Bài giảng lý thuyết báo hiệu

MỤC LỤC MỤC LỤC .................................................................................................................. 1 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CÁC HỆ THỐNG BÁO HIỆU ................................ 3 1.1. KHÁI QUÁT ................................................................................................... 3 1.2 BÁO HIỆU ĐƯỜNG DÂY THUÊ BAO ......................................................... 3 1.3 BÁO HIỆU LIÊN TỔNG ĐÀI ........................................................................ 4 1.3.1 Báo hiệu kênh liên kết (Channel Associated Signalling): ........................ 5 1.3.2 Báo hiệu kênh chung (Common Channel Signalling) .............................. 6 1.4 CHỨC NĂNG CỦA BÁO HIỆU ..................................................................... 7 1.4.1 Chức năng giám sát ................................................................................... 7 1.4.2 Chức năng tìm chọn .................................................................................. 7 1.4.3 Chức năng vận hành và quản lý mạng ..................................................... 7 CHƯƠNG 2: HỆ THỐNG BÁO HIỆU SỐ 7 .............................................................. 8 2.1. Khái niệm chung .................................................................................................. 8 2.2.2 Các kiểu kiến trúc báo hiệu .......................................................................... 10 2.2.3. Các bản tin báo hiệu trong mạng báo hiệu số 7........................................... 11 2.3. Chồng giao thức báo hiệu số 7 ......................................................................... 13 2.3.1. Phần truyền bản tin MTP ........................................................................... 15 2.3.2. Các chức năng người sử dụng MTP ............................................................ 16 2.3.3. Người sử dụng SS7 (SS7 Users) ................................................................... 19 2.3.4. Các phần ứng dụng INAP, MAP, OMAP.................................................... 20 2.4. Ví dụ về thiết lập cuộc gọi đơn giản sử dụng hệ thống báo hiệu số 7 ............. 22 2.5. Xử lý báo hiệu trong tổng đài ............................................................................. 24 2.5.1. Giới thiệu ..................................................................................................... 24 2.5.2. Sự định tuyến trong tổng đài ........................................................................ 25 2.5.3. Các bộ thu phát báo hiệu .............................................................................. 28 2.5.4. Các bộ tạo tone và bản tin thông báo ............................................................ 29 Chương 3. TRUYỀN TẢI BÁO HIỆU SỐ 7 QUA MẠNG IP – SIGTRAN ............. 33 3.1. GIỚI THIỆU CHUNG .................................................................................... 33 3.2. GIỚI THIỆU VỀ SIGTRAN ........................................................................... 34 3.3. ĐỘNG LỰC PHÁT TRIỂN GIAO THỨC TRUYỀN TẢI MỚI ..................... 35 3.4. GIAO THỨC ĐIỀU KHIỂN LUỒNG TRUYỀN TẢI – SCTP ....................... 36 3.4.1. Tổng quan về kiến trúc của SCTP............................................................. 36 3.4.2. Tổng quan về chức năng của SCTP .......................................................... 36 3.4.3. Khuôn dạng tiêu đề chung của SCTP........................................................ 38 3.5. M2PA ............................................................................................................. 38 3.6. M2UA............................................................................................................. 40 3.7. SO SÁNH M2PA VÀ M2UA ......................................................................... 40 3.8. M3UA............................................................................................................. 41 3.9. SUA................................................................................................................ 43 3.10. SO SÁNH M3UA VÀ SUA.......................................................................... 45 Chương 4: CÁC GIAO THỨC BÁO HIỆU VÀ ĐIỀU KHIỂN NGANG HÀNG...... 46 4.1. GIAO THỨC KHỞI TẠO PHIÊN SIP............................................................ 46 4.1.1. Các đặc điểm và chức năng của SIP.......................................................... 46 4.1.2. Các khái niệm và các thành phần của hệ thống SIP................................... 47 4.1.3. Khái quát về hoạt động của SIP ................................................................ 53 4.1.4. Các loại bản tin SIP .................................................................................. 57 4.1.5. Đánh giá SIP ............................................................................................ 60 4.2. H.323.............................................................................................................. 61 4.2.1. Tổng quan về H.323 ................................................................................. 61 4.2.2. Kiến trúc mạng và các thành phần của H.323 ........................................... 62 4.2.3. Chồng giao thức sử dụng trong H.323 ...................................................... 67 4.2.4. Thiết lập và giải phóng cuộc gọi H.323 trong trường hợp đơn giản nhất ... 71 4.2.5. So sánh SIP và H.323 ............................................................................... 73 4.3. GIAO THỨC ĐIỀU KHIỂN ĐỘC LẬP KÊNH MANG – BICC .................... 75 Chương 5: CÁC GIAO THỨC BÁO HIỆU VÀ ĐIỀU KHIỂN CHỦ TỚ.................. 76 5.1. GIAO THỨC ĐIỀU KHIỂN CỔNG PHƯƠNG TIỆN – MGCP ..................... 76 5.1.1. Kiến trúc và các thành phần...................................................................... 76 5.1.2. Thiết lập cuộc gọi thông qua MGCP......................................................... 78 5.1.3. So sánh giữa MGCP, SIP và H.323 .......................................................... 79 5.1.4. Đánh giá giao thức MGCP........................................................................ 79 5.2. MEGACO/H.248 ............................................................................................ 80 5.2.1. Tổng quan về giao thức MEGACO/H.248 ................................................ 80 5.2.2. Vị trí của giao thức MEGACO/H.248 trong mô hình OSI......................... 81 5.2.3. Các chức năng của MEGACO/H.248 ....................................................... 81 5.2.4. Các khái niệm trong giao thức MEGACO/H.248...................................... 82 5.2.5. Truyền dẫn các bản tin của giao thức MEGACO/H.248 ........................... 85 5.2.6. Các lệnh được định nghĩa bởi giao thức MEGACO/H.248 ....................... 85 5.2.7. Cấu trúc bản tin MEGACO/H.248 ............................................................ 88 5.2.8. Hoạt động của giao thức MEGACO/H.248............................................... 89 5.2.9. Các ưu điểm của MEGACO/H.248 so với các giao thức điều khiển cổng phương tiện khác................................................................................................ 90 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CÁC HỆ THỐNG BÁO HIỆU 1.1. KHÁI QUÁT Trong mạng viễn thông, báo hiệu là việc trao đổi thông tin giữa các thành phần tham gia vào cuộc nối thiết lập, giám sát và giải phóng cuộc gọi. Đồng thời báo hiệu cũng được dùng để vận hành và quản lý mạng viễn thống. Thông thường báo hiệu được chia thành 2 loại chính: - Báo hiệu đường dây thuê bao (Subscriber Loop Signalling) - Báo hiệu liên tổng đài (Inter - Exchange Signalling) Hiện nay, báo hiệu liên tổng đài có 2 loại chính: - Báo hiệu kênh liên kết CAS (Channel Associated Signalling) - Báo hiệu kênh chung CCS (Common Channel Signalling) Hình 1.1: Phân loại báo hiệu trong mạng viễn thông 1.2 BÁO HIỆU ĐƯỜNG DÂY THUÊ BAO Là báo hiệu được thực hiện giữa thuê bao với tổng đài hay giữa tổng đài với thuê bao. Để thiết lập cuộc gọi thuê bao “nhấc tổ hợp” máy. Trạng thái “nhấc tổ hợp” được tổng đài phát hiện và nó gửi tín hiệu “mời quay số” đến thuê bao. Lúc này thuê bao có thể quay số của thuê bao cần gọi. Khi quay số xong thuê bao nhận được một số tín hiệu của tổng đài tương ứng với trạng thái như tín hiệu “hồi âm chuông”, tín hiệu “báo bận” hay một số tín hiệu đặc biệt khác. Hình 1.2: ví dụ về đường dây thuê bao 1.3 BÁO HIỆU LIÊN TỔNG ĐÀI Là báo hiệu giữa các tổng đài với nhau. Các loại tín hiệu trong báo hiệu liên tổng đài có thể là: tín hiệu chiếm, tín hiệu công nhận chiếm (hay tín hiệu xác nhận chiếm), số thuê bao bị gọi, tình trạng tắc nghẽn, xóa thuận, xóa ngược… Tín hiệu báo hiệu liên tổng đài gồm: - Các tín hiệu thanh ghi (Register Signals): được sử dụng trong thời gian thiết lập cuộc gọi để chuyển giao địa chỉ và thông tin thể loại thuê bao. - Các tín hiệu báo đường dây (Line Signals): được sử dụng trong toàn bộ thời gian cuộc gọi để giám sát trạng thái của đường dây. Hình 1.3: Ví dụ về báo hiệu liên tổng đài Báo hiệu liên tổng đài ngày nay có 2 phương pháp đang được sử dụng là: báo hiệu kênh liên kết (ACS) và báo hiệu kênh chung (CCS). 1.3.1 Báo hiệu kênh liên kết (Channel Associated Signalling): a) Khái quát báo hiệu kênh liên kết: Là báo hiệu liên tổng đài mà tín hiệu báo hiệu được truyền cùng với trung kế tiếng. Đặc trưng của loại báo hiệu này là đối với mỗi kênh thoại có đường tín hiệu báo hiệu xác định không rõ ràng. Điều đó có nghĩa là: - Tín hiệu báo hiệu có thể chuyển giao trên kênh thoại nếu sử dụng tín hiệu báo hiệu trong băng tần thoại. - Tín hiệu báo hiệu được chuyển giao trong một kênh báo hiệu riêng biệt như sắp xếp đa khung trong PCM, các tín hiệu báo hiệu đường dây được chuyển giao trong khe thời gian TS16 b) Các hệ thống báo hiệu kênh liên kết: * Hệ thống báo hiệu CCITT 1: đây là hệ thống báo hiệu lâu đời nhất và ngày nay không còn được sử dụng nữa. Hệ thống bào hiệu này sử dụng tần số 500Hz, ngắt quãng 20Hz. * Hệ thống báo hiệu CCITT 2: đây là hệ thống báo hiệu sử dụng tần số 600Hz, ngắt Zealand và Nam Mỹ. * Hệ thống báo hiệu CCITT 3: đây là hệ thống báo hiệu băng đầu tiên sử dụng tần số 2280Hz cho cả báo hiệu đường dây và báo hiệu thanh ghi. Ngày nay vẫn còn sử dụng ở Pháp, Áo, Phần Lan và Hungary. * Hệ thống báo hiệu CCITT 4: đây là một biến thể của hệ thống báo hiệu CCITT 3 nhưng sử dụng tần số 2040Hz và 2400Hz cho báo hiệu đường dây và báo hiệu thanh ghi. * Hệ thống báo hiệu CCITT 5: đây là hệ thống báo hiệu được sử dụng khá rộng rãi với báo hiệu đường dây sử dụng tần số 2400Hz và 2600Hz, báo hiệu thanh ghi sử dụng tổ hợp 2 trong 6 tần số 700Hz, 900Hz, 1100Hz, 1300Hz, 1500Hz và 1700Hz. * Hệ thống báo hiệu R1: đây là hệ thống báo hiệu gần giống với hệ thống báo hiệu số 5, nhưng chỉ sử dụng một tần số 2600 cho báo hiệu đường dây. Báo hiệu thanh ghi giống như trong báo hiệu số 5. * Hệ thống báo hiệu R2: đây là hệ thống báo hiệu sử dụng tần số 3825Hz cho báo hiệu đường dây (với phiên bản analog) và các tần số 540Hz tới 1140Hz cho hướng về, tần số từ 1380 đến 1980 cho hướng đi với bước tần số 120Hz. c) Ưu điểm và nhược điểm của báo hiệu kênh liên kết: * Ưu điểm: do báo hiệu kênh liên kết tương đối độc lập với nhau nên khi có sự cố ở một kênh báo hiệu nào đó thì các kênh còn lại ít bị ảnh hưởng. * Nhược điểm: - Thời gian thiết lập cuộc gọi lâu do tốc độ trao đổi thông tin báo hiệu chậm. - Dung lượng của báo hiệu kênh liên kết nhỏ do có số đường dây trung kế giới hạn. - Độ tin cậy của báo hiệu kênh liên kết không cao do không có đường dây trung kế dự phòng. 1.3.2 Báo hiệu kênh chung (Common Channel Signalling) a) Khái quát báo hiệu kênh chung: Là báo hiệu liên tổng đài mà tín hiệu báo hiệu được truyền trên một đường số liệu tốc độ cao độc lập với trung kế tiếng. Báo hiệu được thực hiện ở cả 2 hướng đi và về với một kênh báo hiệu cho mỗi hướng. Thông tin báo hiệu cần gửi đi được nhóm thành những gói dữ liệu. Bên cạnh những thông tin dành cho việc báo hiệu còn có thêm một số thông tin nhận dạng kênh thoại mà nó báo hiệu cho, thông tin địa chỉ (nhãn) và thông tin để điều chỉnh lỗi. Các tổng đài điều khiển bằng chương trình lưu trữ (SPC) cùng với các kênh báo hiệu sẽ tạo thành mạng báo hiệu “chuyển mạch gói”. b) Các hệ thống báo hiệu kênh chung: * Hệ thống báo hiệu CCITT 6: ra đời năm 1968, được sử dụng dành cho các đường dây analog và cho lưu thoại quốc tế. * Hệ thông báo hiệu CCITT 7: ra đời vào những năm 1979-1980 dành cho cá mạng chuyển mạch số trong nước và quốc tế, hệ thống truyền dẫn số tốc độ cao (64Kb/s). c) Ưu điểm của hệ thống báo hiệu kênh chung: - Thời gian thiết lập cuộc gọi nhanh do sử dụng đường truyền số liệu tốc độ cao. Trong hầu hết các trường hợp, thời gian thiết lập cuộc gọi giảm dưới một giây. - Dung lượng của báo hiệu kênh chung lớn do mỗi kênh báo hiệu có thể xử lý tín hiệu báo hiệu cho vài nghìn cuộc gọi cùng lúc. - Độ tin cậy của báo hiệu kênh chung cao nhờ sử dụng các tuyến báo hiệu linh động. - Báo hiệu kênh chung có độ linh hoạt cao vì hệ thống có thể mang thông tin của nhiều loại tín hiệu khác nhau, có thể sử dụng cho nhiều mục đích, không chỉ phục vụ cho riêng thoại. 1.4 CHỨC NĂNG CỦA BÁO HIỆU Báo hiệu trong mạng viễn thông bao gồm 3 chức năng cơ bản: - Chức năng giám sát - Chức năng tìm chọn. - Chức năng vận hành và quản lý mạng. 1.4.1 Chức năng giám sát Chức năng này được sử dụng để giám sát và phát hiện sự thay đổi trạng thái của các phần tử (đường dây thuê bao, đường dây trung kế…) để đưa ra các quyết định xử lý chính xác và kịp thời. 1.4.2 Chức năng tìm chọn Chức năng này liên quan đến thủ tục thiết lập cuộc gọi, đó là việc truyền số liệu thuê bao bị gọi và tìm tuyến tối ưu tời thuê bao bị gọi. Điều này phụ thuộc vào kiểu báo hiệu và phương pháp báo hiệu. Yêu cầu đặt ra cho chức năng tìm chọn cho tổng đài là phải có tín hiệu quả, độ tin cậy cao để thực hiện chính xác chức năng chuyển mạch, thiết lập cuộc gọi thành công, giảm thời gian trễ quay số. 1.4.3 Chức năng vận hành và quản lý mạng Khác với hai chức năng trên, chức năng vận hành và quản lý mạng giúp cho việc sử dụng mạng một cách hiệu quả và tối ưu nhát. Nó thu thập các thông tin báo cảnh, tín hiệu đo lường kiểm tra để thường xuyên thông báo tình hình của các thiết bị phần tử trong toang bộ hệ thống để có quyết định xử lý đúng. CHƯƠNG 2. HỆ THỐNG BÁO HIỆU SỐ 7 2.1. Khái niệm chung Báo hiệu số 7 được quốc tế công nhận là hệ thống báo hiệu kênh chung (CCS) giữa các tổng đài để sử dụng trong mạng quốc gia và quốc tế. Thông tin báo hiệu được truyền đi trên một khe thời gian được phân phát trên 1 trong các tuyến PCM mang các kênh thoại. Hình 2.1. Sơ đồ tiêu biểu hệ thống báo hiệu số 7 Ví dụ như hai tổng đài trao đổi với nhau bằng 2 luồng 2 Mbps, như vậy, khả năng dụng lượng kênh thông tin giữa 2 tổng đài này là 60 kênh, trong đó, 1 luồng 2 Mbps mang báo hiệu số 7 trong TS16 của nó. Thông tin báo hiệu được tách, ghép qua trường chuyển mạch của tổng đài hoặc ở DLTU (Digital Line Terminal Unit). Thông tin báo hiệu được gởi từ tổng đài này sang tổng đài khác được xác định bởi hệ thống điều khiển qua S/R CCS cho báo hiệu số 7. S/R CCS bao gồm 3 phân hệ trên cơ sở của các bộ xử lý. Thông tin từ hệ thống điều hiển tổng đài nhận từ phân hệ điều khiển báo hiệu dưới dạng thức thích hợp. Các bản tin được xếp hàng ở đây, cho đến khi có thể được truyền đi. Khi không có các bản tin để truyền đi thì phân hệ điều khiển báo hiệu phát các bản tin chọn lọc để giữ tuyến luôn ở trạng thái tích cực. Các bản tin được gởi qua phân hệ đầu cuối báo hiệu, ở đó sử dụng các bits kiểm tra được phát đi từ phân hệ điều khiển lỗi để tạo thành các đơn vị báo hiệu số 7 hoàn chỉnh. Tại tổng đài thu, quá trình ngược lại được thực hiện. 2.2. Cấu trúc hệ thống mạng báo hiệu số 7 2.2.1. Các thành phần chính của mạng báo hiệu số 7 a. Điểm báo hiệu (Signalling Points) Mạng báo hiệu số 7 hoạt động song song với mạng truyền tải. Kiến trúc mạng báo hiệu số 7 định nghĩa ba tập các node gọi là các điểm báo hiệu (SPs), được kết nối với nhau bởi các tuyến báo hiệu. Mỗi một điểm báo hiệu SP được phân biệt với nhau bởi một mã điểm báo hiệu nhị phân duy nhất. Tuỳ theo vị trí của nó có thể là mã điểm gốc OPC (Originating Point Code) hay mã điểm đích DPC (Destination Point Code). Hình 2.2. Các thành phần của mạng báo hiệu số 7 - Điểm chuyển mạch dịch vụ (Service Switching Point – SSP) SSP được kết hợp với các node chuyển mạch của mạng truyền tải và là giao diện giữa mạng báo hiệu số 7 và mạng truyền tải. Trong mạng truyền tải được điều khiển bởi báo hiệu số 7, tất cả các tổng đài, kể cả tổng đài trung tâm và quá giang, đều được kết nối tới mạng báo hiệu số 7 thông qua các SSP. Một SSP chỉ kết nối trực tiếp với các nốt gần kề và việc liên lạc với các điểm báo hiệu xa phụ thuộc hoàn toàn vào khả năng đánh địa chỉ và định tuyến của mạng. Về mặt vật lý, SSP là một máy tính tạo ra các bản tin để gửi đến các thành phần khác của mạng báo hiệu số 7 và nhận các bản tin trả lời. - Điểm chuyển tiếp báo hiệu (Signal Transfer Point) STP là các node chuyển mạch có thêm chức năng biên dịch nhãn định tuyến và định tuyến lưu lượng mạng SS7 giữa các SP không kề nhau. STP cũng định tuyến các bản tin SS7 đến các Điểm điều khiển dịch vụ (Service Control Point – SCP) mà tại đó lưu giữ cơ sở dữ liệu. Toàn bộ quá trình thông tin trong mạng SS7 đều được thực hiện qua STP ngay cả đối với các node kề nhau. Cuối cùng, STP cung cấp các dịch vụ gateway, phân phối và nhận các cuộc gọi SS7 từ các mạng khác, bao gồm cả các nhà cung cấp dịch vụ quốc tế và vô tuyến mà có thể triển khai SS7 một cách khác nhau. Trong thực tế, STP thường được triển khai theo từng cặp để nâng cao hiệu năng hệ thống và độ tin cậy của mạng. - Điểm điều khiển dịch vụ (Service Control Point) SCP cho phép truy nhập vào cơ sở dữ liệu thông tin cần thiết cho quá trình hoạt động của mạng, thường là biên dịch số và chỉ dẫn ứng dụng, nhưng cũng bao gồm ngày càng nhiều các dữ liệu cần thiết cho các dịch vụ vô tuyến và thông minh. Các STP có thể truy nhập những dữ liệu này thông qua các tuyến không phải là của SS7, ví dụ như X.25, và trả lại thông tin cho định tuyến cuộc gọi giữa các SSP, kết hợp số quay với đích đến thực tế, cung cấp hướng dẫn để chuyển tiếp cuộc gọi..v.v.. SCP cũng cho phép kết nối tới các thành phần mạng thông minh như Hệ thống quản lý dịch vụ và Ngoại vi thông minh. SCP thường được dự phòng kép để nâng cao hiệu năng hệ thống và độ tin cậy của mạng. b. Các kiểu tuyến báo hiệu Hình 2.3. Các tuyến báo hiệu trong mạng báo hiệu số 7 Các tuyến báo hiệu trong mạng báo hiệu số 7 được phân chia phụ thuộc vào ứng dụng của chúng trong mạng báo hiệu. Thực tế chúng không có gì khác nhau về mặt vật lý, đều là các tuyến dữ liệu song hướng 56kbps hoặc 64kbps. Các tuyến báo hiệu này được phân loại như sau: - Tuyến A (Access): kết nối giữa một STP và một SSP hay một SCP. Tuyến A được sử dụng cho mục đích duy nhất là phân phát báo hiệu xuất phát từ hay đến các điểm cuối báo hiệu (SSP hay SCP). - Tuyến C (Cross): kết nối các STP với nhau. Chúng được sử dụng để tăng độ tin cậy của mạng báo hiệu trong trường hợp một hay vài tuyến báo hiệu gặp sự cố. - Tuyến E (Extend): trong khi một SSP được kết nối với STP “nhà” của nó bằng một số các tuyến A thì có thể tăng độ tin cậy bằng cách triển khai thêm một số các tuyến nối tới một cặp STP thứ hai. Những tuyến này được gọi là tuyến E, thực chất là các tuyến kết nối dự phòng trong trường hợp không thể kết nối được với SSP “nhà” qua các tuyến A. Tuyến E có thể được triển khai hay không hoàn toàn phụ thuộc vào nhà cung cấp mạng. - Tuyến F (Fully associated): đây là các tuyến mà kết nối trực tiếp hai điểm báo hiệu với nhau. Các tuyến F chỉ được cho phép thực hiện trong kiến trúc mạng báo hiệu kiểu kết hợp và việc có triển khai các tuyến F hay không là phụ thuộc vào nhà cung cấp mạng. Ngoài các tuyến báo hiệu trên còn có một