Chương này trình bày tổng quan về mạng thông tin và thiết bị chuyển mạch lớp 2, bao gồm hai phần chính. Phần thứ nhất trình bày về mô hình mạng chuyển mạch gói; đưa ra mô hình OSI, giới thiệu về TCPIP, mạng cục bộ, Ethernet, các thành phần cở bản của mạng từ giao diện vật lý, các phương tiện và giao thức truyền dẫn tới định dạng gói tin và cơ chế chuyển mạch; khái niệm mạng cục bộ ảo và ứng dụng. Phần thứ hai trình bày các khái niệm cơ bản liên quan tới đối tượng thiết kế chính trong đồ án là thiết bị chuyển mạch lớp 2. Các nội dung này bao gồm vai trò, vị trí, phân loại, cách thức hoạt động, yêu cầu và thông số kỹ thuật cơ bản của một thiết bị chuyển mạch tiêu chuẩn có tham chiếu với các sản phẩm hiện có trên thị trường.4 1.1 Tổng quan về mô hình mạng thông tin Mô hình OSI Năm 1979, cơ quan Thiết lập Tiêu chuẩn Quốc tế (International Organization for Standardization – ISO) đã phát triển một mô hình trao đổi dữ liệu với mục đích xây dựng cấu trúc và tiêu chuẩn hoá toàn cầu mạng lưới thông tin 24. ISO đưa ra mô hình kết nối các hệ thống mở (Open Systems Interconnection – OSI) để xây dựng một mô hình giao tiếp giữa hai hệ thống thông tin (Hình 1.1)
3 CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ MẠNG THÔNG TIN VÀ THIẾT BỊ CHUYỂN MẠCH LỚP Chương trình bày tổng quan mạng thông tin thiết bị chuyển mạch lớp 2, bao gồm hai phần Phần thứ trình bày mơ hình mạng chuyển mạch gói; đưa mơ hình OSI, giới thiệu TCP/IP, mạng cục bộ, Ethernet, thành phần cở mạng từ giao diện vật lý, phương tiện giao thức truyền dẫn tới định dạng gói tin chế chuyển mạch; khái niệm mạng cục ảo ứng dụng Phần thứ hai trình bày khái niệm liên quan tới đối tượng thiết kế đồ án thiết bị chuyển mạch lớp Các nội dung bao gồm vai trị, vị trí, phân loại, cách thức hoạt động, yêu cầu thông số kỹ thuật thiết bị chuyển mạch tiêu chuẩn có tham chiếu với sản phẩm có thị trường 1.1 Tổng quan mơ hình mạng thơng tin Mơ hình OSI Năm 1979, quan Thiết lập Tiêu chuẩn Quốc tế (International Organization for Standardization – ISO) phát triển mô hình trao đổi liệu với mục đích xây dựng cấu trúc tiêu chuẩn hố tồn cầu mạng lưới thơng tin [24] ISO đưa mơ hình kết nối hệ thống mở (Open Systems Interconnection – OSI) để xây dựng mơ hình giao tiếp hai hệ thống thơng tin (Hình 1.1) Trạm A Host A Trạm B Host B Lớp ứng dụng Application layer Lớp ứng dụng Application layer Lớp trình bày Presentation layer Giao thức lớp trình bày Presentation protocol Lớp trình bày Presentation layer Lớp phiên Session layer Lớp phiên Session layer Lớp vận chuyển Transport layer Lớp vận chuyển Transport layer Lớp mạng Network layer Lớp mạng Network layer Lớp mạng Network layer Lớp mạng Network layer Lớp liên kết liệu Datalink layer Lớp liên kết liệu Datalink layer Lớp liên kết liệu Datalink layer Lớp liên kết liệu Datalink layer Lớp vật lý Physical layer Lớp vật lý Physical layer Lớp vật lý Physical layer Lớp vật lý Physical layer Đường truyền vật lý Hình 1.1 Mơ hình OSI Theo ISO, mơ hình OSI cịn gọi mơ hình lớp giúp hệ thống A hệ thống B khác giao tiếp với Ở A B xây dựng nhiều hệ thống mạng, riêng tư cơng cộng Mạng công cộng mạng mà truy nhập, cịn mạng riêng tư đa số dùng nội tổ chức, công ty hộ gia đình Mơ hình OSI gồm tầng, tầng định nghĩa số giao thức dịch vụ, tầng sử dụng dịch vụ tầng để đóng gói tin, cịn tầng coi toàn tầng liệu để chuyển tiếp (Hình 1.2) Đơn vị liệu tầng mô tả Bảng 1.1 Các tầng ngang hàng không cần quan tâm nhiều đến giao thức tầng dưới, giúp chuyên biệt hoá chức Bảng 1.1 Đơn vị liệu lớp mơ hình OSI Tên tiếng Anh Viết tắt Tên tiếng Việt Application Protocol Data Unit APDU Đơn vị liệu lớp ứng dụng Presentation Protocol Data Unit PPDU Đơn vị liệu lớp trình bày Session Protocol Data Unit SPDU Đơn vị liệu lớp phiên Transport Protocol Data Unit TPDU Đơn vị liệu lớp vận chuyển Packet Gói liệu Frame Khung liệu Bits Đơn vị liệu tầng vật lý H2, H3, H4, H5, H6, H7 Mào đầu tầng 2, 3, 4, 5, 6, Frame check sequence FCS Chuỗi kiểm tra khung Dữ liệu ứng dụng Lớp ứng dụng Application layer Lớp trình bày Presentation layer Lớp phiên Session layer Lớp vận chuyển Transport layer Lớp mạng Network layer Lớp liên kết liệu Datalink layer Lớp vật lý Physical layer H7 APDU H6 PPDU H5 SPDU H4 TPDU Packet H3 H2 FCS Frame Bits Hình 1.2 Cách xếp lớp mơ hình OSI Chức lớp mơ hình OSI: ‒ Lớp vật lý (Physical Layer): Định nghĩa phương thức kết nối vật lý hai điểm mạng, ví dụ tiêu chuẩn điện, quang, phương thức điều chế tín hiệu ‒ Lớp liên kết liệu (Datalink Layer): Định nghĩa cách khung liệu truyền qua mạng, cung cấp chế phát sửa lỗi giúp liệu truyền xác hai điểm mạng ‒ Lớp mạng (Network Layer): Đánh địa cho điểm mạng, giúp tìm đường tránh xung đột luồng liệu, đảm bảo thơng tin truyền qua nhiều điểm trung gian mạng ‒ Lớp vận chuyển (Transport Layer): Duy trì kết nối logic hai điểm mạng, giúp nhận liệu theo thứ tự ‒ Lớp phiên (Session Layer): Tạo ngắt phiên liên lạc ứng dụng ‒ Lớp trình bày (Presentaion Layer): Cung cấp cách thể hiện, định dạng liệu ‒ Lớp ứng dụng (Application Layer): Cung cấp dịch vụ cho ứng dụng người dùng Giới thiệu TCP/IP Trong thực tế, mơ hình OSI mơ hình tổng quát cung cấp hướng tiếp cận cho lớp mạng giao thức mạng Hiện toàn giao thức truyền thông tập hợp lại chuẩn hoá tên TCP/IP, đặt theo hai giao thức giao thức Internet Protocol (IP) Transmission Control Protocol (TCP) TCP/IP có cấu trúc phân lớp từ lớp vật lý lớp người dùng Nhờ đồng giao thức lớp TCP/IP nên hạ tầng Ethernet, ATM, Token Ring… giao tiếp với liên kết mạng khơng kiểu Mơ hình phân lớp TCP/IP mơ tả Hình 1.3 Do số lớp định nghĩa TCP/IP OSI đủ để phân chia rõ ràng cho giao diện vật lý giao diện người dùng, nên ưa thích việc thực hố Nhờ TCP/IP trở nên phổ biến trở thành tiêu chuẩn hệ thống mạng toàn cầu TELNET SMTP FTP DNS SNMP ping Lớp ứng dụng HTTP rlogin TCP Lớp vận chuyển UDP ICMP IGMP IPv4 Lớp mạng IPv6 ARP RARP SUBNET Lớp truy cập mạng (Ethernet, VLAN, Frame Relay, ATM ) Hình 1.3 Phân lớp TCP/IP Mạng cục Mạng cục (Local Area Network – LAN) phát triển để đảm bảo kết nối máy tính máy trạm phạm vi nhỏ (gia đình, trường học, văn phịng…) Mỗi trạm tự quản lý kết nối với trạm khác Các tiêu chuẩn LAN trì cập nhật Ban tiêu chuẩn LAN/MAN IEEE 802 [24] Bảng 1.2 trình bày chi tiết họ chuẩn Bảng 1.2 Các tiêu chuẩn LAN STT Số hiệu chuẩn Tên tiếng Anh Nghĩa tiếng Việt IEEE 802.1 Bridging (networking) Cầu mạng quản lý and Network Management mạng IEEE 802.2 Logical Link Control Điều khiển liên kết logic IEEE 802.3 Carrier-sense multiple access with collision detection (CSMA/CD) Đa truy cập nhận biết sóng mang phát xung đột STT Số hiệu chuẩn Tên tiếng Anh Nghĩa tiếng Việt IEEE 802.16e (Mobile) Broadband Wireless Access IEEE 802.16.1 Local Multipoint Distribution Service Mạng truy cập vòng sử dụng mã thông báo Mạng cục không dây chứng Wi-Fi Mạng khu vực cá nhân - Chứng Bluetooth - Chứng ZigBee Truy cập băng thông rộng không dây (Chứng WiMAX) Truy cập băng thông rộng không dây (Dành cho di động) Dịch vụ phân phối đa điểm cục 10 IEEE 802.17 Resilient packet ring Vịng gói đàn hồi IEEE 802.5 IEEE 802.11 Token Ring Wireless LAN & Mesh (Wi-Fi certification) IEEE 802.15 Wireless PAN - IEEE 802.15.1 - Bluetooth certification - IEEE 802.15.4 - ZigBee certification Broadband Wireless IEEE 802.16 Access (WiMAX certification) Mạng cục đơn vị mạng nhỏ kết nối trực tiếp thiết bị đầu cuối Hiện mạng cục cung cấp nhiều tuỳ chọn tốc độ truyền dẫn cách thức truyền dẫn trình bày chi tiết Ethernet công nghệ sử dụng để hình thành nên mạng cục bộ, họ công nghệ phổ biến lớp truy cập mạng so với ATM, Token Ring Frame Relay Các đặc điểm Ethernet trình bày phần sau Ethernet 1.1.4.1 Giới thiệu Ethernet Ethernet họ công nghệ sử dụng mạng cục (Local Area Network – LAN), mạng quy mô đô thị (Metropolitan Area Network – MAN), mạng diện rộng (Wide Area Network – WAN) [24] Ethernet sử dụng cáp đồng trục, cáp xoắn đôi cáp quang làm phương tiện truyền dẫn Khung Ethernet tốc độ hỗ trợ chuẩn hoá IEEE 802.3 Ngày Ethernet phát triển thêm truyền dẫn không dây Đối với mạng khơng dây WLAN chuẩn hố IEEE 802.11 Ethernet sử dụng 48-bits địa điều khiển truy cập phương tiện (Media Access Control – MAC) để phân biệt thiết bị Ethernet chuẩn hố phương tiện truyền dẫn có dây cáp đồng trục, cáp đồng xoắn đôi, cáp quang phương tiện truyền dẫn không dây sử dụng sóng vơ tuyến 1.1.4.2 Ethernet phương tiện truyền dẫn a) Ethernet cáp đồng trục Ethernet lần đầu sử dụng cáp đồng trục – Thick Ethernet (10Base5/10Base2) 10Base5 hỗ trợ tốc độ 10 Mbps, tín hiệu gửi băng tần gốc Đối với 10Base5 độ dài cáp tối đa 500 m, 10Base2 độ dài cáp 200 m Trên cáp 2.5 m đánh dấu vị trí để lắp đặt cổng thu phát Điều để tránh sóng phản xạ đường truyền Do tốc độ hỗ trợ thấp, dễ gây xung đột, loại hình truyền dẫn dần bị thay loại hình truyền dẫn tốc độ cao tin cậy cáp đồng xoắn đôi cáp quang b) Ethernet cáp xoắn đôi Nhược điểm lớn Ethernet cáp đồng trục hỗ trợ chế độ bán song công (half-duplex) Để hỗ trợ chế độ song cơng (full-duplex), cáp xoắn đôi sử dụng Để khuếch đại tín hiệu tránh nhiễu, tín hiệu truyền tín hiệu vi sai đầu cuối đường dây xử lí khuếch đại vi sai (Hình 1.4) TX+ TXRX+ RX- Chân Chân Chân Chân } Cặp } Cặp Hình 1.4 Khuếch đại sử dụng cặp tín hiệu vi sai cáp xoắn đôi Việc áp dụng cáp xoắn đôi giúp Ethernet hỗ trợ tốc độ cao hơn: 10 Mbps (10Bast-T), 100 Mbps (100Base-T), 1000 Mbps (1000Base-T) Do đặc tính thu 10 phát riêng biệt cáp xoắn đơi, sợi cáp nối hai thiết bị, muốn thiết lập mạng Ethernet kết nối nhiều thiết bị ta cần dùng đến Hub Switch Fast Ethernet: Cáp đồng xoắn đơi khơng có vỏ bọc (Unshielded Twisted Pair – UTP) CAT5 hỗ trợ tốc độ lên đến 100 Mbps Cáp gồm dây, chia làm cặp mô tả Bảng 1.2 Độ dài tối đa cáp 100 m suy hao điện áp đường truyền Đối với tốc độ 10/100 Mbps có cặp dây sử dụng cặp TD cặp RD Các cặp cịn lại khơng sử dụng Có hai kiểu đấu dây CAT5 cho hai trường hợp PC – PC PC – Hub/Switch Khi nối trực tiếp hai thiết bị thiết bị đầu cuối nút mạng kết nối PC – PC (hoặc Hub/Switch – Hub/Switch), ta cần đấu chéo RD – TD để hai thiết giao tiếp với Đối với kết nối thiết bị đầu cuối thiết bị nút mạng (PC – Hub/Switch) ta sử dụng nối thẳng Hai kiểu đấu dây gồm nối chéo nối thẳng thể Hình 1.5 [24] Chức tín hiệu CAT5 mơ tả Bảng 1.3 Đối với 10Base-T, bit liệu mã hố bit tín hiệu Nói cách khác để truyền bits liệu bits vật lý truyền cáp Mã đường dây sử dụng Manchester Vì tần số clock 10Base-T 10 MHz, chu kì truyền bit Đối với 100Base-T, bits liệu mã hố bits tín hiệu trước truyền Vì tốc độ truyền thực tế 100Base-T 125 MHz (5/4 × 100), truyền liệu với tốc độ 100 Mbps Mã đường dây sử dụng Multi-Level Transition (MLT3) [21] Gigabit Ethernet: Gigabit Ethernet cung cấp tốc độ lên đến 1000 Mbps Nếu sử dụng CAT5 bị giới hạn tốc độ tín hiệu 125 MHz cần kĩ thuật truyền đặc biệt 1000Base-T sử dụng mã đường dây 4D-PAM5 bao gồm mức điện áp -2, -1, 0, +1, +2 để mã hoá bits liệu (00, 01, 10, 11) sử dụng cặp cáp xoắn để truyền liệu, cặp truyền bits, truyền hai chiều, mức điện áp không sử dụng [2] Vì chu kì clock 125 MHz truyền 11 bits liệu, giúp đạt tốc độ 1000 Mbps Bảng 1.3 mô tả chân chế độ Gigabit Ethernet, với BI Bi-direction Bảng 1.3 Cấu hình chân CAT5 tốc độ 10/100/1000 Mbps 5 10/100 Mbps Gbps +TD +BI_DA –TD –BI_DA +RD +BI_DB Không dùng –BI_DB Hình 1.5 Nối chéo nối thẳng đối Khơng dùng +BI_DC với cáp chuẩn CAT5 –RD –BI_DC Không dùng +BI_DD Không dùng –BI_DD 8 Nối chéo Nối thẳng Chân Màu Các chuẩn tốc độ cao cáp xoắn: Cáp đồng xoắn CAT6 hỗ trợ tần số lên đến 250 MHz, hỗ trợ chuẩn 10GBASE-T có tốc độ lên đến 10 Gbps Cáp đồng xoắn CAT8 cịn hỗ trợ chuẩn 25GBASE-T độ dài tối đa đạt 30 m Nhờ vào phổ biến giá thành phần cứng thấp, tốc độ hỗ trợ tương đối cao, Ethernet cáp đồng trở thành phương tiện truyền dẫn phổ biến mạng đầu cuối người dùng c) Ethernet cáp quang Để truyền xa mà khơng cần trạm lặp, tín hiệu Ethernet truyền qua sợi quang sợi thuỷ tinh Tín hiệu điều chế thành xung ánh sáng sợi quang đa chế độ (mode) đơn chế độ Gần đây, chuẩn Ethernet cáp quang tốc độ lên đến 10 Gbps đưa vào sử dụng Các thông số loại cáp hỗ trợ khoảng cách tối đa số chuẩn quang thể Bảng 1.4 12 Bảng 1.4 Một số chuẩn tốc độ cáp quang Chuẩn quang Loại cáp quang Khoảng cách (mode, đường kính lõi, bước sóng) tối đa 1000BASE-SX Đa mode (50/62.5 μm) 770 – 860 nm 220 – 550 m 1000BASE-LX Đơn mode (9 μm) 1270 – 1355 nm km 1000BASE-EX Đơn mode (9 μm) 1310 nm 40 km 1000BASE-ZX Đơn mode (9 μm) 1550 nm 70 km 10GBASE-SR Đa mode (50 μm) 850 nm 400 m 10GBASE-LR Đơn mode (9 μm) 1310 nm 10 km 10GBASE-ER Đơn mode (9 μm) 1550 nm 40 km 25GBASE-SR Đa mode (50 μm) 850 nm 100 m 25GBASE-LR Đơn mode (9 μm) 1295 – 1325 nm 10 km 25GBASE-ER Đơn mode (9 μm) 1550 nm 40 km 50GBASE-ER Đơn mode (9 μm) 1304.5 – 1317.5 nm 40 km 100GBASE-ZR Đơn mode (9 μm) 1546.119 nm > 80 km Nhờ vào ưu việt tốc độ truyền khoảng cách hỗ trợ tối đa cáp quang so với truyền cáp đồng, Ethernet cáp quang trở thành đường truyền xương sống mạng Ethernet sử dụng đường trục, giúp truyền tin xa cách nhanh chóng hiệu d) Tổng kết truyền dẫn Ethernet có dây Tổng hợp lại chuẩn tốc độ Ethernet ta có bảng sau: Bảng 1.5 Tổng kết chuẩn Ethernet có dây Phương tiện truyền Tốc độ hỗ trợ Cáp đồng trục Cáp đồng xoắn đôi Cáp quang Khoảng cách truyền tối đa 10 Mbps 500 m 10 Mbps ÷ 25 Gbps 1000 m 1000BASE-TX 100 Mbps ÷ 100 Gbps >80 km 100GBASE-ZR 29 a) Khối phân tích gói Khối phân tích gói có chức đọc lấy trường thơng tin gói tin, từ có thông tin đầu vào để đưa đến khối chức khác Các trường thông tin sử dụng chuyển mạch lớp thông minh bao gồm địa MAC nguồn địa MAC đích Định nghĩa trường nhắc đến mục 1.1.4 b) Bảng địa MAC Bảng địa MAC dùng để tra cứu thơng tin đích đến gói tin Bảng MAC lưu trữ địa MAC thơng số tương ứng với địa MAC số hiệu cổng vật lý, VLAN ID, thời gian tồn Cấu trúc bảng MAC liệt kê Bảng 2.1 Bảng 2.1 Cấu trúc bảng MAC Địa MAC Cổng 00:11:22:33:44 Eth0 200 300 10:20:30:40:50 Eth1 100 300 … … … Eth20 800 300 … 10:a2:30:70:40 VLAN ID Thời gian (s) Chức bảng MAC tìm kiếm thông tin dựa vào địa MAC Mô tả đơn giản chức bảng MAC thể hiên Hình 2.3 Địa MAC Thơng tin Eth1 10:20:30:40:50 → 00:11:22:33:44 Eth0/200/300s → VLAN 100 10:20:30:40:50 Eth1/100/300s 300s … … 10:a2:30:70:40 Eth20/800/300s Hình 2.3 Chức bảng MAC Bảng MAC phải thực tìm kiếm gói tin nhận được, tốc độ tìm kiếm phải nhanh để không ảnh hưởng đến tốc độ chuyển mạch 30 đảm bảo độ trễ gói tin thấp Nhưng độ dài địa MAC 48 bits, khơng thể tìm kiếm theo dạng dùng địa MAC làm địa bảng nhớ, tìm kiếm bảng để tìm kết Do bảng MAC cần kiến trúc nhớ đặc biệt để tìm kiếm từ dài thời gian hạn chế, kiến trúc nhớ đánh địa theo liệu (Content-Addressable Memory – CAM) đáp ứng hai yêu cầu Chi tiết CAM trình bày chương cịn chi tiết bảng MAC trình bày phần 6.4 c) Khối lọc gói ACL Khối lọc gói bao gồm danh sách luật cho phép chặn gói tin Các luật chứa nhiều thơng tin gói Các danh sách luật gọi chung danh sách điều khiển truy nhập (Access Control List ‒ ACL) ACL phân loại theo lớp mơ hình OSI xét đến Cấu trúc ACL lớp xét đến địa MAC, kiểu khung Ethernet (Ethertype) VLAN mô tả Bảng 2.2 Cấu trúc ACL lớp – xét đến địa IP, giao thức IP cổng TCP/UDP, mô tả Bảng 2.3 Bảng 2.2 Cấu trúc ACL lớp Địa MAC nguồn Địa MAC đích Kiểu VLAN ID Hành động Tất 10:20:30:40:50 IP4 100 Chặn … … … … … 00:11:22:33:44 Tất IP4 200 Cho phép Bảng 2.3 Cấu trúc ACL lớp 3-4 Địa IP Giao thức Cổng Hành động 192.168.1.100 – 192.168.1.149 TCP/UDP 200 – 300 Cho phép 192.168.1.150 – 192.168.1.199 UDP 350 Chặn … … … … 192.168.1.200 TCP 80 Cho phép 31 Khác với bảng MAC, luật ACL lớp 3-4 cịn khoảng giá trị, cần có kiến trúc nhớ đặc biệt Kiến trúc nhớ CAM ba trạng thái (Ternary CAM – TCAM) đáp ứng yêu cầu Chi tiết TCAM trình bày chương Chi tiết ACL trình bày phần 6.6 Ngồi ACL, khối lọc gói cịn có lọc VLAN, giúp ngăn cách hai VLAN khác giao tiếp trực tiếp sang Bộ lọc có bảng tra để tìm VLAN gói vào, so sánh với VLAN nhận từ bảng MAC, hai giá trị khác gói bị chặn lại Bộ lọc VLAN trình bày phần 6.5 d) Hàng đợi chuyển mạch Do tốc độ làm việc lõi chuyển mạch lớn nhiều so với đầu lõi chuyển mạch khơng thể chờ chuyển tiếp gói xong xử lí gói Cách giải vấn đề tạo hàng đợi Các gói tin xử lí xong ghi vào hàng đợi để chờ đến lượt đọc Khi lõi chuyển mạch phần chuyển mạch đầu cách li mặt tốc độ, nên Switch hoạt động với tốc độ tối đa Ngồi đặt mức ưu tiên lên lịch đọc cho hàng đợi, từ điều khiển luồng định ưu tiên cho gói tin Kiến trúc hàng đợi trình bày phần 6.7 2.2.2.3 Ghép kênh tách kênh Bộ ghép kênh giúp ghép nhiều luồng tốc độ thấp từ cổng Ethernet thành luồng tốc độ cao, biến xử lí đa luồng thành xử lí đơn luồng, giúp nhân xử lí hoạt động với chế đơn giản hơn, đổi lại yêu cầu tốc độ xử lí băng thơng cao nhiều Bộ tách kênh giúp tách luồng liệu tốc độ cao nhân xử lí thành luồng tốc độ thấp cổng để chuyển tiếp gói liệu đến đích đến Chúng giúp đồng tốc độ luồng tốc độ cao nhân chuyển tiếp luồng tốc độ thấp đầu Bộ tách kênh cần điều khiển tốt để không gây nghẽn mạng, chia tải cho luồng Chi tiết ghép kênh tách kênh trình bày phần 5.2.4 32 Tính tốn lý thuyết yêu cầu hệ thống 2.2.3.1 Băng thông Để cho nhiều luồng liệu truyền qua Switch mà khơng bị nghẽn Switch cần có băng thơng đủ lớn Băng thông tối thiểu Switch là: 𝑛 𝐵min = ∑ 𝑤𝑖 (2.1) 𝑖=1 Trong đó: 𝐵𝑚𝑖𝑛 : Băng thông tối thiểu Switch [bps] 𝑛 : Số cổng Switch 𝑤𝑖 : Tốc độ truyền tối đa cổng thứ i [bps] Băng thông Switch phải lớn 𝐵𝑚𝑖𝑛 khơng xảy tượng nghẽn cổ chai, làm suy giảm băng thông mạng Đối với người dùng, hiệu suất sử dụng băng thông cịn phụ thuộc vào kích thước gói, gói tin có phần mào đầu hai lần truyền gói tin phải có khoảng cách thời gian tối thiểu Cho nên hiệu suất sử dụng đường truyền người dùng tính cơng thức sau: 𝐻𝑢𝑠𝑒𝑟 = (1 − 𝐿ℎ ) × 100% 𝐿𝑓 (2.2) Trong đó: 𝐻𝑢𝑠𝑒𝑟 : Hiệu suất truyền tin [%] 𝐿ℎ : Độ dài phần mào đầu (header) [bytes] 𝐿𝑓 : Tổng độ dài khung liệu [bytes] Đối với khung Ethernet phần mở đầu kết thúc khung tổng cộng 24 bytes, phần mào đầu bao gồm địa MAC kiểu khung tổng cộng 14 bytes, khung Ethernet bao gồm 38 bytes liệu người dùng Tính tốn mơ đưa biểu đồ hiệu suất sử dụng khung Ethernet Hình 2.4 33 100 HIệu suất (%) 80 60 40 20 64 Hiệu suất 40.63 128 256 512 1024 1280 1518 9200 70.31 85.16 92.58 96.29 97.03 97.50 99.59 Độ dài khung (bytes) Hình 2.4 Hiệu suất sử dụng khung Ethernet Do hiệu suất thấp đạt 40.63% khung có độ dài 64 bytes, băng thông thực tế yêu cầu Switch phải lớn gấp 2.5 lần so với băng thông tối thiểu tính tốn lý thuyết khơng gây nghẽn cổ chai Nhưng thực tế phân bố số lượng gói với độ dài khung liệu không đồng mà thể biểu đồ Hình 2.5 50% Tần suất 40% 30% 20% 10% 0% Tần suất 64 65 - 127 128 - 255 256 - 511 512 - 1023 1024 1518 5% 46% 15% 6% 4% 25% Độ dài khung (bytes) Hình 2.5 Phân bố độ dài khung Ethernet [40] 34 Ta thấy phân bố gói tin tập trung nhiều khoảng độ dài 65 – 127 1024 – 1518 Do băng thông hệ thống thực tế không cần phải 2.5 lần yêu cầu, mà cần gấp khoảng lần yêu cầu đủ Để đạt băng thơng u cầu, nhớ đệm cần có độ rộng kênh tần số đọc ghi thoả mãn yêu cầu sau: (2.3) 𝐷 × 𝑓 ≥ 2𝐵 Trong đó: 𝐵: băng thông yêu cầu [Mbps] 𝐷: Độ rộng kênh liệu [bit] 𝑓: Tần số làm việc [MHz] Dựa vào cơng thức (2.3) cách để tăng băng thơng tăng tần số làm việc, tăng độ rộng kênh liệu Do thiết kế Switch nhiều cổng, ta cần đánh giá băng thông tổng lựa chọn tần số làm việc độ rộng kênh liệu lõi chuyển mạch Ta có bảng tính tốn băng thơng nhớ vài tham số sau: Bảng 2.4 Tính tốn băng thơng nhớ số tham số Tần số (MHz) 100 100 100 125 125 125 200 200 200 Độ rộng kênh liệu (bit) 128 256 512 128 256 512 128 256 512 Băng thông (Gbps) 12.8 25.6 51.2 16.0 32.0 64.0 25.6 51.2 102.4 Đối với thiết kế Switch với số lượng cổng khác nhau, ta cần đánh giá tần số hoạt động độ rộng kênh liệu cách phù hợp để có thiết kế tối ưu mặt băng thông tài nguyên sử dụng 35 2.2.3.2 Tốc độ chuyển tiếp gói tin a) Tính tốn tốc độ chuyển tiếp gói tin cho cổng Tốc độ chuyển tiếp gói tin cổng theo lý thuyết là: (2.4) 𝑅𝑝 = 𝑤/8/𝐿𝑓 Trong đó: 𝑅𝑝 : Tốc độ chuyển tiếp gói tin (packet per second – [pps]) 𝑤 : Tốc độ truyền tối đa cổng [bps] 𝐿𝑓 : Độ dài khung liệu Ethernet [bytes] Với: 𝐿𝑓 = 𝑃𝑟𝑒𝑎𝑚𝑏𝑙𝑒 + 𝐿𝑓−𝑑𝑎𝑡𝑎 + 𝐺𝑎𝑝 (2.5) Trong đó: ‒ Preamable độ dài trường Preamable SFD, bytes ‒ 𝐿𝑓−𝑑𝑎𝑡𝑎 độ dài liệu có nghĩa khung Ethernet (bao gồm phần đầu, phần liệu phần kiểm tra lỗi), trải dài từ 64 bytes đến 1518 bytes ‒ Gap độ dài khoảng trống tối thiểu hai frame liên tiếp, tối thiểu 12 bytes Khảo sát theo cơng thức (2.4) ta có số liệu mơ tốc độ chuyển mạch gói tin Hình 2.6 Tốc độ chuyển tiếp gói tin (Kpps) Cổng 1000 Mbps 1500 1200 900 600 300 64 Cổng 100 Mbps Cổng 10 Mbps 128 256 512 768 1024 1280 1518 Cổng 1000 Mbps 1420 Cổng 100 Mbps 142 822 446 233 158 119 96 81 82 45 23 16 12 10 Cổng 10 Mbps 8.22 1.19 0.96 0.81 14.2 4.46 2.33 1.58 Độ dài khung (bytes) Hình 2.6 Tốc độ chuyển tiếp gói tin cổng 10/100/1000 Mbps 36 Theo cơng thức (2.4) hình 2.6 ta thấy: Đối với cổng Gigabit (𝑤 = Gbps), tốc độ chuyển tiếp nằm khoảng 80 – 1400 Kpps; cổng Fast Ethernet (𝑤 = 100 Mbps), tốc độ chuyển tiếp nằm khoảng – 140 Kpps; cổng Ethernet 10 Mbps (𝑤 = 10 Mbps), tốc độ chuyển tiếp nằm khoảng 0.8 – 14 Kpps Tốc độ chuyển tiếp gói tin thể biểu đồ Hình 2.6 Ta thấy kích thước gói nhỏ tốc độ chuyển tiếp yêu cầu cao, tỉ lệ thuận với tốc độ truyền bit cổng Do thiết kế Switch ta phải đáp ứng tốc độ chuyển tiếp lớn cổng b) Tính tốn tốc độ chuyển tiếp gói tin cho Switch nhiều cổng Đối với Switch có 𝑛 cổng, yêu cầu tốc độ chuyển tiếp gói tin tối thiểu hệ thống tổng tốc độ chuyển tiếp gói tin cực đại tất cổng: 𝑛 𝑅pmin = ∑ 𝑅pmax 𝑖 (2.6) 𝑖=1 Trong đó: 𝑅pmin : Tốc độ chuyển tiếp gói tin tối thiểu Switch [pps] 𝑛 : Số cổng Switch 𝑅pmax : Tốc độ chuyển tiếp gói tin tối đa cổng thứ 𝑖 [pps], 𝑖 tính cho gói bé Tốc độ chuyển tiếp gói tin Switch phải lớn 𝑅pmin Switch phục vụ tình Switch nhận gói tin ngắn liên tục với tốc độ tối đa Nếu khơng chuyển tiếp kịp thời, gói tin ngắn gây tràn nhớ quản lý địa gói tin, gây nghẽn mạng gói tin Các gói tin ngắn có hiệu suất truyền tin thấp, bù lại độ trễ thấp, phù hợp với dịch vụ yêu cầu độ trễ thấp thoại qua Internet (Voice over IP – VoIP), truyền trực tiếp video (video streaming)… nên sử dụng thường xuyên Cho nên Switch phải đáp ứng tốc độ chuyển tiếp gói tin gói tin ngắn 37 2.2.3.3 Yêu cầu độ trễ gói Khi qua Switch, gói tin bị trễ khoảng thời gian định Độ trễ xảy nhận gói tin, Switch phải thực tác vụ tìm kiếm trước chuyển tiếp gói tin Đối với mơ hình chuyển mạch trực tiếp, độ trễ nhỏ đồng Switch cần chờ nhận đủ phần đầu gói tin lấy địa MAC đích thực tìm kiếm chuyển tiếp Đối với mơ hình chuyển mạch có lưu trữ, gói tin cần phải nhận hết chuyển tiếp đi, độ trễ mô hình cịn phụ thuộc vào độ dài gói tin Do độ trễ lý tưởng thời gian nhận hết khung liệu: 𝜏𝑅 = 𝑛𝑏 × × 𝐿𝑓 𝑓 (2.7) Trong đó: 𝜏𝑅 : Độ trễ lý tưởng [s] 𝑛𝑏 : Số bit truyền chu kì truyền [bit] 𝑓 : Tần số xung đồng đường truyền [Hz] 𝐿𝑓 : Độ dài khung liệu [byte] 𝐿𝑓 = 𝑃𝑟𝑒𝑎𝑚𝑏𝑙𝑒 + 𝐿𝑓−𝑑𝑎𝑡𝑎 + 𝐺𝑎𝑝 Với: Preamable = bytes : Độ dài phần mở đầu khung 𝐿𝑓−𝑑𝑎𝑡𝑎 = 64 ÷ 1518 bytes : Độ dài khung Gap = 12 bytes : Độ dài khoảng cách hai khung Với cổng Gbps 𝑛𝑏 = bits, 𝑓 = 125 MHz Miercom thực khảo sát vào năm 2014 để đánh giá độ trễ thiết bị chuyển mạch hãng lớn Cisco HP Kết khảo sát thể Hình 2.7 [22] 38 C2960X 2920 5120 120 Độ trễ (μs) 100 80 60 40 20 64 128 256 512 1024 1280 1518 9200 C2960X 4.2 5.1 8.4 12.5 14.5 16.3 77.7 2920 3.4 4.1 5.4 7.8 12.9 15.4 17.7 98.1 5120 6.1 6.7 10.5 15.6 18.2 20.6 97.3 Độ dài khung (bytes) Hình 2.7 Khảo sát độ trễ Cisco C2960X, HP 2920 HP 5120 Có thể thấy độ trễ chuyển tiếp loại Switch tăng tuyến tính theo kích cỡ gói xấp xỉ Gói tin có kích thước lớn độ trễ lớn Ta coi yêu cầu độ trễ chuyển tiếp để tuân theo 2.2.3.4 Yêu cầu bảng MAC a) Yêu cầu mặt chức Bảng địa MAC cần phải hỗ trợ chức chính: Học địa MAC: Bảng MAC ban đầu khởi tạo trống rỗng ghi cách tự động có gói tin qua Địa MAC nguồn gói tin kiểm tra xem ghi hay chưa Nếu địa chưa có bảng ghi Địa MAC ghi kèm với ID cổng mà gói tin vào, đồng thời nhãn thời gian ghi để đánh dấu thời gian địa học Nếu địa MAC nguồn gói tin tồn bảng ARL cập nhật lại tham số ID cổng nhãn thời gian Quá trình học bảng MAC hồn tồn tự động, khơng cần cấu hình 39 Chuyển tiếp lớp 2: Khi Switch nhận vào gói tin, địa MAC nguồn gói tin đưa vào tìm kiếm bảng MAC Nếu tìm bảng, gói tin chuyển tiếp ID cổng lưu kèm với địa MAC Nếu khơng tìm được, Switch chép gói tin chuyển tiếp gói tin tất cổng trừ cổng vào Ngồi Switch cấu hình để loại bỏ gói tin địa MAC đích khơng phải địa quảng bá FF:FF:FF:FF:FF:FF Giới hạn thời gian tồn tại: Do thiết bị kết nối đến Switch không cố định (đổi cổng cắm, ngắt kết nối khỏi Switch…) địa MAC thiết bị khơng thiết khơng cần thiết phải tồn vĩnh viễn Do địa MAC gán cho nhãn thời gian, hết thời gian đặt trước mà nhãn thời gian khơng cập nhật, nghĩa thiết bị khơng cịn kết nối với Switch, địa MAC xoá khỏi bảng MAC để dành chỗ cho địa khác b) Yêu cầu mặt kích thước bảng MAC Do nhiều Switch kết nối với nên số lượng máy trạm kết nối đến Switch (trực tiếp gián tiếp qua Switch khác) lớn, lớn nhiều so với số cổng Switch Do yêu cầu kích thước bảng phụ thuộc vào cấu trúc mạng mà Switch tham gia Thông thường Switch 48 cổng Cisco C2960X hỗ trợ 16000 địa [12], HP 2920 hỗ trợ 16000 địa [16]; Switch 24 cổng Cisco 2960 hỗ trợ 8000 địa [13], HPE 1920 hỗ trợ 8000 địa [17] 2.2.3.5 Các yêu cầu khác Ngoài yêu cầu kể trên, Switch có vài yêu cầu chức cần đảm bảo, ví dụ VLAN ID hợp lệ VLAN ID = 1– 4094, số VLAN Switch phải hỗ trợ 4094 Thời gian tồn bảng MAC phải hỗ trợ dải rộng, Cisco 2960 hỗ trợ cài đặt từ đến 1.000.000 giây Số lượng mức ưu tiên gói tin thông thường yêu cầu 8, đủ phân chia nhiều loại hình dịch vụ 40 Các yêu cầu nêu yêu cầu khả chuyển tiếp tính khác Switch Ngồi thành phẩm, Switch cịn phải đáp ứng vài yêu cầu khác yêu cầu bảo mật, chống giả mạo sản phẩm, u cầu mặt hình thức kích thước, chất liệu, độ bền vật lý, yêu cầu công suất tiêu thụ… 2.3 Lựa chọn công nghệ thiết kế Các thiết bị mạng đa dạng cách thiết kế tảng cơng nghệ Có thể kể đến việc sử dụng vi xử lí, hệ thống nhúng, ASIC, FPGA… Mỗi cơng nghệ có ưu điểm nhược điểm riêng chúng Tuỳ vào yêu cầu mà chọn cơng nghệ phù hợp Đối với đồ án này, FPGA lựa chọn ưu điểm sau [1]: ‒ Có khả xử lí liệu theo nhiều luồng song song ‒ Cho phép hình mềm dẻo để vá lỗi nâng cấp, bổ sung tính cho sản phẩm sử dụng mà không cần phải thay đổi phần cứng ‒ Số lượng chân I/O lớn ‒ Có thể xử lí giao thức truyền tin tốc độ cao lên đến hàng chục Gbps ‒ Nhanh chóng có thành phẩm, dễ thử nghiệm mô phỏng, tiết kiệm thời gian thiết kế mạch Hiện thị trường có vài tên tuổi lớn việc thiết kế FPGA, kể đến Intel® FPGA Xilinx FPGA So với vi mạch tích hợp chuyên dụng (Application-Specific Integrated Circuit ‒ ASIC) FPGA khơng thể so sánh tốc độ, số chân vào công suất tiêu thụ ASIC tối ưu hoàn toàn cho thiết kế mức độ phần tử transitor Tuy nhiên việc nghiên cứu thiết kế FPGA lại dễ thực nhiều khả khả trình, chip FPGA bán rộng rãi với nhiều bo mạch phát triển thiết kế sẵn ASIC có ưu tuyệt đối mặt tốc độ, hiệu lượng tiêu thụ, nhiên chi phí mặt thời gian tài cho thiết kế thường lớn Cụ thể vòng đời thiết kế thiết bị ASIC chuyên dụng từ – năm với cơng ty lớn chi phí q lớn nên 41 phù hợp với công ty lớn sản phẩm có thị trường lớn đảm bảo Sự phức tạp thiết kế ASIC nằm phụ thuộc lớn vào khâu sản xuất kiểm tra thiết bị thường phải bên thứ ba cung cấp thời gian thiết kế dài khơng hồn tồn phù hợp với thay đổi nhanh mặt công nghệ Mặt khác FPGA xem giải pháp công nghệ phù hợp ưu điểm tài nguyên lớn (tích hợp tới vài chục tỷ transistor chip), yêu cầu chi phí thời gian thiết kế hợp lý, khả tái cấu hình chức việc tiếp cận với sản phẩm chip FPGA thuận lợi Những mạnh đảm bảo FPGA đáp ứng dải lớn ứng dụng số điển hình, từ thiết bị xử lí hiệu cao, tới phần lõi thiết bị truyền dẫn chuyển mạch số, ứng dụng xử lí tín hiệu số thời gian thực… Ví dụ dịng FPGA FPGA Xilinx, bao gồm Spartan-7, Artix7, Kintex-7 Virtex-7 Tài ngun chúng mơ tả Hình 2.5 [31] Bảng 2.5 Thơng số chung dịng 7-FPGA Xilinx Giá trị lớn nhất* Spartan-7 Artix-7 Số lượng phần tử khả trình 102 K 215 K Bộ nhớ BRAM 4.2 Mb 13 Mb Số kênh truyền nối tiếp tốc 16 độ cao ** Tổng băng thông *** 211 Gbps PCIe x4 Gen2 Số chân vào 400 500 Kintex-7 478 K 34 Mb Virtex-7 1955 K 68 Mb 32 96 800 Gbps x8 Gen2 500 2784 Gbps x8 Gen3 1200 * Xét đến chip FPGA lớn dòng ** Tổng số GTP, GTX, GTH, GTZ *** Tổng băng thơng tính tổng dung lượng kênh truyền nối tiếp chuyên dụng có FPGA bao gồm đường GTP, GTH, GTZ Tần số làm việc FPGA dịng Xilinx thực tế đạt 300 – 500 MHz thiết kế tối ưu tốt, cịn thơng thường FPGA dịng thường hoạt động tốt tần số làm việc 100 – 200 MHz Như theo Bảng 2.4 luồng liệu có độ rộng 512 bit băng thơng 100 Gbps 42 Khi theo cơng thức (2.3) băng thơng tối đa giao diện 50 Gbps Đối với FPGA đường liệu 512 bit lớn, tăng độ rộng kênh liệu tăng tần số làm việc khó, nên nói thiết kế Switch luồng giới hạn Cho nên yêu cầu băng thông số lượng giao diện lớn nút mạng mạng lõi cần kĩ thuật đặc biệt Một kĩ thuật thực gom nhóm nhỏ cổng thành Switch luồng liệu tối đa 512 bit, sau nối Switch với nội thiết kế giao diện tốc độ cao với luồng liệu độ rộng lớn Khi tổng băng thơng hệ thống tổng băng thông luồng liệu nội (Hình 2.8) Ví dụ thiết kế Hình 2.8 với tần số làm việc 200 MHz băng thơng lõi chuyển mạch tăng gấp đơi lên đến 200 Gbps hỗ trợ lên đến 100 Gbps tổng băng thông giao diện ngoại vi (theo công thức (2.3)) Như với hướng thiết kế giới hạn băng thơng Switch đẩy lên hàng trăm Gbps Mặc dù điều làm cho việc điều khiển luồng cho hệ thống thiết kế bảng liệu tìm kiếm trở nên phức tạp nhiều khả đẩy băng thông lên cao đáng để lưu tâm Switch Switch 512 512 Switch Switch 512 512 256 Hình 2.8 Sơ đồ khối thiết kế chia nhiều Switch Có thể thấy khả FPGA lớn, phần lõi chuyển mạch thực hố FPGA Nhờ giảm nhiều cơng sức thiết kế 43 phần cứng, đồng thời làm chủ công nghệ thiết kế Switch thiết bị mạng cần băng thông rộng tốc độ truyền tin cao 2.4 Kết luận chương Chương đưa mơ hình thiết kế tổng quan trình bày chức khối từ phần giao tiếp ngoại vi, phần chuyển mạch liệu phần điều khiển thiết bị chuyển mạch lớp Chương đưa mơ hình tính tốn chi tiết cho thơng số thiết bị chuyển mạch độ trễ gói, băng thơng liệu hiệu dụng, băng thơng lõi phân tích yêu cầu kỹ thuật cụ thể cho lớp sản phẩm chuyển mạch lớp Chương phân tích mạnh FPGA khả ứng dụng FPGA việc thiết kế chế tạo thiết bị mạng nói chung thiết bị chuyển mạch lớp nói riêng Các chương trình bày thiết kế chi tiết thành phần thiết bị chuyển mạch lớp ... (MHz) 100 100 100 125 125 125 20 0 20 0 20 0 Độ rộng kênh liệu (bit) 128 25 6 5 12 128 25 6 5 12 128 25 6 5 12 Băng thông (Gbps) 12. 8 25 .6 51 .2 16.0 32. 0 64.0 25 .6 51 .2 1 02. 4 Đối với thiết kế Switch với... thể Hình 2. 7 [22 ] 38 C2960X 29 20 5 120 120 Độ trễ (μs) 100 80 60 40 20 64 128 25 6 5 12 1 024 128 0 1518 920 0 C2960X 4 .2 5.1 8.4 12. 5 14.5 16.3 77.7 29 20 3.4 4.1 5.4 7.8 12. 9 15.4 17.7 98.1 5 120 6.1... Internet có VLAN ID 35 1 .2 Thiết bị chuyển mạch lớp Vai trò vị trí Thiết bị chuyển mạch lớp (Switch Layer 2) thiết bị mạng dùng để kết nối nhiều thiết bị Ethernet với nhau, tạo nên mạng cục (LAN) hình