TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG HÀ NỘI
KHOA CÔNG NGHỆ THÔNG TIN

NGHIÊN CỨU GIAO THỨC SIP TRONG VOIP
VÀ ỨNG DỤNG


Hà Nội - Năm 2017


TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG HÀ NỘI
KHOA CÔNG NGHỆ THÔNG TIN

TRẦN NGỌC HUẤN

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
NGHIÊN CỨU GIAO THỨC SIP TRONG VOIP
VÀ ỨNG DỤNG

Chuyên ngành : Công nghệ Thông tin
Mã ngành
: 52480201

NGƯỜI HƯỚNG DẪN: TS. TRẦN CẢNH DƯƠNG

Hà Nội - 2017


LỜI CAM ĐOAN
Em xin cam đoan: Đồ án “Nghiên cứu giao thức SIP trong VOIP và ứng dụng”
là công trình nghiên cứu của riêng em, các kết quả nghiên cứu có tính độc lập riêng,


MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN.....................................................................................................4
LỜI CẢM ƠN..........................................................................................................5
MỤC LỤC................................................................................................................6
DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT....................................................................................8
DANH MỤC HÌNH ẢNH......................................................................................10
LỜI NÓI ĐẦU..........................................................................................................1
1 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ GIAO THỨC THOẠI QUA MẠNG (VOIP) VÀ
GIAO THỨC KHỞI TẠO PHIÊN (SIP)...................................................................2
1.1 Giao thức thoại qua mạng....................................................................................2
1.2 Các yếu tố quan trọng đối với VoIP.....................................................................4
1.3 Giao thức khởi tạo phiên....................................................................................12
Kết luận chương 1:.................................................................................................17
2 CHƯƠNG 2. CÁC THÀNH PHẦN CỦA SIP VÀ CÁC GIAO THỨC HỖ TRỢ
SIP........................................................................................................................... 18
2.1 Các thành của SIP..............................................................................................18
2.2 Mối liên hệ giữa các thành phần của SIP...........................................................21
2.3 Bản tin SIP.........................................................................................................23
2.4 Chức năng của SIP.............................................................................................29
2.5 Thiết lập và hủy cuộc gọi SIP............................................................................30
2.6 Các giao thức hỗ trợ trong SIP...........................................................................33
Kết luận chương 2:.................................................................................................45
3 CHƯƠNG 3. DEMO THỰC HIỆN CUỘC GỌI SIP TRONG MÔI TRƯỜNG
MẠNG..................................................................................................................... 47


3.1 Mục tiêu, mô hình và công cụ............................................................................47
3.2 Các bước tiến hành............................................................................................48
3.3 Kết quả..............................................................................................................60

Hypertext Transfer protocol

IETF

Internet Engineering Task Force

IP
MIME

Internet Protocol
Multipurpose Internet mail
Extension

MPLS

MultiProtocol Label Switching

NGN
OSP
PCM
RFC

Next Generation Network
Open Settlement protocol
Pulse Code Modulation
Request for Comments

RSVP

Reource Revervation Protocol

Internet Standart
Transmission Control Protocol
Traffic Engineering
Transport Layer Security
User Agent

Tên tiếng Việt
Xác nhận
Viện Tiêu chuẩn Quốc gia Hoa Kỳ
Dịch vụ chính sách mở chung
Thuật toán đường đi ngắn nhất
ràng buộc
Giao thức truyền siêu văn bản.
Tổ chức chuyên trách kỹ thuật liên
mạng
Giao thức Internet
Mở rộng thư tín Internet đa mục
đích
Mạng chuyển mạch nhãn đa giao
thức
Mạng thế hệ mới
Giao thức thỏa thuận mở
Điều chế mã xung
Đề nghị duyệt thảo và bình luận
Giao thức chiếm trước tài nguyên
mạng
Giao thức vận chuyển thời gian
thực
Giao thức tạo luồng thời gian thực
Giao thức thông báo phiên kết nối

Định dạng tài nguyên thống nhất
Truyền giọng nói trên giao thức IP
Ngôn ngữ Đánh dấu Mở rộng


DANH MỤC HÌNH ẢNH
LỜI CAM ĐOAN.....................................................................................................4
LỜI CẢM ƠN..........................................................................................................5
MỤC LỤC................................................................................................................6
DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT....................................................................................8
DANH MỤC HÌNH ẢNH......................................................................................10
LỜI NÓI ĐẦU..........................................................................................................1
1 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ GIAO THỨC THOẠI QUA MẠNG (VOIP) VÀ
GIAO THỨC KHỞI TẠO PHIÊN (SIP)...................................................................2
1.1 Giao thức thoại qua mạng....................................................................................2
1.2 Các yếu tố quan trọng đối với VoIP.....................................................................4
1.3 Giao thức khởi tạo phiên....................................................................................12
Kết luận chương 1:.................................................................................................17
2 CHƯƠNG 2. CÁC THÀNH PHẦN CỦA SIP VÀ CÁC GIAO THỨC HỖ TRỢ
SIP........................................................................................................................... 18
2.1 Các thành của SIP..............................................................................................18
2.2 Mối liên hệ giữa các thành phần của SIP...........................................................21
2.3 Bản tin SIP.........................................................................................................23
2.4 Chức năng của SIP.............................................................................................29
2.5 Thiết lập và hủy cuộc gọi SIP............................................................................30
2.6 Các giao thức hỗ trợ trong SIP...........................................................................33
Kết luận chương 2:.................................................................................................45
3 CHƯƠNG 3. DEMO THỰC HIỆN CUỘC GỌI SIP TRONG MÔI TRƯỜNG
MẠNG..................................................................................................................... 47


Mục tiêu: Xây dựng mô hình hệ thống gọi VOIP cho 2 chi nhánh của 1 công
ty có thể gọi điện với nhau thông qua máy tính (hoặc qua điện thoại) trên môi
trường mạng Internet nhằm tiết kiệm chi phí điện thoại cho công ty và đồng thời có
thể hoạt động độc lập với hệ thống điện thoại truyền thống.
Bố cục nội dung của đồ án gồm 3 chương:
Chương 1: Tổng quan về giao thức thoại qua mạng (VOIP) và giao thức khởi
tạo phiên (SIP)
Chương 2: Các thành phần của SIP và các giao thức hỗ trợ SIP
Chương 3: Demo thực hiện cuộc gọi SIP trong môi trường mạng
Phương Pháp: Phân tích và thổng hợp, sử dụng phần mềm VMware
Workstation Pro để mô phỏng hệ thống.


2

1 CHƯƠNG 1.
TỔNG QUAN VỀ GIAO THỨC THOẠI QUA MẠNG
(VOIP) VÀ GIAO THỨC KHỞI TẠO PHIÊN (SIP)
1.1 Giao thức thoại qua mạng
VoIP là từ viết tắt của “Voice Over Internet Protocol”. Phương thức truyền
âm thanh này sử dụng phương pháp truyền tín hiệu âm thanh thông qua truyền các
gói tin thông qua mạng IP. Như vậy VoIP có thể sử dụng tốc độ của phần cứng để
hoàn thành mục đích và có thể hữu dụng trên môi trường PC.
1.1.1 Các lợi ích của VoIP
Giảm chi phí: Một giá cước chung sẽ thực hiện được với mạng Internet và
do đó tiết kiệm đáng kể các dịch vụ thoại và fax. Người ta ước tính có khoảng 70%
các cuộc gọi đến Châu Á là để gửi fax, phần lớn trong số đó có thể được thay thế
bởi FoIP (Fax over IP). Sự chia sẻ chi phí thiết bị và thao tác giữa những người sử
dụng thoại và dữ liệu cũng tăng cường hiệu quả sử dụng mạng bởi lẽ dư thừa băng
tần trên mạng của người này có thể được sử dụng cho một người khác.

tính năng mới.
Điện thoại thông minh: Hệ thống điện thoại ngày càng trở nên hữu hiệu: rẻ,
phổ biến, dễ sử dụng, cơ động. Trong những năm gần đây, người ta đã cố gắng để
tạo ra thoại thông minh, đầu tiên là các thoại để bàn, sau là đến các server. Nhưng
mọi cố gắng đều thất bại do sự tồn tại của các hệ thống có sẵn.
Internet sẽ thay đổi điều này. Kể từ khi Internet được triển khai, nó đã được
sử dụng để tăng thêm tính thông minh cho mạng điện thoại toàn cầu. Giữa mạng
máy tính và mạng điện thoại tồn tại một mối liên hệ. Internet cung cấp cách giám
sát và điều khiển các cuộc thoại một cách tiện lợi hơn. Chúng ta có thể thấy được
khả năng kiểm soát và điều khiển các cuộc thoại thông qua mạng Internet [4].
Dịch vụ điện thoại web: "World Wide Web" đã làm cuộc cách mạng trong
cách giao dịch với khách hàng của các doanh nghiệp. Điện thoại Web hay " bấm số"
(click to dial) cho phép các nhà doanh nghiệp có thể đưa thêm các phím bấm lên
trang web để kết nối tới hệ thống điện thoại của họ.


4
Dịch vụ bấm số là cách dễ nhất và an toàn nhất để đưa thêm các kênh trực
tiếp từ trang Web của chúng ta vào hệ thống điện thoại. Truy cập các trung tâm trả
lời điện thoại. Truy nhập đến các trung tâm phục vụ khách hành qua mạng Internet
sẽ thúc đẩy mạnh mẽ thương mại điện tử. Dịch vụ này sẽ cho phép một khách hàng
có câu hỏi về một sản phẩm được chào hàng qua Internet được các nhân viên của
công ty trả lời trực tuyến [4].
Dịch vụ fax qua IP: Nếu chúng ta gửi nhiều fax từ PC, đặc biệt là gửi ra
nước ngoài thì việc sử dụng dịch vụ Internet faxing sẽ giúp chúng ta tiết kiệm được
tiền và cả kênh thoại. Dịch vụ này sẽ chuyển trực tiếp từ PC của chúng ta qua kết
nối Internet. Hàng năm, thế giới tốn hơn 30 tỷ USD cho việc gửi fax đường dài.
Nhưng ngày nay Internet fax đã làm thay đổi điều này. Việc sử dụng Internet không
những được mở rộng cho thoại mà còn cho cả dịch vụ fax.
Khi sử dụng dịch vụ thoại và fax qua Internet, có hai vấn đề cơ bản:

một số truyền dẫn được miêu tả ở Hình 1.1.
Chất lượng vệ tinh
Chất lượng cao

0

100

Fax Relay, Broadcast

200

300

400

500

600

700

800

Hình 1.1: Thời gian trễ của một số truyền dẫn.
Một vài loại trễ là dài nhưng có thể chấp nhận được bởi không có sự lựa
chọn nào khác. Trong truyền dẫn vệ tinh, phải mất đến gần 250 ms để hoạt động
truyền đến được vệ tinh, và cần 250 ms để quay về mặt đất. Điều này làm tổng trễ
lên đến trên 500 ms. Mặc dù như vậy là vượt quá cho phép nhưng vẫn có nhiều
cuộc đàm thoại diễn ra hằng ngày qua vệ tinh. Trong một mạng không quản lý được


D3≠D2

Hình 1.2: Sự thay đổi thời điểm gói đến
Hình vẽ cho thấy rằng thời gian cần để gửi gói A và B là bằng nhau
(D1=D2). Gói C nhận được vào thời điểm trễ hơn so với dự định. Đây là lý do tồn
tại bộ đệm jitter, bộ đệm này che đi sự thay đổi thời gian trễ giữa các gói.
Cần lưu ý là jitter và trễ không phải là một, cho dù có nhiều jitter sẽ làm tăng
tổng thời gian trễ trong mạng. Bởi vì càng có nhiều jitter thì cần có nhiều bộ đệm
jitter để bù vào các khoảng thay đổi thời gian giữa các gói.
Nếu mạng được quản lý tốt thì jitter trong mạng không phải là trở ngại lớn và
bộ đệm jitter sẽ không làm tăng đáng kể tổng trễ. Bộ đệm jitter đôi khi còn được gọi
là hàng đợi động (dynamic queue). Hàng đợi có thể tăng lên hay giảm xuống theo
hàm mũ tùy vào thời gian giữa các gói. Mặc dù bộ đệm tĩnh vẫn được dùng, nhưng
bộ đệm jitter động là tốt nhất. Các bộ đệm jitter tĩnh thì sẽ quá lớn và quá nhỏ, từ đó
khiến cho chất lượng thoại giảm sút bởi nhiều gói bị mất hay thời gian trễ quá mức.
Bộ đệm động sẽ tăng hay giảm dựa vào sự thay đổi của vài gói sau cùng [4].
1.2.3 Điều chế xung theo mã PCM (Pulse Code Modulation)
Mặc dù truyền thông tín hiệu analog là lý tưởng cho thông tin con người,
nhưng truyền dẫn analog không bền vững và khó khôi phục lại thông tin từ đường


7
dây bị nhiễu. Trong mạng điện thoại thế hệ đầu, khi truyền dẫn analog được chuyển
qua các bộ khuếch đại để bơm tín hiệu lên, không chỉ có tiếng nói được phóng to
lên mà các tín hiệu nhiễu cũng được khuếch đại lên và làm ảnh hưởng đến cuộc gọi.
Đối với các mẫu digital, với các bit 0 và 1, việc kiểm soát lỗi và khôi phục
tín hiệu rất dễ dàng. Do đó, các tín hiệu analog được tái tạo từ các mẫu digital vẫn
giữ nguyên chất lượng trung thực. Điều này dẫn đến sự ra đời các kỹ thuật số hóa.
Như đã biết tiếng nói có tần số nằm trong dải âm tần nhỏ hơn 4kHz. Để chuyển đổi

hóa theo quy luật µ. Khi sử dụng luật mã hóa µ trong mạng truyền thông thì việc
chặn tất cả các tín hiệu ký tự 0 là yêu cầu nhất thiết. Giá trị lượng tử hóa là kết quả
của luật mã hóa. Bất cứ sự chuyển đổi cần thiết giữa các quốc gia đều sử dụng quy
luật µ.
Khi tín hiệu ký tự được truyền tuần tự trong một tầng vật lý, bit số 1 (bit dấu)
được truyền trước tiên và bit số 8 (bit ít có ý nghĩa nhất) được truyền cuối cùng [7].
Chuẩn nén âm thanh G723
Chuẩn G.723 giới thiệu một bộ nén có thể dùng để nén tín hiệu thoại hoặc
những tín hiệu âm thanh khác của các dịch vụ đa phương tiện ở tốc độ bit rất thấp.
Trong thiết kế của chuẩn này, nguyên lý ứng dụng làm việc ở tốc độ truyền bit rất
nhỏ. Bộ mã hóa này được tích hợp hai tốc độ khác nhau: 5.3 và 6.3kbps. Cả hai tốc
độ đều hỗ trợ bởi bộ mã hóa và giải mã. Chúng có thể chuyển đổi qua lại tại bất kì
khung truyền (30 ms) nào. Với tốc độ 6.3 kbps chất lượng âm thanh tốt hơn. Bộ mã
hóa này nén thoại với chất lượng cao ở cả hai tốc độ nhưng ít sử dụng kỹ thuật phức
tạp. Các tín hiệu âm thanh khác sau khi được nén cho âm thanh có chất lượng


9
không thực lắm. Về độ trễ, bộ mã hóa này mã hóa tín hiệu thoại và những tín hiệu
âm thanh khác bằng những khung 30 ms, thêm độ trễ của phần chuyển đổi giữa các
khung 7.5 ms, thời gian trễ tổng cộng là 37.5 ms [7].
Chuẩn nén âm thanh G729
Chuẩn nén âm thanh G729 là chuẩn nén mới nhất được ITU đưa ra. Những
đặc điểm của chuẩn: chuẩn này sử dụng thuật toán mã hoá 8 kbps. Một trong những
chuẩn dùng cho mọi ứng dụng bao gồm cả không dây. Các chuẩn cùng được phát
triển với chuẩn này là G729A, G729D, G729E. Các ưu điểm của chuẩn G729:
- Chất lượng của dịch vụ: bởi vì độ trễ của chuẩn này là 10 ms, nên nó được
dùng trong truyền âm thanh. Chất lượng của âm thanh không phụ thuộc vào khoảng
cách giữa các máy điện thoại.
- Tính tương thích: Bởi vì nâng cấp mạng để tăng khả năng băng thông là rất

32
8

Kích thước mẫu (ms)
0.125
30
0.125
10

Điểm MOS
4.1
3.9
3.85
3.92

1.2.5 Khoảng lặng
Trong các mạng PSTN ngày nay, một kênh song công 64Kbps được thiết lập
giữa người nghe và người nói. Một cuộc gọi thông thường có đến 50% tổng băng
thông bị lãng phí. Lượng băng thông lãng phí trong thực tế có thể nhiều hơn nếu ta
tiến hành lấy mẫu thống kê các khoảng lặng và tạm dừng trong các mẫu tiếng nói
hội thoại của con người. Khi dùng VoIP ta có thể sử dụng phần băng thông lãng phí
này cho các mục đích khác khi dùng sự phát hiện hoạt động thoại VAD (Voice
Activity Detection). VAD làm việc trên cơ sở phát hiện độ lớn tiếng nói theo decibel
(dB) và quyết định khi nào thì cắt bỏ tiếng nói ra khỏi hoạt động đóng khung tin.
Thông thường khi VAD phát hiện một sự suy giảm biên độ của tiếng nó, nó
đợi một khoảng thời gian cố định trước khi dừng việc cài đặt khung tin âm thanh
vào các gói. Khoảng thời gian cố định này được gọi là hangover thường là 200ms.
Tuy nhiên VAD cũng gặp khó khăn trong việc xác định khi tiếng nói bắt đầu và kết
thúc, trong việc phân biệt tiếng nói với nhiễu nền. Nếu chúng ta ở trong một căn
phòng ồn ào thì VAD không thể phân biệt đâu là tiếng nói đâu là tạp âm. Điều này

- Khôi phục gói bị mất dựa vào bên nhận
Sự mất gói trong mạng số liệu còn được lợi dụng, nhiều giao thức sử dụng số
liệu sự mất gói để nhận biết được điều kiện mạng và có thể giảm số gói đang gởi đi.
1.2.8 Các giao thức vận chuyển
Có hai loại giao thức vận chuyển quan trọng nhất trong hệ thống mạng IP là:
TCP (Transmission Control Protocol) và UDP (User Datagram Protocol).
Giao thức TCP: Về chức năng TCP tương đương với lớp giao thức đầy đủ nhất
của giao thức chuẩn Transport trong mô hình OSI (Open Systems Interconnection).
TCP sử dụng phương thức trao đổi các dòng dữ liệu (data stream) giữa người sử dụng.


12
Giao thức TCP đảm bảo độ tin cậy giữa nơi gởi và nơi nhận. Dòng dữ liệu có chiều dài
tùy ý được phân thành những đoạn không vượt quá 64 KB.
Giao thức UDP: cho phép người sử dụng gởi bản tin mà không cần thiết lập liên
kết, do đó không đảm bảo việc giao nhận chính xác hoặc thứ tự bản tin. Giao thức này
dùng cho dịch vụ không tin cậy. Thực tế trong các mạng 99% bản tin UDP được giao
nhận đúng đích. Do chức năng đơn giản nên UDP hoạt động nhanh hơn TCP.
Các ứng dụng VoIP trong thực tế thường lựa chọn giao thức UDP. Vì các ứng
dụng đòi hỏi thời gian thực, hỏi đáp mong muốn trả lời trong thời gian nhanh nhất,
việc truyền thông âm thanh và hình ảnh có thể chấp nhận một vài gói dữ liệu bị
hỏng hoặc thất lạc. VoIP chạy bên trên giao thức thời gian thực RTP (Realtime
Transport Protocol), RTP hoạt động trên UDP trong mạng IP nên thường được gọi
chung RTP/UDP/IP [4],[7].

1.3 Giao thức khởi tạo phiên
SIP là viết tắt của cụm từ “Session Initiation Protocol” là giao thức báo hiệu
điều khiển lớp ứng dụng được dùng để thiết lập, duy trì, kết thúc các phiên truyền
thông đa phương tiện (multimedia) có một hoặc nhiều người tham gia. Các phiên
multimedia bao gồm thoại internet, hội nghị và các ứng dụng tương tự có liên quan

tạo và kết thúc các kết nối truyền thông tương tác theo thời gian thực trên mạng IP;
chủ yếu cho thoại và cho cả hội đàm qua video, chat, trò chơi và thậm chí cả chia sẻ
ứng dụng.
1.3.3 Vai trò và vị trí của SIP trong VoIP
Hai thành phần quan trọng trong ứng dụng điện thoại Internet đó là quá trình
điều khiển cuộc gọi và truyền âm thanh ở dạng gói. Ngày nay, nhiều giao thức mở
được phát triển để giải quyết cả hai vấn đề này tập hợp lại thành VoIP stack.


14

Hình 1.4: VoIP stack
Các giao thức điều khiển cuộc gọi phổ biến được chia thành hai nhóm:
- Nhóm điều khiển cổng truyền thông: bao gồm SGCP, IDCP, MGCP (Media
Gateway Control Protocol), MEGACO (Media Gateway Control)
- Nhóm báo hiệu điểm-điểm: H. 323 và SIP.
H.323 được triển khai bởi ITU, và được kết hợp với nhiều giao thức khác
nhau tương ứng với mỗi giai đoạn của quá trình báo hiệu. Vì thế, các tiêu chuẩn của
giao thức này trở nên cồng kềnh, phức tạp và khó để phát triển và mở rộng trong
tương lai.
SIP được IETF phát triển sau và chưa được chuẩn hóa tuy nhiên nó vẫn được
chú ý. Hiện tại SIP đã được 3GPP (Third Generation Partnership Project) và nhiều
nhà cung cấp chấp nhận. Yếu tố chính của sự thuận lợi là từ đặc điểm cơ bản: Ngay
từ ban đầu SIP được định hình để có thể mở rộng nhưng vẫn giữ lại tính đơn giản.
Giao thức này hỗ trợ dạng text UTF-8, được kế thừa từ hai giao thức Internet khác
là HTTP (Hypertext Transfer Protocol) và SMTP (Simple Mail Transfer Protocol),
đem lại nhiều thuận lợi và nâng cấp các khả năng tuyệt vời mà Internet mang lại [6].