Bài giảng môn Thiết kế hiệu năng mạng | Học viện Công Nghệ Bưu Chính Viễn Thông

BỘ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG
HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG BÀI GIẢNG
THIẾT KẾ VÀ HIỆU NĂNG MẠNG
Biên soạn: TS. Hoàng Trọng Minh
TS. Dương Thị Thanh Tú TS. Phạm Anh Thư Hà Nội, 2022 MỤC LỤC
MỤC LỤC .............................................................................................................. ii
DANH MỤC HÌNH VẼ .......................................................................................... v
DANH MỤC BẢNG BIỂU .................................................................................. viii
THUẬT NGỮ VIẾT TẮT ...................................................................................... ix
MỞ ĐẦU ............................................................................................................. xiii
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN THIẾT KẾ MẠNG VÀ PHÂN TÍCH YÊU CẦU ...... 1
1.1 Giới thiệu chung ............................................................................................ 1
1.2 Mô tả hệ thống và dịch vụ thiết kế mạng ........................................................ 3
1.2.1 Mô tả hệ thống ........................................................................................ 3
1.2.2 Mô tả dịch vụ .......................................................................................... 7
1.3 Các đặc trưng hiệu năng mạng ....................................................................... 8
1.3.1 Tham số độ trễ ........................................................................................ 8
1.3.2 Thời gian đáp ứng ................................................................................... 9
1.3.3 Tổn thất gói ............................................................................................. 9
1.3.3 Lỗi .......................................................................................................... 9
1.3.4 Thông lượng ......................................................................................... 10
1.3.5 Một số chỉ số khác ................................................................................ 10
1.4 Kết luận chương .......................................................................................... 13
CHƯƠNG 2. PHÂN TÍCH YÊU CẦU THIẾT KẾ MẠNG ................................... 15
2.1 Các yêu cầu và đặc tính ............................................................................. 15
2.2 Nhu cầu người sử dụng và ứng dụng ......................................................... 16
2.2.1 Nhu cầu người sử dụng ......................................................................... 16
2.2.2 Nhu cầu cho ứng dụng .......................................................................... 19
2.3 Các yêu cầu thiết bị và mạng lưới .............................................................. 22
2.3.1 Các yêu cầu về thiết bị .......................................................................... 22
2.3.2 Các yêu cầu về mạng lưới ..................................................................... 25
2.4 TIẾN TRÌNH XỬ LÝ CÁC YÊU CẦU .................................................... 28 2.4.1
Thu thập và lập danh sách các yêu cầu............................................. 28 2.4.2
Phát triển các chỉ số dịch vụ ............................................................ 30 2.4.3
Đặc điểm hành vi ............................................................................. 31 2.4.4
Phát triển các yêu cầu RMA ............................................................ 32 2.4.5
Phát triển các yêu cầu về độ trễ ........................................................ 33 2.4.6
Phát triển các yêu cầu bổ sung về dung lượng .................................. 34 2.4.7
Phát triển các yêu cầu bổ sung hiệu suất .......................................... 35 2.4.8
Các ngưỡng và giới hạn dành riêng cho môi trường ......................... 35 2.4.9
Yêu cầu đối với hiệu năng có thể dự đoán và đảm bảo ..................... 36
2.4.10 Lập bản đồ yêu cầu .......................................................................... 37 2.4.11
Phát triển Đặc tả Yêu cầu ................................................................ 38
2.5 KẾT LUẬN CHƯƠNG ............................................................................. 40
CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ MẠNG LOGIC ............................................................. 41
3.1 Kiến trúc các thành phần mạng .................................................................... 42
3.1.1 Kiến trúc thành phần định địa chỉ/định tuyến ........................................ 46
3.1.2 Kiến trúc thành phần quản lý mạng ....................................................... 48
3.1.3 Kiến trúc thành phần hiệu năng ............................................................. 49
3.1.4 Kiến trúc thành phần bảo mật ................................................................ 50
3.1.5 Tối ưu hóa kiến trúc thành phần ............................................................ 51
3.2 Các mô hình kiến trúc mạng ........................................................................ 51
3.2.1 Mô hình tôpô ........................................................................................ 52
3.2.2 Mô hình dựa trên luồng (Flow-base Model) .......................................... 53
3.2.3 Mô hình chức năng ............................................................................... 55
3.2.4 Cách sử dụng các mô hình kiến trúc ...................................................... 57
3.3 Định địa chỉ và định tuyến ........................................................................... 62
3.3.1 Chiến lược định địa chỉ ......................................................................... 62
3.3.2 Chiến lược định tuyến ........................................................................... 65
3.3.3 Cân nhắc về kiến trúc ............................................................................ 67
3.4 Kết luận chương .......................................................................................... 69
CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ MẠNG VẬT LÝ ........................................................... 71
4.1 Thiết kế vật lý .............................................................................................. 71
4.2 Tiến trình thiết kế ........................................................................................ 71
4.2.1 Thiết kế hệ thống cáp LAN ................................................................... 71
4.2.2 Công nghệ mạng LAN .......................................................................... 76
4.2.3 Lựa chọn Thiết bị Kết nối Internet cho Thiết kế Mạng Khuôn viên ....... 78
4.3 Sơ đồ mạng .................................................................................................. 78
4.4 Các tham số thiết kế ..................................................................................... 82
4.5 Kết luận chương .......................................................................................... 86
CHƯƠNG 5: KIỂM THỬ VÀ ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG MẠNG ........................ 88
5.1 Mô hình hóa và phân tích mạng ................................................................... 88
5.1.1 Mô hình hóa mô phỏng ......................................................................... 88
5.1.2 Phân tích mạng ..................................................................................... 89
5.2 CÁC KỸ THUẬT TỐI ƯU MẠNG ............................................................. 91
5.2.1 Tối ưu hóa việc sử dụng băng thông với các công nghệ IP Multicast..... 91
5.2.2 Giảm độ trễ tuần tự hóa ......................................................................... 96
5.2.3 Tối ưu hóa hiệu suất mạng để đáp ứng các yêu cầu về chất lượng dịch vụ
........................................................................................................................... 97
5.3 KIỂM THỬ THIẾT KẾ MẠNG ................................................................ 101
5.3.1 Sử dụng các bài kiểm tra trong ngành ................................................. 102
5.3.2 Xây dựng và thử nghiệm hệ thống mạng nguyên mẫu ..................... 102
5.3.3 Viết và triển khai kế hoạch thử nghiệm cho thiết kế mạng ................... 104
5.4 ĐÁNH GIÁ VÀ TỐI ƯU MẠNG .............................................................. 108
5.4.1 Đánh giá các cơ chế hoạt động ........................................................... 108
5.4.2 Tối ưu hóa mạng ................................................................................. 111
5.5 KẾT LUẬN CHƯƠNG ............................................................................. 115
KẾT LUẬN ......................................................................................................... 118
TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................... 119 DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1. 1: Thiết kế mạng và chu trình phát triển ....................................................... 3
Hình 1. 2: Các thành phần chung của một hệ thống ................................................... 4
Hình 1. 3: So sánh các lớp OSI với các mức hệ thống ............................................... 4
Hình 1. 4: Thành phần thiết bị được tách thành các thành phần ................................ 5
Hình 1. 5: Chế độ xem truyền thống của một hệ thống .............................................. 6
Hình 1. 6: Một hệ thống chung với các giao diện được thêm vào .............................. 6
Hình 1. 7: Nhóm các đặc điểm thành Cấp độ dịch vụ và Mô tả ................................. 7
Hình 1. 8: RTO với giá và mức tổn thất .................................................................... 11
Hình 1. 9: Các hoạt động khôi phục ......................................................................... 12
Hình 1. 10: Mối quan hệ giữa RPO, RTO và TDD .................................................. 12
Hình 2. 1: Các yêu cầu được tách biệt thành Yêu cầu cốt lõi / cơ bản, đặc tính, tương
lai, bị từ chối và yêu cầu thông tin ............................................................................ 16
Hình 2. 2: Các loại yêu cầu người dùng ................................................................... 17
Hình 2. 3: Các loại yêu cầu ứng dụng ....................................................................... 20
Hình 2. 4: Ví dụ về bản đồ ứng dụng ........................................................................ 22
Hình 2. 5: Các loại yêu cầu thiết bị ........................................................................... 23
Hình 2. 6: Ví dụ về mẫu mô tả thiết bị...................................................................... 24
Hình 2. 7: Các thành phần thiết bị ............................................................................ 24
Hình 2. 8: Vị trí thiết bị ............................................................................................. 25
Hình 2. 9: Các loại yêu cầu về mạng ........................................................................ 26
Hình 2. 10: Đánh giá rủi ro an ninh .......................................................................... 28
Hình 2. 11: Tiến trình xử lý các yêu cầu ................................................................... 29
Hình 2. 12: Ước tính độ trễ cho các yêu cầu của người dùng .................................. 34
Hình 2. 13: Khu vực hiệu suất cho các ứng dụng tương tác và tương tác hàng loạt 35
Hình 2. 14: Bản đồ nhiều yêu cầu ............................................................................. 39
Hình 2. 15: Bản đồ Yêu cầu về Khuôn viên ............................................................. 40
Hình 2. 16: Mẫu cho các điều kiện ban đầu .............................................................. 41
Hình 2. 17: Yêu cầu thu thập được từ cuộc gặp đầu tiên với khách hàng ............... 42
Hình 3. 1: Ví dụ về Cơ chế Hiệu năng mạng ............................................................ 45
Hình 3. 2: Tương tác giữa các cơ chế Hiệu năng ...................................................... 46
Hình 3. 3: Kiến trúc thành phần và Kiến trúc tham chiếu từ phân tích các yêu cầu,
luồng và mục tiêu mạng ............................................................................................ 47
Hình 3. 4: Mô hình kiến trúc mạng LAN/MAN/WAN ............................................. 55
Hình 3. 5: Mô hình khiến trúc Access/Distribution/Core ......................................... 55
Hình 3. 6: Mô hình kiến trúc ngang hàng (Peer-to-Peer) ......................................... 56
Hình 3. 7: Mô hình kiến trúc máy khách – máy chủ (Client-Server) ....................... 57
Hình 3. 8: Mô hình kiến trúc máy khách – máy chủ phân cấp ................................. 57
Hình 3. 9: Mô hình kiến trúc tính toán phân tán ....................................................... 58
Hình 3. 10: Mô hình kiến trúc nhà cung cấp – dịch vụ (Service – Provider) ........... 59
Hình 3. 11: Mô hình kiến trúc mạng nội bộ/mạng phụ (Intranet/Extranet) .............. 59
Hình 3. 12: Mô hình kiến trúc đầu-cuối (End-to-End) ............................................. 60
Hình 3. 13: Mô hình Chức năng và Luồng bổ sung cho mô hình Tô-pô .................. 60
Hình 3. 14: Kiến trúc tham chiếu kết hợp với các mô hình và kiến trúc thành phần58
................................................................................................................................... 61
Hình 3. 15: Mô hình Truy cập/Phân phối/Cốt lõi từ Phối cảnh Luồng .................... 62
Hình 3. 16: Trường hợp Mô hình Máy khách-Máy chủ và Máy khách-Máy chủ phân
cấp có thể trùng lặp với Mô hình Truy cập/Phân phối/Lõi ....................................... 62
Hình 3. 17: Mô hình truy cập/phân phối/cốt lõi với các mô hình dựa trên chức năng
và phân luồng được thêm vào ................................................................................... 63
Hình 3. 18: Bản đồ luồng từ ví dụ lưu trữ ................................................................ 64
Hình 3. 19: Ví dụ xác định các khu vực Truy cập, phân phối và cốt lõi .................. 64
Hình 3. 20: Các khu vực máy tính phân tán được xác định cho ví dụ ...................... 65
Hình 3. 21: Áp dụng các chiến lược định địa chỉ khác nhau .................................... 66
Hình 3. 22: Ví dụ mạng con có độ dài thay đổi ........................................................ 67
Hình 3. 23: Ví dụ áp dụng mạng con có độ dài thay đổi .......................................... 67
Hình 3. 24: Mức độ phân cấp và sự đa dạng ............................................................ 69
Hình 3. 25: Ví dụ về ứng dụng của các tuyến tĩnh, IGP và EGP trong một mạng ... 70
Hình 3. 26: Ví dụ về tương tác trong cấu trúc địa chỉ/định tuyến ....................... 71
Hình 4. 1: Ví dụ về cấu trúc liên kết tòa nhà tập trung (hình trái) và phân tán (hình
phải) .......................................................................................................................... 76
Hình 4. 2: Ví dụ về cơ sở tập trung và phân tán- Cấu trúc hệ thống cáp .................. 77
Hình 4. 3: Chế độ xem bố cục vật lý mạng ............................................................... 83
Hình 4. 4: Chế độ xem bố cục logic mạng ................................................................ 84
Hình 4. 5: Các loại Topo mạng ................................................................................. 84
Hình 5. 1: Mô phỏng Hành vi Hiệu suất Mạng ........................................................ 93
Hình 5. 2: Sự phát triển định tuyến ........................................................................... 95
Hình 5. 3: Tiêu đề Giao thức Internet (IP) với Trường Dịch vụ Loại Lịch sử ........ 102
Hình 5. 4: Trường Dịch vụ phân biệt (DS) ............................................................. 104
Hình 5. 5: Cơ chế hiệu suất với các chính sách được thêm vào ............................. 114
Hình 5. 6: Các ứng dụng chung của cơ chế hiệu suất ............................................. 115
Hình 5. 7: Hiệu suất được ràng buộc bởi bảo mật .................................................. 117
Hình 5. 8: Các chiến lược tối ưu thiết kế mạng ...................................................... 118
DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 2. 1: Các yếu tố hoạt động và hỗ trợ ............................................................. 35
Bảng 3. 1: Chức năng, Khả năng và Cơ chế ........................................................... 42
Bảng 3. 2: Sự phụ thuộc giữa các cơ chế hiệu năng ............................................... 46
Bảng 4. 1: So sánh Hub, Cầu, Công tắc và Bộ định tuyến ...................................... 79
Bảng 4. 2: So sánh cấu trúc liên kết vật lý ............................................................. 82
THUẬT NGỮ VIẾT TẮT Từ viết Tiếng Anh Tiếng Việt tắt ACL Access Control List
Danh sách điều khiển truy cập ADC Analog-to-Digital Converter
Bộ chuyển đổi tương tự sang kỹ thuật số API Application
Programming Giao diện lập trình ứng dụng Interface ATM Automatic Teller Machine Máy rút tiền tự động BGP Border Gateway Protocol
Giao thức cổng biên giới BER Bit Error Rate Tỷ lệ lỗi bit CNTT Công nghệ thông tin CMR Customer
Relationship Quản lý quan hệ khách hàng Management CRC Cyclic Redundancy Check
Kiểm tra dự phòng theo chu kỳ CBQ Class Based Queue Xếp hàng dựa trên lớp CLR Common Language Runtime
Thời gian chạy ngôn ngữ chung CPU Central Processing Unit Hiệu suất bộ xử lý CIDR
Classless Inter-Domain Routing
Định tuyến liên miền không phân lớp CMIP Common
Management Giao thức thông tin quản lý chung Information Protocol DMZ Demilitarized Zone Khu phi quân sự DNS Domain Name System Hệ Thống Tên Miền DOS Disk Operating System Hệ điều hành đĩa DHCP Dynamic Host
Configuration Giao thức cấu hình máy chủ động Protocol DSCP
Differentiated Serᴠice Code Point Điểm mã dịch vụ khác biệt ERP Enterprise Resource Planning
Hoạch định nguồn lực doanh nghiệp EGP Exterior Gateway Protocol
Giao thức cổng bên ngoài EAP
Extensible Authentication Protocol Giao thức xác thực mở rộng FCAPS
Fault, Configuration, Accounting, Quản lý lỗi, quản lý cấu hình, Performance and Security.
quản lý tài khoản, quản lý hiệu
suất và quản lý bảo mật FTP File Transfer Protocol
Giao thức truyền tải tập tin PDA Personal Digital Assistant
Thiết bị kỹ thuật số hỗ trợ cá nhân PDP Packet Data Protocol Giao thức dữ liệu gói PC Personal Computer Máy tính cá nhân PEP Post Exposure Prophylaxis
Phòng ngừa sau phơi nhiễm PING Packet Internet Groper
Công cụ trong mạng máy tính PDR Price Dividend Ratio Tỷ lệ giá cổ tức LAN Local Area Network
Mạng lưới khu vực địa phương LFI Local File Inclustion
Kỹ thuật đọc file trong hệ thống MAN Metropolitan Area Network Mạng khu vực đô thị MAC Media Access Control
Kiểm soát truy cập phương tiện MIB Management Information Base
Cơ sở thông tin quản lý MTTF Mean Time To Failure
Thời gian trung bình tới thất bại MTBF Mean Time Between Failures
Thời gian trung bình giữa hai lần lỗi MTTR Mean Time To Recovery
Thời gian trung bình để phục hồi MTBCF
Mean Time Between Critical Thời gian trung bình giữa các lỗi Failure nghiêm trọng MDR Merchant Discount Rate
Tỷ lệ chiết khấu thương gia MPRS Multiprotocol Label Switching
Chuyển mạch nhãn đa giao thức NAT Network Address Translation Dịch địa chỉ mạng NIC Network Interface Card Thẻ giao diện mạng NOS Not Otherwise Specified
Không được chỉ định khác NOC Network Operations Center
Trung tâm điều hành mạng NNTP
Network News Transfer Protocol Giao thức chuyển tin trong mạng máy tính OSI Open Systems Interconnection Kết nối hệ thống mở OS Operating System Hệ điều hành OAM&P Operations,
Administration, Ứng dụng Vận hành, Quản trị, Maintenance and Provisioning Bảo trì và Cung cấp OT Operation Time Thời gian hoạt động OSPF Open Shortest Path First Giao thức định tuyến QOS Quality of Service Chất lượng dịch vụ RTO Recovery Time Object
Đối tượng thời gian phục hồi RPO Recovery Point Object
Đối tượng điểm phục hồi RMON Resident Monitor Giám sát từ xa RPV Real Player Visualization
Trực quan hoá người thực IP Internet Protocol Giao thức Internet ICMP
Internet Control Message Protocol Giao thức bản tin điều khiển Internet IEEE
Institute of Electrical and Viện Kỹ sư Điện và Điện tử Electronics Engineers IETF
Internet Engineering Task Force
Lực lượng Đặc nhiệm Kỹ thuật Internet IANA Internet Assigned
Numbers Cơ quan cấp số hiệu Internet Authority IGP Interior Gateway Protocol Giao thức cổng nội bộ UTP Unshielded Twisted Pair
Cặp xoắn không được che chở VLAN Virtual Local Area Network Mạng cục bộ ảo VPN Virtual Private Network Mạng riêng ảo WFQ Weighted Fair Queuing
Phân loại gói tin theo luồng WRED
Weighted Random Early Detection Phát hiện sớm ngẫu nhiên có trọng số WDM
Wavelength Division Multiplexing Ghép kênh theo bước sóng WAN Wide Area Network Mạng diện rộng SDR Special Drawing Right
Quyền rút vốn đặc biệt SAN Storage Area Networking Mạng vùng lưu trữ SMTP Simple Mail Transfer Protocol
Giao thức chuyển thư đơn giản SCM Supply chain management Quản lý chuỗi cung ứng STP Segmentation
Targeting Phân khúc thị trường Positioning SNMP
Simple Network Management Giao thuc quan li mang đơn giản Protocol SNR Signal to Noise Ratio
Tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu SLA Service Level Agreement
Thỏa thuận cấp độ dịch vụ SSID Service Set IDentifier
Mã định danh bộ dịch vụ TCP Transmission Control Protocol
Giao thức điều khiển truyền dẫn TTD Time to Data Thời gian cho dữ liệu MỞ ĐẦU
Các phương thức kinh doanh mới đang thúc đẩy những thay đổi trong mạng lưới doanh
nghiệp. Quá trình chuyển đổi từ nền kinh tế công nghiệp sang nền kinh tế thông tin đã
thay đổi cách người lao động thực hiện công việc của họ và sự xuất hiện của nền kinh tế
toàn cầu có sức cạnh tranh chưa từng có đã đẩy nhanh tốc độ mà các công ty phải thích
ứng với những thay đổi về công nghệ và tài chính. Để giảm thời gian phát triển và tiếp
thị sản phẩm, các công ty đang trao quyền cho người sử dụng lao động để đưa ra các
quyết định chiến lược yêu cầu quyền truy cập vào dữ liệu bán hàng, tiếp thị, tài chính và
doanh nghiệp. Nhân viên tại trụ sở công ty và tại các văn phòng thực địa trên toàn thế
giới và các thiết bị viễn thông tại các văn phòng gia đình, cần truy cập ngay vào dữ liệu,
bất kể dữ liệu nằm trên máy chủ tập trung hay phòng ban. Để phát triển, bán và phân phối
sản phẩm ra thị trường trong và ngoài nước, các doanh nghiệp đang liên minh với các đối
tác trong nước và quốc tế. Các doanh nghiệp đang lên kế hoạch cẩn thận cho các thiết kế
mạng của họ để đáp ứng các mục tiêu bảo mật đồng thời cung cấp quyền truy cập mạng
cho người bán lại, nhà cung cấp, khách hàng, khách hàng tiềm năng và nhân viên hợp
đồng ở khắp nơi trên thế giới.
Để đáp ứng các yêu cầu ngày càng tăng về truy cập từ xa, bảo mật, băng thông, khả
năng mở rộng và độ tin cậy, các nhà cung cấp và cơ quan tiêu chuẩn giới thiệu các giao
thức và công nghệ mới với một tốc độ nhanh chóng. Các nhà thiết kế mạng được thử
thách để phát triển các mạng hiện đại ngay cả khi trạng thái của công nghệ này liên tục
thay đổi. Cho dù bạn là một nhà thiết kế mạng mới vào nghề hay một kiến trúc sư mạng
dày dạn kinh nghiệm, chắc chắn bạn sẽ có mối quan tâm về cách thiết kế một mạng có
thể bắt kịp với những thay đổi ngày càng nhanh trong ngành kết nối mạng. Mục tiêu của
bài giảng này là dạy phương pháp thiết kế có hệ thống có thể giúp bạn đáp ứng các yêu
cầu của tổ chức, bất kể tính mới hay độ phức tạp của các ứng dụng và công nghệ.
Mục đích của Thiết kế mạng từ trên xuống giúp thiết kế các mạng đáp ứng các mục
tiêu kinh doanh và kỹ thuật của khách hàng. Cho dù khách hàng là một bộ phận khác
trong công ty hay khách hàng bên ngoài, bài giảng này cung cấp các quy trình và công
cụ đã được thử nghiệm để giúp bạn hiểu luồng lưu lượng, hành vi giao thức và công nghệ
kết nối internet. Sau khi hoàn thành môn học này, chúng ta sẽ được trang bị để thiết kế
mạng doanh nghiệp đáp ứng các yêu cầu của khách hàng về chức năng, dung lượng, hiệu
suất, tính khả dụng, khả năng mở rộng, khả năng chi trả, bảo mật và khả năng quản lý.
Bài giảng này cũng bao gồm thông tin hữu ích cho các nhà tư vấn, kỹ sư hệ thống và
kỹ sư bán hàng, những người thiết kế mạng công ty cho khách hàng. Trong môi trường
đặt trước nhịp độ nhanh của nhiều kỹ sư hệ thống, thường rất khó để giảm tốc độ và nhấn
mạnh vào cách tiếp cận phân tích hệ thống có cấu trúc từ trên xuống. Bất cứ khi nào có
thể, bài giảng này bao gồm các đường tắt và các giả định có thể được thực hiện để tăng
tốc quá trình thiết kế mạng.
Bài giảng này được bố cục thành 5 chương như sau:
Chương 1 - Tổng quan về thiết kế và hiệu năng mạng – khái quát các vấn đề liên quan
tới lĩnh vực thiết kế mạng, trong đó tập trung trình bày các nguyên lý và giai đoạn thiết kế mạng.
Chương 2 – Phân tích yêu cầu thiêt kế mạng – trình bày các quá trình phân tích yêu
cầu bao gồm xác định, thu thập và đánh giá các yêu cầu đối với mạng.
Chương 3 – Thiết kế mạng logic – trình bày các thành phần kiến trúc mạng và cách
phát triển kiến trúc mạng logic.
Chương 4 – Thiết kế mạng vật lý – trình bày các bước thiết kế vật lý của phương pháp
thiết kế mạng từ trên xuống: lựa chọn công nghệ và thiết bị cho thiết kế mạng.
Chương 5 – Kiểm thử và đánh giá hiệu năng – trình bày các bước cuối cùng trong
thiết kế mạng: kiểm thử, đánh giá và tối ưu thiết kế.
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN THIẾT KẾ MẠNG VÀ PHÂN TÍCH YÊU CẦU
1.1 GIỚI THIỆU CHUNG
“Thế giới chúng ta tạo ra là kết quả của cấp độ suy nghĩ ta từ trước đến nay, tạo ra
những vấn đề mà chúng ta không thể giải quyết ở cùng cấp độ khi chúng ta tạo ra chúng”. Albert Einstein.
Thật vậy, các chuyên gia mạng có khả năng tạo ra các mạng phức tạp đến mức khi
các vấn đề nảy sinh, chúng không thể được giải quyết bằng cách sử dụng cùng một
kiểu tư duy đã sử dụng để kiến tạo và thiết kế ra mạng trước đó. Thêm vào đó, trên
thực tế mỗi khi nâng cấp, thêm bản vá và sửa đổi đối với mạng cũng có thể được tạo
bằng tư duy phức tạp và kết quả của những nâng cấp trên là một mạng không dễ hiểu
cặn kẽ và khó khắc phục từ gốc khi có sự cố xảy ra.
Tuy nhiên, mạng được thiết kế với nhiều giải pháp phức tạp thường không hoạt
động tốt như mong muốn, không có khả năng mở rộng quy mô khi nảy sinh nhu cầu
phát triển và không phù hợp với nhu cầu biến động của khách hàng. Vì vậy, giải pháp
cho vấn đề này là sử dụng một phương pháp hệ thống, hợp lý, trong đó mạng hoặc
nâng cấp được thiết kế theo kiểu top-down.
Trên thực tế, vấn đề thiết kế mạng được ứng dụng bởi các bộ công cụ và lý thuyết
toán học. Nhiều công cụ và phương pháp thiết kế mạng đang được sử dụng ngày nay
giống như trò chơi “kết nối các điểm” là một phần của lý thuyết đồ thị. Ví dụ, những
công cụ này cho phép đặt các thiết bị kết nối internet trên bảng màu và kết nối chúng
với mạng cục bộ hoặc diện rộng. Tuy nhiên, nếu chỉ dùng duy nhất tiếp cận này thì
phương pháp này bỏ qua các bước phân tích yêu cầu của khách hàng, trong đó các
thiết bị và phương tiện được lựa chọn lại dựa trên những yêu cầu đó.
Mô hình mạng tốt phải bao quát các yêu cầu của khách hàng bao gồm nhiều mục
tiêu kỹ thuật và kinh doanh, bao gồm các yêu cầu về tính khả dụng, khả năng mở
rộng, tính hợp lý về giá thành, bảo mật và khả năng quản lý. Nhiều khách hàng muốn
chỉ định mức yêu cầu của hiệu suất mạng, thường được gọi là mức dịch vụ cần được
đáp ứng. Để đáp ứng những nhu cầu này cần có sự đánh đổi các mục tiêu, gia tăng sự
phức tạp trong quá trình thực hiện lựa chọn thiết kế mạng. Từ đó nảy sinh việc thiết
kế mạng logic trước khi chọn bất kỳ thiết bị hoặc phương tiện vật lý nào.
Khi khách hàng mong đợi phản hồi nhanh đối với yêu cầu thiết kế mạng, phương
pháp thiết kế mạng bottom-up (kết nối các điểm) có thể được sử dụng, nếu các ứng
dụng và mục tiêu của khách hàng đã xác định. Có một số vấn đề liên quan tới kiểu
thiết kế này. Các nhà thiết kế mạng thường nghĩ rằng họ đã hiểu các ứng dụng và yêu
cầu của khách hàng, tuy nhiên sau khi mạng được cài đặt, có thể họ phát hiện ra rằng
họ không thật sự nắm bắt được nhu cầu quan trọng nhất của khách hàng. Đồng thời,
các vấn đề nảy sinh về khả năng mở rộng và hiệu suất không mong muốn xuất hiện
khi số lượng người dùng mạng tăng lên. Có thể tránh được rủi ro theo xác suất này
nếu nhà thiết kế mạng sử dụng phương pháp top-down để phân tích yêu cầu trước khi lựa chọn công nghệ.
Thiết kế mạng top-down là một phương pháp luận để thiết kế mạng bắt đầu từ các
lớp trên của mô hình tham chiếu OSI trước khi chuyển sang các lớp dưới. Với các
mạng IP, phương pháp top-down tập trung vào các ứng dụng, phiên và truyền dữ liệu
trước khi lựa chọn bộ định tuyến, bộ chuyển mạch và phương tiện hoạt động ở các lớp dưới.
Quy trình thiết kế mạng top-down bao gồm khám phá cấu trúc tổ chức và nhóm để
tìm khách hàng mà mạng sẽ cung cấp dịch vụ và từ đó nhà thiết kế sẽ nhận thông tin
có giá trị để thiết kế thành công.
Thiết kế mạng top-down cũng cần được lặp lại các quá trình đánh giá. Để tránh bị
sa lầy vào chi tiết quá nhanh, điều quan trọng trước tiên là phải có cái nhìn tổng thể
về các yêu cầu của khách hàng. Sau đó, có thể thu thập chi tiết hơn về hành vi giao
thức, yêu cầu về khả năng mở rộng, sở thích công nghệ, v.v. Thiết kế mạng top-down
cho thấy mô hình logic và thiết kế vật lý có thể thay đổi khi nhiều thông tin hơn được thu thập.
Thiết kế mạng được chia thành bốn giai đoạn chính thực hiện theo chu trình:
• Phân tích các yêu cầu: Trong giai đoạn này, chuyên viên phân tích mạng
phỏng vấn người dùng và nhân viên kỹ thuật để hiểu được các mục tiêu kinh
doanh và kỹ thuật cho một hệ thống mới hoặc nâng cấp. Tiếp theo là mô tả đặc
điểm của mạng hiện có, bao gồm cấu trúc liên kết logic và vật lý, hiệu suất
mạng. Bước cuối cùng là phân tích lưu lượng mạng hiện tại và tương lai, bao
gồm lưu lượng và tải lưu lượng, hành vi giao thức và yêu cầu chất lượng dịch vụ (QoS).
• Phát triển thiết kế logic: Giai đoạn này đề cập đến một cấu trúc liên kết logic
cho mạng mới hoặc mạng nâng cao, địa chỉ lớp mạng, đặt tên, và các giao thức
chuyển mạch và định tuyến. Thiết kế logic cũng bao gồm lập kế hoạch bảo
mật, thiết kế quản lý mạng và điều tra ban đầu về việc các nhà cung cấp dịch
vụ có thể đáp ứng các yêu cầu về mạng WAN và truy cập từ xa.
• Phát triển thiết kế vật lý: Trong giai đoạn thiết kế vật lý, các công nghệ và
sản phẩm cụ thể thực hiện thiết kế hợp lý được lựa chọn. Ngoài ra, điều tra về
các nhà cung cấp dịch vụ đã bắt đầu trong giai đoạn thiết kế logic phải được
thực hiện trong giai đoạn này.
• Kiểm tra, tối ưu hóa và lập hồ sơ thiết kế: Bước cuối cùng trong thiết kế
mạng top-down là viết và thực hiện một kế hoạch thử nghiệm, xây dựng một
nguyên mẫu hoặc thí điểm, tối ưu hóa thiết kế mạng và ghi lại công việc với
đề xuất thiết kế mạng.
Các giai đoạn chính của thiết kế mạng này lặp lại khi phản hồi của người dùng và
người giám sát mạng đề xuất các cải tiến hoặc nhu cầu về các ứng dụng mới. Hình
1.1 cho thấy các bước thiết kế mạng và chu trình phát triển. Ph â n t ích Y ê u c ầ u Gi á m s á t v à Ph á t tri ể n T ố i ư u Hi ệ u thi ế t k ế su ấ t m ạ ng logic Tri ể n khai v à Ph á t tri ể n Ki ể m th ử thi ế t k ế M ạ ng v ậ t l ý Ki ể m th ử , T ố i ư u v à Thi ế t k ế T à i li ệ u
Hình 1. 1: Thiết kế mạng và chu trình phát triển
1.2 MÔ TẢ HỆ THỐNG VÀ DỊCH VỤ THIẾT KẾ MẠNG
1.2.1 Mô tả hệ thống
Hệ thống là một tập hợp các thành phần làm việc cùng nhau để hỗ trợ hoặc cung
cấp kết nối, thông tin liên lạc và dịch vụ cho người sử dụng hệ thống. Nói chung, các
thành phần của hệ thống bao gồm người dùng, ứng dụng, thiết bị và mạng. Mặc dù
người dùng của hệ thống có thể được coi là bên ngoài hệ thống, họ cũng có các yêu
cầu như một phần của hệ thống. Hình 1.2 cho thấy các thành phần này được kết nối
như thế nào trong hệ thống.
Hình 1. 2: Các thành phần chung của một hệ thống
Hình 1.2 cho thấy các thành phần chung của một hệ thống. Các thành phần này có
thể được chia nhỏ, nếu cần, để tập trung vào một phần cụ thể của hệ thống. Ví dụ:
người dùng trong mạng công ty có thể được mô tả thêm là nhân viên hỗ trợ mạng và
máy tính, cũng như các nhà phát triển và khách hàng của sản phẩm của công ty đó.
Theo nghĩa tương tự, các ứng dụng có thể dành riêng cho một người dùng, khách
hàng hoặc nhóm cụ thể, chung cho một cơ sở khách hàng hoặc chung cho toàn bộ mạng.
Nếu chúng ta so sánh cách nhìn này của một hệ thống với mô hình giao thức kết
nối hệ thống mở (OSI), nó sẽ giống như Hình 1.3. Lưu ý rằng, trong so sánh này, một
số lớp OSI được sửa đổi. Điều này cho thấy rằng có thể có nhiều lớp giao thức hoạt
động ở một trong các mức hệ thống. Ví dụ: lớp vật lý, lớp liên kết dữ liệu và lớp mạng
OSI có thể xuất hiện ở cấp thiết bị và cũng có thể xuất hiện nhiều lần ở cấp mạng (ví
dụ: tại các thiết bị chuyển mạch và bộ định tuyến trong toàn mạng).
Hình 1. 3: So sánh các lớp OSI với các mức hệ thống
Hình 1.4 cho thấy rằng các thiết bị có thể được chia nhỏ theo lớp để hiển thị các
chức năng chuyên biệt, chẳng hạn như lưu trữ, máy tính hoặc máy chủ ứng dụng hoặc
một thiết bị riêng lẻ có thể được chia nhỏ để hiển thị hệ điều hành (OS), trình điều
khiển thiết bị, phần cứng ngoại vi hoặc giao diện lập trình ứng dụng (API).
Hình 1. 4: Thành phần thiết bị được tách thành các thành phần
Tất cả các thành phần này làm việc cùng nhau để cung cấp kết nối và giao tiếp trên
mạng, giữa người dùng, ứng dụng và thiết bị. Khả năng kết nối và giao tiếp có thể
được điều chỉnh để đáp ứng các nhu cầu cụ thể của người dùng và ứng dụng, chẳng
hạn như phân phối giọng nói hoặc phương tiện truyền trực tuyến theo thời gian thực,
phân phối dữ liệu không tương tác với nỗ lực cao nhất hoặc phân phối dữ liệu quan
trọng một cách đáng tin cậy.
Mức độ chi tiết được sử dụng để mô tả các thành phần hệ thống là sự cân bằng giữa
lượng chi tiết và độ chính xác mong muốn trong mô tả và lượng thời gian và nỗ lực
chúng ta sẵn sàng bỏ ra. Kiến trúc sư mạng chịu trách nhiệm về mạng công ty và cần
đầu tư thời gian và nguồn lực để phát triển mô tả chi tiết về các thành phần của hệ
thống, trong khi kỹ sư thiết kế của nhà tư vấn hoặc nhà cung cấp có thể có ít thời gian
và nguồn lực để dành cho mô tả như vậy. Tuy nhiên, điều quan trọng cần lưu ý là ngay
cả một lượng nhỏ thời gian đầu tư vào đây cũng sẽ có ích cho sau này trong quá trình phân tích.
Quan điểm truyền thống về hệ thống tập trung vào mạng cung cấp kết nối giữa các
thiết bị (Hình 1.5) và thường không xem xét người dùng hoặc ứng dụng.
Hình 1. 5: Chế độ xem truyền thống của một hệ thống
Quan điểm truyền thống về hệ thống này không đủ hoàn chỉnh cho các mạng ngày
nay. Đặc biệt, chúng ta cần đưa người dùng và ứng dụng của họ vào mô tả hệ thống.
Kinh nghiệm cho thấy mức độ mô tả này trong tập hợp (người dùng, ứng dụng, thiết
bị và mạng) thường đủ để cung cấp mô tả đầy đủ và chính xác về hầu hết các hệ thống
truy cập chung, nhưng không quá lớn đến mức gây choáng ngợp cho kiến trúc sư
mạng. Trong tập hợp này, người dùng đại diện cho người dùng cuối hoặc khách hàng
của hệ thống. Những người dùng cuối này là người nhận cuối cùng của các dịch vụ
mạng được hệ thống hỗ trợ.
Một lý do để xác định các thành phần của hệ thống là hiểu cách các thành phần này
giao tiếp với nhau qua các ranh giới thành phần. Bằng cách xác định các thành phần
của hệ thống là gì, chúng ta cũng đang thiết lập những gì được mong đợi trên mỗi
giao diện. Ví dụ, sử dụng bộ tiêu chuẩn (người dùng, ứng dụng, thiết bị và mạng),
Hình 1.6 cho thấy các giao diện tiềm năng.
Hình 1. 6: Một hệ thống chung với các giao diện được thêm vào
Mặc dù mô tả của hệ thống được đưa ra trong Hình 1.6 thường là thỏa đáng khi bắt
đầu hầu hết các kiến trúc mạng, nhưng có thể đôi khi chúng ta muốn mô tả nhiều
thành phần hơn hoặc có nhiều giao diện được xác định hơn. Ví dụ: giao diện thiết bị-
mạng có thể đơn giản hoặc phức tạp, tùy thuộc vào những gì chúng ta đang cố gắng
hoàn thành. Đối với mạng cung cấp kết nối đơn giản, giao diện thiết bị - mạng có thể
là giao diện mạng LAN tiêu chuẩn (ví dụ: 100BaseT Ethernet) mà không có bất kỳ
mức độ ưu tiên nào hoặc gắn thẻ LAN ảo (VLAN 802.1p/q). Đối với một mạng cung
cấp nhiều hơn khả năng kết nối đơn giản, chẳng hạn như chất lượng dịch vụ, giao
diện mạng-thiết bị có thể được kết hợp chặt chẽ hơn với thiết bị hoặc ứng dụng. Điều
này có thể được thực hiện bằng cách sử dụng các trình điều khiển bỏ qua các phần
của ngăn xếp giao thức và các API có thể giải thích các yêu cầu về hiệu suất ứng dụng.
Mặc dù mô tả hệ thống là một nỗ lực để xác định các thành phần trên toàn bộ hệ
thống, cần nhận ra rằng hầu hết các hệ thống không hoàn toàn đồng nhất và các thành