Luận văn Xây dựng ứng dụng truyền thông âm thanh trên mạng cục bộ

LỜI NÓI ĐẦU Trong những năm gần đây, mạng máy tính ngày càng trở nên phổ biến. Việc liên kết các máy tính trên môi trường mạng cũng như liên kết các mạng lại với nhau đem lại cho chúng ta nhiều lợi ích trong công việc cũng như trong việc học tập nghiên cứu, giải trí. Chúng ta có thể sử dụng các tài nguyên sẵn có được chia xẻ như file server, printer, máy fax, ... môi trường mạng còn là một môi trường thông tin nhanh chóng và tiện lợi nhờ vào các cơ chế truyền thông trên mạng như : e-mail, www ... Bên cạnh đó, tốc độ phát triển của máy tính PC cũng rất nhanh chóng. Các kỹ thuật hiện đại đã giúp tạo ra các máy PC với tốc độ tính toán nhanh hơn, bộ nhớ lớn hơn và khả năng xử lý của nó cũng ngày càng đa dạng hơn trong khi giá thành ngày càng rẻ hơn. Một trong những khả năng ưu việt của máy PC hiện nay là hỗ trợ multimedia. Các máy PC ngày nay giao tiếp với con người không chỉ bằng text mà còn kết hợp tất cả các phương tiện khác như tiếng nói, hình ảnh. Việc đưa kỹ thuật multimedia vào các ứng dụng truyền thông trên mạng giúp chúng ta tạo ra nhiều ứng dụng phong phú hơn. Chẳng hạn hộp thư điện tử ngày nay có thể không chỉ là văn bản mà còn bao gồm tiếng nói, hình ảnh. Các trang web trở nên sinh động hơn hẳn khi kèm theo kỹ thuật multimedia. Bên cạnh đó, chúng ta có thể thiết kế các ứng dụng tiện ích như Video conference, voice mail... Thông qua chương trình này, người sử dụng có thể trao đổi thông tin với nhau bằng tiếng nói. Chương trình này đã được hiện thực rất nhiều trong các lĩnh vực thông tin như điện thoại, viễn thông, máy tính . . . Tuy nhiên nó chưa được áp dụng và phát triển rọâng rãi như trên các lĩnh vực thông tin khác do sự hạn chế của thiết bị. Ngày nay, khi công nghệ thông tin đã phát triển thì việc hiện thực chương trình này là hoàn toàn có thể. Ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau như : •Việc dạy học từ xa. •Việc chẩn đoán, chữa bệnh từ xa. •Hội thảo, thảo luận theo nhóm. •Công cụ trao đổi thông tin bằng hình ảnh và âm thanh. Mục tiêu của đồ án tốt nghiệp là tìm hiểu các mô hình và công nghệ truyền âm thanh trên mạng máy tính, trên cơ sở đó xây dựng ứng dụng truyền thông âm thanh thoại trên mạng cục bộ. Đồ án sẽ xây dựng thử nghiệm một hệ thống cho phép trao đổi thông tin bằng tiếng nói thoại, tương tác điểm – điểm trên mạng LAN. Đồ án được trình bày gồm 5 chương với bố cục như sau : Chương I : Tìm hiểu các mô hình điện thoại qua mạng, Từ đó đưa ra mô hình sẽ thực thi trong đồ án này. Chương II: Giới thiệu chung về các giao thức truyền thông trên mạng Internet và vào khảo sát cụ thể các giao thức này. Chương III : Giới thiệu các chuẩn mã hoá và nén âm thanh. Chương IV : Tìm hiều môi trường lập trình SDK Windows và ứng dụng trên mạng. Chương V : Thiết kế chương trình truyền tiếng nói qua mạng LAN thông qua sự trợ giúp của công cụ SDK. Đánh giá và các kết quả thử nghiệm. Phần kết luận : Nêu những kết quả của đề tài và hướng nghiên cứu hướng phát triển tiếp theo. Việc nghiên cứu lý thuyết một cách hệ thống và xây dựng chương trình phần mềm đòi hỏi phải đầu tư nhiều thời gian. Với thời gian có hạn cho nên bài luận văn này của em không tránh khỏi những thiếu sót, em rất mong được sự chỉ dẫn thêm của thầy cô và các bạn. Nhân đây, em xin chân thành cám ơn đến PGS - TS Nguyễn Thị Hoàng Lan, người trực tiếp hướng dẫn em hoàn thành cuốn luận văn này. Em xin chân thành cám ơn các thầy cô trong khoa Công nghệ thông tin Trường ĐH Bách Khoa HN, Trường ĐH Thủy Sản và toàn thể các bạn đã giúp đỡ em hoàn thành cuốn luận văn này. CHƯƠNG I TÌM HIỂU MÔ HÌNH ĐIỆN THOẠI QUA MẠNG I.1 CÁC MÔ HÌNH ĐIỆN THOẠI I.1.1 MÁY TÍNH ĐẾN MÁY TÍNH Trong mô hình này cả hai thuê bao đều sử dụng máy tính được nối vào mạng IP như một thiết bị đầu cuối. Tiếng nói được mã hoá sau đó là nén và quá trình nhận dữ liệu hoàn toán giống nhưng với quy trình ngược lại là giải nén, giải mã bằng phần mềm. Trong mô hình này đòi hỏi cả hai thuê bao cần phải có soundcard, microphone, loa và phần mềm giống nhau.[1] Máy tính Máy tính IP Hình I.1 : Mô hình PC - PC I.1.2 MÁY TÍNH ĐẾN ĐIỆN THOẠI HOẶC ĐIỆN THOẠI ĐẾN MÁY TÍNH Trong mô hình này, một thuê bao sử dụng máy tính nối mạng với mạng còn thuê bao kia sử dụng điện thoại trong mạng PSTN/ISDN/GSM/TDM. Sử dụng một gateway để chuyển tiếng nói trên mạng IP thành tiếng nói trên mạng PSTN và trao đổi thông tin giữa hai mạng trên. Như vậy, ở đây máy tính phải đầy đủ các thiết bị như Soundcard, loa, microphone và phần mềm thông qua server của mạng IP để có thể kết nối với mạng PSTN thông qua Geteway. Máy tính Điện thoại IP Gateway PSTN Hình I.2 : Mô hình Máy tính – Điện thoại I.1.3 ĐIỆN THOẠI ĐẾN ĐIỆN THOẠI Trong mô hình này, cả hai thuê bao đều sử dụng điện thoại bình thường và mạng IP được sử dụng trong trường hợp cuộc gọi đường dài. Gateway được sử dụng ở cả hai đầu để chuyển đổi dữ liệu giữa các mạng với nhau.[1] Điện thoại IP Gateway PSTN PSTN Gateway Điện thoại Hình I.3 : Mô hình Điện thoại – Điện thoại I.2 YÊU CẦU ỨNG DỤNG TRUYỀN ÂM THANH TRÊN MẠNG LAN Trong phần này sẽ phân tích các yêu cầu xây dựng ứng dụng truyền âm thanh trên mạng LAN : Từ ba mô hình trên em nhận thấy mô hình 2 và 3 đòi hỏi quá trình nghiên cứu và thiết bị phức tạp, đòi hỏi phải đầu tư công nghệ mới có thể thực hiện được. Nên trong đồ án này chỉ có thể thức hiện theo mô hình 1 là PC – PC, nó đơn giản hơn và không cần đầu tư thiết bị mới, có thể tận dụng các thiết bị có sẵn và điều quan trọng có thể thử nghiệm hoàn chỉnh trong phạm vi đồ án. Vấn đề đặt ra là với một hệ thống mạng LAN, WAN cùng với tài nguyên sẵn có của nó xây dựng một chương trình truyền tiếng nói với thời gian thực cho phép từ máy này sang máy khác (point to point) với một số các yêu cầu thích hợp giống như việc xử lý và truyền tiếng nói trong thông tin liên lạc (điện thoại hữu tuyến). Chương trình sử dụng giao thức TCP/IP là một giao thức phổ biến và tin cậy hiện nay để kết nối và truyền tiếng nói. Do sử dụng giao thức TCP là giao thức có liên kết nên dẫn đến độ trễ rất lớn nhưng với ứng dụng trong mạng LAN thì vẫn có thể chấp nhận được. Ngay khi tiếng nói được thu và có thể qua một số các xử lý như mã hoá tiếng nói hoặc nén trên một máy, tiếng nói được truyền tới máy cần kết nối và qua các xử lý ngược so với lúc thu như giải nén và giải mã để được phát ra loa. Chương trình cho phép kết nối hai máy và tạo một mô hình điện thoại trên máy tính như điện thoại hữu tuyến thông thường. Bất kỳ máy nào trong mạng cũng có thể ở chế độ chờ hay chế độ chạy nền (background) gọi máy là P-SERVER; máy ở chế độ gọi (active) gọi là P-CLIENT. Như vậy một máy trong mạng có thể là P-SERVER hoặc P-CLIENT. Trên môi trường mạng, khi chúng ta muốn nói chuyện một người trên một máy nào đó, chúng ta sẽ tiến hành việc gọi liên kết. Việc gọi liên kết được tiến hành bằng việc xác định địa chỉ IP của máy mà chúng ta cần liên kết. Sau đó chúng ta sẽ chờ việc xác lập liên kết. Ở máy được gọi sẽ có thông báo cho người sử dụng biết rằng có một người khác muốn nói chuyện. Tùy theo người đó quyết định có chấp nhận hay không. Nếu chấp nhận thì liên kết sẽ được xác lập và hai bên sẽ có thể tiến hành trao đổi thông tin với nhau. Trong quá trình trao đổi thông tin, các máy sẽ truyền tiếng nói của người sử dụng đồng thời nhận dữ liệu âm thanh của máy liên kết. Khi nói chuyện xong, liên kết sẽ bị hủy bỏ và chương trình kết thúc. Nếu máy được gọi không có người trả lời thì sau thời gian chờ vượt quá giới hạn thì liên kết cũng sẽ bị huỷ bỏ. Vì dữ liệu truyền nhận trong chương trình là dữ liệu dạng liên tục của âm thanh cho nên có các yêu cầu đặt ra như sau: Bảo đảm tính mạch lạc của dữ liệu. Tiếng nói trong quá trình thông tin phải rõ ràng, liền lạc, không bị ngắt quãng. Các yêu cầu trên đặt ra các nhiệm vụ mà chúng ta phải giải quyết trong việc xây dựng chương trình. Đối với dữ liệu là âm thanh, chúng ta phải xem xét các thông số trong quá trình lấy mẫu ở đầu vào. Các thông số đặc trưng như : tần số lấy mẫu, số bit biểu diễn cho một điểm lấy mẫu, kênh lấy mẫu được sử dụng 1 kênh (mono) hay hai kênh (stereo). Do đó chúng ta phải tổ chức kích thước buffer âm thanh sao cho phù hợp với việc truyền nhận đạt tốc độ cao. Một vấn đề khác được đặt ra với dữ liệu âm thanh là việc nhận và phát ở đầu ra, chúng ta phải quan tâm đến việc xử lý và loại bỏ các tín hiệu nhiễu giúp cho âm thanh được rõ ràng, trung thực. Do việc truyền nhận dữ liệu là trên môi trường mạng nên chúng ta phải quan tâm đến tốc độ, lưu lượng trao đổi dữ liệu, thời gian truyền nhận để đưa ra cách giải quyết cho phù hợp. Ngoài các vấn đề chính ở trên, một số yêu cầu khác đặt ra cho ứng dụng như : cơ chế tạo lập liên kết, việc chọn lựa các dạng format dữ liệu, định các thông số thời gian. Tất cả các nhiệm vụ thực thi đều phải được thực hiện thông qua giao diện dễ dàng cho người sử dụng.[3] Trường hợp mở rộng hệ thống cho mạng Internet cần một kết nối giữa server mạng với tổng đài mạng PABX, yêu cầu này đòi hỏi phức tạp hơn và cần có các trang thiết bị để thử nghiệm. Bởi vậy trong đồ án này em chỉ nghiên cứu cách thức truyền tiếng nói trên mạng nội bộ. CHƯƠNG II KHẢO SÁT CÁC GIAO THỨC TRUYỀN THÔNG II.1 KHÁI NIỆM CƠ BẢN GIAO THỨC TCP/IP Trong hệ thống mạng Internet, mỗi máy có một tên và một địa chỉ IP (Internet Protocol). Tên hay địa chỉ IP đều xác định duy nhất một máy trong hệ thống mạng Internet. Giữa tên máy và địa chỉ IP đều có thể chuyển đổi thông qua các hàm. Địa chỉ IP đều được biểu diễn bằng một số 32 bits. Mỗi giao diện mạng trong một nút nếu có hỗ trợ một ngăn xếp IP đều được gán một địa chỉ IP. Địa chỉ IP gồm 2 phần : chỉ số mạng(netid) và chỉ số của máy chủ (hostid). Những bits quan trọng nhất được dùng để xác định số lượng bits dùng cho netid và hostid. Có 5 lớp địa chỉ được xác định là A,B,C,D và E. Trong đó, lớp A,B,C chứa địa chỉ có thể gián được. Lớp D dành riêng cho kỹ thuật Multicasting và được sử dụng trong các giao thức đặc biệt để truyền thông điệp đến một nhóm nút được chọn lọc. Lớp E dành riêng cho những ứng dụng trong tương lai.[5] Hình II.1 Các lớp đại chỉ IP Hình II.2 TCI/IP và mô hình OSI Netid nhận dạng cho từng mạng riêng biệt. Các kiểu lớp địa chỉ IP cho thấy số lượng mạng và số lượng nút của mỗi lớp khác nhau. Bảng dưới cho thấy số lượng mạng và số lượng nút có thể của mỗi lớp địa chỉ : Lớp địa chỉ Số lượng mạng Số lượng nút A 127 16.777.241 B 16.383 65.534 C 2.097.151 254 Mạng lớp A dùng cho mạng diện rộng. Trường netid có 7 bits nên có thể có 127 mạng. Mạng lớp B là mạng có kích thước trung bình và thích hợp cho các tổ chức có quy mô lớp và vừa. Mạng lớp C dùng trong cơ quan nhỏ, trong đó mỗi mạng chỉ có không hơn 254 nút. Con số 32 bits biểu thị 4 chữ số thập phân tương ứng giá trị 4 byte tạo thành địa chỉ IP. Những số thập phân cách nhau bởi dấu chấm (.). Một ví dụ về tên máy và địa chỉ IP của máy : Hostname : viethung IP Address : 192.168.0.55 II.1.1 KHÁI NIỆM SOCKET Socket là một đơn vị cấu trúc truyền thông 2 chiều. Chúng có thể đọc hay ghi lên nó. Tuy nhiên mỗi socket là một thành phần của một mối nào đó giữa các máy trên mạng máy tính và các thao tác đọc ghi chính là các thao tác trao đổi dữ liệu giữa các ứng dụng trên nhiều máy khác nhau. Socket là điểm kết nối cuối cùng cho phép những ứng dụng gắn vào mạng. Khái niệm socket được cung cấp bởi một thư viện chứa tất cả các hàm yêu cầu cho bất kỳ chương trình mạng nào. Khi một ứng dụng yêu cầu các dịch vụ mạng, nó gọi quá trình tự tập hợp các thư viện để quản lý hoạt động mạng. Hai loại socket có sẵn stream và datagram.[5] Những socket stream dùng cho TCP (Transmission Control Protocol), những socket datagram dùng UDP (User Datagram Protocol). Máy A Máy B Port Mối nối Port TCI/IP Interface Hình II.3 Các socket và port trong mối nối TCP/IP Số hiệu cổng Mô tả 0 Reserved 2 Management Entry 5 Remote Job Entry 7 Echo 9 Discard 11 Systat 13 Daytime 15 Netstat 17 Quoted(quote of the day) 20 FTP data 21 FTP control 23 Telnet 25 SMTP 37 Time 42 Host name server 49 Login host protocol 53 Domain name server 80 World wide web HTTP 102 ISO-TSAP 103 x.4000 104 X.4000 sending server 111 Sun RPC 139 NetBIOS session source 160-223 Reserved Ghi chú : Trị số của cổng trong các ứng dụng : Các ứng dụng chuẩn : 0 – 999 Các ứng dụng không chuẩn : 1000 – 64000 II.1.2 GIAO THỨC IP Internet protocol (IP) là một dạng giao thức truyền tin được thiết kế cho mạng chuyển mạng gói. Vai trò của IP tương đương với vai trò của tầng mạng trong mô hình OSI. Giao thức IP đảm nhiệm việc chuyển những gói mạch dữ liệu (datagram) từ địa chỉ nguồn đến địa chỉ đích. Địa chỉ IP có địa chỉ cố định (4 byte) dùng để xác định duy nhất các trạm làm việc đang tham gia vào việc truyền, nhận dữ liệu. Trong trường hợp mạng truyền tin chỉ có thể truyền những gói dữ liệu có kích thức nhỏ, giao thức IP cũng đảm nhiệm chức năng chia nhỏ các gói dữ liệu có kích thước lớn trước khi truyền và gộp chúng lại chúng sau khi nhận được.[5] Giao thức IP được thiết kế với chức năng chuyển 1 gói các bit, gọi là internet datagram từ địa chỉ nguồn đến địa chỉ đích. Đây là một giao thức theo kiểu không liên kết, nghĩa là không có giai đoạn thiết lập liên kết trước khi truyền dữ liệu, nó cũng không có các cơ chế bảo đảm thông tin tới đích an toàn, không có cơ chế điều khiển luồng dữ liệu. Trên thực tế việc thông báo về lỗi đường truyền có thể được thực hiện nhờ một giao thức khác có tên ICMP( Internet Control Message Protocol). Địa chỉ IP như đã nói ở trên, là một chuỗi bit có độ dài 4 byte, được phân chia làm 5 lớp và các bit đầu tiên được dùng làm định danh lớp địa chỉ. II.2 GIAO THỨC TCP Giao thức TCP là giao thức dùng cho tầng ngay trên tầng IP. Đối với mô hình OSI, ta có thể thấy tầng TCP có vai trò tương ứng với các tầng giao vận và tầng phiên . Khác với IP, TCP là giao thức có liên kết (connection oriented), nghĩa là nhất thiết phải có giai đoạn thiết lập liên kết giữ các cặp thực thể TCP trước khi chúng có trao đổi dữ liệu với nhau. Giao thức TCP cung cấp một khả năng truyền dữ liệu một cách an toàn giữa các thực thể trên mạng. Nó cung cấp các chức năng nhằm kiểm tra tính chính xác của dữ liệu khi gửi đến và gửi lại dữ liệu khi có lỗi xảy ra.[5] Đơn vị dữ liệu cơ bản của TCP gọi là segment. Trong segment có một cặp tham số là số hiệu cổng của trạm nguồn và số hiệu cổng của trạm đích. Mỗi một tiến trình ứng dụng tại một trạm sẽ truy cập các dịch vụ TCP thông qua một cổng. Một cổng như vậy kết hợp với một địa chỉ IP sẽ tạo thành một socket duy nhất trong mạng. Dịch vụ TCP được cung cấp nhờ liên kết logic giữa một cặp socket, mỗi socket có thể tham gia liên kết với nhiều socket ở xa khác nhau. Trước khi truyền dữ liệu chúng thiết lập liên kết và khi không có nhu cầu truyền dữ liệu nữa thì liên kết sẽ được giải phòng. Mỗi ứng dụng TCP gồm hai phần là client và server. Lưu đồ sau minh họa các bước cần thiết để các ứng dụng client và server giao tiếp với nhau : Hình II.4 Tạo kết nối giữa client và server theo giao thức TCP II.2.1 CÁCH THỨC CÀI ĐẶT ỨNG DỤNG TCP SERVER Ứng dụng TCP server làm việc theo qui trình sau: Gọi hàm socket để tạo một socket. Gọi hàm bind để kết buộc socket với một port, đối với mỗi giao thức ứng dụng chuẩn thì sẽ có một hằng số được định nghĩa sẵn trong winsock cho port của giao thức đó. Gọi hàm listen để chờ đến khi có một client nối vào port. Khi có một client nối vào thì hàm listen trả điều khiển về, ứng dụng server gọi hàm accept để xác nhận mối nối của client. Gọi các hàm gửi hay nhận dữ liệu để trao đổi thông tin với client, ví dụ send, recv. Sau khi đã hoàn tất quá trình trao đổi dữ liệu, ứng dụng server gọi hàm closesocket để đóng socket đã tạo. Hình II.5 Sơ đồ giao tiếp giữa server với client II.2.2 CÁCH THỨC CÀI ĐẶT ỨNG DỤNG CLIENT TCP Ứng dụng client TCP làm việc theo qui trình sau : Gọi hàm socket để tạo một socket . Gọi hàm connect để nối vào server. Gọi hàm gửi hay nhận dữ liệu để trao đổi thông tin với server, ví dụ như hàm send, recv. Sau khi đã hoàn tất quá trình trao đổi dữ liệu, ứng dụng client gọi hàm closesocket để đóng socket đã tạo. Hình II.6 Sơ đồ giao tiếp của client với server Ghi chúù: Các bước trên cơ bản là giống nhau cho các ứng dụng client và server viết trên Windows NT và UNIX. Tuy nhiên, với ứng dụng viết trên UNIX thì không cần gọi các hàm WSAStartup, WSACleanup để khởi tạo thư viện quản lý socket và đóng bộ phận này. Lý do, với UNIX thì bộ phận quản lý socket đã được hệ điều hành nạp sẵn. II.3 GIAO THỨC UDP Giao thức UDP cung cấp khả năng broadcast trên hệ thống mạng TCP/IP . Chúng ta cũng cần cài đặt ứng dụng client và server. Ứng dụng client có nhiệm vụ gửi thông báo đến tất cả các instance của ứng dụng server đang chạy trên hệ thống mạng.[5] II.3.1 CÁCH CÀI ĐẶT ỨNG DỤNG SERVER UDP Ứng dụng server UDP được cài đặt đơn giản hơn ứng dụng TCP. Chúng ta cần các bước chính sau đây : Gọi hàm socket để tạo một socket . Gọi hàm bind để kết buộc socket với một port, đối với mỗi giao thức ứng dụng chuẩn thì sẽ có một hằng số được định nghĩa sẵn trong winsock cho port của giao thức đó. Gọi các hàm gửi hay nhận dữ liệu để trao đổi thông tin với client, ví như hàm sendto, recvfrom. Sau khi đã hoàn tất quá trình trao đổi dữ liệu, ứng dụng server gọi hàm closesocket để đóng socket đã tạo. II.3.2 CÁCH CÀI ĐẶT ỨNG DỤNG CLIENT UDP Ứng dụng client UDP thực hiện các bước sau : Gọi hàm socket để tạo một socket. Gọi hàm setsockopt để làm cho socket có khả năng broadcoast . Gọi cá