Bài giảng Báo hiệu và điều khiển kết nối (Phần 1) - Hoàng Trọng Minh

91 trang ngocly 790

Download

Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Bài giảng Báo hiệu và điều khiển kết nối (Phần 1) - Hoàng Trọng Minh", để tải tài liệu gốc về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên

Tài liệu đính kèm:

bai_giang_bao_hieu_va_dieu_khien_ket_noi_phan_1_hoang_trong.pdf

Nội dung text: Bài giảng Báo hiệu và điều khiển kết nối (Phần 1) - Hoàng Trọng Minh

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG BÀI GIẢNG BÁO HIỆU VÀ ĐIỀU KHIỂN KẾT NỐI Chuyên ngành: Kỹ thuật Viễn thông PTIT CHỦ BIÊN: ThS. GVC Hoàng Trọng Minh 1. ThS. GVC Hoàng Trọng Minh (Chủ biên) 2. ThS. Nguyễn Thanh Trà 3. Dƣơng Thanh Tú 4. Phạm Anh Thƣ Hà Nội - 4/2013
i LỜI NÓI ĐẦU Hạ tầng truyền thông trong những năm gần đây đã và đang trong giai đoạn biến chuyển mạnh mẽ và đa dạng trên cả khía cạnh kỹ thuật và công nghệ. Với xu hƣớng hội tụ các công nghệ mạng, hàng loạt các giải pháp điều khiển kết nối mới đƣợc đƣa ra nhằm thích ứng với các điều kiện mạng và nâng cao chất lƣợng dịch vụ cho ngƣời sử dụng. Một trong các vấn đề quan trọng nhất liên quan tới các kết nối trong mạng đƣợc đặt ra là vấn đề báo hiệu và điều khiển kết nối. Vấn đề này không chỉ liên quan trực tiếp tới hiệu năng hệ thống mà còn là cơ sở phát triển cho các ứng dụng trên các hạ tầng công nghệ. Vì vậy, nội dung của cuốn tài liệu giảng dạy này nhằm cung cấp các kiến thức then chốt liên quan tới các hoạt động báo hiệu và điều khiển trong mô hình mạng truyền thông mới. Bên cạnh các mục tiêu học thuật, tài liệu sẽ khái quát các giải pháp đã và đang đƣợc sử dụng trong hệ thống mạng viễn thông hiện nay. Hơn nữa, tài liệu sẽ giúp ngƣời đọc có đƣợc góc nhìn hệ thống về kiến trúc điều khiển mạng nhằm phân tích đƣợc các điểm mạnh, điểm yếu của từng giải pháp cụ thể để phát triển trong môi trƣờng thực tiễn. Bố cục của bài giảng đƣợc phân bổ theo 5 chƣơng với các phân vùng mạng từ kiến trúc mạng viễn thông truyền thống tới mạng hội tụ trên nền IP. Các khái niệm cơ bản của lý thuyết điều PTITkhiển, mô hình kiến trúc và phân loại báo hiệu đƣợc trình bày đầu tiên và khép lại bởi các giải pháp thực thi trong các chƣơng tiếp theo. Trong quá trình viết tài liệu, nhóm biên soạn đã nhận đƣợc sự giúp đỡ của rất nhiều thầy cô đồng nghiệp. Nhóm biên soạn xin chân thành cám ơn và luôn ghi nhận sự góp ý của các thầy cô, các bạn sinh viên để cuốn bài giảng ngày càng hoàn thiện. Hà Nội, 20 tháng 12 năm 2013 T/M nhóm biên soạn Hoàng Trọng Minh
ii MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU i MỤC LỤC ii THUẬT NGỮ VIẾT TẮT v DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ viii DANH MỤC CÁC BẢNG x CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ BÁO HIỆU VÀ ĐIỀU KHIỂN KẾT NỐI 1 1.1 GIỚI THIỆU CHUNG 1 1.2 NGUYÊN TẮC ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG 2 1.2.1 Các vấn đề chung của điều khiển 2 1.2.2 Cách tiếp cận điều khiển hệ thống viễn thông 4 1.3 CÁC THUỘC TÍNH CỦA HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN 8 1.4 CÁC GIẢI PHÁP ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG VIỄN THÔNG 12 1.4.1 Điều khiển cung cấp QoS 12 1.4.2 Tiếp cận RACS và RASF 16 1.4.3 Điều khiển cấu trúc 19 1.4.4 Điều khiển trạng thái 21 1.5 KIẾN TRÚC VÀ PHÂN LOẠI BÁO HIỆU 22 1.5.1 Phân loại báo hiPTITệu 22 1.5.2 Một số đặc tính của báo hiệu 24 1.5.3 Chức năng báo hiệu trong mô hình OSI 25 1.6 KẾT LUẬN CHƢƠNG 28 CHƯƠNG 2: BÁO HIỆU TRONG MẠNG CỐ ĐỊNH 30 2.1 KIẾN TRÚC MẠNG HỘI TỤ THEO HƢỚNG MÁY CHỦ CUỘC GỌI 30 2.1.1 Mô hình kiến trúc mạng 33 2.1.2 Các giải pháp kết nối 36 2.1.3 Chức năng mặt bằng báo hiệu và điều khiển 39 2.2 HỆ THỐNG BÁO HIỆU SỐ 7 41
iii 2.2.1 Mô hình kiến trúc chức năng 41 2.2.2 Thành phần mạng báo hiệu số 7 43 2.2.3 Xử lý định tuyến và thủ tục thiết lập cuộc gọi 44 2.3 BỘ GIAO THỨC BÁO HIỆU H.323 51 2.3.1 Thành phần mạng báo hiệu H.323 51 2.3.2 Các giao thức báo hiệu cuộc gọi trong H.323 54 2.3.3 Nguyên tắc hoạt động của thủ tục báo hiệu cuộc gọi 56 2.4 GIAO THỨC KHỞI TẠO PHIÊN SIP 57 2.4.1 Thành phần mạng báo hiệu SIP 59 2.4.2 Kiến trúc chức năng 60 2.4.3 Bản tin SIP và giao thức SDP 61 2.4.4 Thủ tục trao đổi thông tin của SIP 63 2.5 GIAO THỨC ĐIỀU KHIỂN CỔNG PHƢƠNG TIỆN MEGACO 67 2.5.1 Kiến trúc chức năng báo hiệu Megaco/H.248 67 2.5.2 Các lệnh và thủ tục trao đổi thông tin 69 2.6 GIAO THỨC ĐIỀU KHIỂN CUỘC GỌI ĐỘC LẬP KÊNH MANG BICC 75 2.7 KẾT LUẬN CHƢƠNG 79 CHƯƠNG 3: BÁO HIỆU TRONG MẠNG THÔNG TIN DI ĐỘNG 81 3.1 BÁO HIỆU TRONG MẠNG DI ĐỘNG TẾ BÀO 81 3.1.1 Các thế hệ phát PTITtriển mạng di động tế bào 81 3.1.2 Kiến trúc báo hiệu cho hệ thống GSM 85 3.1.3 Mạng thông minh 91 3.2 BÁO HIỆU TẠI MẠNG TRUY NHẬP 94 3.2.1 Xử lý cuộc gọi tại giao diện Iub 96 3.2.2 Báo hiệu tại giao diện Iur và Iu 99 3.3 THỦ TỤC BÁO HIỆU TRONG MẠNG LÕI 102 3.3.1 Thiết lập cuộc gọi với ISUP/BICC 102 3.3.2 Báo hiệu trên giao diện Gn 106 3.3.3 Báo hiệu xử lý chuyển vùng 108
iv 3.4 KẾT LUẬN CHƢƠNG 111 CHƯƠNG 4: BÁO HIỆU TRONG PHÂN HỆ ĐA PHƯƠNG TIỆN IP IMS 113 4.1 KIẾN TRÚC PHÂN HỆ ĐA PHƢƠNG TIỆN IP 113 4.1.1 Mô hình kiến trúc IMS 114 4.1.2 Các thành phần chức năng 116 4.1.3 Các giao thức của IMS 122 4.2 HOẠT ĐỘNG CỦA SIP TRONG IMS 123 4.2.1 Đặc tính kỹ thuật 123 4.2.2 Các thủ tục báo hiệu SIP trong IMS 124 4.3 CÁC GIAO THỨC BÁO HIỆU KHÁC TRONG IMS 128 4.3.1 Giao thức Diameter 128 4.3.2 Giao thức COPS 130 4.3.3 Nén báo hiệu trong IMS 131 4.4 KẾT LUẬN CHƢƠNG 133 CHƯƠNG 5: BÁO HIỆU VÀ ĐIỀU KHIỂN KẾT NỐI LIÊN MẠNG 135 5.1 XU HƢỚNG PHÁT TRIỂN KIẾN TRÚC MẠNG 135 5.1.1 Hội tụ mạng cố định và di động 135 5.1.2 Cấu trúc FMC dựa trên IMS 136 5.1.3 Mô hình tham chPTITiếu IMS trong FMC 137 5.2 GIAO THỨC TRUYỀN TẢI BÁO HIỆU SIGTRAN 143 5.3 KẾT NỐI LIÊN MẠNG IMS-CS 151 5.4 KẾT LUẬN CHƢƠNG 153 TÀI LIỆU THAM KHẢO 155
v THUẬT NGỮ VIẾT TẮT Authentication Authorization AAA Accounting Nhận thực trao quyền và thanh toán ACK Acknowledgement Báo nhận Advanced Mobile Phone Hệ thống các dịch vụ điện thoại di AMPS Service động tiên tiến Application Programable API Interface Giao diện lập trình ứng dụng mở Application Server/ Feature AS/FS Server Máy chủ ứng dụng/đặc tính ATM Asynchronous Transfer Mode Kỹ thuật truyền tải không đồng bộ BSS Bussiness Support System Hệ thống trợ giúp kinh doanh Kỹ thuật điều khiển chấp nhận cuộc CAC Call Admission Control gọi CBQ Class Based Queuing Hàng đợi dựa trên phân lớp dịch vụ Giao thức dịch vụ chính sách mở COPS Common Open Policy Service chung CoS Class Of Service Phân lớp dịch vụ Carrier Sense Multiple Access Đa truy nhập cảm nhận sóng mang/ CSMA/CA with Collision Avoidance tránh xung đột Carrier Sense Multiple Access Giao thức đa truy nhập cảm nhận sóng CSMA/CD With Collision Detection mang/ dò tìm xung đột Digital European Cordless Hệ thống viễn thông không dây số của DECT TelecommunicationsPTIT Châu Âu European Telecommunications ETSI Standards Institute Viện Tiêu chuẩn Viễn thông Châu Âu FIFO First In – First Out Vào trƣớc ra trƣớc FSM Finite State Machine Máy hữu hạn trạng thái Global Information GII Infrastructure Cấu trúc thông tin toàn cầu Global System for Mobile GSM communications Hệ thống thông tin di động toàn cầu IAD Intergated Access Device Thiết bị truy nhập tích hợp
vi IAM Initial Adress Message Bản tin địa chỉ khởi tạo Internet Engineering Task IETF Force Tổ chức đặc nhiệm kỹ thuật internet IMS IP Multimedia Subsystem Phân hệ đa phƣơng tiện IN Inteligent Network Mạng thông minh IP Internet Protocol Giao thức Internet Integrated Service Digital ISDN Network Mạng dịch vụ tích hợp số ISUP ISDN User Part Phần ngƣời sử dụng cho mạng ISDN International ITU Telecommunication Union Liên minh Viễn thông Quốc tế LLC Logical Link Control Điều khiển liên kết dữ liệu LTI Linear and Time-Invariant Tuyến tính và bất biến theo thời gian LTR Logic Transfromational Rule Luật ánh xạ logic MAC Media Access Control Điều khiển truy nhập phƣơng tiện MAN Metropolitan Area Network Mạng đô thị MG Media Gateway Cổng đa phƣơng tiện MGC Media Gateway Controller Bộ điều khiển cổng đa phƣơng tiện Multipurpose Internet Mail Mở rộng thƣ điện tử internet đa mục MIME Extentions đích MPLS Multi Protocol Label Switch Chuyển mạch nhãn đa giao thức Phần ngƣời sử dụng cho mạng điện MTUP Mobile TelephonePTIT User Part thoại di động. NGN Next Generation Network Mạng thế hệ kế tiếp NUM Network Utility Maximization Bài toán tối ƣu hiệu năng mạng OSI Open System Interconnection Mô hình kết nối hệ thống mở PLMN Public Land Mobile Network Mạng di động mặt đất PLMR Public Land Mobile Radio Vô tuyến di động mặt đất công cộng PMD People Making Decision Quyết định của ngƣời điều hành QoS Quality of Service Chất lƣợng dịch vụ RAB Radio Access Bearer Kênh mang truy nhập vô tuyến The Resource and Admission Phân hệ điều khiển chấp nhận và tài RACS Control Sub-System1 nguyên
vii Register, Administrator and RAS Signalling Đăng ký, quản lý và báo hiệu Resource and Admission Chức năng điều khiển và chấp nhận RASF Control Functions tài nguyên RED Random Early Detection Thuật toán loại bỏ gói sớm Resource ReserVation RSVP Protocol Giao thức dự phòng tài nguyên SCF Service Control Function Chức năng điều khiển dịch vụ SIO Service Information Octet Trƣờng thông tin dịch vụ SIP Session Initiation Protocol Giao thức khởi tạo phiên SLA Service Level Agreement Thỏa thuận cung cấp dịch vụ SP Signalling Point Điểm báo hiệu SPC Stored Program Control Điều khiển theo chƣơng trình ghi sẵn Service-Based Policy Decision Chức năng quyết định chính sách dịch SPDF Function vụ TCP Transmission Control Protocol Giao thức điều khiển truyền dẫn TDM Time Division Mode Phƣơng thức chia thời gian TUP Telephone User Part Phần ngƣời sử dụng cho mạng thoại UMTS Terestrial Radio Mạng truy nhập vô tuyến mặt đất UTRAN Access Network UMTS VoIP Voice over Internet Protocol Truyền thoại theo giao thức internet WAN Wide Area Network Mạng diện rộng WFQ Weight FairPTIT Queuing Hàng đợi trọng số công bằng
viii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1: Mô hình chung của một hệ thống điều khiển 2 Hình 1.2: Cấu trúc logic của thỏa thuận cung cấp chất lƣợng dịch vụ 13 Hình 1.3: Các kỹ thuật cung cấp QoS cho mạng viễn thông 13 Hình 1.4: Các mô hình cung cấp dịch vụ 15 Hình 1.5: Kiến trúc của phân hệ RACS 17 Hình 1.6: Kiến trúc của phân hệ RACF 18 Hình 1.7: Phân loại các kỹ thuật báo hiệu 23 Hình 1.8: Mô hình tham chiếu kết nối hệ thống mở OSI 26 Hình 2.1: Các chức năng GII và mối quan hệ 33 Hình 2.2: Kiến trúc mạng NGN theo ETSI 35 Hình 2.3: Các thành phần chính trong mạng thế hệ kế tiếp 36 Hình 2.4: Kết nối MGC với các thành phần khác của NGN 40 Hình 2.5: Chức năng của bộ điều khiển cổng đa phƣơng tiện MGC 40 Hình 2.6: Kiến trúc SS7 và mô hình tham chiếu OSI 42 Hình 2.7: Mã điểm theo tiêu chuẩn ANSI và ITU 44 Hình 2.8: Cấu hình nút và liên kết mạng SS7 45 Hình 2.9: Trƣờng thông tin lớp 3 của bản tin báo hiệu 46 Hình 2.10: Lƣu đồ báo hiệu cho cuộc gọi ISDN 51 Hình 2.11: Các thành phầnPTIT mạng H.323 52 Hình 2.13: Chức năng của một Gatekeeper 54 Hình 2.14: Mô hình kết nối báo hiệu trong H.323 55 Hình 2.15: Tiến trình xử lý báo hiệu một cuộc gọi đơn giản trong H.323 56 Hình 2.16: Cấu trúc của hệ thống SIP 59 Hình 2.17: Kiến trúc điều khiển của MEGACO 68 Hình 2.18: Giao thức MEGACO trong mô hình OSI 69 Hình 2.19: Mô tả cuộc gọi MEGACO 71 Hình 2.20: Lƣu đồ các bản tin xử lý cuộc gọi qua giao thức MEGACO/H248 73 Hình 2.21: Kiến trúc giao thức BICC 76
ix Hình 2.22: Cấu trúc các nút mạng BICC 77 Hình 2.23: Cấu trúc chức năng nút dịch vụ 78 Hình 2.24: Cấu trúc chức năng nút dàn xếp dịch vụ 78 Hình 2.25: Mô hình giao thức của BICCC 79 Hình 3.1: Lộ trình phát triển các thế hệ mạng di động 84 Hình 3.2: Các thành phần cơ bản của hệ thống GSM 85 Hình 3.3: Phân lớp chức năng của SS7 trong mạng GSM 86 Hình 3.4: Vị trí các giao diện trong hệ thống GSM 88 Hình 3.5: Các thủ tục chuyển vùng qua MAP/E 89 Hình 3.6: Các điều hành của MAP trong trƣờng hợp cuộc gọi từ mạng PSTN 90 Hình 3.7: Điều hành MAP liên quan tới dịch vụ bản tin ngắn SMS 91 Hình 3.8: Mô hình khái niệm mạng IN 93 Hình 3.9: Cấu trúc của UMTS 94 Hình 3.10: Thủ tục trao đổi thông tin báo hiệu qua Iub 98 Hình 3.11: Kiến trúc giao thức mạng UMTS 99 Hình 3.12: Mặt bằng dữ liệu/ điều khiển của Iur 100 Hình 3.13: Mặt bằng dữ liệu/ điều khiển của Iu-CS 101 Hình 3.14: Mặt bằng dữ liệu/ điều khiển của Iu-PS 102 Hình 3.15: Tiến trình cuộc gọi ISUP 103 Hình 3.16: Các giao thức trênPTIT giao diện E 103 Hình 3.17: Lƣu đồ cuộc gọi BICC (1/5) 104 Hình 3.18: Lƣu đồ cuộc gọi BICC (2/5) 104 Hình 3.19: Lƣu đồ cuộc gọi BICC (3/5) 105 Hình 3.20: Lƣu đồ cuộc gọi BICC (4/5) 105 Hình 3.21: Lƣu đồ cuộc gọi BICC (5/5) 106 Hình 3.22: Giao diện Gn cho đƣờng hầm IP 107 Hình 3.23: Các chức năng của GTP trong UMTS 108 Hình 3.24: Các giao diện UMTS giữa hai UTRAN 109 Hình 3.25: Chuyển giao nội 3G-MSC 110
x Hình 4.1: Vị trí và mối quan hệ của IMS 113 Hình 4.2: Truy nhập với IMS 114 Hình 4.3: Kiến trúc phân lớp của phân hệ IMS 115 Hình 4.4: Luồng bản tin báo hiệu đăng ký 125 Hình 4.5: Luồng bản tin báo hiệu thiết lập phiên 126 Hình 4.6: Luồng bản tin ngƣời dùng A lấy thông tin hiện diện ngƣời dùng B 127 Hình 4.7: Kiến trúc SigComp 132 Hình 5.1: Cấu trúc hội tụ FMC trên nền IMS 137 Hình 5.2: Mô hình tham chiếu cấu trúc FMC dựa trên IMS 138 Hình 5.3: Điểm hội tụ và chức năng FMC 140 Hình 5.4: Kiến trúc giao thức SIGTRAN 143 Hình 5.5 : Bộ giao thức SIGTRAN 144 Hình 5.6: Vị trí chức năng và hoạt động của M2UA 146 Hình 5.7: Vị trí chức năng và hoạt động của M2PA 147 Hình 5.8: Vị trí chức năng và hoạt động của M3UA 149 Hình 5.9: Vị trí chức năng và hoạt động của SUA 150 Hình 5.10: Kiến trúc kết nối liên mạng IMS-CS 151 Hình 5.11: Bản tin thiết lập cuộc gọi giữa ngƣời dùng IMS gọi ngƣời dùng CS 152 DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 3.1: Các giao diện vàPTIT giao thức cơ bản của hệ thống GSM 87
1 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ BÁO HIỆU VÀ ĐIỀU KHIỂN KẾT NỐI Tóm tắt: Nội dung của chương khái quát các vấn đề chung liên quan tới báo hiệu và điều khiển kết nối bao gồm các khái niệm, mô hình, nguyên lý chung và phân loại các kiểu báo hiệu trong mạng truyền thông hiện nay. Bên cạnh các kiến thức cơ sở về điều khiển và báo hiệu, trong chương sẽ đưa ra các chức năng của hoạt động báo hiệu và điều khiển kết nối trên khía cạnh mô hình tham chiếu. 1.1 GIỚI THIỆU CHUNG Hệ thống viễn thông ngày nay đã trở thành một phần quan trọng không thể thiếu của hạ tầng truyền thông trong xã hội. Sự phát triển đa dạng các dịch vụ đã tạo ra hàng loạt các sức ép mới không chỉ đối với nhà cung cấp dịch vụ mà còn tác động trực tiếp tới các nhà khai thác và triển khai hạ tầng. Bên cạnh khả năng đáp ứng các yêu cầu cung cấp dịch vụ bằng các giải pháp kỹ thuật và công nghệ kết nối mới, mục tiêu tối ƣu mạng bằng các phƣơng pháp điều khiển hiện đại cũng đƣợc đặt ra nhƣ là vấn đề then chốt của các nỗ lực cải thiện hiệu năng mạng. Vì vậy, các vấn đề cốt lõi của điều khiển và báo hiệu cần đƣợc tƣờng minh nhằm lột tả bản chất của các giải pháp kỹ thuật và công nghệ hiện đang ứng dụng trong hệ thống viễn thông. Báo hiệu đƣợc định nghĩa là một cơ chế cho các phần tử mạng trao đổi thông tin giữa chúng để thiết lập đƣPTITờng dẫn truyền thông. Hệ thống báo hiệu là một tập các phƣơng pháp hoặc thủ tục cho các thực thể mạng trao đổi thông tin để thiết lập truyền thông. Báo hiệu đƣợc coi là một phần của cơ chế điều khiển mạng trên khía cạnh phục vụ quá trình kết nối truyền thông. Bên cạnh mục tiêu kết nối, các yêu cầu đảm bảo chất lƣợng dịch vụ và hiệu năng mạng đƣợc thực thi bởi các cơ chế điều khiển kết nối. Vì vậy, báo hiệu và điều khiển kết nối là chức năng then chốt của tất cả các môi trƣờng mạng. Chức năng báo hiệu trong mạng truyền thông có mối quan hệ tới cơ chế định tuyến trực tiếp hoặc gián tiếp do định tuyến cho biết nơi nhận các bản tin báo hiệu.
2 Chức năng báo hiệu đƣợc thực hiện trên nhiều lớp của kiến trúc mạng. Thông thƣờng các giao thức báo hiệu thuộc lớp phiên của mô hình OSI (Open System Interconnection) phục vụ cho các nhiệm vụ điều khiển và kết nối truyền thông. Ngoài ra, báo hiệu còn đƣợc sử dụng để yêu cầu nhận thực ngƣời dùng hay thu thập thông tin tài nguyên khả dụng để phục vụ cho các kết nối hoặc điều khiển lớp ứng dụng. 1.2 NGUYÊN TẮC ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG 1.2.1 Các vấn đề chung của điều khiển Dƣới góc độ lý thuyết điều khiển chung, mạng viễn thông là một hệ thống kỹ thuật đƣợc thiết kế nhằm đạt đƣợc một số mục tiêu nhất định. Hai mục tiêu quan trọng nhất là thích ứng và bền vững (ổn định). Thích ứng cho phép một hệ thống tiếp tục đạt đƣợc một số mục tiêu hiệu năng dƣới điều kiện thay đổi môi trƣờng điều hành nhƣ tải hay lỗi thành phần mạng. Bền vững ngăn ngừa hệ thống trƣợt hoặc chuyển tới trạng thái không điều khiển đƣợc do ảnh hƣởng của các đầu vào. Lý thuyết điều khiển cung cấp các bộ công cụ mạnh để xây dựng các hệ thống tƣơng thích và bền vững. Ví dụ, bằng công cụ mô hình hóa toán học các hành vi của một hệ thống cho thấy sự trái ngƣợc giữa tƣơng thích và bền vững, hệ thống có độ tƣơng thích lớn càng dễ bất ổn định. Nhằm tiếp cận hệ thống viễn thông dƣới góc độ lý thuyết điều khiển, mục nàyPTIT khái quát các khái niệm và thành phần chung của lý thuyết điều khiển. Hình 1.1: Mô hình chung của một hệ thống điều khiển
3 Một hệ thống điều khiển có hồi tiếp đƣợc minh họa trên hình 1.1. Giả thiết chung cho các thành phần của hệ thống là liên tục, tuyến tính và bất biến thời gian. Đƣa một tín hiệu đầu vào u, hệ thống đáp ứng đầu ra y đƣợc bổ sung tín hiệu nhiễu loạn không điều khiển đƣợc w. Mục tiêu điều khiển là duy trì đầu ra tại một số giá trị tham chiếu r ngay cả khi có nhiễu bằng một bộ điều khiển. Bộ điều khiển so sánh giá trị tín hiệu tham khảo với tín hiệu đầu ra đo đƣợc b (có thể xuất hiện lỗi đo lƣờng). Bộ điều khiển chọn một tín hiệu điều khiển u nhằm đảm bảo đầu ra tƣơng lai phù hợp với đầu vào tham chiếu bất kể lỗi đo hoặc các dao động. Nhƣ vậy, toàn bộ hệ thống và thành phần bộ điều khiển đều đặc trƣng bởi một đầu vào và một đầu ra với đầu ra phụ thuộc vào đầu vào. Hệ thống điều khiển đƣợc chia thành hai loại: hệ thống không điều khiển mở và hệ thống điều khiển đóng. Hệ thống phức tạp bao gồm nhiều bƣớc điều khiển đệ quy và cần đƣợc mô hình hóa nhằm tƣờng minh các bƣớc và xác định đƣợc hiệu quả điều khiển. a, Vấn đề mô hình hóa Mô hình hóa một hệ thống đƣợc bắt đầu từ việc phân tích và xác định đặc tính hoạt động của hệ thống và các thành phần thiết bị. Trong đó gồm quá trình xác định bản chất vật lý của các thành phần, các giới hạn hoạt động và kiểu hoạt động của hệ thống (tuyến tính hay phi tuyến). Các thành phần của hệ thống đƣợc mô tả trong khái niệm nỗ lực (effort) và luồng (flow). Nỗ lực thể hiện một đầu vào hệ thống gây ra một hiệu ứng phản ánhPTIT bằng khái niệm luồng. Tích của chúng là công suất và tổng công suất trong một khoảng thời gian gọi là năng lƣợng (enery). Trong hệ thống viễn thông và máy tính, lƣợng dữ liệu tại một nguồn cần gửi đi là nỗ lực và tốc độ dữ liệu cần gửi đi tƣơng ứng là luồng. Các thành phần hệ thống có thể là thành phần chủ động hay bị động. Các phần tử chủ động tạo ra công suất để các luồng chuyển qua hệ thống trong khi các phần tự bị động chỉ tiêu tốn năng lƣợng nhƣng không tạo ra công suất. Nhiệm vụ phân bổ công suất trong thời gian hoạt động của hệ thống đƣợc gọi là điều hành động. Cụ thể, nguồn dữ liệu là thành phần chủ động và bộ đệm là thành phần bị động của một mạng.
4 Sau quá trình xác định đặc tính của các thành phần trong hệ thống là tổ chức xây dựng các luật ràng buộc. Luật ràng buộc chỉ ra các phƣơng pháp giải cho mục tiêu điều khiển và tối ƣu hệ thống. Hệ thống điều khiển đạt đƣợc mục tiêu khi trạng thái điều hành đạt cân bằng lý tƣởng (Zero). Trong trƣờng hợp xác định đƣợc lỗi điều hành, cấp độ điều khiển phụ thuộc rất lớn vào tính tƣơng thích của luật điều khiển đƣợc áp dụng. Các biểu thức toán học thể hiện điều hành của hệ thống là vấn đề cuối cùng của bài toán mô hình hóa hệ thống. b, Biểu diễn toán học Có ba cách thông dụng để biểu diễn một hệ thống bằng toán học gồm: Biến trạng thái, đáp ứng xung và hàm truyền đạt. Giả thiết hệ thống tuân theo mô hình bất biến thời gian và tuyến tính LTI (Linear and Time-Invariant). Nếu hệ thống có một đầu ra y(t) tại thời điểm t của một đầu vào u(t), thì ta có đầu ra y(t-T) với đầu vào u(t-T). Vì vậy, nếu y(t)=G(u(t)), thì y(t-T)=G(u(t-T)). Hệ thống tuyến tính là hệ thống có tính chất xếp chồng nên nếu đầu vào u1 dẫn tới đầu ra y1, đầu vào u2 dẫn tới đầu ra y2 thì đầu vào (k1u1+k2u2) dẫn tới đầu ra (k1y1+k2y2). Vì vậy, nếu y1=G(u1) và y2=G(u2) ta có k1y1+k2y2 = G(k1u1+k2u2). Đối với hệ thống LTI, ta luôn chọn t khởi tạo bằng 0 và đầu vào tín hiệu bằng Zero khi t<0. 1.2.2 Cách tiếp cận điềuPTIT khiển hệ thống viễn thông Dƣới góc độ tiếp cận hệ thống, hầu hết mô hình toán học đầy đủ cho hệ thống viễn thông đƣợc biểu diễn dƣới một cấu trúc logic điều khiển phân tán phức hợp để xử lý các sự kiện và lƣu lƣợng ngẫu nhiên. Chức năng điều khiển và phƣơng thức hoạt động của các phần tử mạng đƣa ra dƣới dạng kết hợp nhằm giải quyết mục tiêu tối ƣu nguồn tài nguyên mạng. Vì vậy, mục tiêu chính của bài toán điều khiển hệ thống viễn thông là đƣa ra các quyết định tốt nhất trƣớc sự thay đổi của lƣu lƣợng mạng hay yêu cầu của ngƣời dùng với điều kiện đảm bảo đƣợc tính bền vững của hệ điều khiển.
5 Hệ thống viễn thông hiện nay sử dụng hai phƣơng pháp chuyển mạch: chuyển mạch kênh cho các ứng dụng điện thoại truyền thống và chuyển mạch gói cho các ứng dụng phi thoại. Xu thế hiện nay cho thấy kỹ thuật chuyển mạch gói hiện đang tiếp tục chiếm ƣu thế do hiệu quả sử dụng tài nguyên so với các hệ thống sử dụng kỹ thuật chuyển mạch kênh. Các hệ thống viễn thông này hoạt động trên cơ sở của giao thức Internet (IP). Một hệ thống viễn thông có thể biểu diễn nhƣ một hệ thống phức hợp, phân tán qua các miền lớn để cung cấp hạ tầng cho chuyển phát và phân phối thông tin từ nguồn tới đích. Các cơ chế điều hành tự động đƣợc thực hiện bởi các chƣơng trình và thuật toán ghi sẵn. Hoạt động điều hành phụ thuộc chủ yếu vào một số thiết bị nhằm hiệu chỉnh mô hình điều hành và cấu trúc liên kết nối cũng nhƣ các giải pháp quyết định của ngƣời điều hành tác động vào phƣơng thức hoạt động của mạng. Tất cả các thành phần đó có thể coi nhƣ một phức hệ điều khiển của mạng truyền thông. Hiệu quả sử dụng tài nguyên mạng đƣợc xác định qua số lƣợng gói tin chuyển phát thành công tới đích bằng các tuyến đƣờng đi tối ƣu dƣới các yêu cầu cung cấp chất lƣợng dịch vụ tới ứng dụng. Khái niệm về điều khiển rất rộng và thƣờng đƣợc hiểu bởi hai thuật ngữ là điều khiển và quản lý. Tổ chức quản lý cho mạng viễn thông thƣờng chỉ ra cấp cao nhất là quyết định của ngƣời điều hành PMD (People Making Decision). Một hệ thống viễn thông thông dụng thƣờng cho thấy có nhiều phƣơng pháp điều khiển trong mạng viễn thông và quyết PTITđịnh cuối thuộc về PMD. Vì vậy, có thể tồn tại nhiều mô hình điều khiển trong mạng viễn thông, việc phát triển một mô hình điều khiển nào đó phải dựa trên cấu trúc biểu diễn của mô hình điều khiển bằng các mô hình. Đặc tính chủ chốt của các hệ thống phức nhƣ các mạng viễn thông là không thể biểu diễn bằng một mô hình toán học đơn nhất. Các hệ thống này đƣợc biểu diễn bởi các mô hình khác nhau. Mỗi mô hình tƣơng xứng với lý thuyết hệ thống chỉ phản ánh đƣợc một số đặc tính của hệ thống ví dụ nhƣ: Đặc tính tổng quát của hệ thống (tính toàn vẹn, ổn định, giám sát, điều khiển, mở, động, độ tin cậy ); Đặc tính cấu trúc (cấu thành, kết nối, phức tạp, phân cấp, mềm dẻo ); Đặc tính chức năng (chịu đựng, hiệu năng, hiệu suất, chính xác, kinh tế).
6 Sở dĩ tồn tại số lƣợng lớn các mô hình nhƣ vậy là do sự phức tạp và đồ sộ của biểu diễn tổng quát cũng nhƣ là thiếu khả năng hình thức hóa nhiều tiến trình xử lý trong các hệ thống phức. Nó tạo ra các khó khăn trên cả khía cạnh phân tích và tổng hợp các mô hình toán học cũng nhƣ tìm kiếm giải pháp lựa chọn tiêu chuẩn điều khiển thích hợp. Vì vậy, các phƣơng pháp điều khiển tình huống đƣợc ứng dụng cho hệ thống phức và quyết định cuối cùng thuộc về ngƣời điều hành PMD. PMD chịu trách nhiệm quyết định toàn bộ hoặc hoặc một phần điều khiển hệ thống. Để thực hiện điều đó ngƣời điều hành sử dụng kinh nghiệm, trực giác trên cơ sở các thủ tục tự động để điều hành và xử lý trực tiếp hoặc thông qua hệ thống trợ giúp điều hành. Cốt lõi của các phƣơng pháp điều khiển tình huống là mô hình ký hiệu. Mô hình ký hiệu là mô hình biểu diễn các phần tử của một ngôn ngữ sử dụng PMD. Thông thƣờng, nó là một tập hợp của các ký hiệu nghe-nhìn, dấu hiệu và hình vẽ chỉ ra các tình huống hiện thời, hoặc tiếp theo của hệ thống. Tính chất riêng biệt của điều khiển tình huống tạo ra sự khác biệt giữa các phƣơng pháp. Các phân tích dƣới đây chỉ ra các đặc điểm cơ bản của điều khiển tình huống trong hệ thống viễn thông. 1. Điều khiển tình huống luôn yêu cầu một lƣợng nhất định các dữ liệu ban đầu dựa trên thông tin về một đối tƣợng điều khiển, các luật hoạt động và tiếp cận cho điều khiển. Các nỗ lực này chỉ có ý nghĩa khi không sử dụng đƣợc các phƣơng pháp khác để đặc tính hóa đối tƣợng cũng nhƣ thủ tục điều khiển. Ví dụ, điều khiển tình huống PTITmột đối tƣợng là không cần thiết khi ta có thể biểu diễn đối tƣợng bằng một hệ phƣơng trình vi phân. Nhƣng sẽ rất có ý nghĩa khi ở đây có hàng nghìn hệ phƣơng trình biểu diễn một hệ thống. 2. Sự lựa chọn ngôn ngữ mô tả tình huống hiện thời của đối tƣợng là rất quan trọng. Một ngôn ngữ phải phản ánh đƣợc các tham số chính và các mối quan hệ để phân loại các đặc tính và tạo ra các bƣớc điều khiển đơn lẻ. 3. Ngôn ngữ định nghĩa tình huống không chỉ phản ánh tất cả thực tế số học và các mối quan hệ sử dụng đặc tính hóa đối tƣợng điều khiển mà còn lƣợng hóa các hiểu biết không thể hình thức bằng toán học.
7 4. Phân loại các tình huống và tổ hợp vào trong các lớp dƣới các quyết định điều khiển đơn bƣớc thƣờng mang tính trừu tƣợng và chủ quan. Điều này cho thấy thông tin về tình huống và quyết định điều khiển đƣợc đƣa ra bởi hệ chuyên gia. Tuy nhiên, sự hiểu biết của chuyên gia trong giai đoạn đầu có thể không đáp ứng đƣợc các tình huống hiện thời đối với một hệ thống lớn. 5. Hƣớng dẫn và luật điều khiển đóng vai trò quan trọng trong các quyết định điều khiển. Các luật này có tên là luật ánh xạ logic LTR (Logic Transfromational Rule) đƣợc khởi tạo bởi các chuyên gia và định nghĩa lại trong các xử lý điều hành hệ thống. 6. Các hệ thống điều khiển tình huống không nhằm mục tiêu điều khiển tối ƣu mà chỉ hƣớng tới hiệu quả không xấu hơn đối với cơ chế điều hành nhân công. Điều này có đƣợc là do có thể đƣa ra các quyết định khách quan trong cả trƣờng hợp bình thƣờng hay tới hạn nên còn đƣợc gọi là phƣơng pháp kinh nghiệm. 7. Hơn nữa, các quyết định từng bƣớc không xác định chiến lƣợc điều khiển cho các đối tƣợng điều khiển thời gian thực. Các đối tƣợng này cần có các quyết định đệ quy để có đƣợc quyết định cuối cùng. Các vấn đề trên cho thấy các hệ thống viễn thông sử dụng tiếp cận điều khiển tình huống và cần có các tiêu chuẩn phù hợp để đánh giá định tính hoặc định lƣợng các yêu cầu điều khiển. Thêm vào đó, sự phân loại các hệ thống viễn thông thành các miền mạng (cục bộ, vùngPTIT và diện rộng) nên điều khiển thƣờng thuộc lớp cao của kiến trúc. Ví dụ, một số bài toán điều khiển đƣợc thực hiện qua hàm mục tiêu chuẩn hóa nhƣ định tuyến hay điều khiển chống tắc nghẽn cũng vẫn là các điều khiển tình huống và không chỉ ra trực tiếp bài toán tối ƣu. Vì vậy, các hệ thống viễn thông hiện đại cần phát triển các phƣơng pháp điều khiển dựa trên các thủ tục điều khiển nhƣ là một hệ thống quản lý mạng, tối ƣu hóa định tuyến và các chức năng riêng biệt của các phần tử mạng.
8 1.3 CÁC THUỘC TÍNH CỦA HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN Một hệ thống điều khiển cần thỏa mãn một số điều kiện: điều khiển đƣợc, nhận dạng, bền vững và bất biến. Các phƣơng pháp thống kê mẫu dƣới giả thiết giám sát các biến ngẫu nhiên, tiến trình ngẫu nhiên và các trƣờng ngẫu nhiên cũng nhƣ các tham số mẫu cho các giá trị khác nhau của các cửa sổ tƣơng quan. a, Thuộc tính điều khiển Điều khiển đƣợc là thuộc tính của một hệ thống khi chuyển từ trạng thái này sang trạng thái khác trong một khoảng thời gian yêu cầu. Thuộc tính này đƣợc thể hiện khi bất kỳ một thành phần nào của trạng thái xi(t) trong hệ thống S(t,x,u) đƣợc truy nhập cho hoạt động điều khiển (ảnh hƣởng bởi u(t)). Để đảm bảo khả năng điều khiển đƣợc, các điều kiện “lọc” phải đƣợc thỏa mãn. Thuộc tính này có thể biểu diễn bằng khả năng chuyển giao giữa các trạng thái dƣới điều kiện tài nguyên hạn chế. Đặc tính điều khiển đƣợc tồn tại khi các điều kiện sau tồn tại: giám sát đƣợc, nhận dạng đƣợc, bền vững và bất biến. Khả năng giám sát đƣợc của hệ thống là khi hệ thống đảm bảo khả năng thu thập T thông tin về mỗi thành phần của vector trạng thái x( t ) x12 , x , , xn . Nếu một phép đo có thể thực hiện không có lỗi thì biểu thức tất định sau có thể tồn tại. y()() t Hx t (1.1) Trong đó, H là hệ số tăngPTIT (hoặc giảm) dƣới phép đo x(t). Nếu có lỗi trong phép đo hoặc nhiễu trong kênh giám sát v(t) thì biểu thức 1.1 thành biểu thức ngẫu nhiên nhƣ dƣới đây. y()()() t Hx t v t (1.2) Các giá trị của y(t) từ biểu thức 1.7 có thể dùng trực tiếp cho điều khiển. Nếu phƣơng trình giám sát là ngẫu nhiên thì y(t) là tiến trình ngẫu nhiên. Để sử dụng trong một thuật toán điều khiển, ta cần xác định trạng thái xtˆ(). Trong các điều kiện thực, biểu thức 1.2 là mẫu từ các kết quả đánh giá:
9 T y( t ) y12 , y , , yn (1.3) Vì vậy, biểu thức giám sát trở thành rời rạc và thể hiện qua biểu thức sau y Hx v k k k (1.4) Chuỗi rời rạc của biểu thức giám sát cần xử lý qua các thủ tục đánh giá và các kết quả sẽ đƣợc sử dụng trong thuật toán điều khiển tại phần tiếp theo. b, Thuộc tính nhận dạng Nhận dạng đƣợc là khả năng xây dựng các mô hình toán học cho một hệ thống và thu thập thông tin đặc tính của hệ thống mô phỏng trên cơ sở kết quả giám sát. Nói cách khác, đó là khả năng tránh các tiên nghiệm không chắc chắn về các đặc tính của hệ thống của một mô hình hệ thống bằng các xử lý kết quả giám sát. Ví dụ, độ phân tán, giá trị trung bình, khoảng thời gian tƣơng quan là không biết trong nhiều trƣờng hợp thực tế. Trong trƣờng hợp vấn đề nhận dạng phụ thuộc vào một hoặc một vài tham số thì các tham số này cần phải đo lƣợng. Có hai phƣơng pháp đánh giá: đánh giá mẫu và đánh giá đệ quy. Đánh giá mẫu có thể thu đƣợc từ công thức tính toán giá trị trung bình, n x x p() x dx . Nếu các xác suất của tất cả các sự kiện bằng nhau cpi 1 i i (p ( xji ) p ( x ) 1/ n ) , ta có giá trị trung bình của mẫu: 1 n PTITˆ xxcp  k (1.5) n k 1 Với n là kích thƣớc mẫu. Cũng phƣơng pháp tiếp cận, ta có thể tính toán độ phân tán của mẫu bằng biểu thức. 1 n ˆˆ22  ()xxk (1.6) n 1 k 1 Trong biểu thức trên, phần ˆˆ 2 xác định độ lệch bình phƣơng trung bình.
10 Vì vậy, các đánh giá mẫu thu đƣợc sau một số chu kỳ thời gian để nhận đƣợc thống kê chính xác và thực hiện tính toán. Trong một số trƣờng hợp, trễ quá lớn trong quá trình thu thập mẫu dẫn tới không sử dụng đƣợc cho điều khiển. Đánh giá đệ quy giả thiết vấn đề xử lý thống kê mẫu trong thời gian thực theo từng bƣớc. Mỗi bƣớc đệ quy gắn liền với việc thu nhận giá trị mẫu hiện thời yk. Giá trị này so sánh với giá trị trƣớc đó ()yykk ˆ 1 và bổ sung giá trị thu đƣợc với trọng số 1/ . Giá trị thu đƣợc thể hiện qua biểu thức sau: 1 xˆ x ˆ () y x ˆ (1.7) k k 11 k k Theo lý thuyết phân hoạch, cả hai công thức (1.5) và (1.6) đều có thể sử dụng cho điều khiển. Việc sử dụng công thức (1.5) cho điều khiển tự động có thể dẫn tới trễ đáp ứng, hay trễ quyết định trong trƣờng hợp sử dụng phƣơng pháp điều khiển tình huống. Các đánh giá đệ quy là tính toán cho từng bƣớc điều khiển và cho phép quyết định trong thời gian thực. Hiển nhiên, cả hai phƣơng pháp đều có một số ràng buộc nhất định nhƣ sau: Đối với các thống kê mẫu, khi đƣợc tạo bởi một số mô phỏng rời rạc (giám sát rời rạc) yk Hx k v k , k 1,2, , n (1.8) Nếu H=1, ta có y x v (1.9) PTITk k k Biểu thức trên có thể biểu diễn một tình huống giám sát điện thoại điển hình với tiến trình ngẫu nhiên x(k) biểu diễn cuộc gọi với nhiễu trắng Gassian v(k). Giám sát ngẫu nhiên cho cả hai tiến trình, sự ngẫu nhiên của đối tƣợng giám sát có thể có vài khía cạnh khác nhau và chuỗi thống kê có thể tạo theo nhiều cách khác nhau. Để lấy thống kê mẫu cần có một số bƣớc: xác lập lớp của đối tƣợng giám sát (giá trị ngẫu nhiên hay tiến trình ngẫu nhiên); và tạo mẫu theo lựa chọn theo công thức (1.8). Nếu giả thiết x(t) là một chuỗi ngẫu nhiên, ta có các giá trị hằng số (x (t) const ) trong thời gian giám sát T t12, t , , tn . Nhƣng giá trị của x(t) và x(k) là
11 không biết (vẫn đảm bảo tính ngẫu nhiên). Các giá trị nhận đƣợc của yk là yykk . Đối với bất kỳ tổ chức tiến trình mẫu nào thì giá trị yk là độc lập do không tƣơng quan với nhiễu. Chuỗi mẫu thu đƣợc yk x k v k , k 1,2, , n đƣợc xử lý bởi công thức (1.5) để lấy các giá trị trung bình. Để tìm thống kê mẫu cho tiến trình x(t), ta cần chọn hai tham số chính: chu kỳ giám sát T0 và tốc độ mẫu fdd 1/ với giá trị  d là khoảng thời gian giữa hai lần lấy mẫu. Việc lựa chọn tham số này phụ thuộc vào việc sử dụng các thống kê y12, y , , yn . Nếu thống kê đƣợc sử dụng cho đánh giá mẫu có giá trị trung bình n xˆ n 1 x thì khoảng thời gian giữa các giá trị ra cần chọn độc lập với các giá cpK 1 K trị lân cận. Điều đó có nghĩa hệ số tƣơng quan tiến tới giá trị Zero. nn (x x )( x x ) iji cp j cp r 0 (1.10) ij nn ()()x x22 x x ij 11i cp j cp c, Thuộc tính bền vững và bất biến Thuật ngữ bền vững đƣợc sử dụng để xác định các đặc tính cả các hệ thống phức tạp nhƣ hệ thống điều khiển viễn thông và các hệ thống điều khiển đơn giản. Trong trƣờng hợp các hệ thống phức tạp, yếu tố bền vững gồm nhiều thành phần. Đầu tiên là độ tin cậy khi xác định PTITkhả năng thực thi các hàm yêu cầu trong một khoảng thời gian. Thành phần thứ hai “sống sót” xác định đặc tính thực thi hàm yêu cầu dƣới một số điều kiện cho trƣớc. Thành phần thứ ba “bảo vệ nhiễu” là bất biến với các loại nhiễu. Bền vững có thể hiểu theo nghĩa hẹp là độ ổn định của hệ thống. Một hệ thống có thể chuyển tới trạng thái bất ổn định khi tham số hoặc hoạt động đầu vào không đúng. Các hệ thống bền vững đƣa ra các đáp ứng giới hạn với các đầu vào giới hạn. Điều đó có nghĩa là tồn tại điều kiện ràng buộc giá trị đầu ra theo đầu vào. dy()/() t dx t (1.11)
12 Hệ thống bền vững hoàn toàn khi ổn định với bất kỳ đầu vào nào. Độ ổn định hệ thống có thể đƣợc nhìn nhận từ một số khía cạnh khác nhau: độ ổn định lyapunov, độ ổn định xác suất, độ ổn định trung bình và độ ổn định thực tế. Đặc tính bất biến của hệ thống là khả năng duy trì một số trạng thái đầu ra khi có một số hoạt động khác biệt tại đầu vào. Ví dụ giám sát một hệ thống y()()()() t H t x t S t (1.12) Trƣờng hợp hệ thống bất biến nếu bất kỳ một hoạt động đầu vào v(t) nào đều không dẫn tới các đáp ứng không mong muốn y() t y . 1.4 CÁC GIẢI PHÁP ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG VIỄN THÔNG 1.4.1 Điều khiển cung cấp QoS Cung cấp QoS cho các dịch vụ mạng luôn là vấn đề then chốt của các hệ thống truyền thông và thƣờng gắn liền với các giải pháp quản lý mạng. Các thuật toán điều khiển hệ thống viễn thông phải tính tới hàng loạt các đặc tính nhƣ: trạng thái phân tán của mạng trên cả khía cạnh không gian và thời gian; trễ khác nhau giữa các vòng điều khiển kết nối trạng thái và các phần tử mạng; nguyên tắc điều khiển manager/agent đƣợc thực hiện dƣới tƣơng tác của các đối tƣợng điều khiển tách biệt; tƣơng tác giữa các phần tử mạng đƣợc thực hiện qua một tập giao thức phân cấp để xử lý tuần tự dữ liệPTITu điều khiển. Chú ý rằng hiện nay chƣa có một hệ thống điều khiển hoàn chỉnh nào cho các mạng viễn thông, đặc biệt là mạng diện rộng MAN và WAN. Vấn đề cung cấp chất lƣợng dịch vụ mạng đƣợc thông qua các thỏa thuận và hợp đồng lƣu lƣợng theo một số tham số QoS sau: thông lƣợng lƣợng mạng, độ tin cậy, tổn thất gói, trễ và biến động trễ (Rec Y.1540). Các tham số này đƣợc thể hiện qua thỏa thuận cung cấp dịch SLA (Service Level Agreement) còn gọi là hợp đồng lƣu lƣợng giữa ngƣời sử dụng và nhà cung cấp dịch vụ. Khái niệm QoS có thể định nghĩa nhƣ tỷ lệ tổng thể của các đặc tính dịch vụ xác định mức độ thỏa mãn ngƣời dùng từ một dịch vụ nhất định. Thông thƣờng, QoS đƣợc đặc trƣng bởi trễ kết nối, thông lƣợng dữ liệu và
13 chất lƣợng kết nối. Thỏa thuận SLA có thể đƣợc thực hiện trƣớc các phiên truyền thông thực tế hoặc theo một số chu kỳ thời gian và đƣợc dùng để điều khiển các dịch vụ mạng. Vì vậy, các thuật toán điều khiển chính thƣờng gồm điều khiển tình huống, cận tối ƣu thay vì điều khiển tất định thông qua các tiếp cận xác suất. Qua các phân tích trên, một kiến trúc logic đƣa ra gồm ba mặt bằng: điều khiển, dữ liệu và quản lý đƣợc chỉ ra trên hình 1.2. Các tiếp cận chung bao gồm các phƣơng pháp và kỹ thuật sử dụng để cung cấp QoS đƣợc chỉ ra trên hình 1.3. Hình 1.2: Cấu trúc logic của thỏa thuận cung cấp chất lượng dịch vụ PTIT Hình 1.3: Các kỹ thuật cung cấp QoS cho mạng viễn thông Các kỹ thuật cho mặt bằng điều khiển. Các kỹ thuật này liên quan trực tiếp tới các đƣờng dẫn dữ liệu của ngƣời dùng gồm 3 kỹ thuật chính. (i) Kỹ thuật điều khiển chấp nhận cuộc gọi CAC (Call Admission Control) điều khiển các yêu cầu luồng lƣu lƣợng mới phù hợp với trạng thái tài nguyên mạng. CAC xác định các kết quả lƣu lƣợng trong điều kiện tắc nghẽn hoặc suy giảm cấp độ chất lƣợng cho các dịch vụ trong hệ thống hiện thời. (ii) Kỹ thuật định tuyến QoS cung cấp sự lựa chọn tuyến thỏa mãn yêu cầu chất lƣợng dịch vụ của một luồng dữ liệu cụ thể. Thông
14 thƣờng, chỉ một hoặc hai điều kiện ràng buộc đƣợc đƣa ra làm cơ sở tính toán tuyến. (iii) Kỹ thuật dự trữ tài nguyên thƣờng đƣợc sử dụng trong các mạng IP dựa trên giao thức dự trữ tài nguyên nhằm dành trƣớc tài nguyên cho luồng lƣu lƣợng. Kỹ thuật cho mặt bằng dữ liệu. Đó là một nhóm kỹ thuật liên quan trực tiếp tới các luồng lƣu lƣợng ngƣời sử dụng. Một số kỹ thuật điển hình nhƣ quản lý bộ đệm, tránh tắc nghẽn, lập lịch và xếp hàng, phân loại và chia cắt lƣu lƣợng. Kỹ thuật quản lý bộ đệm làm giảm các gói tin điều khiển đợi tại hàng đợi truyền dẫn. Mục tiêu quan trọng nhất là tối thiểu hóa độ dành trung bình hàng đợi tại tốc độ cao nhằm tăng độ hiệu dụng kênh. Bên cạnh đó, kỹ thuật quản lý bộ đệm nhằm phân bổ công bằng không gian đệm giữa các luồng lƣu lƣợng khác nhau. Giải pháp hiện nay sử dụng cơ chế quản lý bộ đệm tích cực để giải quyết các khả năng tắc nghẽn ví dụ nhƣ thuật toán loại bỏ gói sớm RED (Random Early Detection). Khi RED đƣợc áp dụng, chuỗi gói tin bị cắt bỏ dựa trên độ dài trung bình nhằm tránh các khả năng từ chối phục vụ. Kỹ thuật tránh tắc nghẽn hỗ trợ mức tải mạng thấp hơn một chút thông lƣợng mạng thông qua giải pháp cắt tải lƣu lƣợng. Tiếp cận đánh dấu gói tin đƣợc sử dụng để định nghĩa một mức dịch vụ cụ thể cho các gói tin khác nhau. Việc đánh dấu gói tin thƣờng đƣợc thực hiện tại các đầu vào bộ định tuyến qua thủ tục gán một số giá trị vào trƣờng chức năng đặc biệt của tiêu đề gói tin. Mục tiêu chính của cácPTIT kỹ thuật lập lịch và xếp hàng là lựa chọn một gói tin cụ thể từ bộ đệm để đƣa vào kênh truyền. Tùy thuộc vào hàm mục tiêu xử lý gói tin tại đầu ra mà cơ chế xử lý dựa trên một số luật cụ thể nhƣ: vào trƣớc ra trƣớc FIFO (First In – First Out), hàng đợi trọng số công bằng WFQ (Weight Fair Queuing) hay hàng đợi dựa trên phân lớp dịch vụ CBQ (Class Based Queuing) Mục tiêu của xử lý chia cắt lƣu lƣợng là điều khiển tốc độ và kích thƣớc các luồng dữ liệu tại đầu vào mạng. Lƣu lƣợng ban đầu đƣợc chuyển qua các bộ đệm có cấu trúc đặc biệt để cho phép dự đoán các đặc tính luồng lƣu lƣợng. Hai thuật toán phổ biến sử dụng cho chia cắt lƣu lƣợng là thuật toán thùng dò (leaky bucket) và
15 thùng thẻ (token bucket). Thuật toán thùng dò thực hiện điều chỉnh tốc độ cho các luồng lƣu lƣợng đầu vào, khi bộ đệm (thùng) đầy thì các gói vƣợt quá sẽ bị loại bỏ. Trái ngƣợc với thuật toán trên, thuật toán thùng thẻ không điều chỉnh tốc độ ra và cũng không loại bỏ gói. Tốc độ đầu vào và đầu ra sẽ cân bằng khi có các thẻ bài trong các bộ đệm tƣơng ứng. Các thẻ đƣợc tạo ra với các tốc độ xác định và nằm dƣới đáy thùng. Các gói tin đƣợc chuyển đi phụ thuộc vào tham số tốc độ tạo thẻ và kích thƣớc thùng. Các kỹ thuật liên quan tới mặt bằng quản lý. Mặt bằng quản lý QoS gồm các kỹ thuật chịu trách nhiệm duy trì, quản lý và điều khiển mạng tƣơng thích với lƣu lƣợng ngƣời sử dụng. Một trong các kỹ thuật đó là đo kiểm để kiểm tra các tham số luồng dữ liệu thực tế để so sánh với giá trị yêu cầu trong SLA. Sau khi phân tích các kết quả, các cơ chế điều khiển luồng lƣu lƣợng đƣợc áp dụng trong từng điều kiện cụ thể của mạng. Giao thức dự phòng tài nguyên RSVP (Resource reservation Protocol) là giao thức đóng vai trò trung tâm nhằm cải thiện các cơ chế kỹ thuật trên cho nhiệm vụ dự phòng và quản lý tài nguyên. Để cung cấp chất lƣợng dịch vụ theo yêu cầu trong từng giai đoạn chuyển phát gói tin, RSVP đƣợc tích hợp với các cơ chế định tuyến để điều khiển lƣu lƣợng. Các cơ chế này gồm: điều khiển truy nhập, phân loại lƣu lƣợng, dữ liệu và lập kế hoạch hàng đợi Hiện có 3 mô hình cung cấp dịch vụ trong các hệ thống viễn thông gồm: mô hình nỗ lực tối đa, tích hợp dịch vụ và phân biệt dịch vụ (hìnhPTIT 1.4). Hình 1.4: Các mô hình cung cấp dịch vụ Mô hình tích hợp dịch vụ (IntServ) sử dụng các nguồn tài nguyên dự phòng tích hợp cho một nhóm luồng lƣu lƣợng nhất định và có thể gây ảnh hƣởng xấu tới các luồng còn lại nhất là khi tài nguyên dự phòng không đƣợc sử dụng. Tuy nhiên, mô hình này đảm bảo chặt chẽ chất lƣợng dịch vụ theo yêu cầu. Thêm vào đó, mô hình
16 không có các bộ công cụ đặc biệt để cung cấp QoS cho các luồng lớn (Macro) và giới hạn trong miền ứng dụng tích hợp dịch vụ. Mô hình này gắn kết chặt chẽ với khả năng đáp ứng tải lƣu lƣợng của bộ định tuyến cũng nhƣ yêu cầu thay đổi phần mềm của bộ định tuyến để nhận diện các ứng dụng mạng. Các mô hình phân biệt dịch vụ (DifServ) hƣớng tới mục tiêu phân biệt dịch vụ cung cấp cho các lớp lƣu lƣợng ghép. Mục tiêu của mô hình là đƣa ra các nguyên tắc cung cấp QoS cho các luồng lƣu lƣợng lớn trên cơ sở mối quan hệ của các lớp dịch vụ. Mô hình nỗ lực tối đa hƣớng tới mục tiêu phân bổ công bằng các tài nguyên. Mô hình này không hỗ trợ các cơ chế điều khiển nguồn tài nguyên mạng cũng nhƣ thuật toán phân bổ. Bên cạnh đó, mô hình cho phép xảy ra tắc nghẽn nếu lƣu lƣợng lớn và không đảm bảo chuyển phát gói tin thành công. Tuy nhiên, mô hình rất hiệu quả khi trong mạng không có yêu cầu chuyển phát lƣu lƣợng thời gian thực. 1.4.2 Tiếp cận RACS và RASF Phân hệ điều khiển chấp nhận và tài nguyên RACS (The Resource and Admission Control Sub-System) thực hiện các chức năng điều khiển cho mạng truy nhập và các nút biên thuộc mức thực thi lõi. Mức thực thi lõi là một phần của mạng với phƣơng thức định tuyến sử dụng giao thức IP. Mạng truy nhập là thành phần mạng sử dụng để tập trungPTIT và phân bổ lƣu lƣợng tới ngƣời dùng đầu cuối. Điều khiển tài nguyên trong mạng truy nhập tƣơng đƣơng với điều khiển lớp liên kết dữ liệu thuộc lớp 2 của mô hình kết nối hệ thống mở OSI. Trong khái niệm của RACS, điều khiển tài nguyên không xem xét tới mức lõi mạng. Điều khiển trực tiếp tài nguyên đƣợc thực hiện bởi một vài phần tử mạng xác định lƣu lƣợng tại mức liên kết (mức 2) cũng nhƣ là các phần tử mạng đặt tại biên mạng truyền tải. Thành phần A-RACF thực hiện các chức năng điều khiển liên quan trực tiếp tới nguồn tài nguyên của mạng truy nhập. Thành phần chức năng quyết định chính sách dịch vụ SPDF (Service-Based Policy Decision Function) thực thi điều khiển dựa trên các
17 chính sách đối với dịch vụ trên biên của mức lõi mạng. Kiến trúc RACF đƣợc chỉ ra trên hình 1.5 không nhận bất kỳ một thông tin về cấu hình nào từ mức lõi mạng. Hình 1.5: Kiến trúc của phân hệ RACS Quản lý QoS đƣợc thực hiện trên mô hình “Đẩy” theo nguyên lý Ponselle. Trong trƣờng hợp này, thành phần điều khiển gồm cả A-RACF và SPDF gửi các lệnh tới thiết bị truyền tải. Ở đây không có sự mâu thuẫn trong các định nghĩa của ITU và ETSI đƣa ra do đều là tổ chức xây dựng tiêu chuẩn. Tuy nhiên, một số điểm khác biệt cũng cần đƣợc chỉ ra và phân tích nhƣ dƣới đây. Thứ nhất, đó là một phần tử mạng thực hiện nhiệm vụ điều khiển, đối ngƣợc với RACS, kiến trúc RACF xem xét tiến trình quản lý cho tất cả các phần mạng để cung cấp QoS theo yêu cầu. Bên cạnh đó, kiến trúc PTITRACF cung cấp nhiều kịch bản quản lý nguồn tài nguyên mạng hơn kiến trúc RACS. ITU xác định kiến trúc quản lý QoS trong hệ thống tiêu chuẩn. Ý tƣởng chính của kiến trúc quản lý QoS đƣợc xây dựng trên nguyên tắc độc lập giữa lớp truyền tải và lớp dịch vụ. Ví dụ, khi thoại đƣợc truyền qua giao thức IP trong mạng internet, lƣu lƣợng thoại đƣợc truyền sau khi các thủ tục báo hiệu đƣợc hoàn tất giữa các phần tử của mạng báo hiệu. Một phần lƣu lƣợng báo hiệu đƣợc chuyển qua mạng cùng với mức ƣu tiên tƣơng tự nhƣ dữ liệu do tại mức mạng không có cơ cấu yêu cầu và đảm bảo QoS. Để giải quyết vấn đề này, ITU đề xuất phân biệt mức
18 truyền tải và mức ứng dụng độc lập nhau. Cùng với khái niệm độc lập giữa các mức, nguồn tài nguyên mạng yêu cầu đƣợc cung cấp bởi mức mạng sau khi nhận đƣợc lệnh từ mức ứng dụng. Theo đó, mức ứng dụng chịu trách nhiệm trao đổi các bản tin báo hiệu giữa các ứng dụng. Mức truyền tải chịu trách nhiệm về độ tin cậy cho cả luồng lƣu lƣợng điều khiển và các gói tin dữ liệu. Chức năng điều khiển của mức truyền tải phục vụ các kết nối giữa các mức ứng dụng và truyền tải. Chức năng này cho phép đƣợc đƣợc cung cấp dựa trên phân tích trạng thái tài nguyên và chính sách truy nhập đƣợc thiết lập bởi nhà khai thác tới ngƣời sử dụng. Ngoài ra, chức năng này điều khiển các thiết bị mạng để cung cấp các dịch vụ yêu cầu. Chức năng của RACF xác định tài nguyên khả dụng và thực hiện điều khiển đƣợc thể hiện trên hình 1.6. Hình 1.6: Kiến trúc của phân hệ RACF Chức năng điều khiển dPTITịch vụ SCF (Service Control Function) chịu trách nhiệm truyền dẫn dữ liệu báo hiệu trong thời gian thiết lập phiên truyền thông. Chức năng này yêu cầu mức QoS trong phần tử đặc biệt của RACF. Phần tử này xác định tài nguyên khả dụng của mạng để đáp ứng yêu cầu QoS và điều khiển thiết bị thực hiện nhiệm vụ. Chức năng của dữ liệu cho mạng gắn thêm hỗ trợ hồ sơ gán mức QoS cho ngƣời dùng. Trong thủ tục nhận dạng cuộc gọi, chức năng này kiểm tra yêu cầu truy nhập tài nguyên của ngƣời dùng. Kiến trúc chức năng này đƣợc thiết kế độc lập với phía ngƣời sử dụng do RACF có thể ứng dụng cho cả mạng truy nhập và mạng lõi. RACF gồm hai khối chức năng, khối thứ nhất chịu trách nhiệm thực thi các chính sách và luật yêu cầu PD-FE và khối chức năng thứ hai điều khiển tài nguyên
19 lớp truyền tải TRC-FE. Khối PD-FE xác định khả năng cung cấp dịch vụ thông qua một số thủ tục kiểm tra dữ liệu sau: hồ sơ ngƣời dùng trong mạng truy nhập, mức thỏa thuận dịch vụ, chính sách, mức ƣu tiên và yêu cầu tài nguyên mạng. Sau khi nhận đƣợc yêu cầu, PD-FE gửi thông tin truyền tải lƣu lƣợng tới thiết bị mạng để yêu cầu cung cấp tài nguyên. Thông tin này gồm một số nội dung nhƣ: các lệnh điều khiển gateway; đánh dấu các gói tin của luồng lƣu lƣợng; dữ liệu địa chỉ lớp mạng và địa chỉ cổng cho chức năng chuyển đổi địa chỉ; điều khiển các tốc độ truyền dẫn; phƣơng thức lọc lƣu lƣợng; thứ tự của dữ liệu truyền. PD-FE đƣa ra các quyết định điều khiển thiết bị của mạng truy nhập dựa trên một phần tử chức năng gọi là PE-FE. PE-FE đƣợc đặt tại biên mạng để cung cấp các luật nhất định cho các luồng lƣu lƣợng. Trong mạng truyền thông thời gian thực, các chức năng của phần tử của phần tử PE-FE có thể thực hiện bởi một số thiết bị sau: Thiết bị biên điều khiển phiên SBC (Session Boundary Control); hệ thống kết cuối modem cáp; các bộ định tuyến biên. Vì vậy, chức năng tạo quyết định PD-FE điều khiển chất lƣợng dịch vụ của mạng nhờ phần tử PE-FE đƣợc đặt trên biên mạng. Phần tử chức năng điều khiển tài nguyên của giao thức truyền tải TRC-FE dò tìm trạng thái của tài nguyên mạng. TRC-FE tạo ra các quyết định về cung cấp dịch vụ dựa trên cơ sở dữ liệu độ khả dụng tài nguyên mạng. Phần tử chức năng TRC-FE hƣớng tới điều khiển nguồn tài nguyên mạng truy nhập dựa trên giao thức truyền tải sử dụng. Khối PD-FE điềuPTIT khiển nguồn tài nguyên lớp mạng truyền tải độc lập với giao thức truyền tải. 1.4.3 Điều khiển cấu trúc Đặc tính cấu trúc hệ thống đƣợc phản ánh thông qua các tính chất đặc thù. Các tính chất đặc thù của một hệ thống viễn thông gồm các hệ thống của trung tâm truyền thông và các kết nối giữa chúng, tƣơng ứng với định nghĩa về hệ thống là một tập các phần tử đƣợc kết nối với nhau. Cấu trúc mạng đƣợc định nghĩa tại một số mức khác nhau nhƣ: mức vật lý (nút và liên kết), mức liên kết dữ liệu (kênh) và mức mạng (định tuyến). Các cấu trúc
20 này có thể tĩnh hoặc động, thay đổi dƣới các điều kiện lƣu lƣợng hoặc phƣơng thức điều khiển. Thông thƣờng, cấu trúc vật lý đƣợc giả định là không biến đổi theo thời gian. Nhƣng các nguồn tài nguyên vật lý khác nhau (miền tần số, thời gian) yêu cầu ứng dụng phân bố động các nguồn tài nguyên. Nó liên quan trực tiếp tới tài nguyên nhƣ truy nhập không gian – thời gian, mã hóa không gian – thời gian, tái sử dụng tần số, antena thích ứng Cấu trúc mạng cho mức kênh có thể tĩnh hoặc động tùy thuộc vào yêu cầu lƣu lƣợng của thiết bị kết cuối. Cấu trúc mạng trên mức mạng thƣờng động kể cả phƣơng pháp định tuyến tĩnh hoặc động đều cho thấy sự biến động của lƣu lƣợng. Vì vậy, mạng viễn thông hiện đại cần đƣợc ứng xử nhƣ một mạng có cấu trúc động. Các thủ tục điều khiển khác nhau đƣợc sử dụng cho các cấu trúc động nhƣ vậy. Các thủ tục này tạo thành chuỗi nhiệm vụ khác nhau từ đầu nguồn phát thông tin tới nơi nhận thông tin trong mạng. Các phƣơng pháp chính sử dụng để cải thiện các thủ tục điều khiển cho một cấu trúc mạng là các phƣơng pháp sử dụng phần mềm điều khiển dựa trên ngƣỡng tự nhiên. Điểm mạnh của ngƣỡng tự nhiên là sự thay đổi cấu trúc điều khiển sau khi đạt đƣợc một vài điểm ngƣỡng định trƣớc. Các tiêu đề gói tin đóng vai trò quan trọng trong giải pháp điều khiển này, khi các địa chỉ nguồn và đích đƣợc xác định, một số dữ liệu khác cho phép thực hiện một số chức năng xử lý trong quá trình các gói tin trên tuyến. Cùng thời gian đó, Các phƣơng pháp tối ƣu đƣợc thực hiện. Các phƣơng pháp này cung cấpPTIT các cải thiện hoặc tối ƣu cấu trúc mạng theo một vài tiêu chí. Với mục tiêu tối ƣu cấu trúc mạng, vấn đề đƣợc nhìn nhận khi sự cần thiết của trong tối ƣu điều khiển của một cấu trúc mạng tăng lên, dẫn tới các phƣơng pháp điều khiển dựa trên phần mềm không đƣa ra đƣợc các mức cung cấp QoS theo yêu cầu. Ví dụ nhƣ, sự tắc nghẽn cổ chai, trễ lớn cũng nhƣ mức tổn thất gói tin cao. Các cơ chế định tuyến đảm bảo QoS thƣờng thuộc bài toán NP- Complete và không ứng dụng đƣợc trong mạng thời gian thực. Vì vậy, một số thủ tục tối ƣu đƣợc phát triển để tìm kiếm tuyến tối ƣu. Ví dụ giao thức OSPF sử dụng tiến trình tìm đƣờng tối ƣu theo trọng số để giải quyết một nhiệm vụ tối ƣu trong lớp phân bổ các tài nguyên.
21 Thuật toán tìm kiếm đƣợc giải theo từng bƣớc, trong đó mỗi bƣớc kế tiếp đƣợc xây dựng trên cơ sở kết quả của bƣớc phía trƣớc và đƣợc coi nhƣ một nhiệm vụ của bài toán quy hoạch động. Tối ƣu các thủ tục động trong điều khiển cấu trúc hệ thống viễn thông. Với các điều kiện ràng buộc cho các mức QoS, để tránh rơi vào lớp bài toán NP-comlete khi phân bổ lại lƣu lƣợng, ta sử dụng thuật toán đệ quy để giảm thiểu tắc nghẽn trong mạng. Ý tƣởng chính của thuật toán nhƣ sau: sử dụng chiến lƣợc điều khiển tập trung cho toàn bộ hoặc một phần mạng. 1.4.4 Điều khiển trạng thái Các trạng thái chức năng của hệ thống viễn thông đƣợc phản ánh bởi các mô hình cho từng mạng cụ thể. Các trạng thái x(t) có thể thay đổi theo thời gian tùy thuộc vào một số yếu tố. Các trạng thái mong muốn có thể đƣợc thiết lập bởi các thủ tục điều khiển cho cả các yếu tố ảnh hƣởng hay các trạng thái. Hàm điều khiển cho một đối tƣợng cụ thể xác định một cơ cấu điều khiển cho đối tƣợng gồm: giám sát trạng thái, điều khiển sự thay đổi trạng thái, chỉ dẫn cho điều khiển thay đổi trạng thái. Vì vậy, cơ chế này đủ để tính toán không chỉ trạng thái hiện thời x(t) mà có tính toán tốc độ thay đổi trạng thái dx(t)/dt. Ở đây có ba miền chức năng của điều khiển. (i) Giám sát hoạt đPTITộng của một đối tƣợng để xác định sự thiếu hụt và tài nguyên hiện có, phục vụ cho quá trình điều khiển. Thƣờng có hai trạng thái của một đối tƣợng đƣợc sử dụng trong điều khiển tài nguyên là cho phép và ngăn cản. Mô hình điều khiển tài nguyên đƣợc sử dụng gồm mô hình khái niệm và mô hình rời rạc. (ii) Tải lƣu lƣợng hoặc mức độ sử dụng của phần tử để xác định hiệu suất của phần tử hay độ khả dụng của các tài nguyên. Các trạng thái của đối tƣợng này thƣờng là: không tải (idle), tải nhẹ (active) và tải nặng (bận).
22 (iii) Trạng thái quản trị mô tả khả năng sử dụng các nguồn tài nguyên. Trạng thái này đƣợc chia thành 3 giai đoạn: truy nhập tài nguyên bị khóa (blocked), phƣơng thức tắt hoặc ngừng. Các trạng thái của đối tƣợng điều khiển có các đặc tính khác nhau đƣợc mô tả qua các thuộc tính. Các thuộc tính này dùng để đặc tính hóa hoạt động và sử dụng của một đối tƣợng trong hệ thống điều khiển liên quan tới các phƣơng pháp điều khiển tình huống. 1.5 KIẾN TRÚC VÀ PHÂN LOẠI BÁO HIỆU Báo hiệu đƣợc sử dụng giữa ngƣời dùng và mạng hoặc giữa các phần tử mạng để trao đổi các thông tin điều khiển khác nhau nhƣ: mô tả lƣu lƣợng, dịch vụ và nhận dạng kênh. Nói cách khác, báo hiệu đƣợc sử dụng để thiết lập, giám sát và giải phóng các kết nối động. Bao gồm các kết nối vật lý, ảo và kết nối logic. Các kết nối tĩnh đƣợc cấu hình hoặc xử lý nhân công và có thể không sử dụng báo hiệu. Ngoài ra, báo hiệu cung cấp các phƣơng tiện để dự trữ tài nguyên. Báo hiệu cung cấp phƣơng tiện để trao đổi các thông tin liên quan tới kết nối trong, trƣớc hoặc sau khi các hoạt động truyền tải thông tin diễn ra. 1.5.1 Phân loại báo hiệu Các kỹ thuật báo hiệu có thể đƣợc phân loại theo một số cách khác nhau. Mục này tập trung vào các phƣơngPTIT pháp kỹ thuật báo hiệu khác nhau trên cơ sở mạng viễn thông và mạng truyền thông dữ liệu. Báo hiệu trong băng và báo hiệu ngoài băng: Trong mạng truyền thông dữ liệu, báo hiệu trong băng liên quan tới việc sử dụng cùng kênh ảo để mạng thông tin báo hiệu và thông tin dữ liệu. Báo hiệu ngoài băng là thông tin báo hiệu và dữ liệu đƣợc mang trên hai kênh ảo khác nhau. Trong mạng viễn thông truyền thống, báo hiệu trong băng là báo hiệu sử dụng tần số trong băng tần thoại (300 Hz – 3400 Hz). Báo hiệu ngoài băng là báo hiệu sử dụng băng tần lớn hơn băng tần thoại (<4000 Hz). Cả báo hiệu trong băng và báo hiệu ngoài băng đều có điểm hạn chế riêng. Báo
23 hiệu trong băng dễ bị ảnh hƣởng bởi mã hóa thoại có thể dẫn tới gián đoạn không mong muốn. Báo hiệu ngoài băng cần bổ sung các thiết bị điện tử để hỗ trợ xử lý báo hiệu. Báo hiệu trong kênh và báo hiệu kênh chung: Cả báo hiệu trong băng và báo hiệu ngoài băng trong mạng viễn thông đều có thể cùng loại là báo hiệu trong kênh. Trong báo hiệu trong kênh, kênh vật lý mang cả thông tin báo hiệu cũng nhƣ là thoại/dữ liệu. Báo hiệu kênh chung sử dụng kênh tách biệt để mang thông tin báo hiệu cho một số kết nối. Báo hiệu trong kênh và báo hiệu kênh chung trong mạng viễn thông tƣơng tự nhƣ báo hiệu trong băng và báo hiệu ngoài băng trong các mạng truyền thông dữ liệu. Hình 1.7: Phân loại các kỹ thuật báo hiệu Báo hiệu kênh gắn kếPTITt và không gắn kết: Trong mạng viễn thông, báo hiệu kênh chung đƣợc chia thành hai loại: báo hiệu kênh gắn kết và báo hiệu kênh không gắn kết. Trong báo hiệu kênh chung gắn kết, các kênh báo hiệu và đƣờng dẫn dữ liệu cùng đi qua một phần tử mạng. Tuy nhiên, khác với báo hiệu trong kênh, các kênh báo hiệu này không cùng chia sẻ kênh vật lý với luồng dữ liệu. Trong báo hiệu kênh chung kênh không gắn kết, không có sự tƣơng ứng giữa các kênh báo hiệu và các đƣờng dẫn dữ liệu. Trong mạng truyền thông dữ liệu, ý nghĩa của báo hiệu kênh gắn kết và báo hiệu kênh không gắn kết phụ thuộc vào công nghệ mạng. Ví dụ, Mạng truyền tải bất đồng bộ ATM hỗ trợ cả hai loại báo hiệu. Trong báo hiệu kênh gắn kết, tất cả bản tin báo hiệu cho mỗi luồng ảo đƣợc trao đổi qua kết nối ảo cố
24 định (VCI=5) của luồng ảo đó. Trong báo hiệu kênh không gắn kết, các bản tin báo hiệu cho tất cả các luồng đƣợc trao đổi trên một luồng ảo và kết nối ảo cố định (VPI=0, VCI=5). Từ các kỹ thuật giải thích trên đây dựa trên nền một kỹ thuật khác có tên gọi metasignalling thƣờng đƣợc nói đến trong nhiều tiêu chuẩn báo hiệu khác nhau. Metasignalling chỉ ra quá trình xử lý thiết lập các kênh báo hiệu bằng các thủ tục báo hiệu. Kênh báo hiệu cũng đƣợc thiết lập để thiết lập các kênh cho truyền tải dữ liệu. 1.5.2 Một số đặc tính của báo hiệu Nhằm đƣa ra góc nhìn tổng quát về báo hiệu trong hệ thống viễn thông hiện đại, ta xem xét một số đặc tính của báo hiệu gồm: bản tin xác nhận, bảo vệ bộ định thời, thỏa thuận tham số, nhận dạng kết nối/cuộc gọi, mô hình máy hữu hạn trạng thái,mã hóa và giải mã bản tin. o Các bản tin xác nhận đƣợc yêu cầu do đặc tính không tin cậy tự nhiên của đƣờng truyền thông. Nhằm tăng độ tin cậy cho phiên truyền thông, một số cơ chế báo hiệu bắt tay “handshakes” đƣợc sử dụng trong các trƣờng hợp phƣơng tiện truyền thông không đảm bảo độ tin cậy. o Bộ định thời đƣợc sử dụng để tránh hiện tƣợng trễ thông tin quá lớn do bản tin báo hiệu tổn thất hoặcPTIT gián đoạn. Bộ định thời đƣợc khởi tạo ngay sau khi bản tin đƣợc truyền đi, trong trƣờng hợp bản tin báo hiệu bị mất hoặc bị loại bỏ, bộ định thời sẽ quá hạn và bản tin đƣợc truyền lại. Nếu bản tin đến đƣợc đích an toàn và đƣợc xác nhận, bộ định thời ngừng đếm. Việc lựa chọn chính xác giá trị định thời rất quan trọng, nếu giá trị quá nhỏ thì bộ định thời sẽ thƣờng xuyên quá hạn. Nếu lựa chọn giá trị định thời lớn sẽ chống lại mục tiêu giữ thời gian và thƣờng đƣợc chọn khoảng gấp hai lần trễ truyền lan vòng giữa hai đầu cuối. o Thỏa thuận tham số truyền là lựa chọn tham số thực tế từ một tập tham số chung. Đặc tính và phạm vi của thỏa thuận tham số phụ thuộc vào số lƣợng lần
25 bắt tay. Thủ tục bắt tay ba bƣớc cung cấp nhiều phạm vi thỏa thuận hơn so với bắt tay hai bƣớc. o Mô hình máy hữu hạn trạng thái FSM (Finite State Machine) đƣợc sử dụng để mô hình hóa các thủ tục báo hiệu thông qua các trạng thái hữu hạn. Một mô hình điển hình gồm 3 trạng thái cơ bản: thiết lập, truyền dữ liệu và giải phóng cùng với các bản tin báo hiệu chuyển dịch giữa chúng. o Trong các mạng truyền thông dữ liệu, báo hiệu thƣờng đƣợc mã hóa trong khuôn dạng TLV (Type-Length-Value). Các khối thông tin trong bản tin có thể đƣợc mã hóa theo kiểu TLV để thể hiện loại bản tin, độ dài bản tin và các nội dung thực của bản tin. Phƣơng thức truyền bản tin báo hiệu có thể chia thành hai loại: điểm tới điểm và điểm tới đa điểm. Phƣơng thức truyền báo hiệu điểm tới điểm là phƣơng thức đơn giản, phổ biến nhất và đƣợc dùng cho hai điểm đầu cuối. Đối với các ứng dụng đa đƣờng hoặc quảng bá, phƣơng thức báo hiệu điểm tới đa điểm đƣợc sử dụng để thiết lập các kết nối từ điểm gốc tới các nút lá. Phƣơng thức này tiết kiệm đƣợc lƣợng băng thông báo hiệu phụ thuộc vào độ sâu và rộng của cây. Các điểm hạn chế gồm: khó thiết lập, quản lý và giải phóng kết nối báo hiệu; truyền thông đơn hƣớng và khó thiết lập thông tin từ nút lá tới nút gốc nhằm khởi tạo báo hiệu. 1.5.3 Chức năng báo hiệu trong mô hình OSI Do khái niệm báo hiệuPTIT và điều khiển kết nối là một khái niệm rộng nên có thể nhìn nhận từ nhiều khía cạnh khác nhau của mạng. Mục này sẽ cung cấp một số đặc tính cơ bản của báo hiệu theo kiến trúc mô hình tham chiếu OSI. Mô hình kết nối hệ thống mở OSI (ISO/IEC 7498-1) là mô hình khái niệm để đặc tính và tiêu chuẩn hóa các chức năng nội của một hệ thống truyền thông bằng cách phân chia thành các lớp trừu tƣợng. Mô hình OSI nhóm các chức năng truyền thông tƣơng tự vào một trong 7 lớp logic (hình 1.8). Lớp Vật lý: Các mạch vật lý tạo ra lớp vật lý của mô hình OSI. Lớp vật lý mô tả các tín hiệu điện, quang sử dụng cho truyền thông và chỉ liên quan tới các đặc tính vật
26 lý của tín hiệu điện hoặc quang gồm: điện áp, dòng điện, kiểu phƣơng tiện, đặc tính vật lý của đầu nối, đồng bộ Báo hiệu và điều khiển kết nối sử dụng lớp vật lý tƣơng tự nhƣ các luồng dữ liệu để thực hiện các tác vụ. Một số nhiệm vụ báo hiệu tới thiết bị đầu cuối có thể sử dụng chính các tham số vật lý của đƣờng truyền dẫn làm phƣơng tiện báo hiệu và điều khiển. Ví dụ nhƣ báo hiệu mạch vòng đƣờng dây thuê bao sử dụng dòng điện xoay chiều để cấp chuông cho thuê bao điện thoại. Hình 1.8: Mô hình tham chiếu kết nối hệ thống mở OSI Lớp liên kết dữ liệu: Lớp liên kết dữ liệu cung cấp một liên kết tin cậy giữa các nút có kết nối trực tiếp bằng cách phát hiện và có khả năng hiệu chỉnh lỗi có thể xảy ra tại lớp vật lý. Lớp liên kết dữ liệu đƣợc chia thành hai phân lớp: điều khiển truy nhập phƣơng tiện MAC (MediaPTIT Access Control) và điều khiển liên kết dữ liệu LLC (Logical Link Control). Phân lớp MAC có thể chứa các giao thức điều khiển truy nhập với các thuật toán điều khiển khác nhau. Ví dụ, giao thức đa truy nhập cảm nhận sóng mang/ dò tìm xung đột CSMA/CD hay đa truy nhập cảm nhận sóng mang/ tránh xung đột CSMA/CA. Phân lớp LLC chịu trách nhiệm cho các khung đồng bộ, kiểm tra lỗi và điều khiển luồng. Các khe thời gian đặc biệt hoặc phần đầu hoặc kết thúc khung đƣợc sử dụng để mang các thông tin báo hiệu và điều khiển. Lớp mạng: Lớp mạng trong mô hình OSI chịu trách nhiệm quản lý thông tin địa chỉ logic trong các gói tin và chuyển phát các gói tin đó tới địa chỉ chính xác. Các địa chỉ lớp mạng là một phần không thể thiếu trong hoạt động của các giao thức báo
27 hiệu nhằm điều khiển kết nối, chuyển phát bản tin báo hiệu và thiết lập các tham số báo hiệu và điều khiển. Chức năng báo hiệu trong mạng viễn thông thƣờng gắn liền với các cơ chế định tuyến do định tuyến luôn là bƣớc đầu tiên trong quá trình thiết lập kết nối. Trong mạng truyền thông dữ liệu, chức năng báo hiệu tại lớp mạng thƣờng là một phần của chức năng định tuyến vì các giai đoạn thiết lập, truyền và giải phóng kết nối đƣợc thực hiện đồng thời. Lớp truyền tải: Lớp truyền tải xử lý các chức năng truyền tải nhƣ là chuyển phát tin cậy hoặc không tin cậy dữ liệu tới đích. Trong mạng máy tính, thiết bị gửi đi chịu trách nhiệm chia dữ liệu thành các gói nhỏ hơn nhằm phát lại khi bị tổn thất. Các gói tổn thất đƣợc phát hiện bởi các bản tin xác nhận ACK từ phía thiết bị thu. Biên cạnh đó, lớp truyền tải cung cấp tùy chọn địa chỉ dịch vụ cho các dịch vụ và ứng dụng lớp trên. Các thông tin điều khiển và báo hiệu cũng dựa trên chỉ số cổng để đƣa ra các quyết định điều khiển dịch vụ. Các cơ chế điều khiển cửa sổ luồng thông tin đƣợc ứng dụng trực tiếp trên giao thức TCP rất phổ biến trong các môi trƣờng mạng truyền thông. Thông thƣờng, bài toán tối ƣu hiệu năng mạng NUM (Network Utility Maximization) đƣợc tối ƣu tại lớp truyền tải cùng với các tham số lớp dƣới đƣợc đặt ra nhƣ một vấn đề then chốt trong điều khiển. Lớp phiên: Lớp phiên chịu trách nhiệm thiết lập, quản lý và giải phóng các phiên kết nối giữa các ứng dụng tại các điểm cuối của truyền thông. Trong giai đoạn thiết lập, dịch vụ và các luật ápPTIT dụng cho dữ liệu cho phiên truyền thông giữa các thiết bị đƣợc đƣa ra. Khi các thiết bị đầu cuối thỏa thuận đƣợc luật truyền, giai đoạn truyền dữ liệu đƣợc tiến hành. Giải phóng phiên kết nối để dành tài nguyên cho các kết nối khác đƣợc thực hiện khi phiên truyền kết thúc. Nhƣ vậy, phần lớn các tác vụ điều khiển và báo hiệu nằm tại lớp phiên nên các giao thức báo hiệu thƣờng đƣợc coi thuộc lớp phiên của mô hình OSI. Lớp trình diễn: Lớp trình diễn nằm ngay dƣới lớp ứng dụng, khi nhận đƣợc dữ liệu từ lớp ứng dụng cần đƣợc gửi đi qua mạng, lớp trình diễn đảm bảo khuôn dạng truyền thích hợp cho thông tin dữ liệu đó cho phía bên nhận đƣợc thành công. Các
28 chức năng tạo khuôn dạng dữ liệu tại lớp trình diễn có thể gồm nén, mã hóa và đảm bảo rằng các tập mã ký tự thể hiện đúng tại phía bên nhận. Lớp ứng dụng: Lớp ứng dụng là lớp cao nhất trong mô hình OSI. Dữ liệu lƣu lƣợng thực thƣờng đƣợc phát sinh từ lớp ứng dụng. Lớp ứng dụng là lớp tƣơng tác gần nhất với ngƣời sử dụng thông qua các phần mềm ứng dụng. Các chức năng của lớp ứng dụng thƣờng gồm: nhận diện thành phần truyền thông, xác định nguồn tài nguyên khả dụng và đồng bộ truyền thông. Một số tác vụ điều khiển và báo hiệu nhằm quản lý tài nguyên cho các ứng dụng đƣợc thực hiện tại lớp này. Qua tóm tắt các chức năng của mô hình OSI trên đây cho thấy, các tác vụ báo hiệu và điều khiển hiện diện hầu hết tại các lớp của mô hình. Tuy nhiên, từ góc độ mạng thì các vấn đề báo hiệu chủ yếu tập trung tại lớp phiên của mô hình OSI thông qua các giao thức. Vấn đề điều khiển tài nguyên cục bộ thƣờng đƣợc xử lý tại các phân lớp thấp nhƣ lớp vật lý và lớp liên kết dữ liệu. Các vấn đề điều khiển tối ƣu hệ thống thƣờng đƣợc tiến hành tại lớp mạng và lớp truyền tải của mô hình OSI. 1.6 KẾT LUẬN CHƯƠNG Nội dung chƣơng 1 tập trung vào vấn đề nền tảng của điều khiển hệ thống cũng nhƣ khái quát chung về báo hiệu trong mạng truyền thông. Từ các nguyên tắc chung của điều khiển tới tiếp cận điều khiển trong mạng viễn thông cho thấy vấn đề điều khiển các hệ thống lớn nhƣPTIT hệ thống viễn thông là rất phức tạp. Tiếp cận điều khiển hệ thống viễn thông hiện nay thƣờng dựa trên một phần điều khiển tự động và quyết định cao nhất từ ngƣời điều hành. Các thuộc tính cơ bản của hệ thống điều khiển cũng đã đƣợc trình bày nhằm giúp ngƣời đọc có đƣợc kiến thức trong phân tích các phƣơng pháp điều khiển. Cụ thể hơn, các giải pháp chính điều khiển mạng viễn thông cũng đƣợc đƣa ra với các phân tích trên nhiều khía cạnh khác nhau. Phần cuối của chƣơng giới thiệu khái quát các vấn đề liên quan tới kiến trúc và phân loại báo hiệu là nền tảng ban đầu cho các chƣơng tiếp theo. Các nội dung ôn tập chính trong chương - Các phƣơng pháp tiếp cận và thuộc tính điều khiển hệ thống viễn thông;
29 - Các giải pháp điều khiển hệ thống viễn thông; - Tiếp cận RACF và RASF; - Kiến trúc và phân loại chức năng báo hiệu. PTIT
30 CHƯƠNG 2: BÁO HIỆU TRONG MẠNG CỐ ĐỊNH Tóm tắt: Nội dung của chương tập trung vào các giao thức báo hiệu sử dụng cho mạng cố định bao gồm hệ thống báo hiệu số 7 cho mạng chuyển mạch điện thoại công cộng, các giao thức báo hiệu chính theo mô hình hội tụ mạng PSTN và Internet. Các giao thức được trình bày ngắn gọn thông qua kiến trúc, thành phần chức năng và nguyên tắc hoạt động cơ bản. 2.1 KIẾN TRÚC MẠNG HỘI TỤ THEO HƯỚNG MÁY CHỦ CUỘC GỌI Vào khoảng thập niên 60 của thế kỷ 20, xuất hiện sản phẩm tổng đài điện tử số là sự kết hợp giữa công nghệ điện tử với kỹ thuật máy tính. Tổng đài điện tử số công cộng đƣợc điều khiển theo chƣơng trình ghi sẵn SPC (Stored Program Control) đã tạo ra nền tảng phát triển mạng viễn thông số không chỉ phục vụ cho dịch vụ thoại mà còn cho các mạng dịch vụ tích hợp số ISDN (Integrated Service Digital Network). Vào thập niên 90 (1996) khi mạng Internet trở thành bùng nổ trong thế giới công nghệ thông tin đã tác động mạnh mẽ đến công nghiệp viễn thông và xu hƣớng hội tụ các mạng máy tính, truyền thông và điều khiển. Hạ tầng mạng viễn thông đã trở thành tâm điểm trong hạ tầng xã hội với vai trò truyền tải thông tin. Một mạng có thể truyền băng rộng với các loại hình dịch vụ thoại và phi thoại, tốc độ cao và đảm bảo đƣợPTITc chất lƣợng dịch vụ QoS đã trở thành cấp thiết trên nền tảng của một kỹ thuật mới - kỹ thuật truyền tải không đồng bộ ATM (Asynchronous Transfer Mode). Mạng chuyển mạch kênh công cộng PSTN và IP dần hội tụ tới cùng một mục tiêu nhằm hƣớng tới một hạ tầng mạng tốc độ cao có khả năng tƣơng thích với các ứng dụng đa phƣơng tiện tƣơng tác và đảm bảo chất lƣợng dịch vụ. Sự khác biệt này bắt đầu từ những năm 1980, PSTN chuyển hƣớng tiếp cận sang phƣơng thức truyền tải bất đồng bộ ATM để hỗ trợ đa phƣơng tiện và QoS, sau đó chuyển hƣớng sang công nghệ kết hợp với IP để thực hiện chuyển mạch nhãn đa giao thức MPLS (Multi Protocol Label Switch) hiện nay. Trong khi đó Internet đƣa ra một tiếp cận khác với PSTN qua giải pháp triển khai kiến trúc phân lớp dịch vụ
31 CoS (Class Of Service) và hƣớng tới đảm bảo chất lƣợng dịch vụ QoS thông qua mô hình tích hợp dịch vụ IntServ và phân biệt dịch vụ DiffServ. Các chiến lƣợc của Internet theo hƣớng tƣơng thích với IP, các hạ tầng lớp 2 tích cực và mạng truyền tải quang. Sự hình thành cấu trúc hội tụ đƣợc tiếp cận từ hai góc độ: giữa hạ tầng mạng cố định và internet; hạ tầng mạng cố định và mạng di động. Với hai khái niệm về hội tụ bao gồm: hội tụ mạng là tiếp cận sử dụng chung hạ tầng truyền thông và hội tụ dịch vụ tại các lớp cao hơn của hệ thống. Dƣới góc độ hội tụ mạng, sự thay đổi công nghệ đƣợc chú trọng vào các hệ thống chuyển mạch, với yêu cầu độ mềm dẻo lớn nhằm tƣơng thích và đáp ứng các yêu cầu tăng trƣởng lƣu lƣợng từ phía khách hàng. Vì vậy, cơ chế điều khiển các hệ thống chuyển mạch đã đƣợc phát triển theo hƣớng phân lớp và module hoá nhằm nâng cao hiệu năng chuyển mạch và đảm bảo QoS từ đầu cuối tới đầu cuối. Đặc trƣng cơ bản của mạng hội tụ đƣợc phản ánh qua một hình thái mạng mới với tên gọi là mạng thế hệ kế tiếp NGN (Next Generation Network). Định nghĩa thƣờng đƣợc sử dụng cho NGN là một mạng hội tụ có hạ tầng thông tin duy nhất dựa trên công nghệ chuyển mạch gói và đƣợc điều khiển tập trung bởi chuyển mạch mềm (Softswitch). NGN cần đƣợc quản lý tập trung và cho phép triển khai nhanh chóng các dịch vụ mới. NGN còn đƣợc biết đến với các tên gọi khác nhƣ: mạng đa dịch vụ - cung cấp nhiều loPTITại hình dịch vụ trên cùng một hệ thống mạng; mạng hội tụ - hổ trợ cả lƣu lƣợng thoại và số liệu, cả cố định và di động; mạng phân lớp - phân thành nhiều lớp chức năng. Khuyến nghị Y.2001 của liên minh viễn thông quốc tế ITU-T đƣa ra định nghĩa: Mạng thế hệ kế tiếp (NGN) là mạng chuyển mạch gói có khả năng cung cấp các dịch vụ viễn thông và tạo ra ứng dụng băng thông rộng, các công nghệ truyền tải đảm bảo chất lƣợng dịch vụ và trong đó các chức năng dịch vụ độc lập với các công nghệ truyền tải liên quan. NGN cho phép truy nhập không giới hạn tới mạng và là môi trƣờng cạnh tranh giữa các nhà cung cấp dịch vụ trên các kiểu dịch vụ cung
32 cấp. NGN hỗ trợ tính di động toàn cầu cho các dịch vụ cung cấp tới ngƣời sử dụng sao cho đồng nhất và đảm bảo. Hƣớng tiếp cận máy chủ cuộc gọi CS đƣợc hình thành trong quá trình chuyển đổi các hạ tầng mạng chuyển mạch kênh sang chuyển mạch gói trong mạng PSTN. Để thực hiện quá trình chuyển đổi và truyền thoại trên nền IP, một giải pháp có thể thực thi là tạo ra một thiết bị lai có thể chuyển mạch thoại ở cả dạng kênh và gói với sự tích hợp của phần mềm xử lý cuộc gọi. Điều này đƣợc thực hiện bằng cách tách riêng chức năng xử lý cuộc gọi khỏi chức năng chuyển mạch vật lý. Thiết bị Bộ điều khiển cổng đa phƣơng tiện MGC (Media Gateway Controller) đƣợc coi là thành phần mấu chốt trong giải pháp kỹ thuật chuyển mạch mềm (Softswitch). Thực chất của khái niệm chuyển mạch mềm chính là phần mềm thực hiện chức năng xử lý cuộc gọi trong hệ thống chuyển mạch có khả năng chuyển tải nhiều loại thông tin với các giao thức khác nhau (chức năng xử lý cuộc gọi bao gồm định tuyến cuộc gọi và quản lý, xác định và thực thi các đặc tính cuộc gọi). Theo thuật ngữ chuyển mạch mềm thì chức năng chuyển mạch vật lý đƣợc thực hiện bởi cổng đa phƣơng tiện MG (Media Gateway), còn xử lý cuộc gọi là chức năng của bộ điều khiển cổng đa phƣơng tiện MGC. Trong chuyển mạch truyền thống, phần cứng chuyển mạch luôn đi kèm với phần mềm điều khiển của cùng một nhà cung cấp. Điều này làm tăng tính độc quyền trong việc cung cấp các hPTITệ thống chuyển mạch, không cung cấp một môi trƣờng kiến tạo dịch vụ mới, làm giới hạn khả năng phát triển các dịch vụ mới của các nhà quản trị mạng. Khắc phục điều này, chuyển mạch mềm đƣa ra giao diện lập trình ứng dụng mở API (Application Programable Interface), cho phép tƣơng thích phần mềm điều khiển và phần cứng của các nhà cung cấp khác nhau. Điều này cho phép các nhà cung cấp phần mềm và phần cứng có đƣợc tiếng nói chung và tập trung vào lĩnh vực của mình. Với các giao diện lập trình mở, chuyển mạch mềm có thể dễ dàng đƣợc nâng cấp, thay thế và tƣơng thích với ứng dụng của các nhà cung cấp khác nhau.
33 2.1.1 Mô hình kiến trúc mạng Do NGN đƣợc tiếp cận từ nhiều khía cạnh khác nhau, nên các mô hình cấu trúc mạng cũng đƣợc xây dựng trên nhiều quan điểm khác nhau. Dƣới đây sẽ khái quát một số hƣớng tiếp cận chính do các tổ chức viễn thông lớn của thế giới đƣa ra. Mô hình NGN của ITU-T : Cấu trúc mạng thế hệ kế tiếp NGN nằm trong mô hình cấu trúc thông tin toàn cầu GII (Global Information Infrastructure) do ITU-T đƣa ra. Mô hình này gồm 3 lớp chức năng: (i) các chức năng ứng dụng, (ii) các chức năng trung gian (điều khiển dịch vụ, quản lý) và (iii) các chức năng cơ sở (chức năng mạng, chức năng lƣu trữ và xử lý, chức năng giao tiếp ngƣời-máy). TruyÒn th«ng Cung cÊp dÞch vô CÊu tróc vµ nèi m¹ng xö lý vµ l•u tr÷ th«ng tin th«ng tin ph©n t¸n Giao diÖn C¸c chøc n¨ng øng dông ch•¬ng tr×nh øng dông C¸c chøc n¨ng trung gian Giao diÖn Cung cÊp ch•¬ng dÞch vô tr×nh c¬ C¸c chøc n¨ng c¬ së truyÒn th«ng së chung C¸c chøc C¸c chøc Chøc n¨ng n¨ng n¨ng ®iÒu khiÓn Chøc n¨ng ®iÒu khiÓn giao tiÕp xö lý vµ Chøc n¨ng ng•êi– m¸y l•u tr÷ truyÒn t¶i Chøc n¨ng truyÒn t¶i PTIT Hình 2.1: Các chức năng GII và mối quan hệ Mô hình NGN của IETF: Tổ chức đặc nhiệm kỹ thuật internet IETF (Internet Engineering Task Force) quan niệm cấu trúc hạ tầng mạng thông tin toàn cầu cần có mạng truyền tải sử dụng giao thức IP với bất cứ công nghệ lớp nào. Nghĩa là IP cần có khả năng truyền tải kết hợp với các mạng truy nhập và đƣờng trục sử dụng các giao thức kết nối khác nhau. Đối với mạng truy nhập, IETF có IP trên mạng cáp và IP trên môi trƣờng vô tuyến. Đối với mạng đƣờng trục, IETF có hai giao thức chính là IP trên ATM và IP với giao thức điểm nối điểm PPP trên nền mạng phân cấp số đồng bộ SONET/SDH. IETF cũng là tổ chức đƣa ra nhiều tiêu chuẩn về chức năng
34 chuyển mạch nhãn đa giao thức MPLS là sự kết hợp lai ghép giữa công nghệ IP và công nghệ ATM. Mô hình NGN của 3GPP: Tổ chức dự án thành viên thế hệ thứ 3 3GPP (3rd Generation Partnership Project) và 3GPP2 tiếp cận NGN bằng giải pháp hội tụ giữa mạng cố định và mạng di động nhằm hỗ trợ truyền thông đa phƣơng tiện hội tụ giữa thoại, video, audio với dữ liệu và hội tụ truy nhập giữa 2G, 3G và 4G với mạng không dây. Phân hệ đa phƣơng tiện IP IMS (IP Multimedia Subsystem) là một kiến trúc chuẩn và có tính mở nhằm mục đích chuyển tiếp các dịch vụ đa phƣơng tiện qua các mạng di động và IP, sử dụng cùng một loại giao thức chuẩn cho cả các dịch vụ di động cũng nhƣ IP cố định. Đƣợc thiết kế dựa trên giao thức khởi tạo phiên SIP (Session Initiation Protocol), IMS định nghĩa các giao diện mặt bằng điều khiển chuẩn để tạo ra các ứng dụng mới. IMS phiên bản đầu tiên đƣợc thiết kế riêng cho mạng di động nhằm tìm cách triển khai các ứng dụng IP trên mạng di động thế hệ 3 (3G). Các phiên bản kế tiếp của IMS đã đƣợc định nghĩa độc lập với phần truy nhập. Thiết kế của IMS cho phép phối hợp hoạt động giữa các dịch vụ và ứng dụng IP cũng nhƣ giữa các thuê bao. IMS đặc biệt tối ƣu hoá cho các ứng dụng SIP và đa phƣơng tiện. Ngoài ra, IMS cho phép phát triển nhanh chóng và linh hoạt các dịch vụ mới, cùng với khả năng hội tụ cố định với di động. Phân hệ mạng lõi đa phƣơng tiện IP bao gồm tất cả các thành phần mạng lõi để cung cấp các dịch vụ đa phƣơng tiện IP. Các thành phần nàyPTIT liên quan đến mạng báo hiệu và mạng mang nhƣ đã xác định ở 3GPP TS 23.002 "Network Architecture". Dịch vụ đa phƣơng tiện IP đƣợc dựa trên khả năng điều khiển phiên, các mạng mang đa phƣơng tiện, các tiện ích của miền chuyển mạch gói do IETF xác định. Để các đầu cuối có thể truy nhập độc lập với vận hành và bảo dƣỡng qua mạng Internet, phân hệ đa phƣơng tiện IP đã cố gắng tƣơng thích với các chuẩn Internet do IETF đƣa ra. Phân hệ mạng lõi đa phƣơng tiện IP cho phép các nhà vận hành mạng di động mặt đất PLMN (Public Landline Mobile Network) sẵn sàng phục vụ các dịch vụ đa phƣơng tiện cho khách hàng của họ bằng cách xây dựng các ứng dụng, dịch vụ với các giao thức Internet. Mục đích chính ở đây là để dịch vụ đƣợc phát triển bởi các
35 nhà khai thác mạng PLMN và các nhà cung cấp thứ ba khác. IMS cho phép truy nhập thoại, hình ảnh, video, bản tin, dữ liệu và web dựa trên các công nghệ cho ngƣời dùng đầu cuối không dây, và có thể phối hợp sự phát triển của Internet với sự phát triển của truyền thông di động. Hiện nay, IMS là sự lựa chọn tối ƣu cho việc phân phát dịch vụ hội tụ và đa phƣơng tiện, IMS cho phép cung cấp các dịch vụ IP trên cả mạng di động và cố định. Các khảo sát gần đây về ngành công nghiệp viễn thông đều cho thấy mối quan tâm đặc biệt đến mô hình kiến trúc này. Mô hình NGN của ETSI: Quan điểm của Viện tiêu chuẩn viễn thông Châu âu và đặc biệt là nhóm tiêu chuẩn TISPAN (Telecommunications and Internet converged Services and Protocols for Advanced Networking) đã có nhiều đóng góp tích cực trong vấn đề chuẩn hóa NGN. TISPAN tập trung vào phần hội tụ mạng cố định và Internet và khởi phát một kế hoạch đơn giản để đáp ứng đƣợc những yêu cầu cấp thiết của thị trƣờng gồm: đảm bảo cung cấp tất cả các dịch vụ hỗ trợ bởi phân hệ đa phƣơng tiện IMS của 3GPP đến ngƣời sử dụng băng rộng và những dịch vụ IMS lựa chọn cho các khách hàng PSTN/ISDN kết nối đến NGN; cung cấp phần lớn dịch vụ PSTN/ISDN hiện có của một nhà khai thác mạng đến thiết bị và những giao diện kế thừa để hỗ trợ các kịch bản thay thế PSTN/ISDN; mở rộng IMS của 3GPP để bao trùm các vùng mà 3GPP không thể phủ đến đƣợc, đặc biệt là những dịch vụ nhƣ chặn cuộc gọi, cuộc gPTITọi khẩn cấp, v.v. Hình 2.2: Kiến trúc mạng NGN theo ETSI
36 Theo kiến trúc của TISPAN, mạng truy nhập đƣợc xem nhƣ là thành phần mạng giữa các thiết bị của khách hàng và là thành phần mạng đầu tiên để hỗ trợ những tƣơng tác điều khiển dịch vụ. Để phát triển tính độc lập mạng truy nhập và xúc tiến mô hình hội tụ FMC (Fixed Mobile Convergence), TISPAN đã chọn hỗ trợ các mạng truy nhập băng rộng cố định hiện thời và yêu cầu mạng truy nhập kết nối IP (IP-CAN) đƣợc hỗ trợ. Về cơ bản, kiến trúc mạng NGN của ETSI cũng gồm các lớp tƣơng tự nhƣ kiến trúc mạng NGN của ITU-T. Trong kiến trúc này, phân hệ đa phƣơng tiện IP nằm giữa và liên kết các lớp truyền tải (mạng truy nhập thông qua phân hệ điều khiển tài nguyên và mạng lõi) và lớp dịch vụ. Kiến trúc NGN tổng quan theo ETSI có các đặc điểm sau: kế thừa từ các mạng hiện có nhƣ PSTN, ISDN, Internet, PLMN ; xây dựng thêm các phân hệ và giao thức mới với mục đích bổ sung thêm các loại hình dịch vụ, cung cấp dịch vụ đa phƣơng tiện và hội tụ mạng (phân hệ IMS); mạng truyền tải đƣợc gói hóa hoàn toàn với công nghệ đƣợc sử dụng là IP. 2.1.2 Các giải pháp kết nối Nhằm mô tả các giải pháp kết nối trong mạng NGN, ta xem xét từ góc độ thành phần chức năng của các phần tử vật lý trong mạng. Các phần tử chính của NGN đƣợc thể hiện trên hình 2.3.PTIT Hình 2.3: Các thành phần chính trong mạng thế hệ kế tiếp
37 Các thiết bị chính đƣợc trình bày trong phần này gồm: (i) cổng phƣơng tiện MG (Media gateway), (ii) bộ điều khiển cổng phƣơng tiện MGC (Media Gateway Controller), (iii) cổng báo hiệu SG (Signalling Gateway), (iv) máy chủ phƣơng tiện MS (Media Server) và (v) máy chủ ứng dụng/đặc tính AS/FS (Application Server/ Feature Server). (i) Cổng phương tiện MG Cổng phƣơng tiện (MG) là thiết bị chuyển đổi giao thức và truyền tải định dạng thông tin dữ liệu từ loại mạng này sang một mạng khác, thông thƣờng là từ dạng chuyển mạch kênh sang dạng gói. Thực tế, MG chuyển đổi giữa các dữ liệu mã truyền trong mạng IP sang mã hoá truyền trong mạng chuyển mạch kênh và ngƣợc lại. MG thực hiện việc mã hoá, giải mã và nén dữ liệu dƣới sự điều khiển của chuyển mạch mềm. Ngoài ra, MG còn tập hợp dữ liệu cho việc tính cƣớc và hệ thống chăm sóc khách hàng (khả năng cung cấp hồ sơ, hỗ trợ nhanh cuộc gọi cả trong thời gian thực và phi thời gian thực) hay phát hiện ngƣỡng dữ liệu nếu yêu cầu. MG hỗ trợ các giao thức định tuyến chính trong mạng IP nhƣ giao thức định tuyến tìm đƣờng ngắn nhất trƣớc tiên OSPF (Open Shortest Path First) hay giao thức định tuyến cổng biên BGP (Border Gateway Protocol) Yêu cầu chính đối với MG là phải cung cấp chất lƣợng truyền thông tin tốt, cụ thể là phải đảm bảo trễ và tỉ lệ mất gói thấp. Một yêu cầu gần nhƣ bắt buộc đối với MG là tính mở để cho phép kết nối MG với các phPTITần tử mạng khác nhƣ MGC sử dụng các giao thức điều khiển tiêu chuẩn. Việc sử dụng các giao thức chuẩn cho phép nhà điều hành ít phụ thuộc nhất vào các nhà cung cấp và thuận tiện trong việc thay thế các phần tử mạng. Trong thiết bị Media Gateway thƣờng sử dụng các giao thức nhận thực để hỗ trợ tính năng bảo mật cho các kênh truyền truyền thông. Cuối cùng, MG cần đảm bảo độ linh hoạt và tin cậy. b, Bộ điều khiển cổng phương tiện Bộ điều khiển cổng phƣơng tiện MGC là thành phần chính của hệ thống chuyển mạch mềm. MGC đƣa ra các quy luật xử lý cuộc gọi, còn MG và SG sẽ thực hiện
38 các quy luật đó. MGC điều khiển SG thiết lập và kết thúc cuộc gọi. Ngoài ra, MGC còn giao tiếp với hệ thống điều hành OS (Operating System) và hệ thống trợ giúp kinh doanh BSS (Bussiness Support System). MGC chính là cầu nối điều khiển và báo hiệu giữa các mạng có đặc tính khác nhau cho mạng chuyển mạch điện thoại công cộng PSTN, hệ thống báo hiệu số 7 SS7 (Signalling System No7) và mạng IP. MGC chịu trách nhiệm quản lý lƣu lƣợng thoại và dữ liệu qua các mạng khác nhau. MGC cũng đƣợc gọi là Call Agent do chức năng điều khiển các bản tin xử lý cuộc gọi. Call Agent thực hiện điều khiển cuộc gọi trên các khía cạnh gồm mô hình cuộc gọi, chuyển giao tín hiệu và điều khiển cổng phƣơng tiện. Ngoài ra, MGC cung cấp giao diện phù hợp với máy chủ ứng dụng để điều khiển dịch vụ và chính sách. Truyền thông giữa các MGC đƣợc thực hiện bởi các giao thức tiêu chuẩn, Call Agent cũng cho phép các đầu cuối IP kết nối trực tiếp sử dụng các giao thức điển hình. Yêu cầu chính đối với các MGC là tính mở để cho phép sử dụng các giao thức chuẩn và giao diện lập trình ứng dụng mở. Tính năng này đảm bảo tính độc lập của các nhà cung cấp đối với sự phát triển của dịch vụ và cho phép sử dụng dịch vụ ba bên. c, Cổng báo hiệu Cổng báo hiệu SG là cầu nối báo hiệu giữa SS7 với mạng IP dƣới sự điều khiển của MGC. SG đóngvai trò tƣơng tự nhƣ một nút mạng của SS7 để xử lý thông tin báo hiệu và chuyển giao PTITthông tin báo hiệu. Cổng báo hiệu đảm nhiệm các chức năng sau: cung cấp việc liên kết báo hiệu giữa mạng chuyển mạch kênh và mạng gói; nếu trên cùng một kênh chứa cả thông tin thoại và báo hiệu, SG đƣợc tích hợp trực tiếp trên MG; nếu SS7 hoạt động theo chế độ tựa liên kết thì SG là thiết bị độc lập. d, Máy chủ phương tiện Máy chủ phƣơng tiện MS là thành phần tùy chọn của hệ thống chuyển mạch mềm đƣợc sử dụng để xử lý các thông tin đặc biệt. MS cung cấp chức năng tƣơng tác giữa ngƣời gọi và các ứng dụng thông qua thiết bị truyền thông nhƣ: trả lời tự
39 động, phát thông báo MS phân phát dịch vụ thoại và video trên mạng gói, nhƣ cầu hội nghị (nếu dịch vụ này không đƣợc MG hỗ trợ), thông báo (các thông báo đơn giản do MG gửi), hỗ trợ mạng thông minh IN và một số tƣơng tác ngƣời dùng. Chức năng MS có thể đƣợc tích hợp trong MGC hoặc tại cổng phƣơng tiện MG. e, Máy chủ ứng dụng/đặc tính Máy chủ đặc tính FS là một máy chủ chứa một loạt dịch vụ của doanh nghiệp nên còn đƣợc gọi là máy chủ ứng dụng thƣơng mại. Máy chủ đặc tính xác định tính hợp lệ và hỗ trợ các thông số dịch vụ thông thƣờng cho hệ thống chuyển mạch. Giữa MGC và FS có thể sử dụng các giao thức chuẩn hoặc giao diện chƣơng trình ứng dụng mở API. Vì hầu hết các AS/FS tự quản lý các dịch vụ và truyền thông qua mạng IP nên chúng không ràng buộc nhiều với hệ thống chuyển mạch mềm về việc phân chia hay nhóm các thành phần ứng dụng. Một số tính năng cơ bản của máy chủ ứng dụng gồm: xác thực và bảo mật; truyền thông; cung cấp dữ liệu; quản lý và điều khiển dịch vụ 2.1.3 Chức năng mặt bằng báo hiệu và điều khiển Nhƣ trên đã trình bày, thành phần chính của chuyển mạch mềm là bộ điều khiển cổng phƣơng tiện MGC và các thành phần hỗ trợ khác nhƣ: Cổng báo hiệu SG, cổng đa phƣơng tiện MG, máy chủ đa phƣơng tiện MS và các máy chủ ứng dụng. Trong đó, cổng đa phƣơngPTIT tiện MG là thành phần nằm trên lớp phƣơng tiện, cổng báo hiệu SG là thành phần ở trên cùng lớp với MGC, MS và AS nằm trên lớp ứng dụng. Sơ đồ kết nối và giao thức báo hiệu và điều khiển giữa các thành phần ở trên đƣợc mô tả trên hình 2.4. Trong đó các thiết bị thuộc mạng IP là các bộ định tuyến (Router), các chuyển mạch thuộc mạng đƣờng trục để truyền tải các gói tin đi. Mạng Non-IP là các mạng có các đầu cuối không phải thuộc mạng IP và các mạng truy nhập khác nhƣ mạng vô tuyến không dây. Các thiết bị đầu cuối không thuộc mạng IP nhƣ: thiết bị đầu cuối ISDN, thiết bị truy nhập tích hợp IAD (Intergated Access Device) cho mạng đƣờng dây thuê bao số DSL (Digital Subcriber Line), v v.
40 Server tính năng/ Server ứng dụng phƣơng tiện SIP SIP ENUM/TRIP MGCP Bộ điều khiển cổng SIP Bộ điều khiển cổng SIP Bộ điều khiển cổng phƣơng tiện phƣơng tiện phƣơng tiện SIGTRAN Megaco MGCP Cổng Cổng báo hiệu phƣơng tiện Các SS7 mạng khác PSTN Mạng IP (không phải IP) TDM/ATM Hình 2.4: Kết nối MGC với các thành phần khác của NGN Các chức năng chính của MGC đƣợc thể hiện ở hình 2.5. CA-F và IW-F là hai chức năng con của MGC-F. CA-F đƣợc kích hoạt khi MGC-F thực hiện điều khiển cuộc gọi. IW-F đƣợc kích hoạt khi MGC-F thực hiện các báo hiệu giữa các mạng báo hiệu khác nhau. Thực thể chức năng quản lý liên điều hành có nhiệm vụ liên lạc và trao đổi thông tin giữa các MGC. Server phƣơng tiện Server ứng dụng MS-F AS-F Bộ quản lý giữa các MGC MGC-F Chức năng liên mạng Bộ quản lý phiên kết nối Bộ quản lý phiên truy nhập IW-F MGC-F R-F/A-F Báo hiệu và điều khiển cuộc gọi Bộ điều khiển cổng CA-F phƣơng tiện CPTITổng báo hiệu Cổng phƣơng tiện SG-F MG-F Hình 2.5: Chức năng của bộ điều khiển cổng đa phương tiện MGC Các chức năng chính của MGC có thể tóm tắt nhƣ sau: (i) điều khiển cuộc gọi, duy trì trạng thái mỗi cuộc gọi trên một MG; (ii) điều khiển và hỗ trợ hoạt động cho MG và SG; (iii) trao đổi các bản tin cơ bản giữa hai MG-F; (iv) xử lý bản tin báo hiệu số 7; (v) xử lý bản tin điều khiển QoS; (vi) chức năng định tuyến; (vii) tƣơng tác với AS/AF; (viii) quản lý tài nguyên mạng thông qua MG.
41 Các giao thức báo hiệu và điều khiển của MGC đƣợc sử dụng gồm: (i) thiết lập cuộc gọi; (ii) điều khiển cổng đa phƣơng tiện; (iii) truyền thông tin dữ liệu; (iv) điều khiển cổng báo hiệu. 2.2 HỆ THỐNG BÁO HIỆU SỐ 7 SS7 là một hệ thống báo hiệu kênh chung đƣợc triển khai phổ biến và rộng khắp trên các mạng viễn thông truyền thống. SS7 đƣợc sử dụng với chức năng báo hiệu cho nhiều loại hình dịch vụ gồm: dịch vụ dữ liệu, video, thoại, audio, hay truyền thoại theo giao thức internet VoIP (Voice over Internet Protocol). Các chức năng và dịch vụ cơ bản do SS7 cung cấp gồm: o Thiết lập và giải phóng các kết nối chuyển mạch kênh trên mạng cố định cũng nhƣ mạng tế bào. o Cung cấp đƣợc các dịch bổ sung trong mạng tiên tiến nhƣ hiển thị số thuê bao chủ gọi, tự động gọi lại o Quản lý tính năng di động trong mạng tế bào cho phép thuê bao thay đổi vị trí địa lý trong khi vẫn duy trì sự kết nối với mạng. o Thực hiện đƣợc dịch vụ nhắn tin ngắn SMS (Short Message) và dịch vụ nhắn tin nâng cao thông qua cơ chế truyền tải nội dung của bản tin. o Hỗ trợ các dịch vụ của mạng thông minh IN (Inteligent Network) và các mạng số đa dữ liệu tíchPTIT hợp ISDN. 2.2.1 Mô hình kiến trúc chức năng Mô hình kiến trúc chức năng của hệ thống báo hiệu số 7 đƣợc tham chiếu tới mô hình OSI gồm 4 lớp. Các dịch vụ từ lớp 1 đến lớp 3 của OSI đƣợc cung cấp bởi các phần chuyển tải bản tin MTP (Message Transport Part) và phần điều khiển kết nối báo hiệu SCCP (Signalling Connection Control Part). Từ lớp 4 đến lớp 7 tƣơng ứng với mức 4 - phần ngƣời dùng trong SS7 nhƣ hình vẽ 2.7. Mỗi giao thức sử dụng trong SS7 đều có những ứng dụng riêng biệt và đƣợc sử dụng tƣơng ứng với mạng mà nó cung cấp dịch vụ. Tuỳ thuộc vào SS7 sử dụng cho mạng tế bào hay mạng thông minh, tuỳ thuộc vào việc truyền tải qua IP hay điều khiển cho mạng băng
42 rộng ATM thay vì mạng ghép kênh theo thời gian TDM (Time Division Mode) mà sự phối hợp sử dụng các giao thức trong SS7 là khác nhau. Hình 2.6: Kiến trúc SS7 và mô hình tham chiếu OSI Kiến trúc hệ thống báo hiệu số 7 đƣợc chia thành hai phần chính: phần truyền bản tin MTP và phần ngƣời dùng UP (User Part). MTP là hệ thống vận chuyển chung để truyền các bản tin báo hiệu giữa hai điểm báo hiệu SP (Signalling Point). MTP truyền các bản tin báo hiệu giữa các phần ngƣời dùng UP khác nhau và hoàn toàn độc lập với nội dung các bản tin đƣợc truyền. MTP chịu trách nhiệm chuyển chính xác bản tin từ một UP này tới một UP khác. Điều này có nghĩa là bản tin báo hiệu đƣợc chuyển sẽ đƣợc kiểm tra chính xác trƣớc khi chuyển cho UP. Phần ngƣời sử dụng thực chất là một sPTITố định nghĩa phần ngƣời sử dụng khác nhau tuỳ thuộc vào kiểu sử dụng của hệ thống báo hiệu. UP là phần tạo ra và phân tích bản tin báo hiệu. Chúng sử dụng MTP để chuyển thông tin báo hiệu đến một UP khác cùng loại. Hiện đang tồn tại một số UP trên mạng lƣới: TUP (Telephone User Part): phần ngƣời sử dụng cho mạng thoại; DUP (Data User Part): phần ngƣời sử dụng cho mạng số liệu; ISUP (ISDN User Part): phần ngƣời sử dụng cho mạng ISDN; MTUP (Mobile Telephone User Part): phần ngƣời sử dụng cho mạng điện thoại di động. Về lý thuyết, hệ thống CCS7 có ba phƣơng thức hoạt động dựa trên sự liên kết giữa đƣờng truyền báo hiệu và kênh thoại (dữ liệu gồm: gắn kết, tựa gắn kết và tách biệt. Trong phƣơng thức báo hiệu liên kết, các kênh thoại và kênh báo hiệu liên
43 quan nằm trên cùng tuyến đƣờng truyền nối giữa hai điểm báo hiệu kề nhau. Phƣơng thức báo hiệu bán gắn kết (Quasi-associated) các thông tin báo hiệu liên quan đến cuộc gọi đƣợc truyền trên hai hoặc nhiều chùm kênh báo hiệu ở các tổng đài quá giang và đi qua một hoặc nhiều STP khác tới điểm báo hiệu đích của thông tin báo hiệu. Các điểm báo hiệu mà thông tin báo hiệu đi qua đƣợc gọi là điểm chuyển tiếp báo hiệu STP (Signalling transfer point). Phƣơng thức báo hiệu tách biệt hoàn toàn (Fully dissociated) này rất ít đƣợc sử dụng trong thực tế. 2.2.2 Thành phần mạng báo hiệu số 7 Trong mạng báo hiệu số 7, thông tin truyền đi dƣới dạng các đơn vị báo hiệu SU(Signalling Unit) giống nhƣ các gói dữ liệu trong mạng chuyển mạch gói. Phần chuyển giao bản tin MTP thực hiện việc truyền các đơn vị báo hiệu SU. Cấu trúc của SU liên quan chặt chẽ tới hoạt động của MTP và có 3 loại đơn vị báo hiệu chính: (i) đơn vị báo hiệu bản tin MSU (Message Signal Unit) chứa dữ liệu trao đổi giữa các phần ngƣời dùng hoặc thông tin quản lý mạng; (ii) Đơn vị báo hiệu trạng thái đƣờng liên kết (Link Status Signal Unit) mang thông tin về tình trạng kênh báo hiệu đƣợc sử dụng để quản lý tình trạng các kênh báo hiệu; (iii) đơn vị báo hiệu điền đầy (Fill-in Signal Unit) đƣợc sử dụng để phát hiện lỗi đƣờng truyền trên các kênh báo hiệu trong trƣờng hợp không còn đơn vị bản tin MSU nào để trao đổi thông tin trên đƣờng truyềPTITn. Các thành phần phân lớp MTP gồm 3 lớp: liên kết dữ liệu báo hiệu, liên kết báo hiệu và mạng báo hiệu. Lớp liên kết dữ liệu báo hiệu thực chất là lớp đƣờng truyền vật lý, lớp này không quan tâm tới nội dung thông tin đang mang mà chỉ quan tâm tới tính chất và tình trạng kênh truyền. Kênh báo hiệu là đƣờng truyền dẫn hai chiều và có thể là số hay tƣơng tự. Lớp liên kết dữ liệu báo hiệu xác định các tính chất vật lý và đặc điểm chức năng của kênh báo hiệu.
44 Các chức năng lớp liên kết báo hiệu là điều khiển việc nhận và gửi các bản tin báo hiệu giữa các điểm báo hiệu một cách tin cậy và chính xác không có lỗi và không bị trùng lặp. Về mặt chức năng, lớp liên kết báo hiệu thực hiện các nhiệm vụ: đồng bộ cờ hiệu và định dạng giới hạn các bản tin; phát hiện và sửa các bản tin lỗi; đồng bộ ban đầu; điều khiển ngừng hoạt động bộ xử lý khi xảy ra sự cố và điều khiển luồng dữ liệu lớp 2. Lớp mạng báo hiệu trong phần chuyển giao bản tin MTP đƣợc chia thành hai phần chức năng chính: Phần xử lý bản tin báo hiệu và quản lý mạng báo hiệu. Phần xử lý bản tin báo hiệu gồm hai chức năng: nhận dạng và phân phối bản tin báo hiệu; định tuyến bản tin báo hiệu. Phần quản lý mạng báo hiệu gồm 3 phần quản lý: lƣu lƣợng báo hiệu; kênh báo hiệu; tuyến báo hiệu. Ngoài ra còn có chức năng kiểm thử và bảo dƣỡng mạng báo hiệu. Các chức năng định tuyến và thủ tục thiết lập cuộc gọi qua hệ thống báo hiệu số 7 đƣợc trình bày trong mục tiếp theo. 2.2.3 Xử lý định tuyến và thủ tục thiết lập cuộc gọi Hệ thống báo hiệu số 7 là cốt lõi của mạng chuyển mạch điện thoại công công PSTN. Bên cạnh các chức năng điều khiển và báo hiệu cho các cuộc gọi, SS7 còn đƣợc sử dụng cho các dịch vụ mạng thông minh IN cho các ứng dụng dữ liệu. Các địa chỉ node trong SS7 đƣợc gọi là các mã điểm (point code), chúng là các địa chỉ logic và đƣợc nhận dạng tại lớp 3 của chồng giao thức SS7. Có hai dạng mã điểm đƣợc sử dụng trên thế giớPTITi hiện nay tuân theo chuẩn của ANSI và ITU đƣợc mô tả trên hình 2.7. (a) (b) Hình 2.7: Mã điểm theo tiêu chuẩn ANSI và ITU Mã điểm báo hiệu theo tiêu chuẩn của ANSI có độ dài 24 bit và đƣợc chia thành 3 trƣờng chức năng 8 bit gồm: Số hiệu mạng, nhóm và thành viên. Cách đánh địa chỉ theo ANSI tƣơng tự nhƣ cách đánh địa chỉ IP. Trƣờng 8 bit đầu tiên nhận dạng bởi nhà cung cấp mạng SS7, trƣờng thứ hai nhận dạng điểm mã báo hiệu SSP và
45 trƣờng chức năng thứ 3 chỉ ra các thành viên kết nối tới điểm mã báo hiệu. Mã điểm báo hiệu theo ITU có độ dài 14 bit và chia thành 3 trƣờng chức năng: trƣờng thứ nhất gồm 3 bit để nhận dạng vùng, trƣờng thứ hai gồm 8 bit để nhận dạng mạng và trƣờng thứ 3 gồm 3 bit là nhận dạng điểm báo hiệu SSP. Hình 2.8: Cấu hình nút và liên kết mạng SS7 Hình 2.8 mô tả một mạng SS7 điển hình gồm các kiểu node trong mạng SS7 nhƣ: Điểm chuyển mạch dịch vụ SSP, Điểm chuyển tiếp dịch vụ STP và điểm điều khiển dịch vụ SCP. Sáu dạng liên kết đƣợc định nghĩa trong mạng SS7 gồm: o Liên kết truy nhập (A-link) kết nối các SSP tới STP, hoặc SCP tới STP. o Liên kết cầu nối (BPTIT-link) kết nối các STP không cùng lớp. o Liên kết chéo (C-link) kết nối chéo các STP cùng lớp. o Liên kết trực giao (D-link) kết nối các SSP tới các STP của vùng khác. o Liên kết mở rộng (E-link) sử dụng để kết nối một SSP tới STP của vùng khác. o Liên kết đủ (F-link) sử dụng để kết nối trực tiếp hai nhóm SSP. Định tuyến các bản tin báo hiệu trong mạng SS7 đƣợc thực hiện theo phƣơng pháp từng chặng (hop-by-hop) và dựa trên một tập luật định tuyến dƣới đây: o Một bản tin phát ra từ SSP tới một SSP kết nối trực tiếp sẽ chọn đƣờng F- link trƣớc. Nếu F-link không tồn tại, bản tin sẽ chọn A-link là tuyến đƣờng dẫn cho bản tin.
46 o Một bản tin từ một SSP tới một SSP khác đƣợc phục vụ bởi một cặp STP đƣợc định tuyến theo đƣờng A-link tới STP của vùng sau đó mới đƣợc chuyển tiếp. o Một bản tin đã tới STP của vùng đích lựa chọn A-link để kết nối tới SSP đích, nếu A-link không tồn tại, bản tin theo đƣờng C-link tới STP cùng cặp để kết nối tới SSP đích. o Một bản tin đã tới STP của vùng đích có thể chọn E-link tới SSP đích, nếu E- link không tồn tại, bản tin đƣợc định tuyến tới STP của vùng nguồn theo B- link. Lựa chọn tiếp theo là sử dụng B-link tới vùng đích thứ hai của SSP hoặc sử dụng C-link tới các vùng khác có kết nối tới SSP đích. o Một bản tin từ một SSP tới một SCP thực hiện định tuyến trên F-link nếu F- link tồn tại, nếu F-link không tồn tại, bản tin sẽ đƣợc định tuyến tới STP nguồn trên đƣờng A-link để kết nối tới SCP. Dựa trên các luật trên, mạng báo hiệu SS7 xây dựng một cấu trúc dự phòng cho phép định tuyến đa đƣờng giữa hai node SS7. Một tuyến trong mạng SS7 là một tập liên kết tuần tự định nghĩa con đƣờng từ SSP nguồn tới SSP đích, một tập hợp tuyến gồm nhiều tuyến từ nguồn tới đích có ít nhất hai tuyến: một tuyến sơ cấp và một tuyến thứ cấp, điều này cho phép cung cấp tùy chọn luân phiên tại mỗi nút. PTIT Hình 2.9: Trường thông tin lớp 3 của bản tin báo hiệu Việc định tuyến bản tin báo hiệu đƣợc dựa trên chức năng xử lý bản tin báo hiệu của một User nào đó tại điểm báo hiệu nguồn đƣợc gửi đến đúng User thích hợp tại điểm báo hiệu đích. Chức năng này đƣợc thực hiện dựa vào các bit trong các trƣờng thông tin dịch vụ SIO (Service Information Octet) và nhãn định tuyến trong trƣờng
47 thông tin báo hiệu SIF (Signalling Information Field) của bản tin báo hiệu nhƣ chỉ ra trên hình 2.9. Trƣờng SIO trong đơn vị báo hiệu MSU chứa dữ liệu chỉ thị dịch vụ SI (Service Indicatior)) và trƣờng dịch vụ con SSF (Sub Service Field). Chỉ thị dịch vụ SI để thực hiện việc phân phối bản tin theo dịch vụ định sẵn và trƣờng dịch vụ con SSF chứa các bit chỉ thị mã quốc gia, bit dự phòng phục vụ cho định tuyến bản tin. Nhãn định tuyến tiêu chuẩn có độ dài 32 bit và đƣợc đặt ở đầu trƣờng thông tin báo hiệu SIF. Nhãn chứa toàn bộ thông tin cần thiết để định tuyến bản tin tới đích cuối cùng. Mã điểm báo hiệu đích DPC (Destination Point Code) xác định điểm đích của bản tin. Mã điểm báo hiệu nguồn OPC (Original Point Code) xác định điểm xuất phát của bản tin. Các mã này thuần tuý ở dạng nhị phân. Trƣờng chọn kênh báo hiệu SLS (Signaling Link Selection) đƣợc sử dụng khi cần thiết, để thực hiện nhiệm vụ chia tải. Chức năng định tuyến bản tin chủ yếu dựa trên thông tin DPC và SLS chứa trong nhãn định tuyến. Tuy nhiên, trong một số trƣờng hợp định tuyến sử dụng cả trƣờng SI cho từng dịch vụ. Mỗi điểm báo hiệu SSP đều có bảng định tuyến cho phép SSP xác định kênh báo hiệu để gửi bản tin trên cơ sở DPC và trƣờng SLS. Nhằm chia tải, định tuyến cho phép truyền trên kênh khác hay chùm kênh khác theo nhiều đƣờng dẫn khác nhau.PTIT Thủ tục thiết lập cuộc gọi trong mạng PSTN có thể chia thành hai kiểu cuộc gọi: cuộc gọi thoại và cuộc gọi ISDN. Trƣớc khi mô tả thủ tục cuộc gọi, ta xem xét một số bản tin thƣờng đƣợc sử dụng. Thủ tục thiết lập báo hiệu cho một cuộc gọi thông thƣờng đƣợc thực hiện qua các bản tin báo hiệu chính sau: o Bản tin địa chỉ khởi tạo IAM (Initial Adress Message): IAM là bản tin đƣợc gửi trƣớc tiên trên hƣớng đi trong quá trình thiết lập cuộc gọi. IAM chứa thông tin địa chỉ và một số thông tin phụ trợ liên quan đến việc định tuyến và xử lý cuộc gọi. Trƣờng chức năng SIF chứa nhãn định tuyến và các thông tin nhƣ: địa chỉ thuê bao, chỉ thị bản tin và kiểu thuê bao
48 o Bản tin địa chỉ khởi tạo với thông tin phụ trợ IAI (Initial address signal with additional information): Tƣơng tự nhƣ bản tin IAM nhƣng bổ sung thêm các thông tin phụ trợ về thuê bao chủ gọi nhƣ loại thuê bao hay phƣơng pháp tính cƣớc. o Bản tin địa chỉ kế tiếp SAM (Subsequent Address Message): Là bản tin hƣớng đi để truyền các con số địa chỉ theo phƣơng thức từng bƣớc. Phƣơng thức gửi trọn số của thuê bao đƣợc xử lý bởi bản tin IAM hoặc IAI. o Bản tin địa chỉ kế tiếp một tín hiệu địa chỉ SAO (Subsequent Address Message With One Signal): SAO cho phép việc sử dụng linh động phƣơng pháp truyền nếu mỗi bản tin chỉ chứa theo một chữ số (4 bit). o Bản tin kết thúc nhận địa chỉ ACM (Address Complete Message): ACM là bản tin trả lời xác nhận đƣợc sử dụng trong các cuộc thoại và cả các cuộc gọi ISDN. Bản tin này chứa thông tin báo hiệu rằng tất cả các tín hiệu cần thiết để định tuyến cuộc gọi đến thuê bao bị gọi đã đƣợc nhận đầy đủ. o Bản tin báo hiệu trả lời, tính cƣớc ACN (Answer, Charge): ACN đƣợc gửi trên hƣớng về để biểu thị rằng cuộc gọi đã đƣợc trả lời và xác định thời điểm tính cƣớc. o Bản tin giải phóng hƣớng về CBK (Clear - Back): CBK là bản tin hƣớng về để chỉ thị kết thúc cuộc gọi. o Bản tin giải phóngPTIT hƣớng đi CLF (Clear-forward): CLF là bản tin gửi trên hƣớng đi để để kết thúc cuộc gọi và giải phóng kênh đang chiếm dụng. o Bản tin giải phóng hoàn toàn (Release Guard): Là bản tin trả lời của bản tin CLF để xác nhận kênh đƣợc dùng trƣớc đó trở về trạng thái rỗi. Các bƣớc báo hiệu để thiết lập và giải phóng cuộc gọi thông thƣờng gồm: 1) Khi bên chủ gọi nhấc máy, tổng đài nhận đƣợc yêu cầu thiết lập cuộc gọi và gửi âm mời quay số. 2) Khi nhận và xử lý xong số thuê bao bị gọi, tổng đài sẽ chiếm dùng một kênh thoại ngõ ra đồng thời gửi đi bản tin IAM hoặc IAI tuỳ theo bản tin gửi đi có kèm theo thông tin phụ trợ hay không. Đồng thời lúc bản tin IAM hoặc IAI