Thiết kế và chế tạo tổng đài IP-PBX

LĨNH VỰC CÔNG NGHỆ VIỄN THÔNG THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO TỔNG ĐÀI IP-PBX Trần Hạo Bửu, Nguyễn Cương Hoàng Tóm tắt: Theo thống kê thì 70% lưu lượng thoại trong một công ty cỡ vừa và lớn là của các cuộc gọi nội bộ. Đây chính là nguyên nhân dẫn đến sự ra đời của tổng đài nội bộ - PBX (Private Branch Exchange). Tổng đài nội bộ PBX sẽ tự định tuyến các cuộc gọi nội bộ với nhau mà không cần thông qua tổng đài của mạng PSTN. PBX truyền thống kết nối các cuộc gọi thoại trên cơ sở chuyển mạch kênh. Cùng với sự phát triển mạnh mẽ của mạng số liệu một vài thập kỷ gần đây, trong các doanh nghiệp lại hình thành thêm một hệ thống mạng mới song song tồn tại với mạng thoại truyền thống, đó là mạng chuyển mạch gói LAN. Mạng LAN này có thể được kết nối với mạng Internet, cho phép người sử dụng trong doanh nghiệp truy cập mạng thông qua một kết nối chung. Với những ưu điểm vượt trội của mình về sự mềm dẻo và hiệu suất, mạng chuyển mạch gói đang dần dần thay thế cho mạng chuyển mạch kênh truyền thống. Sự ra đời của điện thoại IP (VoIP) trong vài năm gần đây càng khẳng định thêm xu hướng này. Vậy giải pháp mới cho cơ sở hạ tầng thông tin doanh nghiệp là gì? Đó là mạng dữ liệu thuần nhất LAN và dịch vụ VoIP chạy trên nền này. Phần điều khiển chuyển mạch VoIP và các dịch vụ liên quan gọi là tổng đài IP-PBX. 1. Tổng đài IP-PBX Có lẽ ứng dụng phổ biến nhất và sớm nhất của VoP, nền tảng để tạo ra IP-PBX, là việc thiết lập gateway VoP bên phía trung kế của PBX. Gateway này đóng gói luồng thoại và định tuyến nó qua mạng VoP. Giải pháp này tận dụng các đặc tính hiện có của tổng đài PBX, như thoại hội nghị, chuyển tiếp cuộc gọi, … Cuối cùng, các nhà phát triển phần mềm phát triển nên PBX “mềm”, hay IP-PBX. IP-PBX cung cấp khả năng chuyển mạch, thực hiện các dịch vụ gia tăng qua mạng dữ liệu. Các cuộc gọi trong một tổng đài và các cuộc gọi giữa các tổng đài được định tuyến qua mạng IP, đi vòng qua toàn bộ mạng PSTN. IP-PBX có thể giao tiếp với mạng PSTN thông qua Gateway. Hình 1. IP-PBX hay PBX “mềm” Các ưu điểm so với tổng đài PBX truyền thống Các ưu điểm của IP-PBX xuất phát từ những ưu điểm của mạng chuyển mạch gói IP so với mạng chuyển mạch kênh, như: - Quản lý và bảo dưỡng dễ dàng hơn - Khả năng kết nối từ xa, khả năng di động - Kết hợp thoại/dữ liệu tạo ra ứng dụng mới - Dễ dàng phát triển các dịch vụ mới do cấu trúc mở và các giao diện chuẩn HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG HỘI NGHỊ KHOA HỌC LẦN THƯ VI Hosted by dientuvienthong.ucoz.net LĨNH VỰC CÔNG NGHỆ VIỄN THÔNG - Dễ sử dụng do được hỗ trợ nhiều bởi phần mềm và giao diện đồ hoạ GUI - Thông tin hợp nhất ... Khả năng áp dụng trong các doanh nghiệp vừa và nhỏ Có thể đơn giản hoá quá trình triển khai tổng đài IP-PBX cho một doanh nghiệp như sau: 1. Xây dựng mạng LAN 2. Thiết lập hệ thống máy chủ và cài đặt phần mềm điều khiển IP-PBX 3. Thiết lập các Gateway ra mạng PSTN hoặc Internet 4. Thiết lập các đầu cuối VoIP Bước thứ nhất là phức tạp nhất và đòi hỏi đầu tư lớn nhất nhưng thực ra lại đơn giản nhất vì đa số các doanh nghiệp đã có sẵn mạng LAN. Bước thứ 2 quan trong nhất, nhưng thực ra cũng chỉ đơn giản là cài đặt phần mềm lên một máy chủ. Máy chủ này có thể là giành riêng cho IP-PBX hoặc cũng có thể được chia xẻ với các ứng dụng khác của doanh nghiệp. Bước thứ 3 đòi hỏi phải mua thiết bị chuyên dụng để kết nối với mạng PSTN. Gateway kết nối IP/PSTN thường là card PCI cắm trong máy chủ cộng với phần mềm điều khiển chuyên dụng. Các đầu cuối VoIP trong bước 4 có thể là phần mềm chạy ngay trên máy PC (như Windows Messenger) hay là một thiết bị chay độc lập (như IPPhone của Cisco). Như đã phân tích ở trên, việc triển khai IP-PBX cho một doanh nghiệp đã có sẵn mạng LAN là tương đối đơn giản. Cấu hình đơn giản nhất thâm trí không phải đầu tư gì thêm về mặt phần cứng, doanh nghiệp chỉ phải mua các module phần mềm IP-PBX về cài đặt vào hệ thống của mình. 2. Thiết kế hệ và Chế tạo tổng đài IP-PBX Phần phức tạp nhất trong một tổng đài IP-PBX chính là hệ thống phần mềm. Chúng được xây dựng và hoạt động sử dụng kiến trúc tính toán phân tán tiên tiến. Các hệ thống này áp dụng các chuẩn viễn thông và tính toán mở để tạo ra nền tảng đặc tính dịch vụ và chuyển mạch tin cậy. Kiến trúc Kiến trúc của một hệ thống IP-PBX như hình dưới. Qu¶n lý øng dông Ph©n hÖ qu¶n lý Ph©n hÖ qu¶n lý cuéc gäi Feature applet M¸y chñ thiÕt bÞ tho¹i M¸y chñ thiÕt bÞ ®−êng d©y Bé trén ®a ph−¬ng tiÖn §¬n vÞ ®Æc tÝnh §Õn PSTN HÖ thèng chuyÓn m¹ch IP Gateway §Õn ISP Hình 2. Kiến trúc tổng đài IP dưới dạng sơ đồ khối Hệ thống tổng đài IP-PBX tiêu biểu sẽ bao gồm một hoặc nhiều kiểu máy chủ thiết bị điện thoại để hỗ trợ các điểm cuối của các phiên truyền thông vật lý do khách hàng sử dụng. Tổng đài IP-PBX cũng sẽ bao gồm một số các máy chủ thiết bị ảo mà thực hiện các đặc tính như HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG HỘI NGHỊ KHOA HỌC LẦN THƯ VI Hosted by dientuvienthong.ucoz.net LĨNH VỰC CÔNG NGHỆ VIỄN THÔNG thư thoại, nhắn tin hợp nhất. Hệ thống giao tiếp ra ngoài thông qua các máy chủ thiết bị đường dây. Thiết kế và Chế tạo Phần mềm Sau khi quá trình nghiên cứu, tìm hiểu, nhóm nghiên cứu đã quyết định lựa chọn các bộ thư viện SIP mã nguồn mở để làm nền tảng phát triển hệ thống IP-PBX. Về cơ bản IP-PBX có các khối chính như sau: + Hệ điều hành IP-PBX: thực hiện quản lý chung và điều khiển cuộc gọi + SIP máy chủ: thực hiện các chức năng đăng ký đầu cuối SIP, chuyển mạch cuộc gọi, quản lý thuê bao SIP... + SIP gateway: thực hiện các kết nối SIP↔PSTN + Máy chủ thiết bị: quản lý các trung kế PSTN (tương tự và số) + SIP client: cho phép thuê bao SIP của IP PBX chuyển cuộc gọi sang thuê bao SIP của bất cứ mạng SIP nào trên mạng Internet, đảm bảo liên lạc thông suốt ở trên toàn thế giới. Hệ thống hỗ trợ chuyển mạch cho các thuê bao SIP. Đầu cuối có thể là: + Máy điện thoại IP (như Cisco 7960, Cisco ATA-186/188) + Windows Messenger (Windows 98/Me/2000/XP) + SJPhone (Windows 98/Me/2000/XP) + Đầu cuối SIP do nhóm nghiên cứu xây dựng (Windows 98/Me/2000/XP) Hệ thống hỗ trợ tất cả các tính năng cơ bản của PBX, bao gồm: + Các cuộc gọi nội bộ giữa các thuê bao SIP (text, thoại và video) + Gọi ra mạng PSTN (bấm 9 để chiếm trung kế) + Gọi từ PSTN vào thuê bao SIP của hệ thống (qua trung kế, nghe lời chào và quay số lẻ) Ngoài ra, do sử dụng SIP, thuê bao sẽ có nhiều lợi thế khác. Một số dịch vụ tiên tiến không thể cung cấp được trong các PBX truyền thống, nhưng IP PBX hoàn toàn có thể đảm bảo: + Các cuộc gọi tới mạng của các nhà cung cấp dịch vụ SIP trên Internet + Khả năng di động của thuê bao PBX + Nhắn tin text + Một số dịch vụ khác Phần cứng Phần cứng của hệ thống chủ yếu là mua sẵn bởi vì trong cả hệ thống IP-PBX hầu như không có phần cứng chuyên dụng nào trừ card giao tiếp với PSTN. Trong giai đoạn đầu tiên thực hiện đề tài nhóm nghiên cứu đã lựa chọn giải pháp sử dụng card luồng giao tiếp mạng PSTN để chế tạo tổng đài IP-PBX. Giải pháp này là thích hợp bởi sự ổn định của phần cứng chuyên nghiệp cho phép tập trung vào phần mềm. Giai đoạn thứ hai, sau khi đã thử nghiệm cho hệ thống hoạt động tốt, chúng tôi mới đặt ra mục tiêu là tự chế tạo những phần cứng chuyên dụng có giá thành cao. Trong toàn bộ hệ thống IP-PBX, khả thi nhất để tự sản xuất phần cứng chính là các card giao tiếp luồng PSTN. Thiết kế và chế tạo card giao tiếp PSTN HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG HỘI NGHỊ KHOA HỌC LẦN THƯ VI Hosted by dientuvienthong.ucoz.net LĨNH VỰC CÔNG NGHỆ VIỄN THÔNG Các đặc điểm của card giao tiếp gồm: - Giao tiếp với PSTN qua giao diện tương tự của trung kết CO hoặc luồng E1 - Giao tiếp với máy tính qua chuẩn ISA, PCI hoặc USB Sơ đồ khối tổng quát của card giao tiếp PSTN như hình dưới. Giao tiÕp víi PSTN §Öm & §iÒu khiÓn chung KiÓm tra / B¸o hiÖu Giao tiÕp víi m¸y tÝnh CPU (khe c¾m më réng) PSTN Hình 3. Sơ đồ khối tổng quát của card giao tiếp PSTN/IP-PBX Để đảm bảo được tính đơn giản cũng như độ ổn định và hiệu năng của card, chúng tôi đã sử dụng công nghệ FPGA và một số công nghệ phần cứng tiên tiến khác. Phần mềm điều khiển (driver) cho card được viết trên nền Linux hoặc Windows bằng ngôn ngữ C/C++. Giao tiÕp trùc tiÕp víi card ISA qua c¸c hµm cÊp thÊp B¸o hiÖu Kªnh 1 DTMF Kªnh 2 Kªnh 3 Kªnh 4 ISA card Xö lý tÝn hiÖu tho¹i TÝn hiÖu tho¹i C¸c hµm TAPI Hình 4. Mô hình phần mềm điều khiển của card trung kế CO Giao tiÕp trùc tiÕp víi card PCI qua c¸c hµm cÊp thÊp Kªnh 1 Kªnh 2 Kªnh 32 PCI card C¸c hµm API ... Hình 5. Mô hình phần mềm điều khiển của card trung kế E1 Thử nghiệm Mô hình thử nghiệm Hệ thống đã được thử nghiệp thực tế theo 4 mô hình sau: - Gọi nội bộ, Hình 1: Gọi giữa hai đầu cuối SIP do IP-PBX quản lý. Ví dụ máy 2000@192.0.0.25 gọi cho máy 2001@192.0.0.25 - Gọi từ máy thuộc IP-PBX ra mạng PSTN, Hình 2: Đầu cuối SIP bấm số 9 để chiếm trung kế ra PSTN, sau đó bấm số của một thuê bao PSTN (ví dụ, 9 7544467) HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG HỘI NGHỊ KHOA HỌC LẦN THƯ VI Hosted by dientuvienthong.ucoz.net LĨNH VỰC CÔNG NGHỆ VIỄN THÔNG - Gọi từ PSTN vào máy thuộc IP-PBX, Hình 3: Thuê bao PSTN gọi vào một trung kế của IP-PBX (ví dụ, 7540370) sau đó bấm số máy lẻ (ví dụ, số máy lẻ 2001 tương ứng với đầu cuối SIP 2001@192.0.0.25) - “Di động” sử dụng dịch vụ SIP công cộng, Hình 4. Ethernet Hub hoÆc Switch IP PBX M¸y ®iÖn tho¹i IP PC ch¹y Windows Messenger hoÆc ®Çu cuèi SIP kh¸c 2001@192.0.0.252000@192.0.0.25 Hình 6. Thử nghiệm các cuộc gọi nội bộ Ethernet Hub hoÆc Switch M¸y ®iÖn tho¹i IP PC ch¹y Windows Messenger hoÆc ®Çu cuèi SIP kh¸c 2001@192.0.0.252000@192.0.0.25 IP PBX ChuyÓn m¹ch PSTN PSTN [1] Quay sè 9 7544467... [2] M¸y 7544467 ®æ chu«ng... 7544467 Hình 7. Gọi từ máy điện thoại IP ra mạng PSTN Ethernet Hub hoÆc Switch M¸y ®iÖn tho¹i IP PC ch¹y Windows Messenger hoÆc ®Çu cuèi SIP kh¸c 2001@192.0.0.252000@192.0.0.25 IP PBX ChuyÓn m¹ch PSTN PSTN [2] M¸y 2001 ®æ chu«ng... [1] Quay sè 7540370, nghe lêi chµo, quay sè lÎ 2001... 7544467 Hình 8. Gọi từ PSTN vào IP PBX Internet FWD Server Ethernet Hub hoÆc Switch M¸y ®iÖn tho¹i IP PC ch¹y Windows Messenger hoÆc ®Çu cuèi SIP kh¸c 2001@192.0.0.252000@192.0.0.25 IP PBX 89336@fwd.pulver.com FWD: Free World Dialup Hình 9. “Di động” sử dụng dịch vụ SIP công cộng Kết quả thử nghiệm Chúng tôi đã tiến hành thử nghiệm hệ thống trong mạng LAN của Viện KHKT Bưu điện. Hệ thống có khả năng cung cấp các dịch vụ cơ bản nhất của IP-PBX. Các cấu hình thử nghiệm trình bày ở trên đều đã được kiểm tra và cho kết quả như mong đợi. Đặc biệt với thử nghiệm các cuộc gọi nội bộ, cả thoại và video, đều thu được những kết quả tốt. Theo đánh giá sơ bộ của chúng tôi trong mạng LAN 100Mb/s có thể thực hiện đồng thời trên 100 cuộc gọi nội bộ thoại mà chất lượng sẽ không bị ảnh hưởng đáng kể. 3. Kết luận và đề xuất hướng phát triển Rõ ràng rằng cùng với sự phát triển của hạ tầng mạng chuyển mạch gói, IP-PBX sẽ dần dần thay thế cho PBX chuyển mạch kênh truyền thống. Yếu tố cơ bản nhất tạo ra sự thay đổi này HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG HỘI NGHỊ KHOA HỌC LẦN THƯ VI Hosted by dientuvienthong.ucoz.net LĨNH VỰC CÔNG NGHỆ VIỄN THÔNG chính là bắt nguồn từ bản chất mềm dẻo và hiệu suất của chuyển mạch gói nói chung và chuyển mạch IP nói riêng. Ngoài các dịch vụ truyền thống và dịch vụ tiên tiến cho IP-PBX đã đề cập ở trên, nhóm nghiên cứu dự kiến sẽ tiếp tục phát triển một số dịch vụ mới. Trong số đó đáng kể nhất là cung cấp cho thuê bao khả năng thực hiện các cuộc gọi Internet của bất kỳ một nhà khai thác nào, chứ không phải chỉ SIP Provider như hiện nay. Ví dụ, qua một account PhoneVNN hay One Connection được khai báo trong IP PBX, thuê bao có thể thực hiện các cuộc gọi quốc tế ngay từ máy nội bộ của mình. Tài liệu tham khảo [1] A Practitioner’s Handbook for Real-Time Analysis: Guide to Rate Monotonic Analysis for Real-Time Systems. Mark H. Klein, Thomas Ralya, Bill Pollak, Ray Obenza, Michael Gonzalez Harbour, Carnegie Mellon University/Software Engineering Institute, Pittsburgh, PA, USA [2] Software Design for Real-time Systems. J. HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG HỘI NGHỊ KHOA HỌC LẦN THƯ VI Hosted by dientuvienthong.ucoz.net