Đảm Bảo Chất Lượng Dịch Vụ Cho Giải Pháp Thoại Trên Giao Thức Internet

Luận văn thạc sĩ phân tích và đề xuất giải pháp nâng cao chất lượng dịch vụ thoại trên giao thức internet, đáp ứng nhu cầu người dùng.

• Tác giả: Đinh Thị Thu
• Người hướng dẫn: PGS. Nguyễn Đình Việt
• Trường học: Đại học Quốc gia Hà Nội
• Chuyên ngành: Công nghệ thông tin
• Đề tài: Đảm Bảo Chất Lượng Dịch Vụ Thoại Trên Giao Thức Internet
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2016
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

I. Tổng Quan Về Đảm Bảo Chất Lượng Dịch Vụ Thoại Trên Giao Thức Internet

Đảm bảo chất lượng dịch vụ thoại trên giao thức Internet là một vấn đề quan trọng trong lĩnh vực công nghệ thông tin. Với sự phát triển nhanh chóng của công nghệ VoIP, việc duy trì chất lượng dịch vụ (QoS) trở thành một thách thức lớn. Các yếu tố như độ trễ, độ biến thiên trễ và tỷ lệ mất gói tin ảnh hưởng trực tiếp đến trải nghiệm người dùng. Nghiên cứu này sẽ phân tích các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng dịch vụ thoại và đề xuất các giải pháp cải thiện.

1.1. Khái Niệm Về Chất Lượng Dịch Vụ Thoại

Chất lượng dịch vụ thoại (QoS) là một chỉ số đo lường khả năng cung cấp dịch vụ thoại qua mạng Internet. QoS bao gồm các yếu tố như độ trễ, độ biến thiên trễ và tỷ lệ mất gói tin. Để đảm bảo chất lượng dịch vụ thoại, cần có các cơ chế kiểm soát và phân bổ tài nguyên mạng hiệu quả.

1.2. Tầm Quan Trọng Của Đảm Bảo Chất Lượng Dịch Vụ

Đảm bảo chất lượng dịch vụ thoại không chỉ ảnh hưởng đến trải nghiệm người dùng mà còn quyết định sự thành công của các dịch vụ VoIP. Việc duy trì chất lượng dịch vụ cao giúp tăng cường sự hài lòng của khách hàng và giảm thiểu tỷ lệ mất gói tin, từ đó nâng cao hiệu suất mạng.

II. Các Vấn Đề Thách Thức Trong Đảm Bảo Chất Lượng Dịch Vụ Thoại

Mặc dù công nghệ VoIP mang lại nhiều lợi ích, nhưng vẫn tồn tại nhiều thách thức trong việc đảm bảo chất lượng dịch vụ thoại. Các vấn đề như độ trễ cao, độ biến thiên trễ không ổn định và tỷ lệ mất gói tin cao có thể gây ra trải nghiệm không tốt cho người dùng. Việc nhận diện và khắc phục những vấn đề này là rất cần thiết.

2.1. Độ Trễ Và Ảnh Hưởng Đến Chất Lượng Dịch Vụ

Độ trễ là thời gian cần thiết để truyền một gói tin từ nguồn đến đích. Độ trễ cao có thể làm giảm chất lượng cuộc gọi, gây khó khăn trong giao tiếp. Theo khuyến cáo, độ trễ tối đa cho cuộc gọi thoại nên dưới 150ms để đảm bảo trải nghiệm tốt.

2.2. Độ Biến Thiên Trễ Và Tác Động Đến Truyền Tải

Độ biến thiên trễ (jitter) là sự biến động về độ trễ giữa các gói tin. Jitter cao có thể dẫn đến mất mát âm thanh hoặc hình ảnh trong các cuộc gọi VoIP. Việc kiểm soát jitter là rất quan trọng để duy trì chất lượng dịch vụ.

2.3. Tỷ Lệ Mất Gói Tin Và Ảnh Hưởng Đến Trải Nghiệm Người Dùng

Tỷ lệ mất gói tin là phần trăm của số gói tin không đến đích. Mất gói tin có thể gây ra gián đoạn trong cuộc gọi, làm giảm chất lượng dịch vụ. Các nhà cung cấp dịch vụ cần cam kết tỷ lệ mất gói tin thấp để đảm bảo trải nghiệm người dùng tốt.

III. Phương Pháp Đảm Bảo Chất Lượng Dịch Vụ Thoại Trên Giao Thức Internet

Để đảm bảo chất lượng dịch vụ thoại, cần áp dụng các phương pháp và công nghệ tiên tiến. Các mô hình như IntServ và DiffServ cung cấp các giải pháp hiệu quả cho việc quản lý tài nguyên mạng và đảm bảo QoS cho dịch vụ thoại.

3.1. Mô Hình IntServ Trong Đảm Bảo Chất Lượng Dịch Vụ

Mô hình IntServ (Integrated Services) cung cấp các dịch vụ chất lượng cao bằng cách phân bổ tài nguyên mạng cho từng luồng dữ liệu. Mô hình này cho phép kiểm soát chặt chẽ các thông số QoS như độ trễ và tỷ lệ mất gói tin.

3.2. Mô Hình DiffServ Và Ứng Dụng Trong VoIP

Mô hình DiffServ (Differentiated Services) cho phép phân loại lưu lượng mạng và áp dụng các chính sách QoS khác nhau cho từng loại lưu lượng. Điều này giúp tối ưu hóa băng thông và cải thiện chất lượng dịch vụ thoại.

3.3. Các Kỹ Thuật Kiểm Soát Chất Lượng Dịch Vụ

Các kỹ thuật như đánh số thứ tự gói tin, gán nhãn thời gian và sử dụng bộ đệm jitter giúp kiểm soát độ biến thiên trễ và đảm bảo chất lượng dịch vụ thoại. Việc áp dụng các kỹ thuật này là cần thiết để duy trì trải nghiệm người dùng tốt.

IV. Ứng Dụng Thực Tiễn Của Đảm Bảo Chất Lượng Dịch Vụ Thoại

Việc đảm bảo chất lượng dịch vụ thoại không chỉ là lý thuyết mà còn có ứng dụng thực tiễn trong các hệ thống viễn thông hiện đại. Các nhà cung cấp dịch vụ cần áp dụng các giải pháp QoS để cải thiện trải nghiệm người dùng và tăng cường hiệu suất mạng.

4.1. Các Giải Pháp QoS Trong Mạng VoIP

Các giải pháp QoS trong mạng VoIP bao gồm việc sử dụng các công nghệ như QoS dựa trên lớp, quản lý băng thông và tối ưu hóa định tuyến. Những giải pháp này giúp đảm bảo chất lượng dịch vụ thoại trong các điều kiện mạng khác nhau.

4.2. Kết Quả Nghiên Cứu Về Chất Lượng Dịch Vụ

Nghiên cứu cho thấy rằng việc áp dụng các mô hình QoS như IntServ và DiffServ có thể cải thiện đáng kể chất lượng dịch vụ thoại. Các kết quả thực nghiệm cho thấy tỷ lệ mất gói tin giảm và độ trễ được kiểm soát tốt hơn.

V. Kết Luận Về Đảm Bảo Chất Lượng Dịch Vụ Thoại

Đảm bảo chất lượng dịch vụ thoại trên giao thức Internet là một thách thức lớn nhưng cũng là cơ hội để cải thiện trải nghiệm người dùng. Việc áp dụng các mô hình và kỹ thuật QoS là cần thiết để duy trì chất lượng dịch vụ trong bối cảnh công nghệ ngày càng phát triển.

5.1. Tương Lai Của Đảm Bảo Chất Lượng Dịch Vụ

Tương lai của đảm bảo chất lượng dịch vụ thoại sẽ phụ thuộc vào sự phát triển của công nghệ mạng và các giải pháp QoS mới. Các nhà cung cấp dịch vụ cần tiếp tục nghiên cứu và áp dụng các công nghệ tiên tiến để cải thiện chất lượng dịch vụ.

5.2. Khuyến Nghị Đối Với Các Nhà Cung Cấp Dịch Vụ

Các nhà cung cấp dịch vụ nên đầu tư vào công nghệ QoS và cải thiện cơ sở hạ tầng mạng để đảm bảo chất lượng dịch vụ thoại. Việc này không chỉ giúp nâng cao trải nghiệm người dùng mà còn tăng cường khả năng cạnh tranh trên thị trường.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1, giới thiệu về lịch sử phát triển dịch vụ thoại, khái niệm và yêu cầu liên quan đến đảm bảo chất lượng cho truyền tải thông tin thoại. Chương 2 liệt kê hai mô hình chính về đảm bảo chất lượng dịch vụ bao gồm: mô hình dịch vụ tích hợp IntServ và mô hình dịch vụ DiffServ. Chương 3 tìm hiểu về các giao thức báo hiệu và giao thức truyền trong truyền tải thoại trên Internet. Cuối cùng là chương 4, thực hiện mô phỏng truyền gói tin thoại qua mạng đã được cài đặt mô hình dịch vụ phân biệt, thiết lập quyền ưu tiên cho gói tin để đảm bảo chất lượng dịch vụ trong truyền tải thoại.

TỔNG QUAN QoS CHO TRUYỀN THÔNG ĐA PHƯƠNG TIỆN 1.1 Sự phát triển của dịch vụ thoại 1.1 Sự ra đời của các hệ thống thoại Ngày nay, phương thức trao đổi thông tin, giao tiếp, kinh doanh đang dần dần được thay đổi cùng với những thay đổi của nền công nghiệp viễn thông. Những đường dây điện thoại không chỉ còn mang thông tin thoại mà còn truyền cả số liệu số và truyền thông đa phương tiện. Những thông tin thoại, số liệu, fax, video và các dịch vụ khác đang được cung cấp tới các đầu cuối với yêu cầu về chất lượng dịch vụ từ phía người dùng ngày càng cao. Lưu lượng thông tin số liệu đã vượt xa lưu lượng thông tin thoại và ngày càng tăng không ngừng.

Chuyển mạch kênh vốn là đặc trưng của mạng thoại truyền thống và đang dần nhường bước cho chuyển mạch gói vì có nhiều nhược điểm như: sử dụng băng tần không linh hoạt, lãng phí tài nguyên hệ thống, không có cơ chế phát hiện và sửa lỗi, hiệu năng sử dụng không cao. Để thỏa mãn nhu cầu của khách hàng và gia tăng lợi nhuận, các nhà cung cấp dịch vụ viễn thông yêu cầu giải pháp mới thay thế cho mạng thoại truyền thống. Mạng chuyển mạch gói dựa trên giao thức IP được coi là giải pháp công nghệ đáp ứng được sự gia tăng nhu cầu khách hàng. Cung cấp dịch vụ đa dạng bao gồm dịch vụ thoại và các dịch vụ đa phương tiện.2 Các chuẩn liên quan đến chất lượng truyền thoại Tổ chức liên minh viễn thông quốc tế ITU (International Telecommunication Union) đưa ra các chuẩn như sau: Chuẩn H.225: đây là chuẩn liên quan đến hệ thống nghe nhìn và đa phương tiện; Chuẩn H.263: đây là chuẩn với mã hóa video; Chuẩn G nói chung phục vụ cho việc truyền tải và xử lý tín hiệu thoại dưới dạng số [10].

Giọng nói con người sử dụng băng thông từ 100Hz đến 10000Hz và thường xuất hiện trong khoảng 100Hz đến 3000Hz. Chất lượng giọng nói của con người cũng bị ảnh hưởng bởi nhiễu, trễ và biến thiên trễ. Biến thiên trễ thường xảy ra khi truyền giọng nói qua mạng dữ liệu. 2 Chất lượng truyền giọng nói qua mạng được đánh giá khác nhau.

Chính vì vậy, ITU đã tiến hành thử nghiệm để đánh giá chất lượng âm thanh bằng đại lượng được gọi là Điểm chấp nhận được - MOS (Mean Opinion Score). Như trong bảng 1.1 thể hiện tốc độ truyền dữ liệu của chuẩn nén thoại nào càng lớn thì điểm số chất lượng của chuẩn nén thoại đó càng cao. Các kết quả đánh giá được thể hiện dưới bảng 1.1 như sau: [9]: Không đạt (1.0): Giọng nói biến dạng, nghe rất khó chịu, cần bị loại bỏ.0): Giọng nói bị méo tiếng, hơi khó chịu, không loại bỏ.0): Giọng nói có chút biến dạng, hơi khó chịu.0): Giọng nói nghe được, hơi méo tiếng, không gây khó chịu.0): Không thấy sự biến dạng của giọng nói, nghe rõ ràng.1 Điểm số chất lượng chuẩn nén thoại Chuẩn nén thoại MOS Tốc độ truyền dữ liệu (kbps) PCM G.3 Mặt khác, khi đo điểm số chất lượng của một loại chuẩn nén thoại nhưng ở trong những điều kiện khác nhau thì điểm số cũng khác nhau. Điều này được thể hiện rõ ràng trong bảng 1.2 Bảng MOS của chuẩn nén G729 Điều kiện MOS G.729 Tốc độ đọc trung bình 3.92 Tốc độ đọc chậm 3.54 Hai giọng cùng lúc 3.46 Ba giọng cùng lúc 2.68 Tỷ lệ lỗi 5% bit 3.24 Tỷ lệ lỗi 5% khung 3.02 ITU cũng đưa ra một số tiêu chuẩn chất lượng âm thanh của một vài chuẩn như sau [11]:  G.111: Đây là chuẩn có độ ồn lớn trong một kết nối quốc tế.

Điều này thể hiện nếu muốn truyền tải thoại trên mạng kết nối quốc tế thì không nên dùng chuẩn G.111 do chất lượng không tốt.113: Chuẩn này tập trung xử lý giọng nói nên tốc độ truyền tải yếu dẫn tới độ trễ lớn, chất lượng thoại sẽ bị kém.114: Đây là chuẩn yêu cầu độ trễ từ đầu tới cuối.131: Với chuẩn này, nếu độ trễ một chiều không quá 25ms thì việc hủy tiếng ồn phải được thực hiện. Nếu không thực hiện thì chất lượng thoại sẽ bị kém 1.3 Sự phát triển của các dịch vụ thoại trên mạng Internet Công nghệ VoIP ra đời đã làm thay đổi cách thức trao đổi thông tin một cách trực tiếp một cách nhanh hơn, rẻ hơn. Thay vì sử dụng một kênh cố định để truyền tín hiệu thoại. Công nghệ VoIP đóng gói các tín hiệu thoại và truyền qua mạng IP, đồng thời sẽ được chia sẻ tài nguyên với các cuộc gọi khác.

Năm 1995 hãng Vocaltee đã truyền thoại qua Internet, lúc đó kết nối chỉ gồm một máy tính cá nhân với các trang thiết bị thông thường như card âm thanh, tai nghe, microphone, phần mềm nén tín hiệu và đóng gói truyền qua môi trường Internet. Mặc dù chất lượng chưa cao nhưng chi phí thấp đã trở thành yếu tố để cạnh tranh và giúp cách thức truyền thoại qua Internet tồn tại. Từ 1/7/2001 đến nay Tổng cục bưu điện nước ta đã cho phép Viettel, VNPT, Saigon Postel và Điện lực Việt Nam chính thức khai thác điện thoại 4 đường dài trong nước và quốc tế qua giao thức IP gọi tắt là VoIP. Sự xuất hiện VoIP ở Việt Nam đã cung cấp cho người dùng sử dụng dịch vụ điện thoại đường dài có cước phí thấp hơn nhiều so với dịch vụ điện thoại đường dài truyền thống với chất lượng mà người sử dụng có thể chấp nhận được.

Nó cũng phù hợp với xu thế phát triển viễn thông trên thế giới. Phù hợp với tốc độ phát triển mạng truyền dữ liệu tốc độ cao.2 Khái niệm QoS Chất lượng dịch vụ (QoS - Quality of Service) là khái niệm rộng và được tiếp cận theo nhiều khía cạnh khác nhau. Có hai cách nhìn chủ yếu từ phía người sử dụng dịch vụ và từ phía nhà cung cấp dịch vụ mạng. Từ phía nhà cung cấp dịch vụ mạng thì QoS liên quan tới khả năng cung cấp chất lượng dịch vụ cho người dùng.

Với mạng chuyển mạch gói cần có khả năng phân biệt các lớp lưu lượng và thực hiện cơ chế xử lý đối với các lớp lưu lượng khác nhau bằng cách đảm bảo việc cung cấp tài nguyên. Từ phía người dùng thì QoS liên quan đến việc kiểm tra các thông số mạng như độ trễ, biến thiên trễ, tỷ lệ mất gói và tần suất tắc nghẽn. Kết quả của các thông số trên phụ thuộc vào kỹ thuật thực thi QoS khác nhau trên mạng. Chính vì vậy có thể định nghĩa QoS một cách ngắn gọn như sau: “QoS là một chỉ số đo lường khả năng kiểm soát và phân bổ băng thông mạng để cung cấp mức dung lượng dữ liệu trong khả năng dự kiến, dựa trên tầm quan trọng của quá trình nghiệp vụ” [1].

“Để đạt yêu cầu về chất lượng dịch vụ (QoS) bởi việc kiểm soát thông số về độ trễ, độ biến thiên trễ, băng thông, số gói tin bị mất trên một mạng đã trở thành bí quyết đi đến thành công của giải pháp kết nối đầu cuối (end-to- end). Nên, QoS là tập hợp các kỹ thuật để quản lý tài nguyên mạng” [6].3 Yêu cầu QoS đối với dịch vụ thoại 1.1 Độ trễ (delay) Độ trễ: là thời gian cần thiết để truyền một gói tin từ nguồn tới đích. Ví dụ: Gói tin đi từ node 1 tới node 2 mất 10 giây (s) thì delay =10s. Độ trễ phụ thuộc vào khoảng cách từ nguồn tới đích, tốc độ truyền dữ liệu, và thời gian xử lý giữa các node mạng.

Tốc độ truyền càng lớn thì độ trễ càng nhỏ và ngược lại. Yêu cầu về độ trễ trong đảm bảo chất lượng cho thoại trên mạng: 5 Trong cuộc gọi thoại, người gọi thường nhận thấy giọng nói với độ trễ khoảng 250ms hoặc lớn hơn.114 khuyến cáo: nếu giữ độ trễ dưới 150ms thì hầu hết những ứng dụng mang giọng nói hay không thì đều được trải nghiệm một cách trong suốt [14]. Hầu hết các nhà mạng có cam kết chất lượng dịch vụ (SLA – Service-Level Agreement) về độ trễ tối đa để đảm bảo truyền tải giọng nói được trong suốt như sau (thông tin được cập nhật tháng 09/2016):  Công ty hạ tầng mạng Internap cam kết độ trễ tối đa là 45ms [7].  Công ty mạng CenturyLink IQ (trước đây là Qwest IQ) cam kết độ trễ tối đa là 50ms [5].

 Công ty mạng toàn cầu NTT America cam kết độ trễ tối đa 50ms cho mạng Bắc Mỹ, 90ms cho mạng xuyên Đại Tây Dương, 130ms cho mạng xuyên Thái Bình Dương [8]. Toàn bộ đơn vị cam kết SLA cho truyền đa phương tiện đều thuộc nhà cung cấp đường trục. Tổng độ trễ cho một cuộc gọi thoại trên mạng (VoIP – Voice over Internet Protocol) bao gồm độ trễ tại nhà cung cấp dịch vụ VoIP và độ trễ của nhà cung cấp mạng cho người sử dụng.2 Độ biến thiên trễ (jitter) Độ biến thiên trễ là sự biến động về độ trễ so với giá trị trung bình của độ trễ khi gửi các gói dữ liệu từ nguồn tới đích. Ví dụ: Cứ 10ms phát đi một gói tin, nếu đường truyền là lý tưởng thì bên thu sẽ nhận được gói sau trễ hơn gói trước 10ms.

Vì một lý do bất kỳ, gói tin đi vào hàng đợi của router hay đi theo một đường khác làm cho thời gian đến của gói sau lớn hoặc nhỏ hơn 10ms. Gói 1 được nhận ở thời điểm t0=50 và gói 2 được nhận ở thời điểm t1=65 như vậy delay =15ms và jitter=5ms. Gói 3 được nhận ở thời điểm t3=70 như vậy delay=5ms và jitter=-5ms. Đối với các ứng dụng như VoIP điều người ta mong muốn là giá trị lý tưởng jitter =0ms, không mong muốn giá trị dương.

Để làm được điều này, jitter có thể được hạn chế bằng cách thực hiện kết hợp ba kỹ thuật: đánh số thứ tự gói tin (sequence number), gán nhãn thời gian (timestamp), làm trễ bên nhận (play-out delay). Bên gửi đặt một sequence number vào mỗi gói tin, đồng thời tăng giá trị này khi gói tin mới được tạo, nhờ đó bên nhận có thể dùng sequence number để khôi phục thứ tự đúng của gói tin nhận được.