TIỂU LUẬN môn học đề tài lớp LIÊN kết và LANS

Sơ lược về lớp liên kết ( Link Layer )

Một số công nghệ

Host và rout được gọi là các nút

Các kênh truyền thông nối liền các nút lân cận gọi là các kết nối

-Các kết nối hữu tuyến (wired).

-Các kết nối vô tuyến ( wireless).

Gói dữ liệu trong lớp 2 được gọi là frame, đóng gói Datagram.

 Lớp liên kết có trách nhiệm truyền datagram từ 1 node đến lân cận đường truyền liên kết

Datagram được truyền bởi các giao thức và trên các đường kết nối khác nhau:

VD : Ethernet trên kết nối thứ 1, frame relay trên các kết nối trung gian ,802.11 trên các kết nối cuối cùng

Mỗi giao thức kết nối cung cấp các dịch vụ khác nhau

VD: Có thể hoặc không thể cung cấp rdt trên kết nối

- Hành trình từ Princetol -> Lausanne Limo : Princeton -> JFK Máy bay : JFK -> Gevena Tàu hỏa : Geneva ->Lansanne

- Đoạn đường đi = liên kết truyền thông

- Kiểu vận chuyển = giao thức lớp link

- Đại lý du lịch = giải thuật routing

Hình 1.1: Sáu bước nhảy lớp liên kết giữa máy chủ không dây và máy chủ

Nhóm 15 8 download by : skknchat@gmail.com Để một sơ đồ được chuyển từ máy chủ nguồn sang máy chủ đích, nó phải được di chuyển qua từng liên kết riêng lẻ trong đường dẫn end-to-end.

Trong mạng công ty được mô tả trong Hình 1.1, việc gửi sơ đồ từ một máy chủ không dây đến một máy chủ khác sẽ trải qua sáu liên kết khác nhau Đầu tiên, dữ liệu sẽ được truyền qua liên kết WiFi từ máy chủ gửi đến điểm truy cập WiFi Tiếp theo, nó sẽ đi qua liên kết Ethernet giữa điểm truy cập và công tắc lớp liên kết, sau đó là liên kết giữa công tắc và bộ định tuyến Dữ liệu tiếp tục di chuyển qua một liên kết giữa hai bộ định tuyến, rồi qua một liên kết Ethernet từ bộ định tuyến đến công tắc lớp liên kết Cuối cùng, dữ liệu sẽ đến máy chủ qua liên kết Ethernet giữa công tắc và máy chủ Trong quá trình này, mỗi nút sẽ đóng gói datagram trong một khung lớp liên kết và truyền khung qua các liên kết.

Các dịch vụ được cung cấp bởi lớp liên kết

Giao thức lớp liên kết cung cấp nhiều dịch vụ quan trọng, trong đó có chức năng đóng khung, cho phép đóng gói datagram vào trong frame bằng cách thêm header và trailer Mỗi frame sẽ chứa thông tin cần thiết để truyền tải dữ liệu một cách hiệu quả.

Hầu hết các giao thức lớp liên kết đều đóng gói mỗi datagram lớp mạng trong một khung lớp liên kết trước khi truyền tải Khung này chứa một trường dữ liệu để chèn gói dữ liệu lớp mạng cùng với một số trường tiêu đề Cấu trúc của khung được quy định bởi giao thức lớp liên kết.

- Truy cập kênh truyền nếu môi trường được chia sẻ

- Các địa chỉ “MAC” được sử dụng trong các header để xác định nguồn và đích.

- Ở trường hợp đa truy nhập ( nhiều node chia sẻ 2 liên kết ), giao thức MAC phục vụ để phối hợp truyền khung của nhiều nút.

Giao thức điều khiển truy cập phương tiện (MAC) quy định các quy tắc truyền khung trên liên kết Đối với các liên kết điểm-điểm với một người gửi và một người nhận, giao thức MAC hoạt động đơn giản, cho phép người gửi gửi khung bất kỳ lúc nào khi liên kết trống.

Truyền tin cậy giữa các node lân cận là rất quan trọng để đảm bảo di chuyển dữ liệu qua các liên kết mà không gặp lỗi Tuy nhiên, phương pháp này ít được sử dụng trên các đường kết nối có tỷ lệ lỗi thấp.

Các giao thức tầng vận chuyển như TCP cung cấp dịch vụ phân phối đáng tin cậy Tương tự như dịch vụ ở lớp giao vận, độ tin cậy trong lớp liên kết được đảm bảo thông qua việc xác nhận và truyền lại dữ liệu.

Dịch vụ truyền dữ liệu đáng tin cậy của lớp liên kết được áp dụng cho các liên kết có nguy cơ lỗi cao, như liên kết không dây Mục tiêu chính là thực hiện sửa lỗi cục bộ tại nơi xảy ra sự cố, thay vì yêu cầu truyền lại dữ liệu từ đầu đến cuối qua giao thức tầng ứng dụng hoặc tầng truyền tải.

Phân phối đáng tin cậy trong lớp liên kết không phải lúc nào cũng cần thiết, đặc biệt đối với các liên kết ít lỗi bit như cáp quang, cáp đồng trục và cặp xoắn đồng Vì lý do này, nhiều giao thức lớp liên kết có dây không cung cấp dịch vụ truyền tin cậy.

Phát hiện và sửa lỗi :

- Lỗi gây ra bởi sự suy giảm tín hiệu và tiếng ồn điện tử

Nhóm 15 9 download by : skknchat@gmail.com

- Máy thu phát hiện khi lỗi bit xảy ra :Gửi tín hiệu cho bên phát truyền lại hoặc hủy bỏ frame bị lỗi

- Máy thu phát hiện và sửa các bit lỗi mà không cần phải truyền lại

Phần cứng lớp liên kết trong nút nhận có thể gặp phải lỗi trong việc xác định giá trị của bit, có thể nhận nhầm bit 1 thành 0 và ngược lại do suy giảm tín hiệu và nhiễu điện từ Để giải quyết vấn đề này, nhiều giao thức lớp liên kết đã được phát triển với cơ chế phát hiện lỗi bit, nhằm tránh việc chuyển tiếp các gói dữ liệu có lỗi.

Để đảm bảo tính chính xác trong truyền dữ liệu, quá trình này yêu cầu nút truyền thực hiện phát hiện lỗi các bit trong khung, đồng thời yêu cầu nút nhận tiến hành kiểm tra lỗi.

Lớp truyền tải và lớp mạng của Internet cung cấp phương pháp phát hiện lỗi hạn chế thông qua tổng kiểm tra Trong khi đó, việc phát hiện lỗi ở lớp liên kết thường phức tạp hơn và thường được thực hiện qua phần cứng.

Sửa lỗi không chỉ phát hiện các lỗi bit trong khung mà còn xác định vị trí chính xác của chúng và thực hiện sửa chữa Luồng (Flow Control) đóng vai trò quan trọng trong việc điều chỉnh tốc độ truyền dữ liệu giữa các nút gửi và nhận liền kề, đảm bảo quá trình truyền thông hiệu quả.

Half-duplex và Full-duplex: Với half-duplex ,các node tại các đầu cuối của kết nối có thể truyền nhưng không đồng thời

Phần cứng lớp liên kết trong nút nhận có thể gặp lỗi trong việc xác định giá trị bit, dẫn đến việc một bit được truyền là 1 nhưng lại được nhận là 0, và ngược lại Những lỗi bit này thường xảy ra do suy giảm tín hiệu và nhiễu điện từ Để ngăn chặn việc chuyển tiếp gói dữ liệu có lỗi, nhiều giao thức lớp liên kết đã tích hợp cơ chế phát hiện lỗi bit Cơ chế này yêu cầu nút truyền phải bao gồm thông tin phát hiện lỗi cho các bit trong khung, đồng thời yêu cầu nút nhận thực hiện kiểm tra lỗi để đảm bảo tính chính xác của dữ liệu.

Lớp truyền tải và lớp mạng của Internet hỗ trợ một phương pháp phát hiện lỗi hạn chế, không cần tổng kiểm tra toàn bộ Trong khi đó, việc phát hiện lỗi ở lớp liên kết thường phức tạp hơn và được thực hiện chủ yếu thông qua phần cứng.

Sửa lỗi không chỉ đơn thuần là phát hiện lỗi bit trong khung mà còn xác định chính xác vị trí của các lỗi này và tiến hành sửa chữa chúng.

Kỹ thuật phát hiện lỗi và sửa lỗi

Kiểm tra chẵn lẻ

Kiểm tra chẵn lẻ Parity 1 bit

- Dữ liệu cần chuyển đi D có d bit Nút gửi thêm 1 bit parity để sao cho tổng số bit

1 trong d+1 bit là số chẵn

- Nút nhận sẽ đếm số bit 1 trong số d+1 bit nhận được

- Nếu số bit là số lẻ => Kênh truyền đã làm sai lệch các bit truyền đi

- Không kiểm tra được số lượng bit sai là số chẵn

Kiểm tra chẵn lẻ Parit 2 chiều

- Dữ liệu D gồm d bit được chia thành i dòng và j cột

- Dùng tổng cộng i+j+1 bit dùng để kiểm lỗi

Mô hình Parity 2 chiều cho phép phát hiện lỗi bằng cách kiểm tra các bit dữ liệu ở cả dòng và cột Khi một bit kiểm tra lỗi bị sai, nút nhận dữ liệu chỉ cần thay đổi giá trị của bit đó (từ 0 thành 1 hoặc ngược lại) để sửa chữa lỗi và khôi phục giá trị ban đầu.

Phát hiện lỗi đơn giản nhất có thể thực hiện thông qua việc sử dụng một bit chẵn lẻ Khi thông tin được gửi, giả sử là D với d bit, người gửi sẽ thêm một bit bổ sung để đảm bảo tổng số bit 1 trong d + 1 bit (bao gồm thông tin ban đầu và bit chẵn lẻ) là chẵn Trong lược đồ chẵn lẻ, bit chẵn lẻ được chọn sao cho tổng số bit 1 là số lẻ Hình 2.2 minh họa lược đồ chẵn lẻ, với bit chẵn lẻ được lưu trữ trong một trường riêng biệt.

Hoạt động của máy thu rất đơn giản với việc sử dụng một bit chẵn lẻ duy nhất Người nhận chỉ cần đếm số bit 1 trong d + 1 bit nhận được Nếu số bit 1 là lẻ, máy thu xác định rằng đã xảy ra ít nhất một lỗi bit, và cụ thể hơn, có thể có một số lỗi bit lẻ đã xảy ra.

Hình 2.3 cho thấy tổng quát hai chiều của tính chẵn lẻ bit đơn kế hoạch Ở đây, d bit trong

D được cấu trúc thành i hàng và j cột, trong đó giá trị chẵn lẻ được tính cho từng hàng và cột Kết quả sẽ là i + j + 1 bit chẵn lẻ, bao gồm các bit dùng để phát hiện lỗi trong khung lớp liên kết.

Giả sử bây giờ có một lỗi bit xảy ra trong d bit thông tin ban đầu.

Với lược đồ chẵn lẻ hai chiều này, tính chẵn lẻ của cả cột và hàng chứa bit được lật sẽ bị lỗi.

Người nhận không chỉ phát hiện lỗi bit đơn lẻ mà còn xác định và sửa chữa bit bị hỏng bằng cách sử dụng chỉ số cột và hàng của lỗi chẵn lẻ.

Hình 2.3 minh họa một trường hợp trong đó bit có giá trị 1 ở vị trí bị hỏng chuyển thành giá trị 0, cho thấy lỗi có thể phát hiện và sửa chữa tại máy thu Dù chúng ta chủ yếu bàn luận về d bit thông tin ban đầu, nhưng một lỗi đơn lẻ trong các bit chẵn lẻ cũng có thể được nhận diện và khắc phục hiệu quả.

Chẵn lẻ hai chiều cũng có thể phát hiện (nhưng không đúng!) Bất kỳ sự kết hợp nào của hai lỗi trong một gói tin.

Check Sum

- Bộ kiểm tra Checksum sẽ chia các đơn vị dữ liệu thành phần ,mỗi phần n bit ( giống với bên phát ).

- Cộng các phần trên ,được tổng (Sum).

-Nếu kết quả lấy bù là 0 thì dữ liệu thu không bị sai ,ngược lại nếu là 1 nghĩa là bị sai

- Checksum phát hiện được tất cả các lỗi bit lẻ cũng như hầu hết các bit chẵn.

- Ví dụ : Kiểm tra độ đúng sai của dữ liệu :

Ta chia dữ liệu thành 3 phần ,mỗi phần 8 bit :

Suy ra dữ liệu thu không bị sai

Kiểm tra dư vòng theo chu kỳ (CRC)

- Nút gửi muốn truyền đi một đoạn dữ liệu D dài d bit

- Nút gửi và nhận thống nhất 1 hàm sinh G ,có r+1 bit

- Nút gửi đính kèm thêm giá trị R dài r bit trước khi gửi đi sao cho đoạn d+r bit chia hết cho G trong phép chia modulo-2

- Số dư khác 0 -> có lỗi

- Ta tính được R = 000000011 Giá trị dữ liệu gửi đi gồm 9 bit (d+r) lúc này sẽ là 101110011.

- Lúc này bộ chia luôn bắt đầu với bit 1 , hệ thống thực hiện phép chia theo cách trừ nhị phân không nhớ ( 0 – 0 = 0; 1 – 1 = 0; 0 – 1 = 1; 1- 0 = 1 )

Giao thức và liên kết đa truy nhập

Các giao thức phân vùng kênh

Ghép kênh phân chia theo thời gian (TDM)

Ghép kênh phân chia theo tần số (FDM) là một trong hai kỹ thuật quan trọng được sử dụng để phân chia băng thông của kênh quảng bá giữa tất cả các nút chia sẻ kênh đó, giúp tối ưu hóa việc sử dụng băng thông và tăng hiệu suất truyền thông.

Hình 3.2: Ví dụ về TDM và FDM bốn nút

3.1.1.TDM ( Ghép kênh phân chia theo thời gian)

Kênh hỗ trợ N nút với tốc độ truyền R bps sử dụng TDM để chia thời gian thành các khung thời gian, mỗi khung thời gian lại được chia thành N khe thời gian Mỗi khe thời gian được chỉ định cho một trong N nút, cho phép nút đó truyền các bit của gói dữ liệu trong khoảng thời gian đã được phân bổ trong chu kỳ TDM.

TDM mỗi nút có tốc độ truyền riêng biệt là R / N bps trong mỗi thời gian khung hình. Nhược điểm:

➢ Một nút bị giới hạn ở tốc độ trung bình là R / N bps ngay cả khi nó là nút duy nhất có gói tin để gửi.

➢ Một nút luôn phải đợi đến lượt của nó trong chuỗi truyền một lần nữa, ngay cả khi nó là nút duy nhất có khung để gửi.

3.1.2.FDM( Ghép kênh phân chia theo tần số)

Giao thức truy cập ngẫu nhiên

R bps đơn lớn hơn FDM chia sẻ cả ưu điểm và nhược điểm của TDM Nó tránh va chạm và phân chia băng thông công bằng giữa N nút.

Nhược điểm: Một nút bị giới hạn ở băng thông R/N, ngay cả khi nó là nút duy nhất có gói tin để gửi.

3.1.3.CDMA( Đa truy nhập phân chia theo mã)

CDMA (Mã phân chia theo mã) sử dụng mã độc nhất cho từng nút, cho phép mỗi nút mã hóa dữ liệu khi gửi Khi mã được chọn cẩn thận, các nút có thể truyền đồng thời mà không gây nhiễu cho nhau, miễn là người nhận biết mã của người gửi Công nghệ này đã được áp dụng trong các hệ thống quân sự do khả năng chống nhiễu và hiện nay phổ biến trong lĩnh vực dân sự, đặc biệt là trong điện thoại di động, nhờ vào tính hiệu quả trong các kênh không dây.

3.2.Giao thức truy nhập ngẫu nhiên

Loại giao thức đa truy nhập rộng thứ hai cho phép người sử dụng bắt đầu truyền dẫn mà không biết liệu có ai khác đang truyền hay không Điều này dẫn đến khả năng xảy ra va chạm khi hai hoặc nhiều người cùng truyền tại cùng một thời điểm Người sử dụng không thể phát hiện được một cuộc truyền đang diễn ra, nhưng nếu họ nhận thấy có truyền dẫn, họ có thể hoãn lại cho đến khi kênh trở nên rảnh Do đó, va chạm chỉ xảy ra khi nhiều người cùng bắt đầu phát đồng thời.

• Tất cả các khung bao gồm chính xác L bit.

• Thời gian được chia thành các khe có kích thước L / R giây ( nghĩa là một khe tương đương với thời gian để truyền một khung ).

• Các nút chỉ bắt đầu truyền các khung ở đầu các khe.

• Các nút được đồng bộ hóa để mỗi nút biết khi nào các khe bắt đầu.

Khi có hai hoặc nhiều khung xung đột trong một khe, tất cả các nút sẽ nhận biết sự kiện va chạm trước khi khe kết thúc Xác suất xảy ra sự kiện này được ký hiệu là p, với giá trị từ 0 đến 1 Hệ thống ALOHA thực hiện việc chia khe một cách đơn giản tại mỗi nút.

• Khi nút có một khung mới để gửi nó sẽ đợi cho đến đầu của khe tiếp theo và truyền toàn bộ khung trong khe.

Nếu không xảy ra xung đột, nút sẽ thành công trong việc truyền khung của mình và không cần phải xem xét việc truyền lại Trong trường hợp này, nút có thể chuẩn bị khung mới để tiếp tục quá trình truyền.

Nếu xảy ra va chạm, nút sẽ phát hiện và truyền lại khung của nó trong các khe tiếp theo với xác suất p cho đến khi khung được truyền thành công mà không gặp va chạm.

ALOHA chia khe mang lại nhiều lợi thế vượt trội Khác với phương pháp phân chia kênh, ALOHA chia khe cho phép một nút truyền tải liên tục với tốc độ tối đa R, miễn là nút đó là nút duy nhất đang hoạt động.

Hình 3.3: Khoảng thời gian dễ bị tổn thương cho một cuộc truyền dẫn sử dụng giao thức s-ALOHA

Việc truyền dẫn gói bị trễ đến t=T, khiến chỉ những người sử dụng tạo gói trong khoảng thời gian từ 0 đến T phát tại t=T và va chạm với người sử dụng 1 Các người sử dụng tạo gói sau t=T sẽ không phát cho đến t=2T, do đó không va chạm với người sử dụng 1 Chu kỳ truyền dẫn giờ chỉ còn T, cho phép tăng gấp đôi thông lượng kênh lên 36% ALOHA hoạt động hiệu quả khi chỉ có một nút, nhưng hiệu suất của nó sẽ ra sao khi có nhiều nút hoạt động?

Hình 3.4: ALOHA chia khe có nhiều nút

Trong khe đầu tiên, các nút 1, 2 và 3 đã va chạm với nhau Cuối cùng, nút 2 đạt được vị trí thứ tư, trong khi nút 1 đứng ở vị trí thứ tám và nút 3 ở vị trí thứ chín Hai hiệu quả quan trọng cần được chú ý trong tình huống này.

➢ Khi có nhiều nút đang hoạt động, một phần nhất định của các khe sẽ có va chạm và do đó sẽ bị “lãng phí”.

➢ Một vài vị trí sẽ trống vì tất cả các nút đang hoạt động không truyền do kết quả của chính sách truyền theo xác suất.

Giả sử mỗi nút trong mạng cố gắng truyền một khung dữ liệu tại mỗi vị trí với xác suất p, nghĩa là mỗi nút luôn có khung để gửi và sẽ truyền khung mới hoặc khung đã bị va chạm với xác suất p Khi có N nút trong mạng, xác suất để một vị trí cụ thể trở thành vị trí thành công là xác suất mà ít nhất một trong các nút thực hiện truyền tải thành công.

1) nút còn lại không truyền Xác suất mà một nút đã cho truyền là p, xác suất mà các nút còn lại không truyền là (1 − p) N−1 Do đó, xác suất một nút nhất định thành công là p(1 − p) N−1 Bởi vì có N nút, xác suất để bất kỳ một trong N nút nào thành công là

ALOHA thuần túy đơn giản nhưng thông lượng kênh rất thấp chỉ 18%.

Giao thức ALOHA thuần túy, còn được gọi là hệ thống ALOHA, là một mạng vô tuyến gói được phát triển bởi Đại học Hawaii và chính thức được đưa vào khai thác vào năm 1971.

Vào năm 1970, giao thức đa truy nhập đầu tiên được phát triển là giao thức ALOHA Sau đó, nhiều phương án khác nhau của giao thức ALOHA đã được nghiên cứu, trong đó giao thức ALOHA thuần túy (p-ALOHA) là phiên bản đầu tiên.

Trong ALOHA thuần túy, khi một khung được gửi lần đầu, nút sẽ ngay lập tức truyền khung đó vào kênh quảng bá Nếu khung gặp va chạm với các quá trình truyền khác, nút sẽ truyền lại khung sau khi hoàn tất việc truyền khung bị va chạm với xác suất p Nếu không xảy ra va chạm, nút sẽ chờ một khoảng thời gian trước khi truyền lại khung với xác suất p hoặc không hoạt động trong một khoảng thời gian khác với xác suất 1 - p Để đánh giá hiệu suất tối đa của ALOHA thuần túy, chúng ta sẽ tập trung vào một nút riêng lẻ.

Hình 3.5: Gây nhiễu truyền trong ALOHA thuần túy

Để khung trong hình 3.5 được truyền thành công bắt đầu từ thời điểm t0, cần đảm bảo rằng không có nút nào khác khởi động quá trình truyền trong khoảng thời gian từ t0 - 1 đến t0.

Sự chuyển đổi này xảy ra đồng thời với việc bắt đầu quá trình truyền khung của nút i Khả năng mà tất cả các nút khác không bắt đầu truyền trong khoảng thời gian này là (1 − p)^(N−1) Đồng thời, không có nút nào khác có thể bắt đầu truyền khi nút i đang truyền, vì quá trình truyền sẽ chồng chéo với quá trình của nút i Xác suất để tất cả các nút khác không bắt đầu truyền trong thời gian này cũng là (1 − p)^(N−1) Do đó, xác suất để một nút cụ thể có một lần truyền thành công là p(1 − p)^(2(N−1)).

Hiệu suất tối đa của giao thức ALOHA thuần túy chỉ bằng 1 / (2e) chính xác một nửa so với ALOHA có rãnh

3.3.3.Giao thức đa truy nhập cảm nhận sóng mang (CSMA)

Giao thức đa truy nhập cảm nhận sóng mang (CSMA: Carrier Sense Multiple Access) chia làm 2 loại giao thức con:

• Giao thức CSMA không liên tục (Nonpersistent CSMA)

• Giao thức CSMA liên tục với xác suất p ( p-Persistent CSMA)

Giao thức thực hiện

Giao thức đa truy nhập có hai thuộc tính là :

➢ Khi chỉ một nút hoạt động, nút hoạt động có thông lượng R bps

➢ Khi M nút đang hoạt động, thì mỗi nút hoạt động có thông lượng gần như R / M bps.

Giao thức ALOHA và CSMA có thuộc tính đầu tiên này nhưng không có thuộc tính thứ hai.

Các giao thức thay phiên:

Giao thức bỏ phiếu yêu cầu một nút được chỉ định làm nút chính, thực hiện việc thăm dò các nút khác theo kiểu vòng tròn Nút chính đầu tiên gửi thông điệp đến nút 1, cho phép nút này truyền một số khung hình tối đa Sau khi nút 1 hoàn thành việc truyền khung, nút chính thông báo cho nút 2 rằng nó có thể bắt đầu truyền khung Nút chính xác định việc hoàn thành của mỗi nút bằng cách theo dõi sự thiếu tín hiệu trên kênh Quy trình này tiếp tục lặp lại cho từng nút trong hệ thống.

Giao thức chuyển mã thông báo không sử dụng nút chính, mà thay vào đó, nó dựa vào một khung nhỏ có tên gọi là mã thông báo Mã thông báo này được trao đổi giữa các nút theo một thứ tự nhất định, đảm bảo tính chính xác và an toàn trong quá trình truyền tải thông tin.

DOCSIS: Giao thức lớp liên kết để truy cập Internet qua cáp

DOCSIS sử dụng FDM để phân chia các phân đoạn mạng xuôi dòng (CMTS tới modem) và ngược dòng (modem tới CMTS) thành nhiều kênh tần số cao.

Mỗi kênh xuôi dòng có băng thông từ 24 MHz đến 192 MHz, cho phép đạt thông lượng tối đa khoảng 1,6 Gbps Trong khi đó, các kênh ngược dòng có băng thông từ 6,4 MHz đến 96 MHz, với thông lượng ngược dòng tối đa đạt khoảng 1 Gbps.

Hình 3.9: Các kênh xuôi dòng và ngược dòng giữa CMTS và modem cáp

Mỗi kênh ngược dòng được chia thành các khoảng thời gian, tương tự như TDM, với các khe cắm nhỏ cho phép modem cáp truyền đến CMTS CMTS cấp quyền cho từng modem cáp để truyền trong các khe cắm cụ thể thông qua bản tin điều khiển MAP, gửi trên kênh xuôi dòng Bản tin này chỉ định modem cáp nào có thể truyền dữ liệu trong khe cắm nhỏ trong khoảng thời gian đã định Nhờ việc phân bổ rõ ràng các khe cắm mini cho modem cáp, CMTS có thể ngăn chặn xung đột đường truyền trong mỗi khe cắm.

Các khung yêu cầu khe cắm mini trong modem cáp có thể xảy ra xung đột do truy cập ngẫu nhiên, khiến modem không nhận biết được tình trạng bận của kênh ngược dòng Khi không nhận được phản hồi cho phân bổ yêu cầu, modem sẽ thông báo sự cố và sử dụng phương pháp dự phòng hàm mũ nhị phân để trì hoãn việc truyền lại khung yêu cầu Tuy nhiên, trong trường hợp lưu lượng truy cập thấp, modem có khả năng truyền các khung dữ liệu trong các khe thời gian đã chỉ định cho khung yêu cầu khe cắm mini mà không phải chờ đợi.

Chuyển mạch trong mạng nội bộ

Địa chỉ lớp liên kết và giao thức ARP

Hình 4.1: Mỗi interface kết nối với mạng LAN có một địa chỉ MAC duy nhất

Trong mạng máy tính, địa chỉ lớp liên kết thuộc về bộ điều hợp (giao diện mạng) chứ không phải máy chủ hay bộ định tuyến Chuyển mạch lớp liên kết thực hiện việc chuyển tiếp dữ liệu giữa máy chủ và bộ định tuyến một cách minh bạch, mà không cần sự can thiệp của chúng Địa chỉ này được gọi là địa chỉ LAN, địa chỉ vật lý hoặc địa chỉ MAC Địa chỉ MAC được thiết kế để tồn tại vĩnh viễn, tuy nhiên, hiện nay có thể thay đổi địa chỉ MAC của bộ điều hợp thông qua phần mềm.

Địa chỉ MAC có một thuộc tính thú vị là không có hai bộ điều hợp nào có cùng địa chỉ, mặc dù chúng được sản xuất bởi nhiều công ty ở nhiều quốc gia khác nhau Để đảm bảo tính duy nhất này, IEEE quản lý không gian địa chỉ MAC Khi một công ty muốn sản xuất bộ điều hợp, họ sẽ mua một đoạn không gian địa chỉ gồm 224 địa chỉ với một khoản phí danh nghĩa IEEE sẽ phân bổ đoạn 224 địa chỉ này bằng cách sửa 24 bit đầu tiên của địa chỉ MAC, cho phép công ty tạo ra các kết hợp duy nhất cho 24 bit cuối cùng của mỗi bộ điều hợp.

Địa chỉ MAC đặc biệt FF: FF: FF: FF: FF: FF cho phép một thiết bị giao tiếp với tất cả các thiết bị được kết nối vật lý, được gọi là địa chỉ broadcast.

4.1.2.Giao thức phân giải địa chỉ (ARP)

ARP, hay Giao thức phân giải địa chỉ, là một giao thức mạng quan trọng giúp xác định địa chỉ phần cứng (địa chỉ MAC) của thiết bị từ địa chỉ IP nguồn Giao thức này được sử dụng khi các thiết bị giao tiếp với nhau trong một mạng cục bộ.

Ví dụ như trên mạng Ethernet mà hệ thống yêu cầu địa chỉ vật lý trước khi thực hiện gửi packets.

Thiết bị gửi sử dụng giao thức ARP để chuyển đổi địa chỉ IP thành địa chỉ MAC Khi gửi một yêu cầu ARP chứa địa chỉ IP của thiết bị nhận, tất cả các thiết bị trong mạng cục bộ đều nhận thấy thông điệp này Tuy nhiên, chỉ thiết bị có địa chỉ IP tương ứng trong yêu cầu mới phản hồi với thông điệp chứa địa chỉ MAC của nó Nhờ đó, thiết bị gửi có đủ thông tin cần thiết để gửi gói dữ liệu đến thiết bị nhận.

Hình 4.2: Mỗi giao diện trên một mạng LAN có một địa chỉ IP và một địa chỉ MAC

Máy chủ với địa chỉ IP 222.222.222.220 đang muốn gửi một IP datagram đến máy chủ 222.222.222.222 Trong trường hợp này, cả hai địa chỉ nguồn và đích đều thuộc cùng một mạng con.

➢ Để gửi một sơ đồ, nguồn phải cung cấp cho bộ điều hợp của nó không chỉ IP datagram mà còn cả địa chỉ MAC cho điểm đến 222.222.222.222.

➢ Bộ điều hợp gửi sau đó sẽ xây dựng một lớp liên kết khung chứa địa chỉ MAC của đích và gửi khung vào mạng LAN

Trong ví dụ này, máy chủ 222.222.222.220 gửi yêu cầu ARP để xác định địa chỉ IP 222.222.222.222, và mô-đun ARP sẽ trả về địa chỉ MAC tương ứng là 49-BD-D2-C7-56-2A.

ARP (Address Resolution Protocol) chuyển đổi địa chỉ IP thành địa chỉ MAC, tương tự như DNS (Domain Name System) chuyển đổi tên máy chủ thành địa chỉ IP Tuy nhiên, điểm khác biệt chính giữa hai giao thức này là DNS có khả năng phân giải tên máy chủ cho các máy chủ trên toàn bộ Internet, trong khi ARP chỉ thực hiện việc phân giải địa chỉ IP cho các máy chủ và giao diện bộ định tuyến trong cùng một mạng con.

Hình 4.3: Một bảng ARP có thể có trong 222.222.222.220

Ethernet

Ethernet đã chiếm lĩnh khá nhiều thị trường mạng LAN có dây Trong những năm

Vào những năm 1980 và đầu những năm 1990, Ethernet đã phải đối mặt với nhiều thách thức từ các công nghệ mạng LAN khác như token ring, FDDI và ATM Trong giai đoạn này, một số công nghệ khác cũng đã đạt được thành công trong việc tham gia vào thị trường mạng LAN.

Kể từ khi được phát minh vào giữa những năm 1970, Ethernet đã không ngừng phát triển và duy trì vị trí thống trị trong lĩnh vực mạng Hiện nay, Ethernet là công nghệ mạng LAN có dây phổ biến nhất và có khả năng tiếp tục giữ vững vị trí này trong tương lai gần Ethernet đã kết nối các mạng cục bộ tương tự như cách mà Internet đã kết nối mạng toàn cầu.

Hình 4.4: Cấu trúc khung Ethernet

Trường dữ liệu có kích thước từ 46 đến 1.500 byte, chứa sơ đồ IP, với đơn vị truyền tải lớn nhất (MTU) của Ethernet là 1.500 byte Nếu IP datagram vượt quá kích thước này, máy chủ phải phân mảnh datagram, trong khi kích thước tối thiểu của trường dữ liệu là 46 byte, yêu cầu "nhồi" nếu datagram nhỏ hơn 46 byte Địa chỉ đích, dài 6 byte, chứa địa chỉ MAC của bộ chuyển đổi đích (BB-BB-BB-BB-BB-BB); nếu bộ điều hợp B nhận khung với địa chỉ này hoặc địa chỉ MAC broadcast, nó sẽ chuyển nội dung trường dữ liệu đến lớp mạng, ngược lại, nó sẽ loại bỏ khung Cuối cùng, địa chỉ nguồn cũng dài 6 byte, chứa địa chỉ MAC của bộ điều hợp truyền khung vào mạng LAN, ví dụ là AA-AA-AA-AA-AA-AA.

Trường Type (2 byte) cho phép Ethernet ghép kênh các giao thức lớp mạng, cho thấy rằng máy chủ có thể sử dụng nhiều giao thức lớp mạng bên cạnh IP Điều này có nghĩa là một máy chủ có thể hỗ trợ nhiều giao thức tầng mạng khác nhau, áp dụng các giao thức riêng biệt cho các ứng dụng khác nhau.

Kiểm tra dự phòng theo chu kỳ (CRC) 4 byte là một phương pháp quan trọng giúp bộ điều hợp B phát hiện lỗi bit trong khung dữ liệu Mục đích của trường CRC là đảm bảo tính toàn vẹn của thông tin được truyền tải.

Mở đầu (Preamble) (8 byte): Khung Ethernet bắt đầu bằng trường mở đầu 8 byte.

Tất cả các máy tính trong cùng một mạng LAN đều có khả năng truy cập Internet Tuy nhiên, khi xảy ra va chạm giữa nhiều gói thông tin, toàn bộ các gói đang truyền sẽ bị loại bỏ và phải được truyền lại Hiện nay, chúng ta chỉ cần chú ý đến hai chuẩn Ethernet phổ biến nhất.

Tốc độ 10/100 Mbps là tiêu chuẩn mạng Megabit, phù hợp với nhu cầu sử dụng internet phổ thông Hầu hết các kết nối internet hiện nay đều đạt tốc độ chuẩn gigabit, đáp ứng tốt cho nhu cầu truy cập của người dùng.

Tốc độ 10/100/1000Mbs là tiêu chuẩn Gigabit, đáp ứng nhu cầu sử dụng internet cao cấp, thường thấy ở các server quán nét và doanh nghiệp có khối lượng công việc lớn.

Switch lớp liên kết

4.3.1.Forwarding and Filtering(Chuyển tiếp và Lọc)

Lọc là chức năng chuyển đổi để xác định xem khung có nên chuyển tiếp tới một vài interface hoặc chỉ nên bị loại bỏ.

Chuyển tiếp là chức năng xác định các giao diện mà khung sẽ được hướng tới, và sau đó di chuyển khung đến các interface đó

Bảng MAC table sẽ lưu trữ thông tin về lọc và chuyển tiếp, bao gồm địa chỉ MAC, giao diện tương ứng và thời gian mà địa chỉ MAC được thêm vào bảng.

Một bộ chuyển mạch có khả năng tự động tạo bảng mà không cần sự can thiệp của quản trị viên mạng hay chuyên gia cấu hình, cho thấy tính năng tự học của thiết bị Khả năng này cho phép thiết bị hoạt động độc lập và hiệu quả hơn trong việc quản lý mạng.

• Bảng chuyển đổi ban đầu trống.

Mỗi khi một khung được nhận trên giao diện, switch sẽ lưu trữ địa chỉ MAC từ trường địa chỉ nguồn của khung, giao diện mà khung đến, và thời gian hiện tại vào bảng của nó Nhờ đó, switch ghi nhận phân đoạn LAN mà người gửi đã sử dụng để gửi khung Khi tất cả các host trong mạng LAN gửi khung, địa chỉ của mọi host sẽ được ghi vào bảng.

Switch sẽ tự động xóa địa chỉ trong bảng MAC nếu không nhận được khung từ nguồn trong một khoảng thời gian nhất định (aging time) Điều này có nghĩa là khi một máy tính (PC) được thay thế bằng một máy tính khác có bộ điều hợp khác, địa chỉ MAC của máy tính gốc sẽ bị loại bỏ khỏi bảng MAC table.

4.3.3.Các thuộc tính của chuyển đổi lớp liên kết

Loại bỏ va chạm trong mạng LAN sử dụng thiết bị chuyển mạch giúp tiết kiệm băng thông, vì các chuyển đổi khung đệm không truyền nhiều hơn một khung trên một phân đoạn cùng lúc Tương tự như bộ định tuyến, thông lượng tối đa của một switch là tổng của tất cả các giao diện chuyển mạch, mang lại hiệu suất vượt trội so với mạng LAN sử dụng liên kết quảng bá.

Liên kết không đồng nhất trong mạng LAN xảy ra khi một switch cách ly các liên kết khác nhau, cho phép chúng hoạt động ở các tốc độ khác nhau và sử dụng các phương tiện truyền thông khác nhau.

Quản lý (Management): Ngoài việc cung cấp bảo mật nâng cao, một switch cũng giúp quản lý mạng dễ dàng hơn.

4.3.4.Chuyển mạch so với bộ định tuyến

Bài viết này sẽ trình bày 10 điểm khác biệt hàng đầu giữa bộ định tuyến và bộ chuyển mạch, giúp bạn hiểu rõ hơn về vai trò và chức năng của từng thiết bị trong mạng Bộ định tuyến thường được sử dụng để kết nối các mạng khác nhau và quản lý lưu lượng dữ liệu, trong khi bộ chuyển mạch chủ yếu hoạt động trong một mạng nội bộ, kết nối các thiết bị với nhau Sự khác biệt này ảnh hưởng đến cách thức truyền tải dữ liệu và hiệu suất mạng Hãy cùng khám phá những điểm khác biệt chính để nắm bắt được cách thức hoạt động của hai thiết bị này.

Hình 4.5: Bảng so sánh bộ chuyển mạch và bộ định tuyến

Mạng cục bộ ảo (VLANs)

VLAN, hay mạng LAN ảo, là một miền quảng bá được tạo ra bởi các switch, thay vì router như thông thường Điều này cho phép switch chia thành nhiều miền quảng bá nhỏ hơn, độc lập với nhau, giúp tổ chức và quản lý mạng hiệu quả hơn.

Một switch có khả năng tạo ra nhiều VLAN, cho phép các thiết bị trong cùng một VLAN nhận được các gói broadcast từ thiết bị khác trong VLAN đó Tuy nhiên, gói broadcast sẽ không được chuyển tiếp đến các thiết bị nằm trong VLAN khác, giúp tăng cường hiệu quả và bảo mật trong mạng.

Hình 4.6: Một switch được cấu hình 2 Vlans

4.4.1.Khi nào bạn cần tạo Vlan

Bạn có hơn 200 máy tính trong mạng LAN

Lưu lượng quảng bá (broadcast traffic) trong mạng LAN của bạn quá lớn

Các nhóm làm việc cần tăng cường bảo mật để tránh bị làm chậm do quá nhiều bản tin quảng bá Điều này đặc biệt quan trọng khi họ sử dụng chung các ứng dụng trên cùng một miền quảng bá, như trong trường hợp một công ty sử dụng điện thoại VoIP Nếu một số người sử dụng điện thoại thuộc một mạng VLAN khác, họ có thể không tương tác hiệu quả với người dùng thường xuyên Một giải pháp là chuyển đổi một switch đơn thành nhiều switch ảo để cải thiện hiệu suất mạng.

Tiết kiệm băng thông của hệ thống mạng: VLAN chia mạng LAN thành nhiều đoạn

Mỗi đoạn mạng nhỏ được gọi là một vùng quảng bá (broadcast domain), nơi mà các gói tin quảng bá chỉ được truyền trong VLAN tương ứng Việc chia VLAN không chỉ giúp phân chia mạng hiệu quả mà còn tiết kiệm băng thông cho hệ thống mạng.

Tăng cường bảo mật mạng là một lợi ích quan trọng của việc sử dụng VLAN, vì các thiết bị trong các VLAN khác nhau không thể truy cập lẫn nhau trừ khi có router kết nối Ví dụ, các máy tính trong VLAN kế toán chỉ có thể giao tiếp với nhau, trong khi máy ở VLAN kế toán không thể kết nối với máy tính trong VLAN kỹ sư, điều này giúp ngăn chặn sự truy cập trái phép và bảo vệ thông tin nhạy cảm.

Việc thêm hoặc bớt máy tính vào VLAN rất dễ dàng, chỉ cần cấu hình cổng cho máy tính đó vào VLAN mong muốn.

VLAN mang lại tính linh động cao cho mạng, cho phép dễ dàng di chuyển các thiết bị Khi công ty quyết định tổ chức lại các bộ phận ở từng tầng riêng biệt, việc cấu hình lại các cổng switch và phân bổ vào các VLAN theo yêu cầu chỉ cần thực hiện đơn giản VLAN có thể được cấu hình theo hai cách: tĩnh và động Trong cấu hình tĩnh, quản trị viên mạng sẽ phải cấu hình từng cổng của switch và gán chúng vào một VLAN cụ thể Ngược lại, trong cấu hình động, mỗi cổng switch có khả năng tự cấu hình VLAN dựa trên địa chỉ MAC của thiết bị kết nối.

Khi một liên kết giữa hai switch hoặc giữa một router và một switch truyền tải lưu lượng của nhiều VLAN thì cổng đó gọi là cổng trunk.

Cổng trunk phải chạy giao thức đường truyền đặc biệt Giao thức được sử dụng có thể là giao thức độc quyền ISL của Cisco hoặc IEEE chuẩn 802.1q.

Hình 4.7: Kết nối 2 Vlan : (a) hai dây cáp (b) qua cổng trunk

Ảo hóa liên kết

Mạng trung tâm dữ liệu

Kiến trúc trung tâm dữ liệu

Các thiết kế trung tâm dữ liệu được bảo mật nghiêm ngặt, vì chúng mang lại lợi thế cạnh tranh cho các công ty điện toán đám mây hàng đầu Chi phí xây dựng và vận hành một trung tâm dữ liệu quy mô lớn là rất cao, bao gồm nhiều khoản chi phí khác nhau.

- 45 phần trăm có thể do chính các vật chủ (cần được thay thế 3–4 năm một lần)

25% ngân sách sẽ được đầu tư cho cơ sở hạ tầng, bao gồm máy biến áp, hệ thống cung cấp điện liên tục (UPS), máy phát điện cho trường hợp mất điện kéo dài và hệ thống làm mát.

- 15 phần trăm cho chi phí tiện ích điện cho việc rút điện

Mạng đóng góp 15% vào tổng chi phí, bao gồm các thiết bị như bộ chuyển mạch, bộ định tuyến và bộ cân bằng tải, cũng như các liên kết bên ngoài và chi phí lưu lượng vận chuyển.

Theo thống kê gần đây, mặc dù mạng không phải là yếu tố có chi phí lớn nhất, nhưng việc đổi mới mạng lại đóng vai trò quan trọng trong việc giảm thiểu chi phí tổng thể và tối ưu hóa hiệu suất.

Trong trung tâm dữ liệu, các máy chủ, hay còn gọi là blades, đóng vai trò như những worker bees Mỗi máy chủ bao gồm CPU, bộ nhớ và ổ lưu trữ, và chúng được xếp chồng lên nhau trong các rack, với mỗi rack thường chứa từ 20 đến 40 blade Ở vị trí trên cùng của mỗi rack là một switch, được gọi là Top of Rack switch (TOR), có nhiệm vụ kết nối các máy chủ trong rack với nhau và với các switch khác trong trung tâm dữ liệu.

Mỗi máy chủ trong rack được kết nối với switch TOR thông qua một giao diện mạng, và switch TOR này có các cổng để kết nối với các thiết bị chuyển mạch khác Hiện nay, máy chủ thường sử dụng kết nối Ethernet với tốc độ 40 Gbps hoặc 100 Gbps Đồng thời, mỗi máy chủ lưu trữ cũng được cấp phát địa chỉ IP nội bộ trong trung tâm dữ liệu.

Hình 6.1: Mạng trung tâm dữ liệu với cấu trúc liên kết phân cấp

Mạng trung tâm dữ liệu hỗ trợ hai loại lưu lượng chính: lưu lượng từ các máy khách bên ngoài và lưu lượng giữa các máy chủ nội bộ Để quản lý hiệu quả các luồng dữ liệu này, mạng trung tâm dữ liệu sử dụng một hoặc nhiều bộ định tuyến biên giới, giúp kết nối mạng với Internet công cộng.

Nhóm 15 35 download by : skknchat@gmail.com tâm dữ liệu kết nối các rack với nhau và kết nối các rack với các bộ định tuyến biên giới. Hình 6.30 cho thấy một ví dụ về mạng trung tâm dữ liệu Thiết kế mạng trung tâm dữ liệu, nghệ thuật thiết kế mạng liên kết và các giao thức kết nối các rack với nhau và với các bộ định tuyến biên giới, đã trở thành một nhánh quan trọng của nghiên cứu mạng máy tính trong những năm gần đây

Một trung tâm dữ liệu đám mây có khả năng cung cấp nhiều ứng dụng đồng thời như tìm kiếm, email và video Mỗi ứng dụng được gán một địa chỉ IP công khai, cho phép khách hàng gửi yêu cầu và nhận phản hồi Tại trung tâm dữ liệu, các yêu cầu từ bên ngoài được chuyển hướng đến bộ cân bằng tải, có nhiệm vụ phân phối và cân bằng tải giữa các máy chủ.

Một trung tâm dữ liệu lớn thường sử dụng nhiều bộ cân bằng tải, mỗi bộ phục vụ cho các ứng dụng đám mây cụ thể Khi nhận được yêu cầu cho một ứng dụng, bộ cân bằng tải sẽ chuyển tiếp yêu cầu đó đến một trong các máy chủ xử lý ứng dụng, và máy chủ này có thể gọi đến các dịch vụ của máy chủ khác để hoàn thành yêu cầu Bộ cân bằng tải không chỉ giúp phân phối công việc giữa các máy chủ mà còn thực hiện chức năng dịch địa chỉ IP công khai sang địa chỉ IP nội bộ của máy chủ, và ngược lại cho các gói dữ liệu trở về khách hàng Điều này giúp bảo vệ máy chủ khỏi việc bị khách hàng truy cập trực tiếp, từ đó ẩn đi cấu trúc mạng nội bộ và nâng cao tính bảo mật.

6.1.2.Kiến trúc phân cấp Đối với một trung tâm dữ liệu nhỏ thì chỉ cần kết nối với nhau bằng một bộ chuyển mạch Ethernet duy nhất có thể là đủ nhưng với một trung tâm dữ liệu quy mô lớn hơn, lên đến hàng chục hàng tram nghìn máy chủ thì cần sử dụng hệ thống phân cấp các bộ định tuyến và chuyển mạch chẳng hạn như ở trong hình 6.30 Ở đầu phân cấp, Border router kết nối với access routers Bên dưới mỗi access routers, có ba cấp switch Mỗi access router kết nối với một switch cấp 1 và mỗi switch cấp 1 kết nối với nhiều switch cấp 2 và một bộ cân bằng tải Mỗi switch cấp 2 lần lượt kết nối với nhiều rack thông qua các TOR switch ( switch cấp 3) của các rack Tất cả các liên kết thường sử dụng Ethernet cho các giao thức lớp liên kết và lớp vật lý, với sự kết hợp của cáp đồng và cáp quang.

Với thiết kế phân cấp như vậy, có thể mở rộng quy mô một trung tâm dữ liệu lên hàng trăm nghìn máy chủ.

Mặc dù kiến trúc phân cấp truyền thống giải quyết vấn đề quy mô, nhưng nó gặp hạn chế về dung lượng giữa các máy chủ Cụ thể, khi mỗi máy chủ kết nối với switch TOR bằng liên kết 10 Gbps và các liên kết giữa các switch là 100 Gbps, hai máy chủ trong cùng một rack có thể giao tiếp với tốc độ tối đa 10 Gbps, bị giới hạn bởi bộ điều khiển giao diện mạng Tuy nhiên, khi có nhiều luồng đồng thời trong mạng trung tâm dữ liệu, tỷ lệ tối đa giữa hai máy chủ ở các rack khác nhau có thể giảm đáng kể.

Có một số giải pháp có thể cho vấn đề này:

Một giải pháp khả thi để khắc phục hạn chế này là triển khai các thiết bị chuyển mạch và bộ định tuyến có tốc độ cao hơn Tuy nhiên, việc này sẽ dẫn đến việc tăng đáng kể chi phí cho trung tâm dữ liệu, do các thiết bị này thường có giá thành rất cao.

Giải pháp thứ hai cho vấn đề này là đồng định vị các dịch vụ và dữ liệu liên quan gần nhau, như trong cùng một rack hoặc rack gần nhau, nhằm giảm thiểu giao tiếp giữa các tủ mạng thông qua router switches cấp 2 hoặc cấp 1 Tuy nhiên, điều này có giới hạn do yêu cầu linh hoạt trong bố trí dịch vụ và tính toán tại các trung tâm dữ liệu Ví dụ, một công cụ tìm kiếm Internet quy mô lớn có thể cần hàng nghìn máy chủ trải rộng trên nhiều rack, dẫn đến yêu cầu băng thông cao giữa các máy chủ Tương tự, dịch vụ điện toán đám mây như Amazon Web Services hay Microsoft Azure thường đặt nhiều máy ảo trên các máy chủ vật lý lớn nhất mà không quan tâm đến vị trí của chúng, và nếu các máy chủ này trải rộng trên nhiều rack, sẽ có nguy cơ gây tắc nghẽn mạng và ảnh hưởng đến hiệu suất.

Giải pháp tối ưu để cải thiện mạng lưới là tăng cường kết nối giữa switch TOR và switch cấp 2, cũng như giữa switch cấp 2 và switch cấp 1 Mỗi switch TOR có thể kết nối với nhiều switch cấp 2, tạo ra nhiều đường dẫn chuyển mạch giữa các rack Ví dụ, trong Hình 6.31, có bốn đường dẫn riêng biệt giữa hai switch cấp 2, cung cấp tổng dung lượng 400 Gbps Việc tăng cường kết nối giữa các tầng không chỉ nâng cao dung lượng mà còn cải thiện độ tin cậy nhờ vào sự đa dạng trong đường dẫn.

Hình 6.2: Cấu trúc liên kết mạng dữ liệu được kết nối cấp cao

Xu hướng trong mạng trung tâm dữ liệu

Mạng trung tâm dữ liệu đang trải qua sự phát triển nhanh chóng, nhờ vào việc giảm chi phí, ảo hóa, hạn chế vật lý, cũng như các giải pháp mô-đun và tùy chỉnh.

6.2.1.Giảm chi phí Để giảm chi phí của các trung tâm dữ liệu, đồng thời cải thiện độ trễ và hiệu suất thông lượng của chúng, cũng như dễ dàng mở rộng và triển khai, các gã khổng lồ trên đám mây Internet đang liên tục triển khai các thiết kế mạng trung tâm dữ liệu mới.

Mạng phân cấp trong trung tâm dữ liệu đang trở thành một xu hướng quan trọng, với cấu trúc kết nối các máy chủ một cách hiệu quả Mạng kết nối phân cấp mang lại nhiều lợi ích vượt trội so với thiết bị chuyển mạch thanh ngang, bao gồm khả năng cung cấp nhiều đường dẫn từ nguồn đến đích, tăng dung lượng nhờ vào định tuyến đa đường, và cải thiện độ tin cậy thông qua việc sử dụng nhiều đường dẫn chuyển mạch và liên kết giữa các máy chủ.

6.2.2.Quản lý và kiểm soát SDN tập trung

Các nhà khai thác trung tâm dữ liệu lớn như Google, Microsoft và Facebook đang áp dụng khái niệm kiểm soát tập trung tương tự như SDN, nhờ vào việc trung tâm dữ liệu được quản lý bởi một tổ chức duy nhất Kiến trúc của họ thể hiện sự phân tách rõ ràng giữa mặt phẳng dữ liệu, bao gồm các switch hàng hóa đơn giản, và mặt phẳng điều khiển dựa trên phần mềm.

Và do quy mô lớn của các trung tâm dữ liệu, cấu hình tự động và quản lý trạng thái hoạt động, cũng rất quan trọng.

6.2.3.Ảo hóa Ảo hóa đã là động lực cho phần lớn sự phát triển của điện toán đám mây và mạng trung tâm dữ liệu nói chung.

Máy ảo (VM) tách biệt phần mềm ứng dụng khỏi phần cứng vật lý, cho phép di chuyển liền mạch giữa các máy chủ khác nhau Tuy nhiên, các giao thức Ethernet và IP tiêu chuẩn gặp khó khăn trong việc duy trì kết nối mạng khi chuyển động của máy ảo diễn ra Để giải quyết vấn đề này, một giải pháp hiệu quả là xem toàn bộ mạng trung tâm dữ liệu như một mạng phẳng, lớp 2 duy nhất, giúp quản lý dễ dàng hơn Trong mạng Ethernet, giao thức ARP đóng vai trò quan trọng trong việc duy trì liên kết giữa địa chỉ IP và địa chỉ phần cứng (MAC) trên một giao diện, tạo điều kiện cho việc kết nối tất cả các máy chủ với một switch.

Cơ chế ARP đã được cải tiến để sử dụng hệ thống truy vấn tương tự như DNS, thay vì sử dụng phương pháp phát sóng truyền thống Điều này cho phép duy trì một thư mục ánh xạ địa chỉ IP với máy ảo và chuyển mạch vật lý mà máy ảo kết nối trong mạng trung tâm dữ liệu.

Mạng trung tâm dữ liệu khác biệt so với Internet diện rộng nhờ vào dung lượng cao với các liên kết 40 Gbps và 100 Gbps ngày càng phổ biến, cùng với độ trễ cực thấp ở mức micro giây Điều này dẫn đến việc kích thước bộ đệm nhỏ và các giao thức kiểm soát tắc nghẽn như TCP và các biến thể của nó không thể mở rộng quy mô hiệu quả.

Nhóm 15 38 download by : skknchat@gmail.com tốt trong các trung tâm dữ liệu Trong các trung tâm dữ liệu, các giao thức kiểm soát tắc nghẽn phải phản ứng nhanh và hoạt động ở chế độ tổn thất cực kỳ thấp, vì quá trình khôi phục tổn thất và thời gian chờ có thể dẫn đến cực kỳ kém hiệu quả Một số cách tiếp cận để giải quyết vấn đề này đã được đề xuất và triển khai, từ các biến thể TCP dành riêng cho trung tâm dữ liệu đến việc triển khai các công nghệ Truy cập Bộ nhớ Trực tiếp Từ xa (RDMA) trên Ethernet tiêu chuẩn Lý thuyết lập lịch cũng đã được áp dụng để phát triển các cơ chế tách lập lịch dòng khỏi kiểm soát tốc độ, cho phép các giao thức kiểm soát tắc nghẽn rất đơn giản trong khi vẫn duy trì hiệu quả sử dụng cao của các liên kết.

Một xu hướng lớn khác là sử dụng các trung tâm dữ liệu mô-đun ( modular data centers -MDC) dựa trên container vận chuyển

Trong MDC, một nhà máy xây dựng, trong một container vận chuyển tiêu chuẩn dài

Trung tâm dữ liệu nhỏ có kích thước 12 mét, chứa nhiều container được vận chuyển đến vị trí trung tâm dữ liệu Mỗi container bao gồm hàng nghìn máy chủ được sắp xếp trong các rack, kết nối với nhau và với Internet Khi một container được triển khai, việc bảo trì trở nên khó khăn; do đó, mỗi vùng chứa được thiết kế để dễ dàng giảm hiệu suất Khi các thành phần như máy chủ và thiết bị chuyển mạch bị lỗi, vùng chứa vẫn hoạt động nhưng với hiệu suất giảm Khi nhiều thành phần hỏng hóc và hiệu suất giảm xuống dưới ngưỡng cho phép, toàn bộ vùng chứa sẽ được thay thế bằng một hộp mới.

Việc xây dựng một trung tâm dữ liệu ngoài vùng chứa đặt ra nhiều thách thức mạng mới Trong một MDC, có hai loại mạng: mạng nội bộ trong mỗi vùng chứa và mạng lõi kết nối giữa các vùng chứa Mỗi container có thể chứa hàng nghìn máy chủ, cho phép xây dựng một mạng hoàn chỉnh với thiết bị chuyển mạch Gigabit Ethernet giá rẻ Tuy nhiên, thiết kế mạng lõi để kết nối hàng trăm đến hàng nghìn vùng chứa, đồng thời đảm bảo băng thông cao từ máy chủ đến máy chủ lưu trữ cho khối lượng công việc điển hình, vẫn là một thách thức lớn.

Một xu hướng quan trọng trong ngành công nghiệp đám mây là các nhà cung cấp lớn đang ngày càng tự xây dựng hoặc tùy chỉnh các thành phần trong trung tâm dữ liệu của họ, bao gồm bộ điều hợp mạng, bộ định tuyến chuyển mạch, TOR, phần mềm và giao thức mạng Amazon đã tiên phong trong việc cải thiện độ tin cậy thông qua "vùng khả dụng", cho phép tái tạo các trung tâm dữ liệu riêng biệt tại các tòa nhà lân cận Bằng cách đặt các tòa nhà cách nhau vài km, dữ liệu giao dịch có thể được đồng bộ hóa giữa các trung tâm dữ liệu trong cùng một vùng khả dụng, đồng thời nâng cao khả năng chịu lỗi Xu hướng đổi mới trong thiết kế trung tâm dữ liệu dự kiến sẽ tiếp tục phát triển mạnh mẽ.

Định dạng
Số trang	47
Dung lượng	1,43 MB