Luận văn thạc sĩ VNU UET nghiên cứu vấn đề khôi phục mất gói cho thoại IP

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
KHOA CÔNG NGHỆ

NGÔ XUÂN THÀNH

NGHIÊN CỨU VẤN ĐỀ KHƠI PHỤC MẤT GĨI
CHO THOẠI IP

Chun ngành: Kỹ thuật vô tuyến điện tử và
thông tin liên lạc
Mã số

: 02.07.00

LUẬN VĂN THẠC SĨ
NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC:

TS. LÊ HỮU LẬP

Hà Nội 2004

LUAN VAN CHAT LUONG download : add


MỤC LỤC
MỤC LỤC .............................................................................................................................. i
TỪ VIẾT TẮT ...................................................................................................................... iii
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ.............................................................................................. iv
DANH MỤC CÁC BẢNG .................................................................................................. vi
MỞ ĐẦU ............................................................................................................................. vii
CHƯƠNG 1: THOẠI IP VÀ MỘT SỐ VẤN ĐỀ CẦN GIẢI QUYẾT ............................9

1.1 GIỚI THIỆU................................................................................................................. 9
1.2 CÁC VẤN ĐỀ ĐẶT RA ĐỐI VỚI THOẠI IP ............................................................ 4
1.3 KỸ THUẬT GIẢI QUYẾT VẤN ĐỀ MẤT GÓI ........................................................ 6
CHƯƠNG 2: CƠ SỞ TRUYỀN THOẠI QUA MẠNG IP ..............................................8
2.1 GIỚI THIỆU................................................................................................................. 8
2.2 GIAO THỨC TCP/IP ................................................................................................... 9
2.3 HỆ THỐNG THOẠI IP .............................................................................................. 19
2.4 CÁC GIAO THỨC ĐIỀU KHIỂN ............................................................................. 26
CHƯƠNG 3: CÁC KỸ THUẬT KHƠI PHỤC MẤT GĨI SỬ DỤNG CHO THOẠI IP
............................................................................................................................................. 33
3.1 GIỚI THIỆU............................................................................................................... 33
3.2 CƠ CHẾ KHÔI PHỤC MẤT GÓI THỰC HIỆN Ở ĐẦU PHÁT ............................. 34
3.3 CƠ CHẾ KHƠI PHỤC MẤT GĨI THỰC HIỆN Ở ĐẦU THU ............................... 38
3.4 ĐÁNH GIÁ CÁC PHƢƠNG PHÁP .......................................................................... 41
CHƯƠNG 4: KỸ THUẬT NÉN DÃN THANG THỜI GIAN SỬ DỤNG WSOLA VÀ
ĐỌC RA THÍCH NGHI .................................................................................................... 42
4.1 MỘT SỐ ĐẶC ĐIỂM CỦA TÍN HIỆU THOẠI ....................................................... 43
4.2 KHÁI NIỆM CO DÃN THANG THỜI GIAN .......................................................... 49
4.3 CƠ CHẾ ĐỆM VÀ CHƢƠNG TRÌNH ĐỌC RA ..................................................... 51
4.4 THUẬT TỐN WSOLA CO DÃN GĨI CHO ĐỌC RA THÍCH NGHI ................. 65
4.5 THỰC HIỆN CHE DẤU GÓI TRỄ VÀ MẤT .......................................................... 71
CHƯƠNG 5: KẾT QUẢ MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ ............................................... 77
5.1 PHƢƠNG PHÁP THỰC HIỆN VÀ ĐÁNH GIÁ ...................................................... 77
5.2 KẾT QUẢ THU THẬP TRỄ MẠNG VÀ TÍNH TỐN ........................................... 78

ii

LUAN VAN CHAT LUONG download : add

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN TRONG TƯƠNG LAI ................................ 87
TÀI LIỆU THAM KHẢO .................................................................................................. 89
PHỤ LỤC ........................................................................................................................... 92

ii

LUAN VAN CHAT LUONG download : add


TỪ VIẾT TẮT

CELP
CS-ACELP
FEC

Code Excited Linear Prediction
Conjugate Structure Algebraic Code Excited Linear Prediction
Forward Error Correction

IETF
IP
ITU
LPC

Internet Engineering Task Force
Internet Protocol
International Telecommunications Union
Linear Prediction Coding

LP

MOS
OSI
PLC

Linear Prediction
Mean Opinion Score
Open Systems Interconnection
Packet Loss Concealment

RFC
RSVP
RTCP

Request For Comments
Resource ReSerVation Protocol
Real-time Transport Control Protocol

RTP
SIP
TCP
TSM

Real-time Transport Protocol
Session Initiation Protocol
Transmission Control Protocol
Time-Scale Modification

VAD
VoIP
UDP

WSOLA

Voice Activity Detection
Voive over Internet Protocol
User Datagram Protocol
Waveform Similar Overlap-Add

iii

LUAN VAN CHAT LUONG download : add


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Hình 2.1: Mơ hình 4 lớp của TCP/IP so sánh với mơ hình với 7 lớp OSI ........................... 10
Hình 2.2: Định dạng tiêu đề TCP......................................................................................... 13
Hình 2.3: Định dạng tiêu đề UDP ........................................................................................ 15
Hình 2.4: Định dạng tiêu đề IPv4 ........................................................................................ 16
Hình 2.5: Hệ thu phát thoại IP ............................................................................................. 20
Hình 2.6: Phát hiện khoảng lặng của tín hiệu thoại (VAD) ................................................. 23
Hình 2.7: Tiêu đề gói RTP. .................................................................................................. 27
Hình 2.8: Các thành phần mạng H.323 ................................................................................ 30
Hình 2.9: Các lớp của bộ giao thức H.323........................................................................... 31
Hình 3.1: Phân loại kỹ thuật khơi phục mất gói. ................................................................. 34
Hình 3.2: Phân loại kỹ thuật khơi phục mất gói thực hiện ở đầu phát................................. 34
Hình 3.3: Nguyên lý của ghép xen....................................................................................... 36
Hình 3.4: Định dạng tiêu đề UDP Lite. ............................................................................... 38
Hình 3.5: Các đoạn thoại ngắn có dạng sóng giống nhau.................................................... 38
Hình 3.6 : Phân loại kỹ thuật khơi phục mất gói thực hiện ở đầu thu. ................................. 39
Hình 3.7: Mối quan hệ giữa chất lƣợng và độ phức tạp của các phƣơng pháp khơi phục mất
gói......................................................................................................................... 42

Hình 4.1: Biểu diễn một đoạn tín hiệu thoại vơ thanh và hữu thanh ................................... 47
Hình 4.2 Minh hoạ tính đối ngẫu giữa miền thời gian và miền tần số ................................. 48
Hình 4.3: Dạng sóng của một đoạn thoại............................................................................. 49
Hình 4.4: Che dấu mất gói dựa trên kỹ thuật TSM .............................................................. 50
Hình 4.5: Vai trị của bộ đệm ............................................................................................... 52
Hình 4.6: Các cơ chế đọc ra khác nhau. (a) thuật toán 1: cơ chế đọc ra cố định. (b) thuật
toán 2: cơ chế đọc ra điều chỉnh giữa các talkspurt. (c) thuật tốn 3: cơ chế đọc
ra thích nghi điều chỉnh trong từng talkspurt ....................................................... 54
Hình 4.7: Đọc ra cố định (a) và đọc ra thích nghi (b) .......................................................... 57
Hình 4.8: Sơ đồ khối của bộ lọc LMS thích nghi. ............................................................... 62
Hình 4.9: (a) dãn và (b) nén từng gói sử dụng TSM............................................................ 68
Hình 4.10: Che dấu mất gói, (a) mất từng gói; (b) mất xen kẽ; (c) mất liên tiếp ................ 73
Hình 5.1: Thời gian trễ Round-trip của các gói phiên 1. ..................................................... 79
Hình 5.2: Thời gian trễ Round-trip của các gói phiên 2. .................................................... 80
Hình 5.3: Thời gian trễ Round-trip của các gói phiên 3. .................................................... 80
Hình 5.4: Thời gian trễ Round-trip của các gói phiên 4. .................................................... 81
Hình 5.5: Trễ đầu cuối – đầu cuối ƣớc lƣợng của phiên 1................................................... 82

iv

LUAN VAN CHAT LUONG download : add


Hình 5.6: Trễ cuối – đầu cuối ƣớc lƣợng của phiên 2. ........................................................ 83
Hình 5.7: Trễ cuối – đầu cuối ƣớc lƣợng của phiên 3. ........................................................ 83
Hình 5.8: Trễ cuối – đầu cuối ƣớc lƣợng của phiên 4. ........................................................ 84
Hình 5.9: Quan hệ giữa trễ bộ đệm trung bình và tỷ lệ mất gói, so sánh giữa phƣơng pháp
đọc ra cố định và đọc ra thích nghi trong từng "talkspurt". ................................. 85
Hình 5.10: Trễ gói đầu cuối - đầu cuối và trễ đọc ra thích nghi .......................................... 86

v

LUAN VAN CHAT LUONG download : add


DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 2.1: Các thông số của các bộ mã hoá thoại phổ biến. ................................................. 22
Bảng 2.2: Bộ giao thức H.323.............................................................................................. 29
Bảng 4.1: Các ký hiệu cơ bản để tính tốn thời gian đọc ra ................................................ 55
Bảng 4.2: Các giá trị tham số đƣợc sử dụng trong thuật toán NLMS .................................. 62
Bảng 4.3: Thuật toán ƣớc lƣợng trễ sử dụng bộ lọc NLMS ................................................ 64
Bảng 4.4: Thuật toán điều chỉnh thời gian đọc ra thích nghi với trễ mạng. ........................ 70
Bảng 4.5: Thuật toán sử dụng cho che dấu mất gói ............................................................. 75
Bảng 5.1: Thu thập trễ mạng của các phiên ......................................................................... 78
Bảng 5.2: Thống kê trễ Round-trip của các phiên ............................................................... 81
Bảng 5.3: Tỷ lệ gói giữ nguyên và co dãn khi sử dụng cơ chế đọc thích nghi .................... 85

vi

LUAN VAN CHAT LUONG download : add


MỞ ĐẦU
Sự phát triển bùng nổ của Internet trong những thập niên gần đây đã đem lại
cho ngƣời sử dụng nhiều dịch vụ mới đa dạng và phong phú. Một trong những
dịch vụ mới mà ngƣời sử dụng quan tâm nhiều đó là thoại IP, mà cho đến nay
nó đã và đang phát triển mạnh trên toàn thế giới. Với các ƣu điểm là tiết kiệm
chi phí, băng thơng và khả năng mở rộng kết hợp với các dịch vụ khác. Ƣu
điểm chính của thoại IP cịn là khả năng chia sẻ băng thơng cho nhiều ngƣời sử
dụng, do đó đạt đƣợc hiệu suất cao hơn so với thoại truyền thống.

Thoại IP là công nghệ truyền thoại qua mạng sử dụng giao thức Internet, nó
hoạt động trên nguyên lý cơ bản là đóng gói tín hiệu thoại vào trong các gói IP
rồi truyền đi nhƣ một dạng của thơng tin dữ liệu. Vấn đề ở đây là độ trễ, thoại
cũng nhƣ video là loại thông tin thời gian thực rất nhạy cảm với trễ, trong khi
đó IP là một dạng chuyển mạch gói. Chồng giao thức TCP/IP chỉ có khả năng
hạn chế phần nào độ trễ truyền dữ liệu thông qua trƣờng “loại dịch vụ” (ToS)
trong tiêu đề IP, nhƣng cũng chỉ là “best effort” (nỗ lực đến mức tối đa) mà
thơi. Hơn nữa, các gói truyền từ đầu phát đến đầu thu có thể đi qua các đƣờng
khác nhau, qua các nút mạng khác nhau và thời gian đến sẽ phụ thuộc rất nhiều
vào trạng thái mạng. Ở đầu thu, các gói thƣờng bị mất do một số nguyên nhân
nhƣ trễ mạng, nghẽn mạng và lỗi mạng. Những gói bị mất này làm giảm độ tin
cậy và chất lƣợng của thoại. Vì thoại là dịch vụ thời gian thực nên phía thu
khơng thể u cầu phát lại các gói đã mất đƣợc. Do đó, cần phải có kỹ thuật để
khơi phục lại các gói đã mất nhằm đảm bảo chất lƣợng thoại. Kỹ thuật này có
thể thực hiện ở đầu phát và đầu thu nhằm mục đích tái tạo lại gói bị mất ở mức
tốt nhất.
Mục tiêu của luận văn này là phát triển một thuật toán che dấu mất gói (PLC
– Packet loss Concealment) sử dụng thơng tin gói trƣớc và sau để khơi phục gói
đã mất. Phƣơng pháp sử dụng kỹ thuật co dãn thang thời gian gọi là TSM
(Time-Scale Modification), kỹ thuật này dựa trên thuật tốn “Lấp đầy bằng
sóng đồng dạng” (WSOLA - Waveform Similarity Over-Lap Add). Thuật toán
thực hiện theo ý tƣởng là dựa vào đặc điểm biến đổi dạng sóng của tín hiệu
thoại để tìm kiếm đoạn tƣơng tự thay thế cho đoạn bị mất, mà không làm biến

vii

LUAN VAN CHAT LUONG download : add


đổi đặc điểm của thoại nhƣ âm sắc, chu kỳ âm lƣợng (pitch). Luận văn cũng

trình bày một thuật tốn dự đoán biến động trễ mạng, đƣợc sử dụng để thiết lập
chƣơng trình đọc ra thích nghi nhằm giảm đến mức tối đa gói mất do đến trễ.
Luận văn gồm 5 chương:
Chƣơng 1: Thoại IP và một số vấn đề cần giải quyết
Chƣơng 2: Cơ sở truyền thoại qua mạng IP
Chƣơng 3: Các kỹ thuật khơi phục mất gói sử dụng cho thoại IP
Chƣơng 4: Kỹ thuật nén dãn thang thời gian sử dụng WSOLA và đọc ra
thích nghi.
Chƣơng 5: Kết quả mô phỏng và đánh giá
Và cuối cùng là kết luận và hƣớng phát triển trong tƣơng lai.
Kết quả chính của luận văn đó là :
Đề xuất thuật tốn đọc ra thích nghi ở đầu thu cho thơng tin thoại thời gian
thực qua mạng IP. Nó sẽ giải quyết vấn đề giảm ảnh hƣởng của trễ và giảm tỷ
lệ mất gói. Thuật tốn sẽ tính tốn thời gian trễ gói và điều chỉnh chƣơng trình
đọc gói thích nghi theo sự biến động trễ mạng, nhờ đó mà khá nhiều gói đến trễ
(sẽ là mất nếu sử dụng các phƣơng pháp trƣớc đây) vẫn đƣợc sử dụng. Trƣờng
hợp gói đến quá trễ (đến sau thời gian hạn định đọc ra) đƣợc coi nhƣ là mất sẽ
đƣợc “lấp đầy” bằng sóng đồng dạng. Thực hiện co dãn và che dấu gói bằng kỹ
thuật co dãn thang thời gian TSM sử dụng thuật toán WSOLA. Trong luận văn
này thuật toán WSOLA đã đƣợc cải tiến để xử lý độc lập với từng gói dữ liệu
nên giảm đáng kể trễ thuật tốn.
Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành đến giáo viên hƣớng dẫn TS. Lê
Hữu Lập, phó giám đốc Học viện Cơng nghệ Bƣu chính Viễn thơng, ngƣời đã
tận tình hƣớng dẫn và đƣa ra các nhận xét vô cùng q báu trong suốt q trình
thực hiện luận văn. Xin trân trọng cảm ơn các Thầy Cô khoa Công nghệ, Đại
học Quốc gia Hà Nội đã nhiệt tình hƣớng dẫn tơi trong q trình học tập. Tác
giả cũng chân thành cảm ơn Ban lãnh đạo và các bạn đồng nghiệp trong Trung
tâm Đào tạo Bƣu chính Viễn thơng 1 nơi tác giả đang cơng tác đã tạo điều kiện
để hồn thành tốt bản luận văn này.

viii

LUAN VAN CHAT LUONG download : add


CHƢƠNG 1: THOẠI IP VÀ MỘT SỐ VẤN ĐỀ

CẦN GIẢI QUYẾT

1.1 GIỚI THIỆU
Thoại truyền qua mạng chuyển mạch gói nhƣ mạng IP (mạng sử dụng giao
thức Internet) là một công nghệ đang phát triển mạnh và ngày càng đƣợc ứng
dụng rộng rãi.
Động lực để phát triển thoại truyền trên nền IP là tiết kiệm băng thông, giảm
đƣợc giá thành mạng. Ngun lý của cơng nghệ này đó là, tín hiệu thoại đƣợc
số hố, sau đó phân đoạn (ví dụ phân thành các đoạn với chiều dài là 10 ms
[21]) và đầu phát đóng vào các gói tin sau đó gửi chúng qua mạng IP. Tại đầu
thu, các gói nhận đƣợc sẽ mở gói, giải mã và biến đổi lại tín hiệu thoại ban đầu.
Mạng IP có thể là mạng cục bộ (LAN) nhƣ Intranet, mạng diện rộng (WAN) sử
dụng IP, mạng pha trộn giữa mạng Internet công cộng và các mạng Extranet
logic cá nhân (nhƣ mạng riêng ảo VPN) đƣợc quản lý bằng IP hoặc lớn nhất là
mạng Internet. Đây chính là một trong những mơi trƣờng hấp dẫn của IP cho
nhà cung cấp dịch vụ mạng. Hồn tồn khơng có sự giới hạn về loại mạng mà
IP chạy trên đó. IP có thể chạy trên nhiều loại mạng mà khơng cần những thay
đổi lớn về cấu trúc gói tin IP và các cơ chế hoạt động. IP là một giao thức mạng
chung, nó có thể phù hợp với bất cứ loại mạng nào mà khơng địi hỏi các phiên
bản đặc biệt để thực hiện chức năng một cách phù hợp từ LAN sang WAN và
ngƣợc lại.
Mạng IP (ví dụ mạng Internet) là mạng làm việc theo cơ chế "best effort" (nỗ
lực đến mức tối đa) có một số nhƣợc điểm là trễ, biến động trễ và mất gói

(nghĩa là khơng phải tất cả các gói phía phát gửi đi là phía thu nhận đƣợc). Lƣu
lƣợng thoại cho phép có thể mất một số gói, nhƣng nếu tỷ lệ mất gói này vƣợt
q 5% [8] thì nó sẽ ảnh hƣởng đáng kể tới chất lƣợng thoại. Nên khi tỷ lệ mất
gói cao xảy ra, để đảm bảo đƣợc chất lƣợng thoại thì cần phải có cơ chế để tái
tạo lại những gói đã mất với độ chính xác nào đó. Cơ chế đó đƣợc gọi là kỹ
thuật khơi phục mất gói và có khá nhiều thuật tốn có thể áp dụng cho kỹ thuật
này tuỳ thuộc và độ phức tạp.

ix

LUAN VAN CHAT LUONG download : add


Chương 1: Thoại IP và một số vấn đề cần giải quyết

Thoại IP sử dụng giao thức thời gian thực (RTP) [24] để truyền thoại qua
mạng IP, giao thức điều khiển thời gian thực [24]( RTCP - Real Time Control
Protocol) đƣợc sử dụng để thơng báo cho phía phát biết số gói bị mất phát hiện
đƣợc. Gói RTCP đƣợc phía thu gửi lại cho phía phát định kỳ 5 giây một lần và
nó cũng chỉ chiếm rất ít băng thơng.
Trong thoại, chiều dài của âm vị (phoneme, là đơn vị có nghĩa nhỏ nhất
trong âm học của ngơn ngữ - tuỳ thuộc vào từng loại ngôn ngữ [11]) nằm trong
khoảng từ 80 đến 100 ms [11]. Khi mà gói bị mất có chiều dài lớn hơn một âm
vị thì nó có thể thay đổi nghĩa của câu.
Chất lƣợng âm thanh trong các ứng dụng audio phụ thuộc nhiều vào trễ
(delay) và mất gói (packet loss). Trong mạng IP, trễ và mất gói khơn g biết
trƣớc vì chúng phụ thuộc vào trạng thái kết nối trong mạng. Tuy nhiên, các
ứng dụng thoại thời gian thực có một giới hạn trễ đầu cuối - đầu cuối (end-toend) nhất định. Các ứng dụng thoại tƣơng tác cho phép trễ tối đa tổng từ đầu
cuối - đầu cuối một chiều nhỏ hơn 150 ms (theo khuyến nghị ITU-T G.114, nếu
vƣợt quá giới hạn này thì chất lƣợng thoại khơng đƣợc đảm bảo).

Trễ đầu cuối - đầu cuối tổng bao gồm trễ xử lý trong các thiết bị đầu cuối
phía phát và phía thu, trễ gói truyền trên mạng từ đầu cuối phát đến đầu cuối
thu, trễ này rất biến động, nó phụ thuộc cấu trúc và trạng thái mạng. Tỷ lệ mất
gói phải tìm cách giảm và trễ phải đƣợc làm mịn bằng phần mềm ứng dụng để
bảo đảm chất lƣợng thoại. Kỹ thuật để khắc phục biến động trễ là lƣu các gói
thoại nhận ở đầu thu vào trong bộ đệm và sau đó đọc ra theo chƣơng trình.
Thuật tốn đƣợc sử dụng để tính tốn thời gian đọc ra thích hợp cho mỗi gói
thoại đƣợc gọi là thuật tốn đọc ra thích nghi (Adaptive Playout Algorithms).
Kỹ thuật thay đổi thang thời gian TSM (co dãn khoảng thời gian) của tín
hiệu thoại gốc nhƣng không làm thay đổi chu kỳ âm lƣợng (chu kỳ pitch) của
tín hiệu thoại, sử dụng thuật tốn WSOLA (Waveform Similarity Overlap Add)
để "lấp đầy" vào chỗ các gói bị mất. Kỹ thuật TSM là một kỹ thuật đe m lại "âm
thanh tự nhiên" sau khi co dãn đoạn thoại. Các đặc tính nhƣ tính dễ hiểu, chất
lƣợng âm, đặc tính để nhận dạng ngƣời nói nên đƣợc bảo đảm, còn các âm xử
lý nhân tạo nhƣ tiếng bốp, tiếng click, âm dội ... nên giữ ở mức tối thiểu. Kỹ

2

LUAN VAN CHAT LUONG download : add


Chương 1: Thoại IP và một số vấn đề cần giải quyết

thuật TSM dựa trên thuật tốn WSOLA hồn tồn có thể đáp ứng đƣợc những
yêu cầu này.
Trong một hệ thống đa phƣơng tiện đƣợc kết nối mạng, phía thu thực hiện
các kỹ thuật phát hiện lỗi và che dấu mất gói để giảm ảnh hƣởng tới chất lƣợng
do mất dữ liệu. Khảo sát nghiên cứu các kỹ thuật khôi phục mất gói cho luồng
audio hoặc thoại sẽ đƣợc trình bày trong chƣơng 3, trong đó sự thoả hiệp giữa
trễ thuật toán, chất lƣợng thoại và độ phức tạp đƣợc xem xét cụ thể.

Hầu hết các cơ chế thực hiện phía thu thƣờng lợi dụng dữ liệu nhậ n đƣợc
xung quanh (lân cận) dữ liệu bị mất để nội suy các thơng tin bị mất nhờ dƣ thừa
trong tín hiệu audio. Một trong các kỹ thuật che dấu mất gói là lặp dạng sóng
đƣợc đề xuất trong [23] và [25] đơn giản chỉ là lặp lại thơng tin của gói trƣớc
gói bị mất. Một kỹ thuật che dấu mất gói tiên tiến sử dụng phƣơng pháp thay
đổi thang thời gian (thực chất ở đây là co dãn thời gian hay thay đổi thời gian
đọc ra với cùng thông tin) đƣợc mơ tả trong [11] và [27]. Lặp lại dạng sóng
khơng gây nên trễ thuật toán nhƣ co dãn thang thời gian nhƣng không đạt đƣợc
chất lƣợng tốt [23].
Mục tiêu của luận văn phát triển một kỹ thuật che dấu lỗi tốt hơn để giải
quyết vấn đề mất gói hiệu quả, đạt đƣợc chất lƣợng thoại tốt hơn. Che dấu mất
gói thực hiện ở đầu thu với phƣơng pháp sử dụng thơng tin của các gói lân cận
trƣớc và sau gói bị mất để che dấu gói bị mất. Thơng tin gói lân cận rất có ích
cho việc khơi phục, đặc biệt là sự chuyển giọng giữa các đoạn thoại nhƣ là
chuyển từ hữu thanh sang vô thanh, vô thanh sang hữu thanh hoặc từ âm vị này
sang âm vị khác.
Để giải quyết những vấn đề của trễ thông tin và mất gói, biến động trễ mạng
phải đƣợc xem xét. Do biến động trễ, mất dữ liệu là tất yếu, không chỉ các gói
bị rớt do mạng mà cịn các gói đến trễ quá thời hạn cho phép. Biến động trễ của
gói dữ liệu là do các gói đến đích theo các đƣờng khác nhau và do nghẽn mạng.
Trong luận văn này, một cơ chế đọc ra thích nghi đƣợc đề xuất để điều chỉnh
chƣơng trình đọc ra của bộ đệm thích nghi với biến động của trễ. Đây là cơ chế
thụ động đƣợc thực hiện ở phía thu khơng u cầu một sự trợ giúp nào từ phía
phát hoặc lớp giao vận của mạng, do vậy mà dễ thực hiện. Thuật tốn thiết lập
chƣơng trình đọc ra thích nghi cho thông tin thoại giải quyết đƣợc hai vấn đề là

3

LUAN VAN CHAT LUONG download : add

Chương 1: Thoại IP và một số vấn đề cần giải quyết

giảm trễ và giảm tỷ lệ mất gói. Chƣơng trình đọc gói ra đƣợc điều chỉnh động
sử dụng kỹ thuật co dãn thang thời gian để tạo ra luồng thông tin đọc ra trên
thiết bị bộ thu là liên tục. Thuật tốn "lấp đầy bằng sóng đồng dạng" (WSOLA)
đƣợc thực hiện để xử lý với từng gói độc lập mà khơng gây trễ thuật tốn đáng
kể.

1.2 CÁC VẤN ĐỀ ĐẶT RA ĐỐI VỚI THOẠI IP
Trƣớc đây, lý do chính tại sao thoại IP chƣa đƣợc sử dụng là do giao thức
TCP/IP không hỗ trợ tốt cho các ứng dụng thời gian thực, giao thức UDP/IP
đảm bảo đƣợc độ trễ thấp nhƣng độ tin cậy không cao. Băng thông và trễ trong
mạng IP quá lớn cũng là vấn đề không phù hợp với các ứng dụng thời gian thực
nhƣ thoại. Các giao thức và kỹ thuật mã hoá đƣợc sử dụng sau này trong m ạng
IP đã giải quyết đƣợc phần nào các khó khăn trên, nhƣng để chất lƣợng thoại IP
đảm bảo, một số vấn đề sau cần phải giải quyết tốt hơn.

1.2.1 Trễ (delay)
Trong trễ tổng đầu cuối - đầu cuối của gói bao gồm trễ xử lý, trễ mạng và trễ
bộ đệm. Trễ xử lý bao gồm trễ mã hố và trễ đóng gói (nó tuỳ thuộc vào bộ mã
hoá). Trễ mã hoá là thời gian xử lý cần thiết để mã hố và giải mã tín hiệu. Trễ
đóng gói bao gồm khoảng thời gian của đoạn tín hiệu thoại đóng gói, thơ ng
thƣờng từ 10 đến 40 ms [21]. Khi thoại đƣợc đóng gói sẽ sinh ra trễ thuật toán
do nhất thiết phải lấy mẫu tƣơng ứng với một khung trƣớc khi đƣa vào xử lý.
Trễ thuật toán liên quan đến cỡ khung và thay đổi từ vài phần ms đến vài chục
ms. Trễ xử lý phụ thuộc vào thuật toán nén và tốc độ bộ xử lý.
Thực tế bộ mã hoá và giải mã là các thiết bị vật lý độc lập, do đó trễ mã hố
và trễ giải mã đƣợc xem xét riêng. Ngồi ra, cịn có trễ khi gói đi từ thiết bị
phát đến thiết bị thu, trễ này gọi là trễ truyền dẫn (m ạng), nó phụ thuộc vào

khoảng cách, dung lƣợng và trạng thái của liên kết trong mạng. Trễ mạng
thƣờng thay đổi và khó biết trƣớc, phụ thuộc nhiều vào tải trên mạng, hiện
tƣợng trễ mạng thay đổi đƣợc gọi là biến động trễ (jitter) và thƣờng giải quyết
bằng bộ đệm jitter ở đầu thu. Trễ đầu cuối - đầu cuối là một tham số quan trọng
khi xem xét thông tin thời gian thực. Nếu trễ này lớn quá thì q trình đàm
thoại sẽ khơng thực hiện đƣợc. Theo chuẩn ITU G.114 thì trễ đầu cuối - đầu
cuối nhỏ hơn 150 ms là chấp nhận đƣợc.

4

LUAN VAN CHAT LUONG download : add


Chương 1: Thoại IP và một số vấn đề cần giải quyết

1.2.2 Mất gói (Packet Loss)
Mạng IP hoạt động trên theo cơ chế "best effort" nên độ tin cậy không cao,
mất gói thƣờng xảy ra, đơi khi xảy ra nghẽn mạng và các gói phải nằm lâu
trong hàng đợi của các nút mạng, xấu hơn là có thể rớt do tràn bộ đệm hoặc do
độ ƣu tiên của gói thấp bị router loại bỏ.
Để truyền tin cậy dữ liệu trong mạng IP ngƣời ta phải sử dụng cơ chế phát
lại để truyền lại các gói bị mất, nó đƣợc thực hiện ở lớp giao vận. Cơ chế phát
lại đƣợc kích hoạt khi đầu cuối nhận gửi bản tin thông báo mất gói. Tuy nhiên,
việc phát lại có nhƣợc điểm lớn là trễ. Đối với các ứng dụng thời gian thực nhƣ
thoại thì cơ chế phát lại khơng thể áp dụng đƣợc.
Gói đƣợc xác định là mất khi trễ đầu cuối - đầu cuối của gói vƣợt quá quy
định. Nhƣ vậy, gói mất là gói khơng bao giờ đến đích (thời gian trễ băng vơ
cùng) nhƣng cũng có thể là gói mặc dù đến đích nhƣng sau thời điểm quy định
đọc ra của chúng (trƣờng hợp này gọi là mất do trễ). Số của gói mất sẽ giảm khi
tăng trễ bộ đệm nghĩa là tăng thời gian trễ cho phép của gói. Tuy nhiên, tăng trễ

bộ đệm đồng nghĩa với việc tăng trễ đầu cuối - đầu cuối (mà điều này lại ảnh
hƣởng đến chất lƣợng, đến độ cảm nhận của ngƣời nghe). Do đó, cần phải có sự
cân nhắc thoả đáng giữa hai tham số này.
Mất gói làm gián đoạn các đoạn thoại, gây nên các âm nhƣ click, mất tiếng
(trong khoảng rất ngắn) hoặc mất âm làm cho đoạn thoại khơng hiểu đƣợc. Vì
mất gói là điều khơng thể tránh khỏi, do vậy cần phải có các biện pháp để giảm
ảnh hƣởng của mất gói đến chất lƣợng thoại. Đó là kỹ thuật khơi phục mất gói
hay che dấu mất gói, nghĩa là làm cho ngƣời nghe khơng cảm nhận thấy khó
chịu do các tác động của mất gói gây nên nhƣ trình bày ở trên.

1.2.3 Biến động trễ (jitter)
Trong trễ tổng đầu cuối - đầu cuối của gói bao gồm trễ xử lý, trễ mạng và trễ
bộ đệm thì có tham số rất biến động đó là trễ mạng. Nó là thời gian để lƣu
chuyển gói thoại từ đầu phát đến đầu thu và nó phụ thuộc rất nhiều vào điều
kiện mạng. Khoảng thời gian này với mỗi gói là khác nhau đƣợc gọi là biến
động trễ (jitter). Đó là do cơ chế của mạng, hai gói đƣợc gửi từ cùng một đầu
cuối đến cùng một đích nhƣng lại đi qua các tuyến khác nhau dẫn tới trễ khác
nhau thậm trí cịn khơng đến theo thứ tự nhƣ khi phát nữa. Để giải quyết vấn đề

5

LUAN VAN CHAT LUONG download : add


Chương 1: Thoại IP và một số vấn đề cần giải quyết

này, bộ thu sử dụng bộ đệm để hấp thu biến động trễ, tức là các gói đến sẽ
khơng đƣợc đọc ngay mà lƣu trong bộ đệm và đƣợc đọc ra theo theo khoảng
thời gian đều hoặc theo chƣơng trình đọc ra xác định.

1.2.4 Băng thơng
Gói trong mạng chuyển mạch gói yêu cầu tiêu đề gói, chiều dài gói và
checksum. Sử dụng RTP/UDP/IPv4 tiêu đề gói là 40 byte nếu sử dụng
RTP/UDP/IPv6 thì tiêu đề là 60 byte [10]. Số lƣợng dữ liệu thoại chứa trong
một gói phụ thuộc vào bộ mã hoá thoại đƣợc sử dụng và số của khung chứa
trong mỗi gói. Ví dụ 20 ms của thoại đƣợc mã hố trong mỗi gói IPv4. Nếu sử
dụng bộ mã hố CS-CELP khung có chiều dài 10 ms sử dụng 10 byte, hai
khung tƣơng ứng là 20 byte và nhƣ vậy tỷ lệ tiêu đề gói là 67% [3].
Bình thƣờng, một kênh thoại tƣơng tự đƣợc biến đổi thành một kênh PCM
cơ sở có tốc độ 64kb/s. Kỹ thuật PCM (chuẩn G.711) sử dụng trong mạng thoại
truyền thống đảm bảo chất lƣợng âm khá trung thực song lƣợng dải thơng sử
dụng cịn lớn. Điều này khơng phù hợp khi sử dụng trong mạng IP. Vấn đề đặt
ra là giảm băng thông hơn nữa mà vẫn đảm bảo chất lƣợng dịch vụ để phù
hợp với mạng VoIP, từ đó xuất hiện một số kỹ thuật mã hoá và nén tín hiệu
thoại tốc độ thấp cụ thể nhƣ GSM G.723.1, G.729 và G.729A. PCM và
ADPCM đều là kỹ thuật mã hố theo dạng sóng lợi dụng các đặc tính của bản
thân dạng sóng. Kỹ thuật nén mới (mã hố nguồn) đƣợc phát triển cách đây
10-15 năm dựa vào sự nhận biết các đặc tính nguồn của tín hiệu thoại phát ra.
Kỹ thuật này sử dụng thủ tục xử lý tín hiệu và nén thoại bằng việc chỉ gửi đi
thông tin ở dạng các tham số đã đƣợc đơn giản hoá về việc kích tín hiệu
nguồn dạng của giọng nói do vậy địi hỏi ít băng thơng hơn.

1.3 KỸ THUẬT GIẢI QUYẾT VẤN ĐỀ MẤT GĨI
Mạng chuyển mạch gói hiện nay khơng chỉ đƣợc sử dụng để truyền dữ liệu
mà cịn sử dụng để truyền thoại, video, audio. Do các ứng dụng này mang tính
thời gian thực nên khơng thể áp dụng cơ chế phát lại nhƣ truyền dữ liệu thông
thƣờng. Khi truyền thoại qua mạng IP sẽ xảy ra mất gói (trong trƣờng hợp đó sẽ
khơng có tín hiệu về nội dung thơng tin trong qng thời gian đó và đƣợc xem
nhƣ là các bit 0 trong khoảng thời gian đó). Hiện tƣợng này gây khó chịu cho
ngƣời nghe. Để thu đƣợc truyền thoại thời gian thực chất lƣợng cao, một cơ chế

6

LUAN VAN CHAT LUONG download : add


Chương 1: Thoại IP và một số vấn đề cần giải quyết

khơi phục mất gói hiệu quả phải đƣợc sử dụng để làm giảm bớt trễ và mất gói.
Các cơ chế khơi phục mất gói dựa trên phần mềm có thể đƣợc phân ra nhƣ sau:


Thực hiện cả ở đầu phát và đầu thu.



Thực hiện ở đầu thu.

Trong cơ chế thực hiện ở phía thu, phƣơng pháp đơn giản nhất là để thay thế
các gói bị mất là chèn các khoảng lặng (thay thế các mẫu tín hiệu bởi các bit
zero) hoặc nhiễu trắng. Phƣơng pháp phức tạp hơn là thay đoạn tín hiệu bị mất
bằng lặp lại đoạn tín hiệu trƣớc đó. Kỹ thuật này sẽ cố gắng tìm ra đoạn tín hiệu
đã thu gần giống nhất đoạn tín hiệu bị mất để thay thế, nhƣng điều này có thể
gây ra tiếng vọng (echo). Để tránh đƣợc hiện tƣợng này, cơ chế tái tạo dạng
sóng theo chu kỳ âm lƣợng (Pitch Waveform Replication) đƣợc áp dụng để
khơi phục tín hiệu, nó chỉ lặp lại một chu kỳ âm lƣợng (pitch) trƣớc đó thay cho
đoạn tín hiệu bị mất. Một kỹ thuật khác kết hợp pha mở rộng với lặp bƣớc cung
cấp đồng bộ cho cả điểm tiếp giáp đoạn tín hiệu thay thế, giảm méo gây bởi các
phƣơng pháp mà ta đã mô tả ở trên [23]. Trong trƣờng hợp lặp dạng sóng theo
bƣớc và kết hợp pha, có nhiều đoạn nhỏ của tín hiệu lặp lại giống nhau sẽ gây

lên những âm nhƣ âm thanh loảng xoảng của kim loại. Tất cả những phƣơng
pháp này chỉ làm việc tốt khi tỷ lệ mất gói thấp và khơng thƣờng xun.
Cơ chế khơi phục thực hiện cả phía đầu phát và thu hiệu quả hơn nhƣng
cũng phức tạp hơn. Cách hay làm là phía phát xử lý luồng tín hiệu đầu vào
trƣớc để đầu thu dễ khơi phục gói mất hơn. Dựa trên các phƣơng pháp xử lý
luồng tín hiệu đầu vào mà có thể chia ra kiểu có bổ sung thông tin điều khiển
hay không. Các phƣơng pháp này nhƣ là: gửi đúp gói, gửi các gói trƣớc đó
đƣợc mã hố với tốc độ bit thấp cùng với gói hiện thời hoặc gửi các bit sửa lỗi
sử dụng mã FEC trong gói thoại. Tất cả các phƣơng pháp này yêu cầu thêm
băng thông hoặc tăng trễ đầu cuối - đầu cuối. Có một số thuật tốn mà khơng
bổ sung thơng tin dƣ thừa, sử dụng chính dƣ thừa vốn có trong luồng thoại. Một
trong những phƣơng pháp tiêu biểu là ghép xen các mẫu thoại thành các gói
riêng biệt và việc khôi lại các mẫu đã mất bằng nội suy sử dụng các gói kế bên
thu đƣợc trong luồng dữ liệu. Tuy nhiên, ghép xen sẽ phức tạp và gây trễ lớn.
Cơ chế khôi phục thực hiện ở đầu thu là khả quan và dễ thực hiện nhất do nó
khơng u cầu gì ở đầu phát và khơng cần thay đổi cơ sở hạ tầng mạng. Dựa

7

LUAN VAN CHAT LUONG download : add


Chương 1: Thoại IP và một số vấn đề cần giải quyết

vào các đặc tính của thoại và tính chất trễ, mất gói mà đầu thu có cơ chế che
dấu mất hợp lý. Các kỹ thuật đạt đƣợc chất lƣợng cao nhƣ: co dãn thời gian, tái
tạo theo mơ hình, nội suy dạng sóng. Và độ phức tạp của các kỹ thuật cũng
khác nhau. Chƣơng 3 sẽ trình bày và phân tích chi tiết hơn về các kỹ thuật để
làm cơ sở lựa chọn.

CHƢƠNG 2: CƠ SỞ TRUYỀN THOẠI QUA MẠNG IP
2.1 GIỚI THIỆU
Khái niệm truyền tín hiệu thoại qua mạng gói khơng phải là một khái niệm
mới. Nó đã đƣợc nghiên cứu khá nhiều vào những năm cuối thập kỷ 70 và
những năm đầu thập kỷ 80. Cuối thập kỷ 70 đã có những nghiên cứu và thử
nghiệm với thoại gói hố truyền qua mạng APPANET (tiền thân của mạng
Internet ngày nay) cho thấy điều này có thể thực hiện đƣợc. Đầu năm 1995,
công ty VovalTec đƣa ra sản phẩm phần mềm thoại qua Internet (kết nối điểm điểm) đầu tiên trên thế giới. Sau đó, nhiều cơng ty đã đầu tƣ nghiên cứu và đƣa
ra sản phẩm thƣơng mại. Tháng 3 năm 1996, VocalTec kết hợp với Dialogic đã
đƣa ra sản phẩm cổng kết nối PSTN và Internet (gateway) đầu tiên trên thế
giới. Hiệp hội các nhà sản xuất thoại qua máy tính ECTF đã ra đời nhằm đƣa ra
các tiêu chuẩn cho thoại qua Internet. Hiệp hội này bao gồm 36 cơng ty máy
tính và viễn thơng hàng đầu thế giới nhƣ AT&T, IBM, Sun Microsystem,
Digital, Erisson...
Với lợi thế giá cƣớc thấp, dịch vụ thoại qua mạng Internet thực sự đã làm
nhiều nhà kinh doanh trên thế giới quan tâm. Tuy mới đƣợc triển khai, song lƣu
lƣợng thoại qua mạng Internet đã tăng đáng kể. Việc đƣa VoIP vào mạng có thể
coi là một cuộc cách mạng thực sự trong ngành viễn thông.
Thoại IP là công nghệ truyền thoại qua mạng sử dụng giao thức IP, nó có thể
là VoIP hoặc thoại Internet. Mạng IP đã phát triển nhanh chóng và ngày càng
trở nên phổ biến trong nhƣng năm gần đây. Thoại truyền trong mạng IP có
nhiều ƣu điểm hơn thoại qua mạng chuyển mạch kênh nhƣ: dễ dàng tích hợp
các loại dịch vụ, thơng tin đa phƣơng tiện; sử dụng hiệu quả băng thông.
Nguyên lý cơ bản của thoại IP là đóng gói tín hiệu thoại vào trong các gói IP
rồi truyền đi nhƣ một dạng của thông tin dữ liệu. Vấn đề ở đây là độ trễ, thoại

8

LUAN VAN CHAT LUONG download : add

Chương 2: Cơ sở truyền thoại qua mạng IP

cũng nhƣ video là loại thông tin thời gian thực rất nhạy cảm với trễ. Trong khi
IP là một dạng chuyển mạch gói, thoại IP làm việc dựa trên bộ giao thức
TCP/IP, bộ giao thức này chỉ có khả năng hạn chế đƣợc phần nào độ trễ truyền
dữ liệu thông qua trƣờng "Time to Live" (thời gian tồn tại) trong tiêu đề IP.
Nhƣng đó cũng chỉ là "best effort" (nỗ lực đến mức tối đa) mà thôi. Nhƣ vậy
cần phải sử dụng một giao thức ở lớp trên có khả năng giải quyết vấn đề này,
đó là giao thức truyền tải thời gian thực (RTP/RTCP) và các giao thức đó sẽ
đƣợc trình bày trong chƣơng này.

2.2 GIAO THỨC TCP/IP
2.2.1 Giới thiệu
Mơ hình tham chiếu TCP/IP, giao thức điều khiển truyền và giao thức liên
mạng (TCP/IP - Transmission Control Protocol / Internet Protocol) là một họ
nhiều giao thức cùng làm việc với nhau để cung cấp phƣơng tiện truyền thơng
liên mạng. Nó là bộ giao thức đƣợc sử dụng hết sức phổ biến và đóng góp
chính vào sự thành cơng của Internet.
Cùng với sự phát triển bùng nổ của Internet, nhiều công ty đang xem xét giá
trị của công nghệ TCP/IP. TCP/IP cung cấp một bộ dịch vụ và ứng dụng mạnh,
và nó đã đƣợc chuẩn hố. Khơng một cơng nghệ nào khác cung cấp các dịch vụ
của TCP/IP, cung cấp khả năng kết nối các thiết bị của hầu hết các hãng nhƣ
TCP/IP. Một điều quan trọng khác là tính ổn định của TCP/IP, nó đã đƣợc
chuẩn hố và phát triển trên 15 năm [21].
TCP/IP không phải là một giao thức đơn lẻ mà là một bộ hàng trăm giao
thức, mỗi giao thức đƣợc sử dụng cho một ứng dụng cụ thể trên Internet. Đây
chính là một trong các nhân tố làm cho TCP/IP rất linh hoạt; mỗi giao thức có
thể đƣợc sử dụng độc lập với các giao thức khác.
Mơ hình tham chiếu của chồng giao thức TCP/IP gồm 4 lớp: Lớp ứng dụng

(Application), lớp giao vận (Transport), lớp mạng (Internet), lớp giao diện
mạng (Network Interface). Các chức năng trong mỗi tầng của chồng giao thức
TCP/IP tƣơng ứng với một hoặc nhiều tầng trong mơ hình tham chiếu kết nối
các hệ thống mở (OSI - Open System Interconnection). Mỗi lớp trong chồng

9

LUAN VAN CHAT LUONG download : add


Chương 2: Cơ sở truyền thoại qua mạng IP

giao thức TCP/IP chứa một hoặc nhiều giao thức. Hình 2.1 minh hoạ chồng
giao thức TCP/IP và so sánh với mơ hình OSI.

Mơ hình OSI
7
6

Chồng giao thức
TCP/IP

Ứng dụng
Trình diễn

Ứng dụng

Phiên
5

Giao vận

Giao vận

4

Mạng

Mạng

3

Liên kết dữ
liệu Vật lý

Giao diện
mạng

2

Hình 2.1:
1 Mơ hình 4 lớp của TCP/IP so sánh với mơ hình với 7 lớp OSI
Trong chồng giao thức TCP/IP sẽ tập trung trình bày chi tiết hơn vào giao
thức lớp mạng (IP) và giao thức lớp giao vận (TCP).

2.2.2 Lớp ứng dụng
Lớp trên cùng của chồng giao thức TCP/IP là lớp ứng dụng, nó bao gồm
nhiều giao thức cung cấp các dịch vụ truyền thông. Mỗi giao thức cung cấp
chức năng lớp ứng dụng, lớp trình diễn và lớp phiên. Hiện nay có hàng trăm
hoặc thậm chí hàng nghìn các giao thức lớp ứng dụng khác nhau chạy trên

TCP/IP. Một số giao thức thông dụng ở lớp ứng dụng nhƣ:


FTP (File Transfer Protocol): Hỗ trợ truyền tệp giữa các máy tính. Ứng
dụng khách cho phép ngƣời dùng lƣu trữ và nhận các tệp từ một máy chủ ở
xa.



Telnet (TERminaL NETwork): Cho phép các phiên đăng nhập từ xa giữa
các máy tính. Do Telnet hỗ trợ chế độ văn bản nên giao diện ngƣời dùng

10

LUAN VAN CHAT LUONG download : add


Chương 2: Cơ sở truyền thoại qua mạng IP

thƣờng ở dạng dấu nhắc lệnh tƣơng tác. Chúng ta có thể đánh lệnh và các
thông báo trả lời sẽ đƣợc hiển thị.


HTTP (Hyper Text Transfer Protocol): Trao đổi các tài liệu siêu văn bản để
hỗ trợ WEB.



SMTP (Simple Mail Transfer Protocol): Trao đổi thƣ điện tử giữa các máy
tính. Đây là dạng đặc biệt của truyền tệp đƣợc sử dụng để gửi các thông

báo tới một máy chủ thƣ hoặc giữa các máy chủ thƣ với nhau.

Các giao thức này đƣợc các ứng dụng sử dụng để truyền dữ liệu điểm-điểm.
Mỗi giao thức thƣờng có hai vai trị. Một phía của kết nối sẽ là ứng dụng khách,
phía kia sẽ là ứng dụng chủ. Chủ và khách thoả thuận xem chúng sẽ truyền
thơng thế nào.
Một số ứng dụng có thể sử dụng nhiều giao thức lớp ứng dụng. Ví dụ, hầu
hết các trình duyệt WEB đều thực thi nhiều giao thức lớp ứng dụng, do đó
ngƣời dùng có thể truy nhập thơng tin bằng cách sử dụng một giao thức thích
hợp.
Một số giao thức ở lớp ứng dụng thƣờng không cung cấp trực tiếp dịch vụ
cho ứng dụng ngƣời dùng mà cung cấp dịch vụ cho các giao thức lớp ứng dụng
khác. Những giao thức nhƣ vậy đƣợc gọi là giao thức làm việc ở hậu trƣờng:


DNS (Domain Name System): Chuyển đổi tên miền thành địa chỉ IP. Giao
thức này thƣờng đƣợc các ứng dụng sử dụng khi ngƣời dùng ứng dụng này
dùng tên chứ không dùng địa chỉ IP.



DHCP (Dynamic Host Configuration Protocol): Cung cấp các thơng tin
cấu hình động cho các trạm, chẳng hạn nhƣ gán địa chỉ IP.



SNMP (Simple Network Managament Protocol): Đƣợc sử dụng để quản trị
từ xa các thiết bị mạng chạy TCP/IP. SNMP thƣờng đƣợc thực thi trên các
trạm của ngƣời quản lý, cho phép ngƣời quản lý tập trung nhiều chức năng
giám sát và điều khiển trong mạng.

2.2.3 Lớp giao vận
Một máy tính có thể có nhiều ngƣời dùng, và mỗi ngƣời dùng có thể có
nhiều kết nối TCP/IP cùng lúc. Làm thế nào để TCP/IP có thể giữ đƣợc các kết

11

LUAN VAN CHAT LUONG download : add


Chương 2: Cơ sở truyền thoại qua mạng IP

nối này? Điều này đƣợc thực hiện bằng cách sử dụng các giao thức lớp tầng
giao vận.
Các giao thức lớp giao vận cung cấp các dịch vụ cho phép nhiều điểm cuối
truyền thông tồn tại trên một máy. Mỗi điểm cuối này đƣợc gọi là một cổng
(port). Trong một mạng TCP/IP, địa chỉ IP đƣợc sử dụng để nhận biết một trạm.
Tuy nhiên trên một trạm lại có thể có nhiều kết nối TCP/IP cùng lúc, do đó nếu
chỉ sử dụng địa chỉ IP thì chƣa thể nhận diện đƣợc các kết nối TCP/IP. Socket
(sự kết hợp của địa chỉ IP và cổng) đƣợc sử dụng để nhận biết các kết nố i
TCP/IP. Chúng ta có thể có nhiều socket trên một trạm. Mỗi socket có thể đƣợc
một giao thức lớp ứng dụng sử dụng. Do số lƣợng cổng trên một máy nhiều nên
trên một máy có thể có nhiều ngƣời dùng truyền thơng cùng lúc.
Lớp giao vận trong TCP/IP có hai giao thức là giao thức điều khiển truyền
thông (TCP - Transmission Control Protocol) và giao thức dữ liệu ngƣời sử
dụng (UDP - User Data Protocol). TCP và UDP cung cấp các dịch vụ rất khác
nhau.
2.2.3.1 Giao thức TCP
TCP cung cấp truyền thông hƣớng kết nối (connection-oriented), nghĩa là
cần thiết lập một kết nối logic giữa các cặp thực thể TCP trƣớc khi chúng trao

đổi dữ liệu với nhau. Khi một ứng dụng chọn TCP làm dịch vụ truyền thông,
TCP thiết lập một kết nối giữa tiến trình nguồn và đích. Các tiến trình này có
thể chạy trên cùng một máy hoặc trên các máy khác nhau. Khi kết nối đã đƣợc
thiết lập thì ứng dụng có thể truyền dữ liệu qua kết nối này. Kết nối TCP là kết
nối hai chiều. Phần mềm TCP tại mỗi đầu của kết nối duy trì thơng tin về kết
nối cho đến khi các tiến trình truyền thơng giải phóng kết nối. TCP cung cấp
dịch vụ tin cậy vì nó thực hiện cơ chế xác nhận và gửi lại dữ liệu trong trƣờng
hợp có lỗi.
Cần chú ý rằng TCP không thể sử dụng cho kiểu truyền quảng bá và đa
hƣớng vì nó là kiểu truyền thông điểm - điểm. Do vậy, một ứng dụng khi cần
truyền quảng bá hoặc đa hƣớng phải tự chuyển tiếp thông tin qua các kết nối
độc lập.
Đơn vị dữ liệu TCP sử dụng đƣợc gọi là phân đoạn (segment). Phân đoạn
TCP gồm phần tiêu đề TCP và dữ liệu lớp ứng dụng. Nhƣ mơ tả trong hình 2.2,

12

LUAN VAN CHAT LUONG download : add


Chương 2: Cơ sở truyền thoại qua mạng IP

có 9 trƣờng và 4 bit dự phòng (trong phần tiêu đề TCP chuẩn). Phần tiêu đề
TCP chuẩn có chiều dài 20 byte, trƣờng hợp tiêu đề mở rộng chiều dài là 60
byte [10].

Bít 0-3

Bít 4-7

Bít 8-11

Bít 12-15

Bít 16-19

Source Port

Bít 20-23

Bít 24-27

Bít 28-31

Destination Port
Sequence Number
Acknowledgment Number

THL

Reserved

Flag

Window Size

Checksum

Urgent Point er

Hình 2.2: Định dạng tiêu đề TCP
Các trƣờng của phần tiêu đề:
: Số hiệu cổng của trạm nguồn (cổng nguồn).



Source Port (16 bít)



Destination Port (16 bít): Số hiệu cổng của trạm đích (cổng đích).



Sequence number (32 bít): Số hiệu tuần tự của phân đoạn trong luồng dữ
liệu của trạm nguồn.



Acknowledgment Number (32 bít): Số hiệu của phân đoạn tiếp theo mà
trạm nguồn đang chờ để nhận. Ngầm ý báo đã nhận tốt các phân đoạn
trạm đích đã gửi cho trạm nguồn.

13

LUAN VAN CHAT LUONG download : add


Chương 2: Cơ sở truyền thoại qua mạng IP



THL - TCP Header Length (4 bít): Số lƣợng từ (32 bít) trong phần tiêu
đề TCP.



Reserved (4 bít): Dành để dự phịng trong tƣơng lai.



Flags (8 bít): Các cờ, đƣợc miêu tả ở phần sau.



Window Size (16 bít): Chỉ ra số byte trạm nguồn có thể nhận, sử dụng cho
mục đích điều khiển luồng.



Checksum (16 bít): Mã kiểm tra lỗi (theo phƣơng pháp CRC) cho toàn bộ
phân đoạn (cả tiêu đề và dữ liệu).



Urgent Pointer (16 bít): Đây là một con trỏ, trỏ tới số hiệu tuần tự của
byte đi theo sau dữ liệu khẩn, cho phép bên nhận biết đƣợc độ dài của dữ
liệu khẩn.

Trong báo hiệu thoại IP, TCP đƣợc sử dụng để bảo đảm độ tin cậy c ho thiết

lập cuộc gọi. Nhƣng khi truyền thơng tin thoại thì TCP lại khơng đảm bảo tính
thời gian thực và khi này phải sử dụng giao thức UDP.
2.2.3.2 Giao thức UDP
UDP (User Data protocol) là giao thức truyền thông không kết nối
(connectionless) đƣợc dùng tƣơng tự nhƣ TCP ở trên giao thức IP cho các ứng
dụng thời gian thực nhƣ thoại. Khác với TCP, UDP khơng có các chức năng
thiết lập và giải phóng kết nối, tƣơng tự nhƣ IP. Nó cũng không cung cấp các
cơ chế báo nhận, không sắp xếp tuần tự các đơn vị dữ liệu và có thể dẫn đến
tình trạng mất hoặc trùng dữ liệu mà khơng hề có thơng báo lỗi cho ngƣời gửi.
Tóm lại là nó cung cấp các dịch vụ giao vận khơng tin cậy nhƣ trong TCP.
UDP cũng cung cấp cơ chế gán và quản lý các số hiệu cổng (port n umber) để
định danh duy nhất cho các ứng dụng chay trên một trạm của mạng. Do ít chức
năng phức tạp nên UDP có xu thế hoạt động nhanh hơn so với TCP. Nó thƣờng
đƣợc dùng cho các ứng dụng khơng đòi hỏi độ tin cậy cao trong lớp giao vận.
Định dạng của tiêu đề UDP đƣợc mơ tả trong hình 2.4 dƣới đây, với các trƣờng
tham số đơn giản hơn rất nhiều so với tiêu đề phân đoạn TCP.
Bít 0-3

Bít 4-7

Bít 8-11

Bít 12-15

Bít 16-19

Bít 20-23

Bít 24-27

Source port

Destination port

Message length

Checksum

Bít 28-31

14
Payload

LUAN VAN CHAT LUONG download : add


Chương 2: Cơ sở truyền thoại qua mạng IP

Hình 2.3: Định dạng tiêu đề UDP

2.2.4 Lớp mạng
Mục đích của lớp mạng là gửi các gói nguồn từ một mạng bất kỳ trên liên
mạng tới đích mà khơng phụ thuộc vào đƣờng đi và mạng mà gói phải đi qua
để tới đích. Giao thức chính ở tầng liên mạng là giao thức liên mạng (IP Internet Protocol). Ngoài giao thức này cịn có các giao thức khác nhƣ giao
thức thơng báo điều khiển liên mạng (ICMP - Internet Control Message
Protocol), giao thức phân giải địa chỉ (ARP - Address Resolution Protocol).
2.2.4.1 Giao thức IP
IP là cơ chế truyền dẫn đƣợc TCP/IP sử dụng. Nó là một giao thức truyền
gói khơng kết nối và không tin cậy. IP cung cấp dịch vụ chuyển gói "nỗ lực tối
đa" (best-effort). Nỗ lực tối đa ở đây có nghĩa là IP chỉ làm hết sức để chuyển

gói tới đích chứ khơng có sự đảm bảo nào về chất lƣợng. Nếu cần thiết cho các
dịch vụ yêu cầu độ tin cậy, IP phải đi kèm với một giao thức tin cậy, chẳng hạn
TCP.
IP cũng là một giao thức không kết nối đƣợc thiết kế cho một mạng chuyển
mạch gói sử dụng datagram. Nghĩa là mỗi datagram đƣợc xử lý độc lập, và mỗi
datagram có thể lƣu chuyển trên các tuyến khác nhau để đến đích. Khi một
nguồn gửi nhiều datagram tới cùng một đích, các gói có thể đến đích khơng
đúng thứ tự, một số gói có thể mất hoặc hỏng trong khi truyền. IP dựa vào một
giao thức tầng cao hơn để xử lý tất cả các vấn đề này.
Đơn vị dữ liệu dùng trong IP đƣợc gọi là datagram. Hình 2.4 minh hoạ định
dạng của phần tiêu đề IP chuẩn.

Bít 0-3

Bít 4-7

Version

IHL

Bít 810
Preced
en-ce

Bít 11-15 Bít 16-19 Bít 20-23

Type of
service

Bít 24-27

Bít 28-31

Total length

Datagram ID

Fragment ation

15
Time to Live

Protocol

Checksum

LUAN VAN CHAT LUONG download : add
Source Address


Chương 2: Cơ sở truyền thoại qua mạng IP

Hình 2.4: Định dạng tiêu đề IPv4
Các trƣờng của tiêu đề:


Version (Phiên bản): Trƣờng 4 bít này chỉ rõ phiên bản IP tạo phần tiêu
đề này. Phiên bản hiện tại sử dụng là 4. Tuy nhiên phiên bản IPv6 sẽ thay
thế IPv4 trong tƣơng lai.



IHL (IP Header Length): Trƣờng 4 bít này cho biết chiều dài của phần
tiêu đề IP của Datagram, tính theo đơn vị từ. Trƣờng này là cần thiết vì
chiều dài của phần tiêu đề thay đổi (từ 20 đến 60 byte). Khi khơng có
phần tuỳ chọn (option), chiều dài phần tiêu đề là 20 byte và giá trị của
trƣờng này là 5 (5 x 4 = 20). Khi phần tuỳ chọn có kích thƣớc tối đa thì
giá trị của trƣờng là 15 (15 x 4 = 60).



Precedence (Mức ưu tiên): Trƣờng 3 bít này chỉ rõ độ ƣu tiên của các
datagram trong trƣờng hợp mạng có tắc nghẽn. Giá trị trƣờng này nằm
trong khoảng từ 0 (000) đến 7 (111). Trong trƣờng hợp router bị tắc
nghẽn và cần bỏ một số datagram, nó sẽ bỏ các datagram có mức ƣu tiên
thấp nhất.



Type of Service (Loại dịch vụ): Trƣờng 5 bít này đặc tả các tham số về
dịch vụ, có dạng cụ thể nhƣ sau:
Loại dịch vụ
X

C

R

T

D

+ C (Cost): Chỉ giá yêu cầu:
R = 0 - Giá bình thƣờng

16

LUAN VAN CHAT LUONG download : add