Ethernet tốc độ 10 Gbit/s: Cần hay không?

Ethernet tốc độ 10 Gbit/s hứa hẹn sẽ làm giảm chi phí truyền dữ liệu, dẫn tới một sự bùng nổ về các dịch vụ mạng mới. Nhưng liệu rằng chúng ta có cần băng thông lớn đến như vậy, cho dù là với giá rất phải chăng?

Đã nhiều năm qua, người ta vẫn viện dẫn nhu cầu truyền dữ liệu vô tận của người dùng như là một nhân tố thúc đẩy chính cho các mạng liên tục được mở rộng của chúng ta. Mỗi lần tốc độ Ethernet vừa được tăng thêm một bậc (gấp 10 lần) thì người dùng lại nhanh chóng tiêu thụ hết ngay lượng băng thông mới này.

Với việc các card giao diện mạng (NIC) Ethernet 1 Gbit/s đang trở thành tiêu chuẩn trên các máy tính để bàn và máy trạm, các nhà cung cấp chip sẽ một lần nữa lại chuẩn bị đưa tốc độ Ethernet lên một mức mới, đạt tốc độ 10 Gbit/s.

Một số chuẩn mới đang được phát triển hứa hẹn sẽ làm cho Ethernet 10 Gbit/s (10 GE) trở thành một xu hướng chủ đạo. Mặc dù Ethernet không cung cấp các chức năng hạng nhất mà các giao dịch tốc độ cao thường đòi hỏi nhưng hy vọng là Ethernet sẽ thúc đẩy lợi ích kinh tế theo quy mô vốn luôn phù hợp với Ethernet vì sự sử dụng rộng rãi của nó trong nhiều ứng dụng đa dạng, làm cho 10 GE trở nên hiệu quả hơn về mặt chi phí so với các kết nối khác như kênh sợi quang (Fibre Channel). Một lý do tiết kiệm chi phí khác là việc sử dụng Ethernet sẽ làm giảm các chi phí thiết kế, cài đặt và bảo trì đi cùng với việc phải quản lý nhiều công nghệ mạng.

Tháng 2 vừa qua, Viện Kỹ sư Điện và Điện tử (IEEE) đã bổ sung vào chuẩn giao diện cáp sợi quang 10 GE 802.3ae với IEEE 802.3ak hay 10Gbase-CX4, chuẩn cho cáp đồng. Chuẩn cáp sợi 802.3ae có xu hướng đắt hơn bởi vì nó yêu cầu cáp sợi chế độ đơn (single mode), các đầu nối chuyên dụng và chỉnh hướng tia la de thủ công trong quá trình cài đặt. Tổ chức này vừa mới bắt đầu công trình nghiên cứu chuẩn 802.3aq cho một phiên bản đa chế độ (multimode) của cáp sợi quang 10 GE được thiết kế để hoạt động ở các khoảng cách xa hơn 200m. Chuẩn này sẽ có thể tận dụng cáp sợi ở các trung tâm dữ liệu, tránh được việc phải lắp đặt cáp sợi đơn chế độ.

Cáp đồng là một phương tiện truyền dẫn rẻ hơn và vì vậy được ưa chuộng hơn cáp sợi. Tuy nhiên, chuẩn 10GBase-CX4 hoạt động ở các khoảng cách từ 10 đến 20 mét, tùy thuộc vào việc bạn đang nói chuyện với ai và điều này giới hạn số lượng các ứng dụng có thể tận dụng được nó. Chuẩn 10Gbase-T sẽ quy định cách 10 GE hoạt động trên cáp đồng. Hai phiên bản tiềm năng của 10GBase-T nhắm vào cự ly 100 mét trên cáp Cat 7 và 50 mét trên cáp Cat 6. Hiện có những bất đồng xung quanh việc liệu cáp Cat 5 có thể hoạt động một cách tin cậy, truyền tín hiệu tới tốc độ 10 Gbit/s trên những cự ly hữu ích. Đối với các công ty sử dụng Cat 5 thay cho Cat 6 hay 7, 10 GE thậm chí có thể không phải là một lựa chọn. Vì IEEE dự định sẽ hoàn thành chuẩn này vào năm 2006 nên chúng ta sẽ còn phải chờ xem.

Công nghệ đứng đằng sau 10 GE là trung tâm của các ứng dụng lõi mạng, hình thành nên xương sống của các mạng. Để đạt được lưu lượng cao vốn được cho là sẽ làm giảm chi phí của 10 GE, nhiều nhà cung cấp đã lường trước được việc triển khai 10 GE trong các mạng doanh nghiệp khi 1 GE được triển khai ở các máy tính để bàn, trong các mạng người dùng khi cáp sợi vượt tầm kiểm soát và trong các trung tâm dữ liệu và các mạng lưu trữ khi việc sử dụng dữ liệu tiếp tục không bị ngăn cản.

Bài học từ lịch sử

10 GE hứa hẹn là sẽ thay đổi diện mạo của mạng nhanh đến mức có thể so sánh với việc các đĩa CD đã thay đổi cách thức bạn nghe nhạc. Tuy nhiên, lần này có khác. Trước đây, luôn luôn có một định dạng dữ liệu khác, lớn hơn so với những định dạng dữ liệu thường được sử dụng. Định dạng dữ liệu này đã làm cho lượng băng thông có sẵn trở nên quá tải. Để hiểu rõ hơn về việc này, bạn hãy xem xét đến cardinality của dữ liệu. “Cardinality” là số lượng phần tử trong một tập hợp toán học cho trước (lực lượng của tập hợp). Khi các modem chạy ở tốc độ 300 baud, bạn sẽ không thể gửi những tập hợp dữ liệu lớn, chẳng hạn như các bức ảnh, bởi vì dữ liệu thoại và văn bản đã chiếm tất cả lượng băng thông sẵn có. Khi tốc độ kết nối tăng lên thì cardinality của dữ liệu mà người dùng có thể gửi cũng tăng theo. Các bức ảnh và tập tin thuyết trình trong PowerPoint trở thành các loại dữ liệu mà bạn có thể truyền qua mạng nhưng các tập tin âm thanh chạy suốt (streaming-audio) trở thành tập dữ liệu làm cho mạng bị nghẽn. Với DSL, âm thanh trở thành loại dữ liệu mà bạn hoàn toàn có thể tải xuống. Việc tải xuống các tập tin video có thể thực hiện được tại tốc độ 1 Mbit/s, mặc dù việc tải xuống mất nhiều thời gian hơn là xem hoặc sử dụng trực tiếp, và việc tải xuống này càng dễ thực hiện hơn nữa ở tốc độ 100 Mbit/s.

Với 1 GE, các tập tin video chất lượng cao trở thành loại dữ liệu dễ dàng tải xuống. Chúng ta hãy cùng xem xét trường hợp FTTH (cáp sợi kết nối tới gia đình). Passave, một công ty sản xuất chip PON (nối mạng quang thụ động) đã tuyên bố rằng họ đã bán được 500.000 cổng FTTH dựa trên chuẩn EPON (Ethernet-PON) IEEE 802.3ah. Các kết nối 1 GE hiện đang được triển khai tại Nhật Bản tới mỗi hộ gia đình với chi phí ít hơn hai lần chi phí của DSL. Lượng băng thông đó lớn hơn 1000 lần lượng băng thông giành cho hầu hết người sử dụng với chi phí ít hơn hai lần chi phí họ đang phải bỏ ra. OTL (thiết bị đầu cuối đường truyền quang) phân tách các kết nối đến sử dụng các bộ tách thụ động. Ngày nay, mỗi OTL phục vụ 16 hộ gia đình, nhưng Passave cho biết các bộ tách của họ có thể xử lý tới 128 phép phân tách nếu bạn tăng cường cho chúng FEC (sửa lỗi tiến). PON tương đương với một DSLAM (bộ dồn kênh truy nhập đường dây thuê bao số) trong một tổng đài điện thoại có thể chuyển dữ liệu tới một số lượng hộ gia đình lên tới 5000 hộ.

Video hiện đang đại diện cho dữ liệu cardinality cao nhất, nghĩa là có yêu cầu lớn nhất về băng thông trong số các loại hình dữ liệu mà người dùng gia đình xử lý. Nhu cầu về băng thông cho một bộ phim lớn gấp nhiều lần so với nhu cầu băng thông giành cho dữ liệu âm thanh. Giả sử rằng một bộ phim DVD đại diện cho một ví dụ cụ thể về video thì mỗi bộ phim tương đương với 4,7 GB hoặc 37,6 Gbit dữ liệu. Nếu một kết nối 1 GE hoạt động với hiệu suất 10%, một người sử dụng có thể tải xuống một bộ phim dài 2 tiếng trong 376 giây - dài hơn 6 phút một chút hoặc bằng khoảng 5% thời gian để xem nội dung. Video phát quảng bá cũng tiêu thụ cùng một lượng băng thông như vậy bất kể là có bao nhiêu nút mạng đang tham gia. Lắp thêm một ổ cứng dung lượng 200 GB ở nhà và trong khoảng 4 tiếng rưỡi, những người sử dụng này có thể lưu trữ hơn 40 bộ phim với nội dung dài hơn 80 tiếng để xem bất cứ khi nào họ muốn.

Khi mà thời gian tải xuống giảm đi, lượng dữ liệu mà người dùng sử dụng sẽ tăng lên. Ngoài ra, khi mà độ trễ giảm đi, các dịch vụ thời gian thực mới trở nên khả thi hơn. Tuy nhiên, bạn không thể bỏ qua những giới hạn thực tế của việc sử dụng dữ liệu: Cho dù bạn truyền liên tục âm thanh chất lượng CD chưa được nén, với tốc độ 650 MB/giờ, tương đương 5,2 Gbit/giờ hay 124,8 Gbit/ngày và với hiệu suất 10%, thì bạn vẫn chỉ mất 20 phút để tải xuống một nội dung dài 24 giờ.

Điểm mấu chốt là ở chỗ dường như chúng ta đã đạt đến giới hạn của việc sử dụng dữ liệu. Ngày nay, không có tập dữ liệu phổ biến nào sử dụng nhiều băng thông hơn video. Tất cả các dạng dữ liệu phổ biến khác, bao gồm văn bản, hình ảnh và âm thanh đều nằm ở mức thấp hơn nhiều. Thậm chí video có độ phân giải cao cũng có thể truyền được một cách dễ dàng. Trong thế giới truyền thông, video có độ phân giải cao chỉ đòi hỏi một lượng băng thông nhiều gấp 4 lần so với video chuẩn. Kết quả là việc triển khai EPON có thể phục vụ rất nhiều người với nhiều liên kết 1 GE phục vụ hàng nghìn người sử dụng. Một liên kết 10 GE thực sự không cần thiết cho đến khi bạn tới gần lõi mạng hơn.

“Ăn tất cả những gì bạn có thể” hay “ăn tất cả những gì bạn quan tâm”?

Nhiều công ty đang trông cậy vào niềm tin rằng video sẽ là nhân tố thúc đẩy chính cho 10 GE. Tuy nhiên, trong một thế giới mà mọi người luôn bận rộn với công việc kinh doanh thì người ta phải đặt câu hỏi về giá trị của video. Hầu hết các công ty đều không muốn nhân viên của họ xem phim trên máy tính của công ty và video phi thương mại - chẳng hạn những thông cáo của công ty - sẽ không phải là một nhân tố thúc đẩy. Các công ty có thể chỉ yêu cầu phát video phi thương mại một cách không thường xuyên, chẳng hạn một lần một quý. Hơn nữa, việc sản xuất video rất tốn kém hoặc chỉ để phục vụ một số lượng nhỏ người xem và vì vậy băng thông để truyền những tập tin video đó chỉ là nhu cầu bất thường mang tính nhất thời so với nhu cầu lưu thông dữ liệu hàng ngày. Đối với những ứng dụng đòi hỏi phải có video, chẳng hạn như một cuốn sổ tay trực tuyến hướng dẫn cho một người thợ cơ khí cách lắp đặt một bộ phận, các tập tin AVI được nén và đủ khả năng để chạy một cách hiệu quả trên các mạng 100 Mbit/s. Khi đó, video băng thông rộng, chất lượng cao sẽ là một trường hợp hãn hữu hoặc không cần thiết trong một doanh nghiệp đến mức phải xây dựng một cơ sở hạ tầng để truyền chúng.

Thậm chí trong các mạng thương mại, video không được truyền quảng bá tới một số lượng lớn người xem có một giá trị rất hạn chế. Chúng ta hãy xem xét giá trị của video theo yêu cầu (video on demand) tính trên từng bit với một nút thu nhận. Với chi phí 10 USD cho một bộ phim, bạn có thể tạo ra khoảng 25 xu doanh thu trên một gigabit dữ liệu thực tế. Con số này giảm xuống đáng kể khi bạn xem xét đến hiệu suất của mạng. Ngoài ra, bạn phải xây dựng và duy trì một cơ sở hạ tầng tương đối đồ sộ để đưa được video tới người dùng, bằng cách có một băng thông cao và một mạng lõi đắt tiền hay bằng cách đặt một máy chủ video giành riêng gần với người sử dụng hơn, chẳng hạn như đặt cạnh một DSLAM.

So sánh trường hợp này với nhắn tin văn bản-là loại hình có lẽ có giá trị tính trên từng bit cao nhất của bất kỳ dữ liệu nào: 10 xu cho một thông báo ASCII gồm 50 ký tự đã đem lại 250 USD doanh thu trên một gigabit dữ liệu hay 1000 lần doanh thu do video mang lại. Lợi thế chủ yếu của video là nó cung cấp một phương tiện cho người dùng tiêu xài nhanh hơn; việc xem một bộ phim thì dễ dàng hơn nhiều so với việc gửi 100 tin nhắn. Thực tế này là một lý do để nhiều công ty quan tâm đến nối mạng video thương mại.

Nhưng một người có thể sử dụng bao nhiêu dữ liệu? Bạn có thể chỉ xem bằng đấy bộ phim một ngày. Thậm chí những nhân viên tiếp thị gửi cho mọi người các tập tin trình diễn PowerPoint cồng kềnh có dung lượng lên tới 100 MB cũng chỉ chiếm một phần nhỏ trong 1 Gbit/s của băng thông GE. Chỉ một số người dùng, chẳng hạn như nhà biên tập phim và một vài kỹ sư, làm việc với những tập dữ liệu khổng lồ mới có thể thực sự sử dụng đến băng thông này.

Nhưng thậm chí những người dùng này cũng sử dụng ít băng thông hơn so với bạn nghĩ. Một nhà quản lý mạng, khi mô tả ảnh hưởng của mạng đối với các kỹ sư làm việc với các mô hình hệ thống lớn, nói rằng những kỹ sư này thường tải xuống chỉ một thành phần-từ 500 MB tới 1 GB-của một mô hình lớn, thay vì tải xuống toàn bộ mô hình có dung lượng khoảng 4 GB. Những mô hình này là những tập hợp của hàng trăm hoặc hàng nghìn tập tin. Kể cả thời gian để cần thiết để truy vấn đến cơ sở dữ liệu của mô hình, kiểm tra các thành phần và tải chúng về, để hoàn thành thì giao dịch này cần từ 30 đến 45 phút. Sau đó, người kỹ sư có thể sử dụng phần thời gian còn lại của ngày hôm đó hay thậm chí của tuần đó để sử dụng dữ liệu này. Thậm chí nếu người kỹ sư sẵn sàng sử dụng hết từ 30 phút đến 1 tiếng để sao lưu dữ liệu của mô hình trong ngày thay cho làm việc với mô hình, tổng lượng dữ liệu được tải xuống là 3 GB. Trong bất cứ trường hợp nào, với những script phù hợp, người sử dụng có thể tải lên hoặc sao lưu các tập tin vào cơ sở dữ liệu vào mỗi đêm và tự động tải chúng xuống vào ngày hôm sau và việc này làm giảm tải băng thông cho mạng công cộng trong giờ cao điểm.

Bởi vì người sử dụng có một đường truyền 1 GE không có nghĩa là họ có thể sử dụng dữ liệu nhanh chóng hơn, do đó 10 người sử dụng với các kết nối 1 GE không cần một switch liên kết ngược 10 GE để quản lý dữ liệu lưu thông của họ. Một vài đường 1 GE có thể phục vụ từ hàng trăm đến hàng nghìn người dùng, như đã được minh chứng trong quá trình triển khai FTTH. Thách thức chính về mặt kỹ thuật bây giờ là làm cách nào để tạo ra các cơ chế đăng ký vượt mức hiệu quả chứ không phải là việc tìm thêm băng thông. Và như vậy, một lần nữa 10 GE cho thấy nó chỉ thích hợp với lõi mạng.

Vậy thì 10 GE có thể được sử dụng ở đâu ngoài lõi mạng? Các trung tâm dữ liệu và SAN (các mạng vùng lưu trữ) cung cấp hai khả năng: sử dụng dữ liệu thụ động và tập hợp. Một ví dụ về việc sử dụng dữ liệu thụ động là thực hiện một sự thay đổi đơn giản đối với cơ sở dữ liệu. Bản thân sự thay đổi này có thể chỉ mất một vài byte, nhưng sự thay đổi này đòi hỏi phải sửa đổi cả cơ sở dữ liệu, dẫn đến việc cần phải sao lưu toàn bộ cơ sở dữ liệu. Trong các trường hợp mà đường truyền giữa SAN và các phương tiện sao lưu là riêng tư hay không phụ thuộc vào phần còn lại của mạng dữ liệu công cộng, nhiệm vụ sao lưu SAN không có ảnh hưởng nào đối với phần mạng người sử dụng/công cộng.

Một sự thật về vấn đề lưu trữ mà ai cũng biết là ngày càng có nhiều thứ cần phải lưu trữ hơn. Rất thú vị là nút cổ chai của việc sao lưu dữ liệu SAN thường không phải là đường truyền mà là năng lực của các máy chủ để tận dụng một cách đầy đủ đường truyền và khả năng chấp nhận dữ liệu của các phương tiện sao lưu, chẳng hạn như của một ổ băng từ. Nếu đường truyền bị rơi vào tình trạng nút cổ chai bởi vì bạn có đủ máy chủ và ổ băng từ, bạn có thể đặt câu hỏi là tại sao bạn sử dụng hầu hết băng thông của mình để sao lưu dữ liệu mà bạn chưa từng động đến trong 5 năm qua. Cứ cho là việc sao lưu có chọn lọc dữ liệu là một vấn đề đầy thách thức nhưng thay vì liên tục sao lưu cùng một dữ liệu, một giải pháp thông minh hơn để xử lý vấn đề này là tạo ra một lịch biểu sao lưu có thứ tự.

Trên quan điểm tập hợp, dù một người không thể sử dụng nhiều hơn một lượng tương đối dữ liệu nhưng hàng nghìn người thì có thể. Với rất nhiều người dùng và nhiều nguồn lưu lượng thông tin, tắc nghẽn đã trở thành một trong những vấn đề khó giải quyết nhất của mạng. Khi nhu cầu dữ liệu đạt đến giới hạn băng thông, bạn phải triển khai các cơ chế “chất lượng dịch vụ” phức hợp hơn để duy trì các đặc điểm thời gian thực của dữ liệu và hiệu quả của các kết nối. Một cách dễ dàng hơn nhiều so với việc triển khai các cơ chế để xử lý tắc nghẽn này chỉ đơn giản là tăng băng thông và loại bỏ tắc nghẽn. Người ta có thể cho rằng việc bổ sung băng thông có thể là một giải pháp rất tốn kém để giải quyết các tranh chấp.

Một trở ngại đáng kể khác trong giải pháp nâng băng thông cao hơn cho việc quản lý mạng đang gia tăng tầm quan trọng, đó là sự thuận tiện. Các công ty đang kêu gọi các mạng của họ hỗ trợ những người sử dụng không dây trong văn phòng và sự truy nhập từ xa cho những người sử dụng làm việc từ xa. Trường hợp này có nghĩa là những người sử dụng phải truy nhập được vào cùng các ứng dụng như họ vẫn làm trong văn phòng được nối mạng hữu tuyến qua những kết nối hẹp hơn nhiều bị đè nặng bởi VPN (mạng riêng ảo) và các thủ tục an ninh bổ sung khác. Các yêu cầu về sự thuận tiện sẽ làm giảm các yêu cầu về băng thông để làm cho các kết nối không dây và từ xa trở nên hiệu quả và khả thi. Về một số mặt, việc tạo sự thuận tiện chưa phải là một vấn đề quá bức xúc so với những lo ngại về việc liệu các đường truyền 1 GE sẽ bị đăng ký vượt mức hay không.

Tất cả là vấn đề nhận thức

Bất cứ khi nào một người dùng bị chậm trễ trong việc sử dụng mạng thì người ta thường đổ lỗi tại mạng lưới. Tuy nhiên, hãy xem xét một ứng dụng cơ sở dữ liệu trong đó người dùng gửi một gói nhỏ để mở cơ sở dữ liệu, thực hiện một truy vấn, định vị dữ liệu, tải xuống dữ liệu và đóng cơ sở dữ liệu. Trong các ngôn ngữ hướng đối tượng, các mức độ trừu tượng có thể tạo ra một số lượng lớn thủ tục bổ sung và chúng có thể làm nghẽn đường truyền và do vậy dữ liệu không thể di chuyển được. Tình huống này chỉ ra nhu cầu không phải là một đường truyền nhanh hơn mà là một ứng dụng mới.

Theo cách tương tự, nhu cầu vô tận về băng thông không còn tăng theo hàm mũ nữa. Trước đây, băng thông tăng để tiếp nhận dữ liệu với một cardinality cao hơn-nghĩa là, với một yêu cầu băng thông ít nhất là cao hơn các yêu cầu trước đó một bậc-để lý giải cho bước nhảy gấp 10 lần mà theo truyền thống mỗi thế hệ Ethernet thường cung cấp. Tuy nhiên, không có một nhu cầu cho dữ liệu với một cardinality cao hơn video, lượng dữ liệu mà chúng ta sử dụng tăng chậm hơn so với mức mà chúng ta phải cần đến tốc độ 10 Gbit/s bên ngoài mạng lõi. Hiện tại, vài kết nối 1 GE vẫn có chi phí thấp hơn một kết nối 10 GE và những kết nối này có thể giúp giải tỏa bất cứ tắc nghẽn nào và điều này lại càng làm chậm thêm sự cần thiết phải có các kết nối 10 GE.

Chắc chắn 10 GE sẽ tìm được một vị trí thích hợp với vai trò là một kết nối giữa các switch hoặc kết nối giữa các khu trường sở với nhau, mặc dù 1 GE dường như đủ khả năng phục vụ nhu cầu này cho tất cả các đối tượng ngoại trừ các công ty lớn nhất. Tuy nhiên, nếu 10 GE được triển khai chủ yếu ở lõi mạng, khi đó không có ứng dụng lưu lượng cao nào làm đòn bẩy để đưa chi phí của nó lên một mức cạnh tranh hơn. Có người vẫn có thể tranh luận rằng quản lý một mạng đơn giao thức, đồng nhất thì dễ dàng hơn và ít tốn kém hơn, nhưng đó là một lý do rất ít thuyết phục.