chỉ có thể gửi đi thực sự thông qua lớp vận chuyển. Chúng ta sẽ tiếp tục nghiên cứu vai trò của các thành phần SIP trong lớp này.

Chương 6: Trong các chương trước, chúng ta đã tìm hiểu cấu trúc của giao thức SIP, các thành phần chính trong SIP, cũng như cấu trúc các thông điệp SIP. Chương này chủ yếu trình bày chi tiết những hoạt động chính thường xảy ra trong các ứng dụng sử dụng SIP.Trước hết, chúng ta bắt đầu với hoạt động huỷ bỏ một yêu cầu, đó cũng chính là mục đích của yêu cầu CANCEL. Chúng ta cũng xem xét về sự đăng ký, một hoạt động quan trọng góp phần hỗ trợ các server định vị người sử dụng và là hoạt động đầu tiên nhất trong chuỗi các thông điệp. Một phương thức dùng để truy vấn khả năng của các thành phần được trình bày ngay sau đó. Tiếp theo, các hoạt động quan trọng liên quan đến phiên như tạo phiên, sửa đổi một phiên, ngắt một phiên sẽ được nghiên cứu chi tiết qua các ứng xử của UAC và UAS. Cuối cùng là những chi tiết cơ bản về việc sử dụng dịch vụ DNS để định vị một server SIP.

Chương 7: Qua các chương trước, chúng ta đã tìm hiểu thành phần cơ bản của giao thức SIP. Tuy nhiên, SIP không phải là một giao thức tích hợp theo chiều dọc. Nó thường dùng kết hợp với các giao thức khác để cung cấp các dịch vụ. Một trong những giao thức đó là giao thức đặc tả phiên SDP. Chúng ta đã thấy các thông điệp SIP có thể chứa phần thân mang những đặc tả của phiên được biểu diễn dưới dạng bản tin SDP. Phần đầu của chương này sẽ nêu chi tiết về giao thức SDP. Trong nửa sau của chương, chúng ta nghiên cứu về giao thức RTP, vốn được dùng để chuyển các gói thoại trên mạng. Cấu trúc gói RTP cung cấp trường Timestamp, được sử dụng trong các ứng dụng đa phương tiện thời gian thực, để định thời điểm phát lại các gói tin, khắc phục hiện tượng jitter hoặc mất gói trên mạng IP nhằm nâng cao chất lượng thoại. Phần cuối của chương là sự mô tả định dạng của gói RTP khi chuyển tải dữ liệu âm thanh đã nén theo chuẩn G.729.

Chương 8: Đến đây, chúng ta đã nghiên cứu xong những vấn đề cơ bản nhất của giao thức SIP. Chương này trình bày một vài ví dụ nhằm minh hoạ sự liên quan giữa những vấn đề đã được trình bày ở trên. Qua đó, chúng ta có thể hiểu một cách sâu sắc hơn những vấn đề đã nghiên cứu, đồng thời thấy những cách ứng dụng của giao thức này trong thực tế. Đây là những ví dụ tiêu biểu nhất trong các tình huống thường gặp phải trong thực tế bao gồm quá trình đăng ký, thành lập phiên giữa những thành phần trong mạng Internet và kể cả liên mạng. Trong đó, chúng ta sẽ nghiên cứu quá trình từ tạo các thông điệp, gửi các yêu cầu, đáp ứng thông qua việc xử lý và phân tích các thông điệp.

Chương 9: Trước khi tiếng nói có thể được truyền đi trên mạng, nó phải được số hoá và nén. Sự cần thiết của số hoá là rõ ràng: mạng máy tính truyền các bit, do đó thông tin truyền đi phải được biểu diễn dưới dạng chuỗi các bit. Nén cũng rất quan trọng vì dữ liệu không nén tiêu thụ một lượng khổng lồ băng thông. Hiện nay, có nhiều chuẩn cho việc mã hoá tiếng nói. Chương này sẽ tìm hiểu về một vài chuẩn nén cơ bản sẽ được sử dụng trong quá trình truyền thông thoại.

Chương 10: Chương này mô tả chi tiết về phần thực hiện hệ thống, từ quá trình thi công thiết kế đến lập trình và chạy thử nghiệm. Đầu tiên sẽ là phần lựa chọn mô hình hệ thống dựa trên các chuẩn mô hình phổ biến đang được sử dụng. Sau khi thiết kế hệ thống xong, chúng ta sẽ thiết kế chi tiết đến các thành phần, về chức năng, các cổng truyền dẫn và các chuẩn nén dùng trong truyền thông thoại. Hoạt động của hệ thống sẽ được trình bày trong phần call flow, trong đó giải thích chủ yếu về chuỗi các thông điệp và các xử lý của các UA. Chi tiết về lập trình dựa trên chức năng đề ra ban đầu cho các thành phần của hệ thống. Chương trình sẽ được xây dựng trên các thư viện mã nguồn mở dùng để đặc tả RFC 3261. Quá trình xử lý liên quan trực tiếp đến xử lý các sự kiện cũng như quá trình thay đổi trạng thái của các giao vận. Vì vậy, trong đề tài này sử dụng khái niệm lập trình đa nhiệm để có thể thực hiện nhiều chức năng đồng thời. Song song với quá trình xử lý các sự kiện của SIP, chương trình còn phải thực hiện thu âm, truyền thoại đi, thu dữ liệu về để đưa ra loa và lưu vào đĩa cứng một cách đồng thời. Các vấn đề đó chiếm nhiều thời gian và kiến thức nhất trong luận văn này.

Chương 11: Chương cuối cùng sẽ đánh giá về chương trình, điểm mạnh, yếu cũng như các vấn đề còn tồn đọng. Từ đó, dựa vào tình hình cụ thể hiện nay, chúng tôi đưa ra một vài phương án để tiếp tục cải tiến và hoàn thiện luận văn.
Phần phụ lục sẽ trình bày về các định nghĩa thường gặp trong SIP, danh sách các trường tiêu đề, các mã trạng thái đáp ứng, các phương thức trong yêu cầu cũng như mô tả sơ lược về chúng.