Chuyển mạch mềm softswitching

BÀI GIẢNG NGN Chương 3: Chuyển mạch mềm - 59 - CHƯƠNG 3: CHUYỂN MẠCH MỀM SOFTSWITCHING ----WX---- I. GIỚI THIỆU CHUNG Ta đã được tìm hiểu về tổng thể cũng như cấu trúc của mạng NGN. Và thành phần cốt lõi trong mạng NGN, thành phần có khả năng liên kết các loại thông tin trên cùng một cơ sở hạ tầng mạng duy nhất, đó chính là MGC (Media Gateway Controller). MGC có thể thực hiện được điều này nhờ sử dụng phần mềm điều khiển “thế hệ mới” - chuyển mạch mềm (Softswitch). Trong chương này ta sẽ đi tìm hiểu về chuyển mạch mềm. Do thoại là một trong những dịch vụ cơ bản của bất kỳ mạng viễn thông nào nên phần lớn nội dung của chương này đề cập đến khía cạnh thoại của mạng thế hệ sau. Và trước hết, hoạt động của mạng cung cấp dịch vụ thoại hiện nay sẽ được xét đến. 1. Hoạt động của PSTN Trong mạng PSTN (Public Switched Telephone Network), công nghệ chuyển mạch kênh được sử dụng để có thể truyền thông tin từ đầu cuối đến đầu cuối. Đối với chuyển mạch kênh, ta sử dụng kỹ thuật ghép kênh phân thời gian TDM (Time Division Multiplex). Quá trình chuyển mạch thoại trong PSTN chính là sự chuyển mạch các khe thời gian (timeslot). Có 2 dạng chuyển mạch khe thời gian đó là chuyển mạch thời gian (T) và chuyển mạch không gian (S). Mỗi dạng chuyển mạch đều có những ưu và nhược điểm riêng. Trong thực tế, 2 dạng này được kết hợp để tạo ra chuyển mạch nhiều tầng. Hỗ trợ hoạt động trong mạng cung cấp dịch vụ thoại là báo hiệu R2 và báo hiệu số 7. Hiện nay, hầu hết trên mạng PSTN của cả nước đều sử dụng báo hiệu số 7 (SS7). SS7 là báo hiệu sử dụng 1 kênh riêng để BÀI GIẢNG NGN Chương 3: Chuyển mạch mềm - 60 - truyền thông tin báo hiệu cho mọi cuộc gọi, thường là khe thời gian 16 đối với khung 24 khe thời gian (chuẩn Châu Âu). Thông thường báo hiệu số 7 được tích hợp sẵn trong các tổng đài trên mạng. Do đó các tổng đài chuyển mạch còn đóng vai trò là các điểm báo hiệu STP (Signaling Transfer Point) trong mạng SS7. Đề nghị các bạn SV tìm hiểu lại về chuyển mạch thời gian, chuyển mạch không gian, chuyển mạch đa tầng cũng như báo hiệu số 7 để nắm rõ kỹ thuật chuyển mạch kênh cũng như quá trình báo hiệu cuộc gọi khi sử dụng chuyển mạch kênh. Hình sau minh họa hoạt động của PSTN cùng với báo hiệu số 7: Mạng SS7 Trung kế Chuyển mạch lớp 5 Chuyển mạch lớp 5 Chuyển mạch lớp 4 Telephone Telephone Báo hiệu Thoại SCP Hình 3.1: Hoạt động của mạng PSTN SCP: Service Control Point Ghi chú: chuyển mạch lớp 5 chính là chuyển mạch ở tổng đài nội hạt, chuyển mạch lớp 4 chính là chuyển mạch ở tổng đài toll/tandem. Trước khi quá trình truyền thoại thực sự xảy ra, quá trình báo hiệu sẽ diễn ra trước. Khi có 1 thuê bao nhấc máy, quá trình báo hiệu sẽ bắt BÀI GIẢNG NGN Chương 3: Chuyển mạch mềm - 61 - đầu diễn ra trên 1 kênh ấn định trước. Cho đến khi thuê bao bị gọi nhấc máy thì quá trình thiết lập cuộc gọi sẽ kết thúc, kênh thoại sẽ được thiết lập (thông qua các khe thời gian còn rỗi, trừ khe 0 và khe 16) và quá trình đàm thoại bắt đầu. Khi có một bên gác máy, quá trình báo hiệu kết thúc cuộc gọi bắt đầu và kênh thoại cũng như quá trình báo hiệu dành cho cuộc gọi này chỉ thật sự được giải phóng khi bên còn lại gác máy. Trên đây chỉ mô tả khái quát hoạt động của PSTN đối với 1 cuộc gọi thông thường. Các bước thực hiện một cuộc gọi sẽ được xét chi tiết hơn trong những phần sau. 2. Nhược điểm của chuyển mạch kênh Trong quá trình hoạt động, chuyển mạch kênh đã bộc lộ những yếu điểm của mình. Sau đây là những nhược điểm chính của chuyển mạch kênh: - Giá thành chuyển mạch của tổng đài nội hạt: Việc đầu tư một tổng đài nội hạt lớn với chi phí cao cho vùng có vài ngàn thuê bao là không kinh tế do đó các tổng đài thường được lắp đặt cho vùng có số lượng thuê bao lớn. Ngoài ra nhà cung cấp dịch vụ còn phải xem xét đến chi phí truyền dẫn và chi phí trên một đường dây thuê bao và việc lắp đặt tổng đài tại nơi đó có kinh tế, đem lại lợi nhuận hay không. - Dịch vụ không đa dạng, không có sự phân biệt dịch vụ cho các khách hàng khác nhau: Đó là do các tổng đài chuyển mạch truyền thống cung cấp cùng một tập các tính năng của dịch vụ cho các khách hàng khác nhau. Hơn thế nữa việc phát triển và triển khai một dịch vụ mới phụ thuộc nhiều vào nhà sản xuất, rất tốn kém và mất một thời gian dài. - Hạn chế về kiến trúc mạng, do đó khó khăn trong việc phát triển mạng: Đó là do trong cơ cấu chuyển mạch, thông tin thoại đều tồn tại dưới dạng các dòng 64kbps nên không thể đáp ứng cho các dịch vụ mới có dung lượng lớn hơn. Và do trong chuyển mạch kênh đầu vào và đầu ra được nối cố định với nhau nên việc định tuyến cuộc gọi và xử lý đặc tính của cuộc gọi có mối liên kết chặt chẽ với phần cứng chuyển mạch. Hay nói cách khác phần mềm BÀI GIẢNG NGN Chương 3: Chuyển mạch mềm - 62 - điều khiển trong chuyển mạch kênh phụ thuộc rất nhiều vào phần cứng. Ngoài ra khi một tổng đài được sản xuất thì dung lượng của nó là không đổi. Do đó khi mở rộng dung lượng nhiều khi đòi hỏi đến việc phải tăng số cấp chuyển mạch, điều này sẽ ảnh hưởng đến việc đồng bộ, báo hiệu cùng nhiều vấn đề phức tạp khác. 3. Sự ra đời của chuyển mạch mềm (Softswitch) Trong tương lai, mạng thế hệ mới sẽ hoàn toàn dựa trên cơ sở hạ tầng là mạng gói. Vì thế việc chuyển từ mạng viễn thông hiện tại lên mạng thế hệ mới phải trải qua nhiều giai đoạn. Do PSTN hiện tại vẫn hoạt động tốt và dịch vụ do nó cung cấp khá tin cậy (99.999%) nên việc chuyển cả mạng truy nhập và mạng lõi của PSTN thành mạng gói là rất tốn kém. Để tận dụng sự hoạt động tốt của PSTN và ưu điểm của chuyển mạch gói, cấu hình mạng NGN bao gồm chuyển mạch kênh và chuyển mạch gói được thể hiện như trong hình sau: IP Network (WDM/SDH/ATM) MPLS, Mutticast Resident gateway GPRS UMTS Wireless Access gateway Wireless gateway DNS Network Management AAA Charging Telephone Users Directory Server Wireless RSVP, Mobile IP, IP Sec LAN GE, MAN PSTN Wireless Digi. TV PC xDSL Trunk gateway MGC Softswich Business/ Residental Users Business Users Mobile Users ISP Application/ Feature Server SS7 Signaling gateway Hình 3.2: Cấu trúc mạng thế hệ sau NGN BÀI GIẢNG NGN Chương 3: Chuyển mạch mềm - 63 - AAA: Accounting, Authentication, and Authorization DNS: Domain Name Server DSL: Digital Subscriber Line GE: Gigabit Ethernet GPRS: General Packet Radio Service IP Sec: Internet Protocol Security ISP: Internet Service Provider LAN: Local Area Network MAN: Metropolitan Access Network MGC: Media Gateway Controller MPLS: Multi Protocol Label Switching RSVP: ReSerVation Protocol SDH: Synchronous Digital Hierarchy UMTS: Universal Mobile Telecommunications Network WDM: Wavelength Division Multiplex Theo hình trên, tổng đài lớp 5 hay tổng đài nội hạt dùng chuyển mạch kênh (circuit-switched local-exchange) (thể hiện qua phần mạng PSTN) vẫn được sử dụng. Như đã biết, phần phức tạp nhất trong những tổng đài này chính là phần mềm dùng để điều khiển quá trình xử lý cuộc gọi. Phần mềm này chạy trên một bộ xử lý chuyên dụng được tích hợp sẵn với phần cứng vật lý chuyển mạch kênh. Hay nói cách khác phần mềm sử dụng trong các tổng đài nội hạt phụ thuộc vào phần cứng của tổng đài. Điều này gây khó khăn cho việc tích hợp mạng PSTN và mạng chuyển mạch gói khi xây dựng NGN – là mạng dựa trên cơ sở mạng gói. Một giải pháp có thể thực thi là tạo ra một thiết bị lai (hybrid device) có thể chuyển mạch thoại ở cả dạng kênh và gói với sự tích hợp của phần mềm xử lý cuộc gọi. Điều này được thực hiện bằng cách tách riêng chức năng xử lý cuộc gọi khỏi chức năng chuyển mạch vật lý. Thiết bị đó chính là MGC sử dụng chuyển mạch mềm Softswitch. Hay chuyển mạch mềm Softswitch chính là thiết bị thực hiện việc xử lý cuộc gọi trong mạng NGN. BÀI GIẢNG NGN Chương 3: Chuyển mạch mềm - 64 - II. KHÁI NIỆM VỀ CHUYỂN MẠCH MỀM Hiện nay có nhiều khái niệm về chuyển mạch mềm, tùy thuộc vào từng hãng viễn thông khác nhau. Theo hãng Mobile IN, Softswitch là ý tưởng về việc tách phần cứng mạng ra khỏi phần mềm mạng. Theo hãng Nortel, Softswitch chính là thành phần quan trọng nhất của mạng thế hệ tiếp sau. Softswitch là một phần mềm theo mô hình mở, có thể thực hiện được những chức năng thông tin phân tán trên một môi trường máy tính mở và có chức năng của mạng chuyển mạch thoại TDM truyền thống. Chuyển mạch mềm có thể tích hợp thông tin thoại, số liệu và video. Và nó có thể phiên dịch giao thức giữa các mạng khác nhau. Theo CopperCom, Softswitch là tên gọi dùng cho một phương pháp tiếp cận mới trong chuyển mạch thoại có thể giúp giải quyết được các thiếu sót của các chuyển mạch trong các tổng đài nội hạt truyền thống. 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. (Ghi chú: 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 được thực hiện bởi cổng phương tiện Media Gateway (MG), còn xử lý cuộc gọi là chức năng của bộ điều khiển cổng phương tiện Media Gateway Controller (MGC). Một số lý do chính cho thấy việc tách 2 chức năng trên là một giải pháp tốt: - Cho phép có một giải pháp phần mềm chung đối với việc xử lý cuộc gọi. Và phần mềm này được cài đặt trên nhiều loại mạng khác nhau, bao gồm cả mạng chuyển mạch kênh và mạng gói (áp dụng được với các dạng gói và môi trường truyền dẫn khác nhau). - Là động lực cho các hệ điều hành, các môi trường máy tính chuẩn, tiết kiệm đáng kể trong việc phát triển và ứng dụng các phần mềm xử lý cuộc gọi. BÀI GIẢNG NGN Chương 3: Chuyển mạch mềm - 65 - - Cho phép các phần mềm thông minh của các nhà cung cấp dịch vụ điều khiển từ xa thiết bị chuyển mạch đặt tại trụ sở của khách hàng, một yếu tố quan trọng trong việc khai thác tiềm năng của mạng trong tương lai. III. VỊ TRÍ CỦA CHUYỂN MẠCH MỀM TRONG MÔ HÌNH PHÂN LỚP CHỨC NĂNG CỦA NGN Do có chức năng là xử lý cuộc gọi (Call control) nên vị trí tương ứng của Softswitch trong mô hình phân lớp chức năng của NGN là lớp Điều khiển cuộc gọi và báo hiệu (Call Control and Signaling Layer). Và các thực thể chức năng của Softswitch là MGC-F, CA-F, IW-F, R-F và A-F. Lớp truy nhập và truyền dẫn Lớp phương tiện Lớp điều khiển Lớp dịch vụ Softswitch Hình 3.3: Vị trí của chuyển mạch mềm Softswitch trong mô hình phân lớp chức năng của NGN IV. THÀNH PHẦN CHÍNH CỦA CHUYỂN MẠCH MỀM Thành phần chính của chuyển mạch mềm Softswitch là bộ điều khiển cổng thiết bị Media Gateway Controller (MGC). Bên cạnh đó còn có các thành phần khác hỗ trợ hoạt động như: Signaling Gateway (SG), Media Gateway (MG), Media Server (MS), Application Server (AS)/Feature Server (FS). Trong đó Media Gateway là thành phần nằm trên lớp Media Layer, Signaling Gateway là thành phần ở trên cùng lớp với MGC; Media Server và Application Server/Feature Server nằm trên lớp Application and Service Layer. BÀI GIẢNG NGN Chương 3: Chuyển mạch mềm - 66 - Cách kết nối các thành phần trên được thể hiện ở hình sau: Application Server/ Feature Server Media Server Media Gateway Controller Signaling Gateway Media Gateway Media Gateway Controller Media Gateway Controller SS7 Non IPnetwork PSTN TDM/ATM IP network Hình 3.4: Kết nối MGC với các thành phần khác của mạng thế hệ sau NGN ATM: Asynchronous Transfer Mode IP: Internet Protocol PSTN: Public Switched Telephone Network SS7: Signaling System 7 TDM: Time Division Network Ghi chú: các thiết bị thuộc mạng IP là các router, các chuyển mạch thuộc mạng backbone để truyền tải các gói tin đi. Trong khi đó mạng không IP (non IP network) là mạng có các thiết bị đầu cuối không phải thuộc mạng IP và các mạng vô tuyến không dây. Ví dụ về các thiết bị đầu cuối không thuộc mạng IP: thiết bị đầu cuối ISDN, IAD (Integrated Access Device) cho mạng DSL, … BÀI GIẢNG NGN Chương 3: Chuyển mạch mềm - 67 - Một Media Gateway Controller có thể quản lý nhiều Media Gateway. Hình trên chỉ minh họa 1 MGC quản lý 1 MG. Và một Media Gateway có thể nối đến nhiều loại mạng khác nhau. Xin xem chi tiết trong phần 1, mục Các thành phần của NGN để hiểu rõ các chức năng của các thành phần. 1. Media Gateway Controller MGC chính là thành phần chính của chuyển mạch mềm, và cũng thường được gọi là Softswitch, hay Call Agent. Các chức năng chính của MGC được thể hiện trong hình sau: Interworking IW-F Call control & Signaling CA-F Connection session manager MGC-F Access session manager R-F/A-F Application Server AS-F Media Server MS-F Signaling Gateway SG-F Media Gateway MG-F MGC-F Media Gateway Controller Inter-Operator Manager Hình 3.5: Chức năng của Media Gateway Controller Xin xem chi tiết phần Cấu trúc chức năng của mạng NGN, chương 2 để hiểu rõ chức năng của từng thực thể chức năng. Chú thích: CA-F và IW-F là 2 chức năng con của MGC-F. CA-F được kích hoạt khi MGC-F thực hiện việc điều khiển cuộc gọi. Và IW-F được kích hoạt khi MGC-F thực hiện các báo hiệu giữa các mạng báo BÀI GIẢNG NGN Chương 3: Chuyển mạch mềm - 68 - hiệu khác nhau. Riêng thực thể chức năng Inter-operator Manager có nhiệm vụ liên lạc, trao đổi thông tin giữa các MGC với nhau. Media Gateway Controller có nhiệm vụ tạo cầu nối giữa các mạng có đặc tính khác nhau bao gồm PSTN, SS7, IP. Các chức năng chính của Media Gateway Controller: - Điều khiển cuộc gọi, duy trì trạng thái của mỗi cuộc gọi trên một Media Gateway. - Điều khiển và hỗ trợ hoạt động của Media Gateway, Signaling Gateway. - Trao đổi các bản tin cơ bản giữa 2 MG-F. - Xử lý bản tin SS7 (khi sử dụng SIGTRAN). - Xử lý bản tin liên quan QoS. - Phát hoặc nhận bản tin báo hiệu. - Định tuyến (bao gồm bảng định tuyến, phân tích số và dịch số). - Tương tác với AS-F để cung cấp dịch vụ hay đặc tính cho người sử dụng. - Có thể quản lý các tài nguyên mạng (port, băng tần, …). Các giao thức Media Gateway Controller có thể sử dụng: - Để thiết lập cuộc gọi: H.323, SIP. - Điều khiển Media Gateway: MGCP, Megaco/H.248. - Điều khiển Signaling Gateway: SIGTRAN (SS7). - Để truyền thông tin: RTP, RTCP. Các thành phần mạng của NGN liên lạc với nhau qua các giao thức được thể hiện trong hình sau: BÀI GIẢNG NGN Chương 3: Chuyển mạch mềm - 69 - Application Server/ Feature Server Media Server Media Gateway Controller Signaling Gateway Media Gateway Media Gateway Controller Media Gateway Controller SIGTRAN MGCP Megaco SIPSIP SIP MGCP SIP ENUM/TRIP SS7 Non IP network PSTN TDM/ATM IP network Hình 3.6: Giao thức sử dụng giữa các thành phần SIP: Session Initiation Protocol SIGTRAN: Signaling Transport Protocol MGCP: Media Gateway Controller Protocol Megaco: MEdia GAteway COntroller Protocol ENUM: E.164 Number (IETF) TRIP: Telephony Routing over IP (IETF) Hình sau trình bày một ví dụ của việc sử dụng MGC: BÀI GIẢNG NGN Chương 3: Chuyển mạch mềm - 70 - MG-F TG R-F A-F IW-F CA-FMGC-FSG-F SG AS-F AS MS-F MS SIP/H.323 network MGC khác SIP/MGCP ENUM TRIP AS SIP ENUM/TRIP Access Proxy AGS-F AG MG-F SS7 network PSTN MGC SS7 TDM RTP/RTCP SIGTRAN MGCP/Megaco RTP RTCP SIGTRAN MGCP/Megaco SIP/H.322 SIP Access network IP Phone SIP/MGCP/ Megaco RTP RTCP SIP/MGCP SPS-F Hình 3.7: Ví dụ sử dụng Media Gateway Controller RTP: Real Time Transport Protocol RTCP: Real Time Control Protocol SPS-F: SIP Proxy Server Function Trong ví dụ này, vì sử dụng giao thức SIP để khởi tạo kết nối nên MGC sẽ có thêm chức năng SPS-F (SIP Proxy Server - Function). SPS-F hỗ trợ cho R-F trong quá trình định tuyến. Ta thấy trong mạng này không chỉ hỗ trợ các mạng cung cấp dịch vụ truyền thống mà còn có các mạng cung cấp dịch vụ mới (H.323, SIP, IP Phone, …). BÀI GIẢNG NGN Chương 3: Chuyển mạch mềm - 71 - 2. Khái quát hoạt động của chuyển mạch mềm Softswitch Ở đây chỉ xét trường hợp thuê bao gọi đi là một thuê bao thuộc mạng cung cấp dịch vụ thoại truyền thống PSTN. Các trường hợp khác thì hoạt động của chuyển mạch mềm Softswitch cũng sẽ tương tự. Hoạt động của phần mềm này bao gồm các bước sau: (1) Khi có một thuê bao nhấc máy (thuộc PSTN) và chuẩn bị thực hiện cuộc gọi thì tổng đài nội hạt quản lý thuê bao đó sẽ nhận biết trạng thái off-hook của thuê bao. Và Signaling Gateway (SG) nối với tổng đài này thông qua mạng SS7 cũng nhận biết được trạng thái mới của thuê bao. (2) SG sẽ báo cho Media Gateway Controller (MGC) trực tiếp quản lý mình thông qua CA-F đồng thời cung cấp tín hiệu dial-tone cho thuê bao. Ta gọi MGC này là caller-MGC. (3) Caller-MGC gởi yêu cầu tạo kết nối đến Media Gateway (MG) nối với tổng đài nội hạt ban đầu nhờ MGC-F. (4) Các số do thuê bao nhấn sẽ được SG thu thập và chuyển tới caller- MGC. (5) Caller-MGC sử dụng những số này để quyết định công việc tiếp theo sẽ thực hiện. Các số này sẽ được chuyển tới chức năng R-F và R-F sử dụng thông tin lưu trữ của các server để có thể định tuyến cuộc gọi. Trường hợp đầu cuối đích cùng loại với đầu cuối gọi đi (nghĩa là cũng là một thuê bao của mạng PSTN): nếu thuê bao bị gọi cũng thuộc sự quản lý của caller-MGC thì thực hiện bước (7). Nếu thuê bao này thuộc sự quản lý của một MGC khác thì thực hiện bước (6). Còn nếu thuê bao này là một đầu cuối khác loại thì MGC sẽ đồng thời kích hoạt chức năng IW-F để khởi động bộ điều khiển tương ứng và chuyển cuộc gọi đi. Lúc này thông tin báo hiệu sẽ được một