NGHIÊN CỨU GIAO THỨC SIP TRONG VOIP VÀ ỨNG DỤNG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG HÀ NỘI
KHOA CÔNG NGHỆ THÔNG TIN

NGHIÊN CỨU GIAO THỨC SIP TRONG VOIP
VÀ ỨNG DỤNG


Hà Nội - Năm 2017


TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG HÀ NỘI
KHOA CÔNG NGHỆ THÔNG TIN

TRẦN NGỌC HUẤN

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
NGHIÊN CỨU GIAO THỨC SIP TRONG VOIP
VÀ ỨNG DỤNG

Chuyên ngành : Công nghệ Thông tin
Mã ngành
: 52480201

NGƯỜI HƯỚNG DẪN: TS. TRẦN CẢNH DƯƠNG

Hà Nội - 2017


LỜI CAM ĐOAN
Em xin cam đoan: Đồ án “Nghiên cứu giao thức SIP trong VOIP và ứng dụng”
là công trình nghiên cứu của riêng em, các kết quả nghiên cứu có tính độc lập riêng,

không sao chép bất kỳ tài liệu nào và chưa công bố nội dung này ở bất kỳ đâu. Các
số liệu trong đồ án được sử dụng trung thực, trích dẫn tài liệu tham khảo rõ ràng,
minh bạch, có tính kế thừa, phát triển từ các giáo trình tài liệu, tạp chí, các website.
Em xin hoàn toàn chịu trách nhiệm về lời cam đoan của mình.
Hà Nội, ngày 13 tháng 05 năm 2017
Sinh viên thực hiện

Trần Ngọc Huấn


LỜI CẢM ƠN
Trên thực tế không có sự thành công nào mà không gắn liền với những sự giúp
đỡ mọi người dù ít hay nhiều, dù trực tiếp hay gián tiếp. Trong suốt thời gian học
tập nhất là trong quá trình thực tập, em đã nhận được rất nhiều sự quan tâm giúp đỡ
nhiệt tình của các thầy cô, bạn bè và gia đình.
Đầu tiên em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến thầy TS.Trần Cảnh Dương, đã trực
tiếp hướng dẫn và giúp đỡ em rất nhiều trong thời gian em làm đồ án tốt nghiệp này.
Em cũng xin gửi lời cảm ơn đến các thầy cô trong khoa Công nghệ Thông tin,
Đại học Tài nguyên và Môi trường Hà Nội nơi em đang học đã nhiệt tình giúp đỡ
em.
Vì thời gian, điều kiện còn có hạn, em đã cố gắng rất nhiều để hoàn thành đồ
án tốt nghiệp, nhưng vẫn còn nhiều hạn chế và không thể tránh khỏi những thiếu
sót, mong thầy cô và các bạn có những ý kiến đóng góp để em có thể hoàn thiện và
phát triển đề tài hơn.
Em xin chân thành cảm ơn!
Hà Nội, ngày 13 tháng 05 năm 2017
Sinh viên thực hiện

Trần Ngọc Huấn

MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN.....................................................................................................4
LỜI CẢM ƠN..........................................................................................................5
MỤC LỤC................................................................................................................6
DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT....................................................................................8
DANH MỤC HÌNH ẢNH......................................................................................10
LỜI NÓI ĐẦU..........................................................................................................1
1 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ GIAO THỨC THOẠI QUA MẠNG (VOIP) VÀ
GIAO THỨC KHỞI TẠO PHIÊN (SIP)...................................................................2
1.1 Giao thức thoại qua mạng....................................................................................2
1.2 Các yếu tố quan trọng đối với VoIP.....................................................................4
1.3 Giao thức khởi tạo phiên....................................................................................12
Kết luận chương 1:.................................................................................................17
2 CHƯƠNG 2. CÁC THÀNH PHẦN CỦA SIP VÀ CÁC GIAO THỨC HỖ TRỢ
SIP........................................................................................................................... 18
2.1 Các thành của SIP..............................................................................................18
2.2 Mối liên hệ giữa các thành phần của SIP...........................................................21
2.3 Bản tin SIP.........................................................................................................23
2.4 Chức năng của SIP.............................................................................................29
2.5 Thiết lập và hủy cuộc gọi SIP............................................................................30
2.6 Các giao thức hỗ trợ trong SIP...........................................................................33
Kết luận chương 2:.................................................................................................45
3 CHƯƠNG 3. DEMO THỰC HIỆN CUỘC GỌI SIP TRONG MÔI TRƯỜNG
MẠNG..................................................................................................................... 47


3.1 Mục tiêu, mô hình và công cụ............................................................................47
3.2 Các bước tiến hành............................................................................................48
3.3 Kết quả..............................................................................................................60

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ................................................................................64
TÀI LIỆU THAM KHẢO......................................................................................65
[1] RFC 3261. SIP: Session Initiation Protocol. 2002.............................................65
Trang web: />Tác giả : Nhóm J. Rosenberg..................................................................................65
[2] RFC 2327. SDP: Session Description Protocol. 1998........................................65
Trang web />[3] Sách “Kỹ thuật điện thoại qua IP và Internet. 2003”..........................................65
Nhà xuất bản “Lao động xã hội 2003”....................................................................65
Tác giả: Hoàng Trọng Minh....................................................................................65
[4] Trang Web: ..................................................................65
[5] Các tài liệu khác liên quan đến VoIP và giao thức SIP.......................................65
PHỤ LỤC...............................................................................................................66
PHỤ LỤC


DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT
Từ viết tắt
Tên tiếng Anh
ACK
Acknowledge
American National Standards
ANSI
Institute
COPS
Common Open policy Service
CSPF

Constrained shortest Path First

HTTP

Hypertext Transfer protocol

IETF

Internet Engineering Task Force

IP
MIME

Internet Protocol
Multipurpose Internet mail
Extension

MPLS

MultiProtocol Label Switching

NGN
OSP
PCM
RFC

Next Generation Network
Open Settlement protocol
Pulse Code Modulation
Request for Comments

RSVP

Reource Revervation Protocol

RTP

Real-time tranpsport Protocol

RTSP
SAP

Real Time Streaming Protocol
Session Advertisement Protocol
Stream Control Transmission

SCTP

Protocol

SDP

Session Description Protocol

SIP

Session Initiation Protocol

STD
TCP
TE
TLS
UA

Internet Standart
Transmission Control Protocol
Traffic Engineering
Transport Layer Security
User Agent

Tên tiếng Việt
Xác nhận
Viện Tiêu chuẩn Quốc gia Hoa Kỳ
Dịch vụ chính sách mở chung
Thuật toán đường đi ngắn nhất
ràng buộc
Giao thức truyền siêu văn bản.
Tổ chức chuyên trách kỹ thuật liên
mạng
Giao thức Internet
Mở rộng thư tín Internet đa mục
đích
Mạng chuyển mạch nhãn đa giao
thức
Mạng thế hệ mới
Giao thức thỏa thuận mở
Điều chế mã xung
Đề nghị duyệt thảo và bình luận
Giao thức chiếm trước tài nguyên
mạng
Giao thức vận chuyển thời gian
thực
Giao thức tạo luồng thời gian thực
Giao thức thông báo phiên kết nối

Giao thức truyền vận điều khiển
dòng
Giao thức mô tả phiên kết nối đa
phương tiện
Giao thức báo hiệu điều khiển lớp
ứng dụng
Tiêu chuẩn Internet
Giao thức kiểm soát truyền tải
Kỹ thuật lưu lượng
Giao thức bảo mật tầng giao vận
Tác nhân người sử dụng


UAC
UAS
UDP
URI
VOIP
XML

User Agent Client
User Agent Server
User Datagram Protocol
Uniform Resource Identity
Voice over Internet Protocol
eXtensible Markup Language

Ứng dụng của người gọi
Máy chủ người sử dụng
Giao thức không kết nối

Định dạng tài nguyên thống nhất
Truyền giọng nói trên giao thức IP
Ngôn ngữ Đánh dấu Mở rộng


DANH MỤC HÌNH ẢNH
LỜI CAM ĐOAN.....................................................................................................4
LỜI CẢM ƠN..........................................................................................................5
MỤC LỤC................................................................................................................6
DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT....................................................................................8
DANH MỤC HÌNH ẢNH......................................................................................10
LỜI NÓI ĐẦU..........................................................................................................1
1 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ GIAO THỨC THOẠI QUA MẠNG (VOIP) VÀ
GIAO THỨC KHỞI TẠO PHIÊN (SIP)...................................................................2
1.1 Giao thức thoại qua mạng....................................................................................2
1.2 Các yếu tố quan trọng đối với VoIP.....................................................................4
1.3 Giao thức khởi tạo phiên....................................................................................12
Kết luận chương 1:.................................................................................................17
2 CHƯƠNG 2. CÁC THÀNH PHẦN CỦA SIP VÀ CÁC GIAO THỨC HỖ TRỢ
SIP........................................................................................................................... 18
2.1 Các thành của SIP..............................................................................................18
2.2 Mối liên hệ giữa các thành phần của SIP...........................................................21
2.3 Bản tin SIP.........................................................................................................23
2.4 Chức năng của SIP.............................................................................................29
2.5 Thiết lập và hủy cuộc gọi SIP............................................................................30
2.6 Các giao thức hỗ trợ trong SIP...........................................................................33
Kết luận chương 2:.................................................................................................45
3 CHƯƠNG 3. DEMO THỰC HIỆN CUỘC GỌI SIP TRONG MÔI TRƯỜNG
MẠNG..................................................................................................................... 47

3.1 Mục tiêu, mô hình và công cụ............................................................................47
3.2 Các bước tiến hành............................................................................................48
3.3 Kết quả..............................................................................................................60
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ................................................................................64
TÀI LIỆU THAM KHẢO......................................................................................65
[1] RFC 3261. SIP: Session Initiation Protocol. 2002.............................................65
Trang web: />Tác giả : Nhóm J. Rosenberg..................................................................................65
[2] RFC 2327. SDP: Session Description Protocol. 1998........................................65
Trang web />[3] Sách “Kỹ thuật điện thoại qua IP và Internet. 2003”..........................................65
Nhà xuất bản “Lao động xã hội 2003”....................................................................65
Tác giả: Hoàng Trọng Minh....................................................................................65
[4] Trang Web: ..................................................................65
[5] Các tài liệu khác liên quan đến VoIP và giao thức SIP.......................................65
PHỤ LỤC...............................................................................................................66


1

LỜI NÓI ĐẦU
Lý do chọn đề tài:
Nếu trước đây chúng ta biết đến internet như là một nguồn để tìm kiếm thông
tin, giải trí thì ngày nay internet còn đưa thêm rất nhiều dịch vụ mới đa phần là
những dịch vụ này rất gần gũi với con người như: dịch vụ thư điện tử, dịch vụ đa
phương tiện, dịch vụ thương mại điện tử…và gần đây là dịch vụ điện thoại Internet
(VoIP). Việc nghiên cứu các ứng dụng dựa trên công nghệ VoIP là điều cần thiết và
sẽ mang lại những lợi ích to lớn. Để có thể triển khai VoIP người ta đưa ra các bộ
giao thức hỗ trợ và một trong số các bộ giao thức đó là giao thức SIP. Vì những lý
do trên mà em đã chọn đề tài “Nghiên cứu giao thức SIP trong VoIP và ứng dụng”
để làm đồ án này.

Mục tiêu: Xây dựng mô hình hệ thống gọi VOIP cho 2 chi nhánh của 1 công
ty có thể gọi điện với nhau thông qua máy tính (hoặc qua điện thoại) trên môi
trường mạng Internet nhằm tiết kiệm chi phí điện thoại cho công ty và đồng thời có
thể hoạt động độc lập với hệ thống điện thoại truyền thống.
Bố cục nội dung của đồ án gồm 3 chương:
Chương 1: Tổng quan về giao thức thoại qua mạng (VOIP) và giao thức khởi
tạo phiên (SIP)
Chương 2: Các thành phần của SIP và các giao thức hỗ trợ SIP
Chương 3: Demo thực hiện cuộc gọi SIP trong môi trường mạng
Phương Pháp: Phân tích và thổng hợp, sử dụng phần mềm VMware
Workstation Pro để mô phỏng hệ thống.


2

1 CHƯƠNG 1.
TỔNG QUAN VỀ GIAO THỨC THOẠI QUA MẠNG
(VOIP) VÀ GIAO THỨC KHỞI TẠO PHIÊN (SIP)
1.1 Giao thức thoại qua mạng
VoIP là từ viết tắt của “Voice Over Internet Protocol”. Phương thức truyền
âm thanh này sử dụng phương pháp truyền tín hiệu âm thanh thông qua truyền các
gói tin thông qua mạng IP. Như vậy VoIP có thể sử dụng tốc độ của phần cứng để
hoàn thành mục đích và có thể hữu dụng trên môi trường PC.
1.1.1 Các lợi ích của VoIP
Giảm chi phí: Một giá cước chung sẽ thực hiện được với mạng Internet và
do đó tiết kiệm đáng kể các dịch vụ thoại và fax. Người ta ước tính có khoảng 70%
các cuộc gọi đến Châu Á là để gửi fax, phần lớn trong số đó có thể được thay thế
bởi FoIP (Fax over IP). 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 bởi lẽ dư thừa băng
tần trên mạng của người này có thể được sử dụng cho một người khác.

Đơn giản hoá: Một cơ sở hạ tầng tích hợp hỗ trợ tất cả các hình thức thông
tin cho phép chuẩn hoá tốt hơn và giảm tổng số thiết bị. Cơ sở hạ tầng kết hợp này
có thể hỗ trợ việc tối ưu hoá băng tần động.
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 giao thức quản lý mạng
đơn giản SNMP (Simple Network Management Protocol) 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.


3
Nâng cao ứng dụng: 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
và đa dịch vụ. Chẳng hạn các giải pháp thương mại Internet có thể kết hợp truy cập
Web với việc truy nhập trực tiếp đến một nhân viên hỗ trợ khách hàng...[4].
1.1.2 Các ứng dụng của VoIP
Giao tiếp thoại sẽ vẫn là dạng giao tiếp cơ bản của con người. Mạng điện
thoại công cộng không thể bị đơn giản thay thế, thậm chí thay đổi trong thời gian
tới. Mục đích tức thời của các nhà cung cấp dịch vụ điện thoại IP là tái tạo lại khả
năng của điện thoại với một chi phí vận hành thấp hơn nhiều và đưa ra các giải pháp
kỹ thuật bổ sung cho mạng điện thoại chuyển mạch công cộng PSTN (Public
Switched Telephone Network).
Điện thoại có thể được áp dụng cho gần như mọi yêu cầu của giao tiếp thoại,
từ một cuộc đàm thoại đơn giản cho đến một cuộc gọi hội nghị nhiều người phức
tạp. Chất lượng âm thanh được truyền cũng có thể biến đổi tuỳ theo ứng dụng.
Ngoài ra, với khả năng của Internet, dịch vụ điện thoại IP sẽ cung cấp thêm nhiều

tính năng mới.
Điện thoại thông minh: Hệ thống điện thoại ngày càng trở nên hữu hiệu: rẻ,
phổ biến, dễ sử dụng, cơ động. Trong những năm gần đây, người ta đã cố gắng để
tạo ra thoại thông minh, đầu tiên là các thoại để bàn, sau là đến các server. Nhưng
mọi cố gắng đều thất bại do sự tồn tại của các hệ thống có sẵn.
Internet sẽ thay đổi điều này. Kể từ khi Internet được triển khai, nó đã được
sử dụng để tăng thêm tính thông minh cho mạng điện thoại toàn cầu. Giữa mạng
máy tính và mạng điện thoại tồn tại một mối liên hệ. Internet cung cấp cách giám
sát và điều khiển các cuộc thoại một cách tiện lợi hơn. Chúng ta có thể thấy được
khả năng kiểm soát và điều khiển các cuộc thoại thông qua mạng Internet [4].
Dịch vụ điện thoại web: "World Wide Web" đã làm cuộc cách mạng trong
cách giao dịch với khách hàng của các doanh nghiệp. Điện thoại Web hay " bấm số"
(click to dial) cho phép các nhà doanh nghiệp có thể đưa thêm các phím bấm lên
trang web để kết nối tới hệ thống điện thoại của họ.


4
Dịch vụ bấm số là cách dễ nhất và an toàn nhất để đưa thêm các kênh trực
tiếp từ trang Web của chúng ta vào hệ thống điện thoại. Truy cập các trung tâm trả
lời điện thoại. Truy nhập đến các trung tâm phục vụ khách hành qua mạng Internet
sẽ thúc đẩy mạnh mẽ thương mại điện tử. Dịch vụ này sẽ cho phép một khách hàng
có câu hỏi về một sản phẩm được chào hàng qua Internet được các nhân viên của
công ty trả lời trực tuyến [4].
Dịch vụ fax qua IP: Nếu chúng ta gửi nhiều fax từ PC, đặc biệt là gửi ra
nước ngoài thì việc sử dụng dịch vụ Internet faxing sẽ giúp chúng ta tiết kiệm được
tiền và cả kênh thoại. Dịch vụ này sẽ chuyển trực tiếp từ PC của chúng ta qua kết
nối Internet. Hàng năm, thế giới tốn hơn 30 tỷ USD cho việc gửi fax đường dài.
Nhưng ngày nay Internet fax đã làm thay đổi điều này. Việc sử dụng Internet không
những được mở rộng cho thoại mà còn cho cả dịch vụ fax.
Khi sử dụng dịch vụ thoại và fax qua Internet, có hai vấn đề cơ bản:

Những người sử dụng dịch vụ thoại qua Internet cần có chương trình phần
mềm được cung cấp bởi các công ty dịch vụ. Cấu hình này cung cấp cho người sử
dụng khả năng sử dụng thoại qua Internet thay cho sử dụng điện thoại để bàn truyền
thống.
Kết nối một gateway thoại qua Internet với hệ thống điện thoại hiện hành.
Cấu hình này cung cấp dịch vụ thoại qua Internet giống như việc mở rộng hệ thống
điện thoại hiện hành của chúng ta [4].

1.2 Các yếu tố quan trọng đối với VoIP
1.2.1 Thời gian trễ (Time Delay)
Thời gian trễ là khoảng thời gian cần thiết để tiếng nói thoát ra khỏi miệng
người nói và đến được tai người nghe. Có 3 dạng trễ vốn có trong hệ thống điện
thoại ngày nay: trễ do lan truyền, trễ do nối tiếp hóa, trễ do xử lý.
Trễ lan truyền do tốc độ tín hiệu trong mạng các mạng truyền thông. Ánh
sáng chạy qua chân không với tốc độ 300.000 km/s, và các điện tử di chuyển trong
cáp đồng xấp xỉ 200.000 km/s. Một mạng cáp kéo dài liên tục qua nửa vòng trái đất
một chiều có trễ lan truyền khoảng 70ms. Lượng trễ này không đáng kể nhưng nếu


5
cộng thêm trễ xử lý có thể làm chất lượng thoại không đảm bảo đến mức không
chấp nhận được.
Trễ xử lý liên quan đến nhiều yếu tố, có thể do việc xử lý, việc truy cập
đường truyền, hoặc do định tuyến trên mạng như là: quá trình đóng gói, nén gói tin,
chuyển mạch…gây ra bởi các thiết bị chuyển tiếp qua mạng. Các trễ xử lý có thể ít
tác động đến các mạng điện thoại truyền thống nhưng nó trở nên là vấn đề lớn trong
các mạng chuyển mạch gói. Khi các gói được giữ trong một hàng đợi vì nghẽn trên
giao tiếp ngõ ra, từ đó dẫn đến trễ xếp hàng. Có một số hệ điều hành giải quyết rất
tốt việc di chuyển và xác định đích của gói. Chúng ta nên giữ giá trị trễ này nhỏ hơn
10ms bất cứ khi nào có thể bằng các giải thuật xếp hàng tối ưu, thời gian trễ của

một số truyền dẫn được miêu tả ở Hình 1.1.
Chất lượng vệ tinh
Chất lượng cao

0

100

Fax Relay, Broadcast

200

300

400

500

600

700

800

Hình 1.1: Thời gian trễ của một số truyền dẫn.
Một vài loại trễ là dài nhưng có thể chấp nhận được bởi không có sự lựa
chọn nào khác. Trong truyền dẫn vệ tinh, phải mất đến gần 250 ms để hoạt động
truyền đến được vệ tinh, và cần 250 ms để quay về mặt đất. Điều này làm tổng trễ
lên đến trên 500 ms. Mặc dù như vậy là vượt quá cho phép nhưng vẫn có nhiều
cuộc đàm thoại diễn ra hằng ngày qua vệ tinh. Trong một mạng không quản lý được

nghẽn, trễ hàng đợi có thể lên đến 2s, kết quả là mất gói. Khoảng thời gian này là
không thể chấp nhận được trong bất kỳ mạng điện thoại nào. Một yếu tố khác cũng
ảnh hưởng đến tổng thời gian trễ là jitter [4].


6
1.2.2 Sự thay đổi thời điểm gói đến (Jitter)
Phát biểu đơn giản của jitter là sự thay đổi khoảng thời gian giữa các gói,
Jitter là vấn đề chỉ tồn tại trong mạng chuyển mạch gói. Người gởi mong đợi truyền
các gói thoại một cách tin cậy vào một khoảng thời gian không đổi, ví dụ một
khung tin sau mỗi 20 ms. Các gói thoại này có thể trì hoãn và không đến đích vào
các thời điểm cách đều nhau như đã gởi đi. Hình 1.2 miêu tả dộ lệch giữa thời điểm
mong đợi và thời điểm nhận được gói thực sự là jitter.
A

B

C

A
D1

Sender

B
D2=D1

C

Recipient

D3≠D2

Hình 1.2: Sự thay đổi thời điểm gói đến
Hình vẽ cho thấy rằng thời gian cần để gửi gói A và B là bằng nhau
(D1=D2). Gói C nhận được vào thời điểm trễ hơn so với dự định. Đây là lý do tồn
tại bộ đệm jitter, bộ đệm này che đi sự thay đổi thời gian trễ giữa các gói.
Cần lưu ý là jitter và trễ không phải là một, cho dù có nhiều jitter sẽ làm tăng
tổng thời gian trễ trong mạng. Bởi vì càng có nhiều jitter thì cần có nhiều bộ đệm
jitter để bù vào các khoảng thay đổi thời gian giữa các gói.
Nếu mạng được quản lý tốt thì jitter trong mạng không phải là trở ngại lớn và
bộ đệm jitter sẽ không làm tăng đáng kể tổng trễ. Bộ đệm jitter đôi khi còn được gọi
là hàng đợi động (dynamic queue). Hàng đợi có thể tăng lên hay giảm xuống theo
hàm mũ tùy vào thời gian giữa các gói. Mặc dù bộ đệm tĩnh vẫn được dùng, nhưng
bộ đệm jitter động là tốt nhất. Các bộ đệm jitter tĩnh thì sẽ quá lớn và quá nhỏ, từ đó
khiến cho chất lượng thoại giảm sút bởi nhiều gói bị mất hay thời gian trễ quá mức.
Bộ đệm động sẽ tăng hay giảm dựa vào sự thay đổi của vài gói sau cùng [4].
1.2.3 Điều chế xung theo mã PCM (Pulse Code Modulation)
Mặc dù truyền thông tín hiệu analog là lý tưởng cho thông tin con người,
nhưng truyền dẫn analog không bền vững và khó khôi phục lại thông tin từ đường


7
dây bị nhiễu. Trong mạng điện thoại thế hệ đầu, khi truyền dẫn analog được chuyển
qua các bộ khuếch đại để bơm tín hiệu lên, không chỉ có tiếng nói được phóng to
lên mà các tín hiệu nhiễu cũng được khuếch đại lên và làm ảnh hưởng đến cuộc gọi.
Đối với các mẫu digital, với các bit 0 và 1, việc kiểm soát lỗi và khôi phục
tín hiệu rất dễ dàng. Do đó, các tín hiệu analog được tái tạo từ các mẫu digital vẫn
giữ nguyên chất lượng trung thực. Điều này dẫn đến sự ra đời các kỹ thuật số hóa.
Như đã biết tiếng nói có tần số nằm trong dải âm tần nhỏ hơn 4kHz. Để chuyển đổi

các tín hiệu này sang dạng số, theo lý thuyết lấy mẫu của Nyquist thì biên độ của tín
hiệu phải được lấy mẫu là 8000 lần trong một giây, ở Hình 1.3 miêu tả quá trình
điều chế xung theo mã.

Hình 1.3: Sơ đồ điều chế xung theo mã
Tín hiệu lấy mẫu trước hết được chuyển sang một dòng xung, biên độ mỗi
xung bằng với biên độ của tín hiệu analog tại thời điểm lấy mẫu. Các tín hiệu này
được gọi là tín hiệu được điều chế biên độ xung PAM (Pulse Amplitude
Modulation). Tín hiệu PAM vẫn còn là analog, chúng sẽ được chuyển sang dạng số
hoàn toàn bằng cách lượng tử hóa các tín hiệu PAM, trong đó có một bit chỉ dấu của
tín hiệu (âm và dương). Điều này có nghĩa là có 256 mức khác nhau được dùng. Tín
hiệu sau cùng được gọi là tín hiệu điều chế theo xung mã PCM và có tốc độ 64kbps
(8000mẫu/giây, mỗi mẫu 8 bit), đây là tốc độ có sẵn của các kênh số (digital
channel) [4].


8
1.2.4 Nén âm thanh
Hai dạng cơ bản của nén 64kbps PCM được dùng phổ biến là a-law và µlaw. Các phương pháp giống nhau trong đó cả hai đều dùng nén logarit để đạt được
12 đến 13 bit chất lượng PCM tuyến tính theo 8 bit, nhưng chúng khác nhau ở một
số chi tiết nhỏ. Hiện tại các nước vùng Bắc Mỹ dùng µ-law, các nước Châu Âu
dùng a-law.
Một số tiêu chuẩn do Hiệp hội viễn thông quốc tế ITU (International Teleco
mmunication Union) cung cấp phổ biến nhất cho điện thoại và điện thoại số bao
gồm các chuẩn bắt đầu với ký tự G [7].
Chuẩn nén âm thanh G711
Chuẩn G.711 là một chuẩn nén âm thanh được sử dụng rộng rãi cho các hội
nghị âm thanh. Chuẩn này mô tả phương pháp mã hoá và giải mã âm thanh với tốc
độ 64kbps. Mỗi mẫu âm thanh là một số nhị phân có tám bit được sử dụng cho
phạm vi toàn cầu. ITU đưa ra hai quy luật mã hóa là mã hóa theo quy luật a và mã

hóa theo quy luật µ. Khi sử dụng luật mã hóa µ trong mạng truyền thông thì việc
chặn tất cả các tín hiệu ký tự 0 là yêu cầu nhất thiết. Giá trị lượng tử hóa là kết quả
của luật mã hóa. Bất cứ sự chuyển đổi cần thiết giữa các quốc gia đều sử dụng quy
luật µ.
Khi tín hiệu ký tự được truyền tuần tự trong một tầng vật lý, bit số 1 (bit dấu)
được truyền trước tiên và bit số 8 (bit ít có ý nghĩa nhất) được truyền cuối cùng [7].
Chuẩn nén âm thanh G723
Chuẩn G.723 giới thiệu một bộ nén có thể dùng để nén tín hiệu thoại hoặc
những tín hiệu âm thanh khác của các dịch vụ đa phương tiện ở tốc độ bit rất thấp.
Trong thiết kế của chuẩn này, nguyên lý ứng dụng làm việc ở tốc độ truyền bit rất
nhỏ. Bộ mã hóa này được tích hợp hai tốc độ khác nhau: 5.3 và 6.3kbps. Cả hai tốc
độ đều hỗ trợ bởi bộ mã hóa và giải mã. Chúng có thể chuyển đổi qua lại tại bất kì
khung truyền (30 ms) nào. Với tốc độ 6.3 kbps chất lượng âm thanh tốt hơn. Bộ mã
hóa này nén thoại với chất lượng cao ở cả hai tốc độ nhưng ít sử dụng kỹ thuật phức
tạp. Các tín hiệu âm thanh khác sau khi được nén cho âm thanh có chất lượng


9
không thực lắm. Về độ trễ, bộ mã hóa này mã hóa tín hiệu thoại và những tín hiệu
âm thanh khác bằng những khung 30 ms, thêm độ trễ của phần chuyển đổi giữa các
khung 7.5 ms, thời gian trễ tổng cộng là 37.5 ms [7].
Chuẩn nén âm thanh G729
Chuẩn nén âm thanh G729 là chuẩn nén mới nhất được ITU đưa ra. Những
đặc điểm của chuẩn: chuẩn này sử dụng thuật toán mã hoá 8 kbps. Một trong những
chuẩn dùng cho mọi ứng dụng bao gồm cả không dây. Các chuẩn cùng được phát
triển với chuẩn này là G729A, G729D, G729E. Các ưu điểm của chuẩn G729:
- Chất lượng của dịch vụ: bởi vì độ trễ của chuẩn này là 10 ms, nên nó được
dùng trong truyền âm thanh. Chất lượng của âm thanh không phụ thuộc vào khoảng
cách giữa các máy điện thoại.
- Tính tương thích: Bởi vì nâng cấp mạng để tăng khả năng băng thông là rất

tốn kém. Do vậy các nhà cung cấp sẽ sử dụng những chuẩn chung để tương thích
với những nhà phát triển khác.
- Tính kinh tế: các công ty muốn tăng khả năng truyền âm thanh, dữ liệu,
nâng cao chất lượng và giảm giá thành nên áp dụng chuẩn này.
- Ngoài ra còn các chuẩn khác như G.726, G.728…[7].
Điểm đánh giá bình quân
Có thể kiểm thử chất lượng tiếng nói theo hai cách: chủ quan do con người
thực hiện hoặc khách quan do máy tính thực hiện.
Các loại mã được phát triển và hiệu chỉnh dựa vào các đo lường chất lượng
tiếng nói một cách chủ quan. Các đo lường khách quan chuẩn, như tổng méo của
sóng hài và tỉ số tín hiệu trên nhiễu SNR (signal to noise ratio) không phù hợp với
cảm nhận của con người. Cảm nhận của con người mới chính là mục tiêu của hầu
hết các kỹ thuật nén tiếng nói. Một thông số chủ quan được dùng để xác định chất
lượng là điểm đánh giá bình quân MOS (mean opinion score). MOS test cung cấp
cho một nhóm người nghe. Người nghe cho mỗi mẫu một điểm theo thang điểm từ
1 (xấu) đến 5 (rất tốt) [7]. Điểm đánh giá MOS cho một số chuẩn của ITU được liệt
kê trong Bảng 1.1 sau.


10
Bảng 1.1: Điểm đánh giá MOS một số codec của ITU
Phương pháp nén
G711
G723
G726
G729

Tốc độ bit (Kbps)
64
6.3

32
8

Kích thước mẫu (ms)
0.125
30
0.125
10

Điểm MOS
4.1
3.9
3.85
3.92

1.2.5 Khoảng lặng
Trong các mạng PSTN ngày nay, một kênh song công 64Kbps được thiết lập
giữa người nghe và người nói. Một cuộc gọi thông thường có đến 50% tổng băng
thông bị lãng phí. Lượng băng thông lãng phí trong thực tế có thể nhiều hơn nếu ta
tiến hành lấy mẫu thống kê các khoảng lặng và tạm dừng trong các mẫu tiếng nói
hội thoại của con người. Khi dùng VoIP ta có thể sử dụng phần băng thông lãng phí
này cho các mục đích khác khi dùng sự phát hiện hoạt động thoại VAD (Voice
Activity Detection). VAD làm việc trên cơ sở phát hiện độ lớn tiếng nói theo decibel
(dB) và quyết định khi nào thì cắt bỏ tiếng nói ra khỏi hoạt động đóng khung tin.
Thông thường khi VAD phát hiện một sự suy giảm biên độ của tiếng nó, nó
đợi một khoảng thời gian cố định trước khi dừng việc cài đặt khung tin âm thanh
vào các gói. Khoảng thời gian cố định này được gọi là hangover thường là 200ms.
Tuy nhiên VAD cũng gặp khó khăn trong việc xác định khi tiếng nói bắt đầu và kết
thúc, trong việc phân biệt tiếng nói với nhiễu nền. Nếu chúng ta ở trong một căn
phòng ồn ào thì VAD không thể phân biệt đâu là tiếng nói đâu là tạp âm. Điều này

còn được gọi là SNR. Trong trường hợp này, VAD tự cấm ngay từ khi bắt đầu cuộc
gọi. VAD cũng không phát hiện được khi nào bắt đầu của tiếng nói. Bắt đầu của câu
nói đầu tiên thường bị xén gọi là front-end speech clipping. Bình thường người
nghe không chú ý đến khoảng bị xén này [7].
1.2.6 Tiếng vọng (Echo)
Echo trong cuộc đàm thoại là một hiện tượng có thể gây phiền phức không
thể chịu được. Trong mạng điện thoại truyền thống, echo thông thường bị gây ra bởi
sự không phù hợp trở kháng từ sự chuyển mạng bốn dây sang vòng cục bộ hai dây.


11
Echo trong mạng PSTN được kiểm soát bởi các bộ triệt echo và kiểm soát chặt chẽ
sự không phù hợp trở kháng tại các điểm phản hồi.
Echo có hai điều gây trở ngại: lớn và kéo dài. Echo càng lớn và càng kéo dài
thì làm cho người tham gia đàm thoại càng khó chịu. Các mạng điện thoại dùng tín
hiệu analog, người ta sử dụng các bộ triệt echo, các thiết bị này loại bỏ echo bằng
cách tăng trở kháng trên một mạch. Đây không phải là cách để loại bỏ echo tốt nhất
và thực tế đã gây ra trở ngại khác. Ví dụ chúng ta không thể dùng mạng số liên kết
đa dịch vụ ISDN (Integrated Services Digital Network) trên một đường dây có bộ
triệt echo vì nó sẽ cắt bỏ dải tần mà ISDN dùng [7].
1.2.7 Mất gói
Sự mất gói trong mạng số liệu là phổ biến.
Nguyên nhân mất gói tin:
- Do lỗi truyền dẫn, khuôn dạng gói không được định nghĩa/checksum kiểm
tra hỏng gói sẽ bị loại bỏ.
- Do tắc nghẽn (mạng quá tải). Tắc nghẽn ngõ vào khi router không xử lý các
gói đủ nhanh, tắc nghẽn ngõ ra khi kết nối ngõ ra quá bận rộn.
- Do gói trải qua một thời gian trễ quá lớn trên mạng và đến quá trễ.
Các phương pháp hiệu chỉnh mất gói:
- Khôi phục các gói bị mất dựa vào bên phát

- Khôi phục gói bị mất dựa vào bên nhận
Sự mất gói trong mạng số liệu còn được lợi dụng, nhiều giao thức sử dụng số
liệu sự mất gói để nhận biết được điều kiện mạng và có thể giảm số gói đang gởi đi.
1.2.8 Các giao thức vận chuyển
Có hai loại giao thức vận chuyển quan trọng nhất trong hệ thống mạng IP là:
TCP (Transmission Control Protocol) và UDP (User Datagram Protocol).
Giao thức TCP: Về chức năng TCP tương đương với lớp giao thức đầy đủ nhất
của giao thức chuẩn Transport trong mô hình OSI (Open Systems Interconnection).
TCP sử dụng phương thức trao đổi các dòng dữ liệu (data stream) giữa người sử dụng.


12
Giao thức TCP đảm bảo độ tin cậy giữa nơi gởi và nơi nhận. Dòng dữ liệu có chiều dài
tùy ý được phân thành những đoạn không vượt quá 64 KB.
Giao thức UDP: cho phép người sử dụng gởi bản tin mà không cần thiết lập liên
kết, do đó không đảm bảo việc giao nhận chính xác hoặc thứ tự bản tin. Giao thức này
dùng cho dịch vụ không tin cậy. Thực tế trong các mạng 99% bản tin UDP được giao
nhận đúng đích. Do chức năng đơn giản nên UDP hoạt động nhanh hơn TCP.
Các ứng dụng VoIP trong thực tế thường lựa chọn giao thức UDP. Vì các ứng
dụng đòi hỏi thời gian thực, hỏi đáp mong muốn trả lời trong thời gian nhanh nhất,
việc truyền thông âm thanh và hình ảnh có thể chấp nhận một vài gói dữ liệu bị
hỏng hoặc thất lạc. VoIP chạy bên trên giao thức thời gian thực RTP (Realtime
Transport Protocol), RTP hoạt động trên UDP trong mạng IP nên thường được gọi
chung RTP/UDP/IP [4],[7].

1.3 Giao thức khởi tạo phiên
SIP là viết tắt của cụm từ “Session Initiation Protocol” là giao thức báo hiệu
điều khiển lớp ứng dụng được dùng để thiết lập, duy trì, kết thúc các phiên truyền
thông đa phương tiện (multimedia) có một hoặc nhiều người tham gia. Các phiên
multimedia bao gồm thoại internet, hội nghị và các ứng dụng tương tự có liên quan

đến các phương tiện truyền đạt (media) như âm thanh, hình ảnh, tin nhắn, game trực
tuyến và dữ liệu…
SIP là một giao thức báo hiệu được sử dụng để thiết lập các phiên trong mạng
IP, một phiên có thể đơn giản là một cuộc gọi điện thoại 2 chiều, một thông báo
danh sách các tin nhắn hoặc một hội nghị sử dụng truyền thông đa chiều.
1.3.1 SIP đem lại ba năng lực chính cho mạng viễn thông
Thứ nhất, nó kích thích sự phát triển của các mô hình ứng dụng và dịch vụ
dựa trên web. Đây là một điều hết sức thuật lợi cho nhà cung cấp dịch vụ do có thể
sử dụng một nguồn tài nguyên dồi dào các công cụ sẵn có, đồng thời cũng thuận lợi
đối với người sử dụng khi người sử dụng đã quen thuộc với kỹ thuật web và nó
cũng đã được triên khai trên phần lớn các thiết bị thông minh ngày nay. Điều này
tăng cường khả năng cung cấp các dịch vụ mới một cách nhanh chóng.


13
Năng lực thứ hai là khả năng mở rộng, do SIP là giao thức báo hiệu đồng
cấp và có tính phân bố cao. Khác với các giao thức báo hiệu truyền thống thường có
tính xử lý tập trung cao, điển hình là SS7, trong đó hoạt động của nó tập trung tại
một số điểm báo hiệu trong một cấu trúc mạng báo hiệu phức tạp; các phần tử của
SIP phân tán đến tận biên của mạng và được nhúng tới tận các điểm đầu cuối.
Thứ ba là khả năng phổ cập của SIP. Được phát triển bởi IETF, SIP kế thừa các
đặc điểm của hai giao thức Internet đã được phát triển rất phổ biến: đó là Hyper Text
Transport Protocol (HTTP) sử dụng cho Web và Simple Mail Transport Protocol
(SMTP) sử dụng cho e-mail. Dựa vào các nguyên tắc có được từ môi trường IP, SIP
được thiết kế là giao thức độc lập với ứng dụng, rất mềm dẻo và có khả năng áp dụng
trong nhiều môi trường khác nhau và cung cấp các dịch vụ đa dạng [6].
1.3.2 SIP là giao thức điều khiển báo hiệu thuộc lớp ứng dụng.
Ưu điểm chính của SIP so với các phương thức báo hiệu khác là cung cấp một
sự mềm dẻo. Nó được thiết kế nhanh và đơn giản.
Ý tưởng đằng sau SIP là cung cấp phương tiện đơn giản, nhẹ nhàng cho việc

tạo và kết thúc các kết nối truyền thông tương tác theo thời gian thực trên mạng IP;
chủ yếu cho thoại và cho cả hội đàm qua video, chat, trò chơi và thậm chí cả chia sẻ
ứng dụng.
1.3.3 Vai trò và vị trí của SIP trong VoIP
Hai thành phần quan trọng trong ứng dụng điện thoại Internet đó là quá trình
điều khiển cuộc gọi và truyền âm thanh ở dạng gói. Ngày nay, nhiều giao thức mở
được phát triển để giải quyết cả hai vấn đề này tập hợp lại thành VoIP stack.


14

Hình 1.4: VoIP stack
Các giao thức điều khiển cuộc gọi phổ biến được chia thành hai nhóm:
- Nhóm điều khiển cổng truyền thông: bao gồm SGCP, IDCP, MGCP (Media
Gateway Control Protocol), MEGACO (Media Gateway Control)
- Nhóm báo hiệu điểm-điểm: H. 323 và SIP.
H.323 được triển khai bởi ITU, và được kết hợp với nhiều giao thức khác
nhau tương ứng với mỗi giai đoạn của quá trình báo hiệu. Vì thế, các tiêu chuẩn của
giao thức này trở nên cồng kềnh, phức tạp và khó để phát triển và mở rộng trong
tương lai.
SIP được IETF phát triển sau và chưa được chuẩn hóa tuy nhiên nó vẫn được
chú ý. Hiện tại SIP đã được 3GPP (Third Generation Partnership Project) và nhiều
nhà cung cấp chấp nhận. Yếu tố chính của sự thuận lợi là từ đặc điểm cơ bản: Ngay
từ ban đầu SIP được định hình để có thể mở rộng nhưng vẫn giữ lại tính đơn giản.
Giao thức này hỗ trợ dạng text UTF-8, được kế thừa từ hai giao thức Internet khác
là HTTP (Hypertext Transfer Protocol) và SMTP (Simple Mail Transfer Protocol),
đem lại nhiều thuận lợi và nâng cấp các khả năng tuyệt vời mà Internet mang lại [6].