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 dòch 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 dòch 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 dòch vụ thoại là báo hiệu R2

Thoại
SCPHình 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 đònh trước. Cho đến khi thuê bao bò 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

mạng thế hệ mới phải trải qua nhiều giai đoạn. Do PSTN hiện tại vẫn
hoạt động tốt và dòch 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

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 bò 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 bò đó chính là MGC sử dụng chuyển mạch mềm Softswitch.
Hay chuyển mạch mềm Softswitch chính là thiết bò thực hiện việc xử lý

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 dòch vụ
điều khiển từ xa thiết bò 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 vò 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

Media Gateway
Controller
Signaling
Gateway
Media
Gateway
Media Gateway
Controller
Media Gateway
Controller
SS7
Non IP
network
PSTN
TDM/ATM
IP networkHình 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 bò 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 bò đầu cuối không phải thuộc mạng
IP và các mạng vô tuyến không dây. Ví dụ về các thiết bò đầu cuối không

MS-F
Signaling Gateway
SG-F
Media Gateway
MG-F
MGC-F
Media Gateway
Controller
Inter-Operator
ManagerHình 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

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 networkHình 3.6: Giao thức sử dụng giữa các thành phần

SIP: Session Initiation Protocol

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

- 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 dòch 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 bò 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 đònh 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 đònh
tuyến cuộc gọi. Trường hợp đầu cuối đích cùng loại với đầu cuối
gọi đi (nghóa là cũng là một thuê bao của mạng PSTN): nếu thuê
bao bò 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 loại Gateway khác xử lý. Và quá trình truyền

V. ƯU ĐIỂM VÀ ỨNG DỤNG CỦA CHUYỂN MẠCH MỀM
1. Ưu điểm
- Cho cơ hội mới về doanh thu:
Với công nghệ mạng cho phép hội tụ các ứng dụng thoại, số
liệu, video cùng công nghệ chuyển mạch mới, nhiều dòch vụ giá trò
gia tăng hoàn toàn mới được ra đời. Các dòch vụ này hứa hẹn sẽ
đem lại doanh thu cao hơn so với các dòch vụ thoại truyền thống.
Do sử dụng công nghệ chuyển mạch mềm, có tính chất phân
tán, các nhà cung cấp dòch vụ có thể cung cấp dòch vụ cho một nhóm
nhỏ khách hàng, hay bất cứ nơi nào và khi nào mà họ muốn. BÀI GIẢNG NGN Chương 3: Chuyển mạch mềm

- 73 -

- Thời gian tiếp cận thò trường ngắn:
Do công nghệ chuyển mạch mới dựa trên phần mềm nên các
dòch vụ mới ra đời cũng dựa trên phần mềm. Điều này làm cho việc
triển khai các dòch vụ mới cũng như nâng cấp dòch vụ đang cung cấp
trở nên nhanh chóng hơn.
Ngoài ra nhà khai thác mạng có thể mua một dòch vụ mới từ
nhà cung cấp thứ ba để triển khai nhanh chóng dòch vụ khách hàng
yêu cầu. Đây chính là một trong những đặc điểm khác biệt của
mạng thế hệ sau NGN mà các mạng hiện tại không có.
- Khả năng thu hút khách hàng:
Cùng với việc đưa vào sử dụng mạng thế hệ mới, việc đưa vào
sử dụng chuyển mạch mềm còn giới thiệu với khách hàng nhiều
dòch vụ mới hấp dẫn đồng thời cho phép họ tự lựa chọn và kiểm soát
các dòch vụ thông tin do mình sử dụng.

tài nguyên mạng nhiều hơn mức yêu cầu thực tế vì tồn tại những
khoảng lặng trong quá trình đàm thoại.
Khi đưa mạng thế hệ mới vào sử dụng, do mạng IP được sử
dụng nên đã tận dụng được ưu điểm sử dụng băng thông hiệu quả.
- Quản lý mạng hiệu quả:
Đó là do Softswitch cho phép giám sát và điều chỉnh hoạt động
mạng theo thời gian thực đồng thời có thể nâng cấp hay thay đổi cấu
hình mạng từ xa. Điều này giúp cho các nhà điều hành quản lý
mạng hiệu quả hơn.
- Cải thiện dòch vụ:
Với khả năng cung cấp dòch vụ một cách dễ dàng đã giúp cho
Softswitch nhanh chóng được chấp nhận. Bằng cách lắp đặt thêm
một máy chủ ứng dụng riêng mới (còn gọi là nâng cấp phần mềm
chuyển mạch Softswitch) hay triển khai thêm một module của nhà
cung cấp thứ 3, các nhà khai thác có thể cung cấp các dòch vụ mới
nhanh chóng hơn và giá thấp hơn so với chuyển mạch truyền thống.
Ngoài ra chuyển mạch mềm còn hỗ trợ nhiều tính năng giúp
nhà khai thác phân biệt dòch vụ cho từng khách hàng riêng lẻ.
- Tiết kiệm không gian đặt thiết bò:
Softswitch cho phép các ứng dụng được thi hành tại bất cứ khu
vực nào trên mạng. Mạng có thể được sắp xếp sao cho các máy chủ
được bố trí gần những nơi mà nó thật sự là tài nguyên quan trọng.
Các ứng dụng và tài nguyên có nhiệm vụ cung cấp các dòch vụ và
tính năng mới không nhất thiết phải đặt tại cùng một nơi trên mạng. BÀI GIẢNG NGN Chương 3: Chuyển mạch mềm

- 75 -
BÀI GIẢNG NGN Chương 3: Chuyển mạch mềm

- 76 -

M2UA M3UA SUA
MTP3
I
S
U
P
S
C
C
P
TCAP
SCTP
H.225.0 H.245
H.225
RAS
H.450 H.235
H.323
SIP
TCP UDP
MGCP
H.248
MEGACO

bài giảng này chỉ đề cập đếân các giao thức sau: SIP (Session Initiation
Protocol), MGCP (Media Gateway Control Protocol), và SIGTRAN
(Signaling Transport) và RTP (Real Time Transport Protocol). Lý do là
BÀI GIẢNG NGN Chương 3: Chuyển mạch mềm

- 77 -
những giao thức trình bày ở đây là những giao thức đơn giản, SV sẽ có cái
nhìn tổng quát về hoạt động của phần mềm chuyển mạch. Những giao thức
khác sẽ được trình bày ở phần sau của bài giảng.
1. SIP (Session Initiation Protocol)
1.1 Tổng quan về SIP:
SIP, được xây dựng bởi IETF, là một giao thức báo hiệu điều
khiển thuộc lớp ứng dụng dùng để thiết lập, điều chỉnh và kết thúc
phiên làm việc của một hay nhiều người tham gia.
SIP là một giao thức đơn giản, dựa trên văn bản (text-based)
được sử dụng để hỗ trợ trong việc cung cấp các dòch vụ thoại tăng
cường qua mạng Internet.

1.2 Các chức năng của SIP:
SIP có các chức năng chính sau:
• Xác đònh vò trí của người sử dụng (user location):
Hay còn gọi là chức năng dòch tên (name translation) và
xác đònh người được gọi. Dùng để đảm bảo cuộc gọi đến được
người nhận dù họ ở đâu.
• Xác đònh khả năng của người sử dụng:
Còn gọi là chức năng thương lượng đặc tính cuộc gọi
(feature negotiation). Dùng để xác đònh loại thông tin và các
loại thông số liên quan đến thông tin sẽ được sử dụng.
• Xác đònh sự sẵn sàng của người sử dụng:
Dùng để xác đònh người được gọi có muốn tham gia vào

không nhớ (stateless). Trong đó proxy server có nhớ là server
có khả năng lưu trữ thông tin về một yêu cầu và đáp ứng của
nó.
• Location/Registration Server:
Là server được các server còn lại sử dụng để lấy thông tin
về vò trí của người được gọi.
• Redirect Server:
Là server nhận yêu cầu SIP, sau đó tiến hành dòch đòa chỉ
nhận từ người dùng sang đòa chỉ mới và gởùi trả về ứng dụng
khách.

Một yêu cầu SIP thành công bao gồm phương thức INVITE và theo sau đó là
phương thức ACK (phương thức INVITE, ACK được đònh nghóa ở phần sau). BÀI GIẢNG NGN Chương 3: Chuyển mạch mềm

- 79 -
1.4 Các phương thức sử dụng:
Đó là các phương thức sau:
• INVITE:
Dùng để mời một user hay một dòch vụ tham gia vào
phiên kết nối.
• ACK:
Cho biết ứng dụng khách đã nhận được yêu cầu INVITE.
• OPTIONS:
Được sử dụng khi có yêu cầu đối với server về việc xác

hành ở bất cứ server nào.

1.6 Cuộc gọi SIP tiêu biểu:
Các hình sau sẽ minh họa các cuộc gọi tiêu biểu (chỉ phần
khởi tạo cuộc gọi) sử dụng giao thức SIP.

Invite:
Lookup:
Internal name:

Invite:
Trying: 100
Trying: 100
OK: 200
OK: 200
ACK
ACK
SITE 1
Endpoint 1
SITE 2
Endpoint 2
Proxy
Location
server
Ring!

Hình 3.9: Minh họa 1 về cuộc gọi sử dụng giao thức SIP

Hình 3.10: Minh họa 2 về cuộc gọi sử dụng giao thức SIP

2. MGCP (Media Gateway Controller Protocol)
2.1 Tổng quan về MGCP
MGCP là một giao thức ở mức ứng dụng dùng để điều khiển
hoạt động của MG.
Đây là một giao thức sử dụng phương thức master/slave. Trong
đó MGC đóng vai trò là master, hay MGC là người quyết đònh chính
trong quá trình liên lạc với MG; còn MG là slave, là thực thể thụ
động thực hiện mọi lệnh do MGC yêu cầu.

2.2 Các thành phần của MGCP
Có 2 thành phần cơ bản sử dụng giao thức MGCP là MGC và
MG. Mỗi MGC có một số nhận dạng riêng gọi là Call Agent
Identifier.
Xin xem chi tiết chương 2, phần Cấu trúc vật lý của mạng NGN, mục Các thành
phần của NGN.

BÀI GIẢNG NGN Chương 3: Chuyển mạch mềm

- 82 -
2.3 Các khái niệm cơ bản
• Điểm cuối (Endpoint): là những nơi thu và nhận dữ liệu. Ví dụ
về một số điểm cuối: cổng kênh DS0, cổng analog, giao diện
trung kế ATM OS3, điểm truy nhập IVR (Interactive Voice
Response), …
• Kết nối (Connection): là sự kết nối để truyền thông tin giữa các
điểm cuối. Mỗi kết nối có một số nhận dạng (connection
identifier) được tạo bởi MG. MGCP dùng giao thức Session
Description Protocol (SDP) để mô tả một kết nối.

X: RequestIdentifier
R: RequestEvents
D: DigitMap
O: ObservedEvent
C: CallID
L: LocalConnectionOptions (p: packetize period (ms), a:
compression algorithm)
M: Mode
I: ConnectionIdentifier

Mỗi lệnh đều có một đáp ứng. Và đònh dạng của đáp ứng cũng
tương tự như lệnh nhưng các thông số là tùy chọn, có thể có hoặc
không. Đònh dạng header của đáp ứng như sau:
¾ 1 dòng lệnh:
Response + TransID + Commentary
¾ Các dòng thông số:
Parameter name: Value
Ghi chú: một lệnh hay một đáp ứng đều được gọi chung là 1
tương tác (transaction, viết tắt trong câu lệnh là trans).

Và các lệnh được sử dụng trong MGCP là:
• CRCX (Create Connection): là lệnh MGC truyền đến MG yêu
cầu tạo kết nối giữa các endpoint.
• MDCX (Modify Connection): truyền từ MGC đến MG. Lệnh
này được sử dụng khi đặc tính của kết nối cần thay đổi.
• DLCX (Delete Connection): cả MGC và MG đều có thể sử
dụng lệnh này để yêu cầu xóa kết nối. MG sử dụng lệnh này
trong trường hợp đường dây bò hư hỏng.
• EPCF (Endpoint Configuration): truyền từ MGC sang MG.
Được dùng để cấu hình điểm cuối. Ví dụ như quyết đònh điểm