Tổng quan về công nghệ Ethernet 10 Gigabit - Phần I

IEEE 802.3ae* 2002 (chuẩn Ethernet 10 Gigabit) [1] khác biệt với các chuẩn Ethernet trước đây ở một số điểm như chỉ được thực hiện trên cáp sợi quang và chỉ hoạt động trong chế độ song công toàn phần (fullduplex mode). Với Ethernet 10 Gigabit, các giao thức phát hiện xung đột là không cần thiết. Hiện nay, Ethernet có thể xử lý cho đến 10 Gbit/s trong khi vẫn bảo đảm duy trì các thuộc tính Ethernet cơ bản như định dạng gói tin và các khả năng hiện có và có thể dễ dàng chuyển sang chuẩn mới.

Chuẩn Ethernet 10 Gigabit

Chuẩn Ethernet 10 Gigabit mở rộng các giao thức chuẩn IEEE 802.3ae* lên tới tốc độ đường truyền là 10 Gbit/s và mở rộng phạm vi ứng dụng của Ethernet như bao gồm cả các liên kết tương thích WAN. Chuẩn Ethernet 10 Gigabit cho phép tăng băng thông đáng kể trong khi vẫn duy trì khả năng tương thích tối ưu với nền tảng đã được cài đặt của các giao diện chuẩn 802.3, bảo toàn vốn đầu tư trước đó trong nghiên cứu, phát triển và duy trì những nguyên tắc đang tồn tại của hoạt động và quản lý mạng.

Dưới mô hình OSI (Open Systems Interconnection), về cơ bản Ethernet nằm ở giao thức lớp 1 và lớp 2. Ethernet 10 Gigabit vẫn giữ lại kiến trúc Ethernet cơ bản, bao gồm giao thức MAC [2], định dạng khung Ethernet và kích thước tối thiểu và tối đa của khung. Đúng như Ethernet Gigabit, 1000BASE-X [1] và 1000BASE-T [1], tiếp nối mô hình Ethernet chuẩn, Ethernet 10 Gigabit tiếp tục cuộc cách mạng Ethernet về mặt tốc độ và khoảng cách, trong khi vẫn giữ lại kiến trúc Ethernet đã được sử dụng trong các đặc tả Ethernet khác. Từ khi Ethernet 10 Gigabit là công nghệ chỉ chạy full-duplex (song công toàn phần), nó không cần đến giao thức CSMA/CD [3] được sử dụng trong những công nghệ Ethernet trước đó (ở một vài khía cạch nào đó, Ethernet 10 Gigabit tương xứng với mô hình Ethernet nguyên thuỷ).


Hình 1 Các thành phần kiến trúc của chuẩn 802.3ae*

Tại lớp vật lý (lớp 1 của mô hình OSI), một thiết bị lớp vật lý Ethernet (PHY) kết nối môi trường truyền là cáp quang hay cáp đồng với lớp MAC [2] thông qua một công nghệ ghép nối (xem Hình 1). Ngoài ra, kiến trúc Ethernet chia lớp vật lý thành ba lớp con là PMD (Physical Medium Dependent), PMA (Physical Medium Attachment) và PCS (Physical Coding Sublayer). Các PMD cung cấp kết nối vật lý và báo hiệu cho môi trường truyền; ví dụ các máy thu phát quang (optical transceiver) là các PMD. PCS bao gồm mã hoá (ví dụ như 64B/66B) và một serializer hay multiplexor (bộ dồn kênh). Chuẩn IEEE 802.3ae* định nghĩa hai kiểu PHY: PHY LAN và PHY WAN. Chúng cung cấp cùng chức năng hoạt động, ngoại trừ PHY WAN có một tập tính năng mở rộng trong PCS cho phép kết nối với một số mạng khác.

Thị trường Ethernet 10 Gigabit

Công nghệ Ethernet hiện tại là công nghệ được triển khai nhiều nhất cho các môi trường LAN tốc độ cao. Các doanh nghiệp trên toàn thế giới đã đầu tư cáp, thiết bị, quy trình và cả các khoá đào tạo chuyên về Ethernet. Ngoài ra, sự hiển diện của Ethernet ở khắp mọi nơi đã giữ cho giá thành của nó ở mức thấp và với mỗi sự triển khai của công nghệ Ethernet thế hệ tiếp theo, các chi phí cho triển khai có chiều hướng giảm. Trong các mạng ngày nay, sự tăng lưu lượng mạng trên toàn cầu đang định hướng cho các nhà cung cấp dịch vụ, các nhà quản trị và thiết kế mạng doanh nghiệp chú ý hơn đến các công nghệ mạng tốc độ cao để giải quyết các nhu cầu băng thông ngày càng tăng. Hiện tại Ethernet 10 Gigabit có tốc độ nhanh gấp 10 lần so với Ethernet Gigabit. Với việc bổ sung Ethernet 10 Gigabit vào họ các công nghệ Ethernet, một mạng LAN bây giờ có thể đạt được các khoảng cách xa hơn và có thể hỗ trợ các ứng dụng cần nhiều băng thông hơn. Ethernet 10 Gigabit cũng làm thoả mãn một số tiêu chí về tốc độ, hiệu quả và là sự lựa chọn đương nhiên cho sự phát triển, mở rộng và nâng cấp các mạng Ethernet hiện tại:

Một cơ sở hạ tầng Ethernet hiện thời của khách hàng có thể hoạt động một cách dễ dàng với Ethernet 10 Gigabit. Công nghệ mới cung cấp giá thành thấp bao gồm cả việc thu lời và hỗ trợ giá so với các công nghệ lựa chọn hiện tại.

Việc sử dụng các qui trình xử lý, các giao thức và các công cụ quản trị đã sẵn sàng được triển khai và Ethernet 10 Gigabit cho thấy các công cụ quản lý quen thuộc và một nền tảng kỹ năng phổ thông.

Tính linh hoạt trong việc thiết kế mạng với các kết nối máy chủ, thiết bị chuyển mạch và bộ định tuyến.

Nhiều nguồn cung cấp các sản phẩm dựa trên cơ sở các chuẩn có thể hoạt động cùng nhau đã được thử thách trong một thời gian dài.

Trong khi Ethernet 10 Gigabit đang thâm nhập thị trường và các nhà cung cấp thiết bị chuyển giao các thiết bị mạng Ethernet 10 Gigabit, bước tiếp theo cho các mạng doanh nghiệp và các mạng của nhà cung cấp dịch vụ là sự kết hợp băng thông multi-gigabit với các dịch vụ thông minh, dẫn đến các mạng phân cấp, thông minh, multi-gigabit với các liên kết xương sống và máy chủ trong phạm vi đến 10 Gbit/s. Hội tụ các mạng tiếng nói và dữ liệu chạy trên Ethernet trở thành một lựa chọn thực tế. Và trong khi TCP/IP hợp nhất các dịch vụ và các tính năng nâng cao, như tiếng nói và hình ảnh được đóng gói, Ethernet cơ bản có thể cũng mang theo các dịch vụ này mà không cần phải sửa đổi.

Chuẩn Ethernet 10 Gigabit không chỉ tăng tốc độ của Ethernet lên 10 Gbit/s, mà còn mở rộng khả năng liên kết với nhau và phạm vi hoạt động của nó lên đến 40 km. Giống như Ethernet Gigabit, chuẩn Ethernet 10 Gigabit (IEEE 802.3ae*) hỗ trợ cả hai môi trường truyền cáp sợi quang là “singlemode” [4] và “multimode”[4]. Tuy vậy, để cho 10 Gigabit, khoảng cách cho cáp quang “single-mode” được mở rộng từ 5 km trong Ethernet Gigabit lên đến 40 km trong Ethernet 10 Gigabit. Lợi thế của việc đạt được khoảng cách mới cho phép các công ty quản lý LAN của bản thân họ có thể mở rộng trung tâm dữ liệu lên đến 40 km tính từ các campus (khu trường) của họ. Điều đó cho phép họ hỗ trợ nhiều campus hơn trong phạm vi 40 km.

Các ứng dụng cho Ethernet 10 Gigabit

Các nhà cung cấp và người dùng đều cho rằng chi phí cho Ethernet là không đắt, hiểu rộng ra có nghĩa việc triển khai rộng khắp tương thích với những thứ đã có trong các mạng LAN hiện tại. Ngày nay một gói tin khi rời khỏi một máy chủ trên một cổng Ethernet Gigabit, được truyền đi trong phạm vi quốc gia qua một mạng DWDM (Dense-Wave Division Multiplexing)[5] và tìm thấy đường đi của nó đến một PC được gắn vào một cổng cáp đồng Gigabit, tất cả không cần phải đóng gói lại hay chuyển đổi giao thức. Ethernet theo nghĩa đen có nghĩa ở khắp mọi nơi và Ethernet 10 Gigabit duy trì sự chuyển giao liên tục về mặt chức năng cho bất cứ ứng dụng nào mà Ethernet áp dụng vào.

Ethernet 10 Gigabit được sử dụng cho các mạng máy chủ (server area network) hay các mạng vùng lưu giữ (storage area network), theo truyền thống là vùng các mạng chuyên dụng giữ độc quyền với những nền tảng người dùng tương đối nhỏ khi so sánh với Ethernet. Các mạng vùng máy chủ này cho một băng thông tuyệt vời đối với các mạng phạm vi nhỏ (thường nhỏ hơn 20 m). Tuy vậy, chúng là những mạng giữ độc quyền rất khó triển khai và bảo trì. Mạng dung lượng nhỏ cũng dẫn đến chi phí cao hơn cho các bộ tiếp hợp máy chủ và các bộ chuyển mạch. Như với bất cứ giải pháp giữ độc quyền nào, chúng không thể hoạt động cùng với các công nghệ khác mà không cần đến các bộ định tuyến và các thiết bị chuyển mạch thích hợp.

Trong các mạng vùng lưu trữ, việc thiếu các chuẩn và một số vấn đề về khả năng hoạt động cùng nhau gây khó khăn khi triển khai Fibre Channel ban đầu. Tuy nhiên, những công nghệ này cũng gặp phải một số vấn đề tương tự như đã xảy ra trong các mạng vùng máy chủ giữ độc quyền do thiếu đầu tư. Tóm lại, Ethernet 10 Gigabit được sử dụng để thay thế các công nghệ độc quyền và như một thế hệ kế tiếp liên kết các mạng vùng máy chủ và lưu trữ với nhau do một vài lý do:

- Ethernet 10 Gigabit cho một băng thông thiết yếu.
- Hợp nhất máy chủ dẫn đến tiét kiệm giá thành.
- Sự tăng trưởng có kế hoạch của các tính năng mạng 10 Gigabit.

Ngoài ra, việc triển khai toàn bộ công nghệ TOE (TCP/IP Offload Engine) [6] được chờ đợi trong các adapter Ethernet 10 Gigabit có thể làm cho nó đặc biệt hiệu quả trên các hệ thống máy chủ với việc tận dụng CPU mong muốn như đã thấy trên các hệ thống hiện thời đang triển khai Ethernet Gigabit. Do tốc độ thoả thuận trong phạm vi rộng của Ethernet, công nghệ TOE sẽ trở thành vô cùng hiệu quả về giá thành khi so sánh với các mạng dung lượng thấp hơn.

10 Gigabit Ethernet cho các mạng cục bộ (LAN)

Công nghệ Ethernet luôn là một công nghệ được triển khai nhiều nhất cho các môi trường LAN tốc độ cao. Với việc mở rộng Ethernet 10 Gigabit trong họ các công nghệ Ethernet, các LAN có thể hỗ trợ tốt hơn khi tăng số lượng các ứng dụng “đói băng thông” và đạt được khoảng cách xa hơn. Tương tự như Ethernet Gigabit, chuẩn 10 Gigabit hỗ trợ môi trường truyền quang ở cả hai chế độ “single-mode” và “multimode”[4].

Với các liên kết lên đến 40 km, Ethernet 10 Gigabit cho phép các công ty quản lý các môi trường LAN của bản thân họ có khả năng lựa chọn vị trí cho trung tâm dữ liệu và các khu máy chủ (server farm) – trong phạm vi 40 km tính từ các campus của họ. Điều đó cho phép họ hỗ trợ nhiều khu trường hơn trong phạm vi này (Hình 2). Bên trong các trung tâm dữ liệu, các ứng dụng “switch-to-switch” cũng như “switch-to-server” có thể được triển khai nhờ một môi trường truyền quang sinh lãi “multi-mode” để tạo ra các xương sống Ethernet 10 Gigabit hỗ trợ đắc lực sự tăng liên tục các ứng dụng “đói băng thông”.


Hình 2. Sử dụng Ethernet 10 Gigabit (10 GbE) trong các môi trường LAN mở rộng.

Với xương sống 10 Gigabit, các công ty có thể dễ dàng hỗ trợ kết nối Ethernet Gigabit trong các máy trạm và máy để bàn để làm giảm tắc nghẽn trên mạng, cho phép thực thi các ứng dụng cần nhiều băng thông. Ethernet 10 Gigabit cũng cải thiện độ trễ cho mạng, do tốc độ của liên kết cung cấp quá băng thông cần thiết để bù vào sự bùng nổ dữ liệu trong các ứng dụng doanh nghiệp. Băng thông đường trục 10 Gigabit cũng tạo điều kiện cho thế hệ tiếp sau của các ứng dụng mạng phát triển . Nó hỗ trợ việc chăm sóc sức khoẻ từ xa, truyền hình, hội nghị truyền hình số ... sẽ thay thế khả năng điều khiển từ xa trong tương lai. Và cả những thứ như HDTV (high definition television), video-ondemand hay trò chơi trên Internet.

Ethernet 10 Gigabit cho phép các doanh nghiệp giảm tắc nghẽn trên mạng, tăng cường sử dụng các ứng dụng cần nhiều băng thông và cho ra những quyết định mang tính chiến lược hơn về vị trí các thiết bị kết nối mạng chủ yếu do sự mở rộng mạng LAN của họ trong phạm vi 40 km.

Xem phần II: Tổng quan về công nghệ Ethernet 10 Gigabit - Phần II