6.2. Xu hướng trong mạng trung tâm dữ liệu
Mạng trung tâm dữ liệu đang phát triển nhanh chóng, với xu hướng được thúc đẩy bởi giảm chi phí, ảo hóa, hạn chế vật lý, mơ-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.
Hình 6.31 minh họa một trong những xu hướng quan trọng nhất trong mạng trung tâm dữ liệu - sự xuất hiện của mạng phân cấp, phân cấp kết nối các máy chủ trung tâm dữ liệu..
Như chúng ta đã thấy, mạng kết nối phân cấp này có nhiều ưu điểm hơn so với thiết bị chuyển mạch thanh ngang, bao gồm nhiều đường dẫn từ nguồn đến đích và tăng dung lượng (do định tuyến đa đường) và độ tin cậy (do nhiều đường dẫn chuyển mạch và liên kết giữa hai máy chủ bất kỳ).
6.2.2. Quản lý và kiểm sốt SDN tập trung
Bởi vì trung tâm dữ liệu được quản lý bởi một tổ chức duy nhất, có lẽ đương nhiên là một số nhà khai thác trung tâm dữ liệu lớn nhất, bao gồm Google, Microsoft và Facebook, đang áp dụng khái niệm kiểm soát tập trung về mặt logic giống như SDN. Kiến trúc của chúng cũng phản ánh sự tách biệt rõ ràng giữa mặt phẳng dữ liệu (bao gồm các switch hàng
hóa tương đối 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 tốn đám mây và mạng trung
tâm dữ liệu nói chung.
Máy ảo (VM) tách phần mềm chạy ứng dụng khỏi phần cứng vật lý. Việc tách này cũng cho phép di chuyển liền mạch các máy ảo giữa các máy chủ vật lý, có thể được đặt trên các rack khác nhau. Các giao thức Ethernet và IP tiêu chuẩn có những hạn chế trong việc cho phép chuyển động của các máy ảo trong khi duy trì các kết nối mạng hoạt động giữa các máy chủ. Vì tất cả các mạng trung tâm dữ liệu đều được quản lý bởi một cơ quan quản trị duy nhất, một giải pháp hữu ích cho vấn đề là coi toàn bộ mạng trung tâm dữ liệu như một mạng đơn, phẳng, lớp 2. Nhớ lại rằng trong một mạng Ethernet điển hình, giao thức ARP duy trì ràng buộc giữa địa chỉ IP và địa chỉ phần cứng (MAC) trên một giao diện.
Để mô phỏng hiệu ứng của việc tất cả các máy chủ kết nối với một switch “duy nhất”, cơ chế ARP được sửa đổi để sử dụng hệ thống truy vấn kiểu DNS thay vì chương trình phát sóng và thư mục duy trì ánh xạ địa chỉ IP được chỉ định cho một máy ảo và chuyển mạch vật lý mà máy ảo hiện được kết nối trong mạng trung tâm dữ liệu.
6.2.3. Hạn chế vật lý
Không giống như Internet diện rộng, mạng trung tâm dữ liệu hoạt động trong mơi trường khơng chỉ có dung lượng rất cao (các liên kết 40 Gbps và 100 Gbps trở nên phổ biến hiện nay) mà cịn có độ trễ cực thấp (micro giây). Do đó, kích thước bộ đệm nhỏ và các giao thức kiểm soát tắc nghẽn như TCP và các biến thể của nó khơng mở rộng quy mơ
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
q trình khơi
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 dịng khỏi kiểm sốt 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.
6.2.4. Hardware Modularity and Customization
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 12 mét, một “trung tâm dữ liệu nhỏ” và vận chuyển container đến vị trí trung tâm dữ liệu. Mỗi container có đến vài nghìn host, xếp thành hàng chục rack, xếp san sát nhau. Tại vị trí trung tâm dữ liệu, nhiều vùng chứa được kết nối với nhau và cả với Internet. Một khi một container đúc sẵn được triển khai tại trung tâm dữ liệu, nó thường khó bảo trì. Do đó, mỗi vùng chứa được thiết kế để giảm hiệu suất một cách dễ dàng: khi các thành phần (máy chủ
và thiết bị chuyển mạch) bị lỗi theo thời gian, vùng chứa tiếp tục hoạt động nhưng với hiệu
suất bị suy giảm. Khi nhiều thành phần bị lỗi và hiệu suất giảm xuống dưới ngưỡng, toàn bộ vùng chứa sẽ bị loại bỏ và thay thế bằng một hộp mới.
Việc xây dựng một trung tâm dữ liệu ngoài vùng chứa sẽ tạo ra những thách thức mạng
mới. Với một MDC, có hai loại mạng: mạng nội bộ container bên trong mỗi vùnchứa và mạng lõi kết nối mỗi vùng chứa. Trong mỗi container, với quy mơ lên đến vài nghìn máy chủ, có thể xây dựng một mạng được kết nối hoàn chỉnh bằng cách sử dụng các thiết bị chuyển mạch Gigabit Ethernet hàng hóa rẻ tiền. Tuy nhiên, việc thiết kế mạng lõi, kết nối hàng trăm đến hàng nghìn vùng chứa trong khi cung cấp băng thông từ máy chủ đến máy chủ lưu trữ cao trên các vùng chứa cho khối lượng cơng việc điển hình, vẫn là một vấn đề khó khăn.
Một xu hướng quan trọng khác là các nhà cung cấp đám mây lớn đang ngày càng xây dựng hoặc tùy chỉnh mọi thứ có 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. Một xu hướng khác, do Amazon tiên phong, là cải thiện độ tin cậy với "vùng khả dụng", về cơ bản tái tạo các trung
tâm dữ liệu riêng biệt trong các tòa nhà lân cận khác nhau. Bằng cách đặt các tịa nhà gần đó (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 cung cấp khả năng chịu lỗi. Nhiều đổi mới trong thiết kế trung tâm dữ liệu có thể sẽ tiếp tục ra đời.
VII. Kết luận
Chúng ta vừa nghiên cứu lớp liên kết các dịch vụ của nó, các nguyên tắc cơ bản hoạt động của nó và một số giao thức cụ thể quan trọng sử dụng các nguyên tắc này trong việc triển khai các dịch vụ của lớp liên kết.
Chúng ta đã thấy rằng dịch vụ cơ bản của lớp liên kết là di chuyển một sơ đồ lớp mạng
từ một nút (máy chủ, bộ chuyển mạch, bộ định tuyến, điểm truy cập WiFi) sang một nút liền kề. Và tất cả các giao thức lớp liên kết hoạt động bằng cách đóng gói một gói dữ liệu lớp mạng trong một khung lớp liên kết trước khi truyền khung qua liên kết tới nút liền kề. Tuy nhiên, ngồi chức năng đóng khung phổ biến này, ta đã biết rằng các giao thức lớp liên kết khác nhau cung cấp các dịch vụ truy cập, phân phối và truyền dẫn liên kết rất khác
nhau. Những khác biệt này một phần là do có nhiều loại liên kết mà các giao thức lớp liên kết phải hoạt động. Một liên kết điểm-điểm đơn giản có một người gửi và người nhận giao
tiếp qua một “đường dây”. Một liên kết đa truy cập được chia sẻ giữa nhiều người gửi và người nhận; do đó, giao thức lớp liên kết cho một kênh đa truy cập có một giao thức (giao thức đa truy cập của nó) để điều phối truy cập liên kết. Trong trường hợp MPLS, "liên kết"
kết nối hai nút liền kề (ví dụ: hai bộ định tuyến IP liền kề theo nghĩa IP - rằng chúng là bộ định tuyến IP bước tiếp theo hướng tới một số đích) thực sự có thể là một mạng trong và của chính nó . Theo một nghĩa nào đó, ý tưởng về một mạng lưới được coi là một liên kết khơng có vẻ kỳ quặc. Ví dụ, một liên kết điện thoại kết nối modem / máy tính gia đình với một modem / bộ định tuyến từ xa, thực sự là một đường dẫn thông qua một mạng điện thoại phức tạp và phức tạp.
Trong số các nguyên tắc cơ bản của giao tiếp lớp liên kết, ta đã kiểm tra các kỹ thuật phát hiện và sửa lỗi, các giao thức đa truy cập, địa chỉ lớp liên kết, ảo hóa (VLAN) và việc xây dựng các mạng LAN chuyển mạch mở rộng và mạng trung tâm dữ liệu. Phần lớn trọng
tâm ngày nay ở lớp liên kết là trên các mạng chuyển mạch này. Trong trường hợp phát hiện
/ sửa lỗi, ta đã kiểm tra cách có thể thêm các bit bổ sung vào tiêu đề của khung để phát hiện
và trong một số trường hợp, sửa lỗi lật bit có thể xảy ra khi khung được truyền qua liên kết. Ta đã đề cập đến các lược đồ tổng kiểm tra và chẵn lẻ đơn giản, cũng như kiểm tra dự phịng theo chu kỳ mạnh mẽ hơn. Sau đó ta chuyển sang chủ đề về các giao thức đa truy cập. Ta đã xác định và nghiên cứu ba cách tiếp cận rộng để điều phối quyền truy cập vào một kênh quảng bá: cách tiếp cận phân vùng kênh (TDM, FDM), cách tiếp cận truy cập ngẫu nhiên (giao thức ALOHA và giao thức CSMA) và cách tiếp cận thay phiên nhau (bỏ phiếu và chuyển mã thông báo). Ta đã nghiên cứu mạng truy cập cáp và nhận thấy rằng nó sử dụng nhiều phương pháp đa truy cập này. Ta thấy rằng hệ quả của việc có nhiều nút chia sẻ một kênh quảng bá duy nhất là nhu cầu cung cấp địa chỉ nút ở lớp liên kết. Ta biết rằng địa chỉ lớp liên kết khá khác với địa chỉ lớp mạng và trong trường hợp của Internet, một giao thức đặc biệt (ARP - Giao thức phân giải địa chỉ) được sử dụng để dịch giữa hai dạng địa chỉ này và đã được nghiên cứu rất nhiều. giao thức Ethernet thành công một cách chi tiết. Sau đó, ta đã kiểm tra cách các nút chia sẻ kênh quảng bá tạo thành một mạng
LAN
và cách nhiều mạng LAN có thể được kết nối với nhau để tạo thành các mạng LAN lớn hơn — tất cả đều khơng có sự can thiệp định tuyến lớp mạng để kết nối các nút cục bộ này
hạ tầng mạng LAN vật lý. các trung tâm dữ liệu khổng lồ ngày nay. Sau
khi bao phủ lớp
liên kết, hành trình của chúng ta xuống ngăn xếp giao thức đã kết thúc! Chắc
chắn, lớp vật
lý nằm bên dưới lớp liên kết, nhưng các chi tiết của lớp vật lý có lẽ tốt nhất
nên để lại cho
một khóa học khác (ví dụ: trong lý thuyết truyền thông, chứ không phải là mạng máy tính).
Do đó, việc hiểu các chủ đề này (được coi là chủ đề nâng cao trong một số văn bản mạng) đòi hỏi một nền tảng vững chắc trong tất cả các lớp của ngăn xếp giao thức một nền
tảng mà nghiên cứu của ta về lớp liên kết hiện đã hoàn thành!
Tài liệu tham khảo