Các thông số kỹ thuật nào của bộ chuyển mạch mạng là quan trọng đối với trung tâm dữ liệu có băng thông cao và độ trễ thấp?

Lựa chọn phù hợp bộ chuyển mạch trung tâm dữ liệu là một trong những quyết định cơ sở hạ tầng quan trọng nhất mà kỹ sư mạng hoặc quản trị viên CNTT có thể thực hiện. Trong các môi trường có băng thông cao và độ trễ thấp, thông số kỹ thuật không phù hợp của bộ chuyển mạch trung tâm dữ liệu có thể gây ra tắc nghẽn, làm tăng tỷ lệ mất gói và làm suy yếu các thỏa thuận mức dịch vụ (SLA). Việc hiểu rõ những thông số kỹ thuật nào thực sự quan trọng sẽ giúp các tổ chức đầu tư một cách khôn ngoan và xây dựng các mạng lưới có khả năng mở rộng đáng tin cậy ngay cả dưới áp lực cao.

Một bộ chuyển mạch trung tâm dữ liệu được thiết kế cho các khối lượng công việc đòi hỏi khắt khe phải đảm bảo thông lượng ổn định, độ trễ chuyển tiếp tối thiểu và dung lượng bộ đệm sâu. Dù bạn đang thiết kế kiến trúc spine-leaf, lớp cơ sở hạ tầng siêu hội tụ (hyperconverged infrastructure) hay mạng giao dịch tần số cao, mỗi bộ chuyển mạch trung tâm dữ liệu bạn lựa chọn đều phải đáp ứng chính xác các tiêu chuẩn hiệu năng đã được quy định. Bài viết này phân tích chi tiết các thông số kỹ thuật then chốt cần đánh giá trước khi triển khai bất kỳ bộ chuyển mạch trung tâm dữ liệu nào trong môi trường có băng thông cao và độ trễ thấp.

Thông số kỹ thuật về thông lượng và mật độ cổng

Năng lực chuyển mạch và tốc độ chuyển tiếp

Công suất chuyển mạch của bộ chuyển mạch trung tâm dữ liệu xác định tổng băng thông mà thiết bị có thể xử lý đồng thời trên tất cả các cổng. Được đo bằng terabit mỗi giây, công suất chuyển mạch quyết định xem một bộ chuyển mạch trung tâm dữ liệu có thể xử lý lưu lượng tổng hợp từ hàng chục máy chủ tốc độ cao mà không xảy ra nghẽn mạng hay không. Một bộ chuyển mạch trung tâm dữ liệu có công suất chuyển mạch không đủ sẽ làm mất gói tin dưới tải đỉnh — điều này là không thể chấp nhận được trong các ứng dụng nhạy cảm với độ trễ như phân tích thời gian thực hoặc hệ thống tài chính.

Tỷ lệ chuyển tiếp, được biểu thị bằng triệu gói tin mỗi giây, cũng quan trọng không kém. Một bộ chuyển mạch trung tâm dữ liệu phải chuyển tiếp gói tin ở tốc độ đường truyền (line rate) trên tất cả các cổng đang hoạt động để tránh gây ra độ trễ do xếp hàng chờ. Khi đánh giá một bộ chuyển mạch trung tâm dữ liệu, hãy xác minh rằng tỷ lệ chuyển tiếp hỗ trợ hiệu năng tốc độ dây (wire-speed) đối với cả hai kích thước khung là 64 byte và 1518 byte, bởi vì việc chuyển tiếp gói tin nhỏ kiểm tra mức độ căng thẳng của vi mạch chuyển mạch (ASIC) mạnh hơn so với các khung lớn.

Tốc độ và mật độ cổng

Việc triển khai bộ chuyển mạch trung tâm dữ liệu hiện đại thường yêu cầu tốc độ cổng 25GbE, 100GbE hoặc 400GbE để hỗ trợ các kết nối máy chủ và kết nối lên (uplink) có băng thông cao. Một bộ chuyển mạch trung tâm dữ liệu có mật độ cổng cao hơn sẽ làm giảm số lượng bộ chuyển mạch cần thiết trong kiến trúc mạng (fabric), từ đó đơn giản hóa việc đi dây cáp và giảm tổng chi phí sở hữu (TCO). Mật độ cổng ảnh hưởng trực tiếp đến số lượng máy chủ hoặc bộ chuyển mạch đầu tủ (top-of-rack) mà một bộ chuyển mạch trung tâm dữ liệu duy nhất có thể phục vụ mà không cần bổ sung thêm phần cứng tập hợp (aggregation).

Đối với triển khai ở lớp xương sống (spine-layer), một bộ chuyển mạch trung tâm dữ liệu cung cấp nhiều cổng lên (uplink) 100GbE hoặc 400GbE sẽ đảm bảo băng thông tập hợp cần thiết nhằm tránh tình trạng quá tải (oversubscription). Tỷ lệ quá tải trên bộ chuyển mạch trung tâm dữ liệu cần được lựa chọn cẩn thận sao cho phù hợp với đặc điểm lưu lượng thực tế của khối công việc (workload), bởi vì một bộ chuyển mạch trung tâm dữ liệu có tỷ lệ quá tải cao có thể hoạt động kém hiệu quả đối với lưu lượng nội bộ (east-west) trong các môi trường ảo hóa hoặc chạy container.

Độ trễ và Kiến trúc bộ đệm

Chuyển mạch cắt ngang (Cut-Through) so với chuyển mạch lưu trữ–chuyển tiếp (Store-and-Forward)

Độ trễ có lẽ là thông số được xem xét kỹ lưỡng nhất của bất kỳ bộ chuyển mạch trung tâm dữ liệu nào được sử dụng trong các môi trường yêu cầu độ chính xác về thời gian. Một bộ chuyển mạch trung tâm dữ liệu hoạt động ở chế độ cắt-ngang (cut-through) bắt đầu chuyển tiếp khung dữ liệu ngay khi chưa nhận đầy đủ toàn bộ khung, nhờ đó giảm độ trễ xuống chỉ còn vài trăm nanogiây. Ngược lại, ở chế độ lưu-và-chuyển tiếp (store-and-forward), bộ chuyển mạch trung tâm dữ liệu đọc toàn bộ khung dữ liệu trước khi tiến hành chuyển tiếp, làm tăng thêm vài microgiây độ trễ nhưng cho phép kiểm tra lỗi một cách toàn diện. Đối với các khối công việc yêu cầu độ trễ thấp, việc lựa chọn một bộ chuyển mạch trung tâm dữ liệu hỗ trợ chế độ chuyển tiếp cắt-ngang là một lợi thế thực tiễn.

Độ trễ chuyển tiếp của một bộ chuyển mạch trung tâm dữ liệu cần được đo dưới điều kiện tải đầy đủ, chứ không chỉ trong các bài kiểm tra ở trạng thái nhàn rỗi. Một bộ chuyển mạch trung tâm dữ liệu đạt được độ trễ thấp ở mức sử dụng 10% nhưng suy giảm đáng kể khi tải đạt 80% hoặc 90% sẽ không đáp ứng được các yêu cầu về Thỏa thuận Mức độ Dịch vụ (SLA) trong các giai đoạn lưu lượng đạt đỉnh. Luôn yêu cầu nhà cung cấp bộ chuyển mạch trung tâm dữ liệu cung cấp số liệu đo độ trễ trên từng cổng ở các mức tải lưu lượng khác nhau.

Kích thước bộ đệm và Quản lý lưu lượng

Kiến trúc bộ đệm xác định cách một bộ chuyển mạch trung tâm dữ liệu xử lý các đợt lưu lượng đột ngột mà không làm mất gói tin. Một bộ chuyển mạch trung tâm dữ liệu có bộ đệm nông có thể mang lại độ trễ trung bình rất thấp, nhưng sẽ làm mất gói tin trong các đợt tắc nghẽn ngắn (microburst), hiện tượng phổ biến trong các mô hình lưu lượng băng thông cao như lưu trữ hoặc tính toán hiệu năng cao (HPC). Thiết kế bộ chuyển mạch trung tâm dữ liệu có bộ đệm sâu hy sinh một lượng nhỏ độ trễ trung bình để hấp thụ tình trạng tắc nghẽn tạm thời và ngăn chặn các sự kiện loại bỏ gói ở cuối hàng đợi (tail-drop).

Các tính năng chất lượng dịch vụ (QoS) trên bộ chuyển mạch trung tâm dữ liệu cho phép ưu tiên lưu lượng nhằm đảm bảo các luồng nhạy cảm với độ trễ được chuyển tiếp ưu tiên. Một bộ chuyển mạch trung tâm dữ liệu hỗ trợ cơ chế quay vòng có trọng số (weighted round-robin) hoặc xếp hàng theo độ ưu tiên tuyệt đối (strict-priority queuing) giúp quản trị viên kiểm soát chi tiết cách xử lý các lớp lưu lượng khác nhau. Đánh giá độ sâu và tính linh hoạt của QoS trên bộ chuyển mạch trung tâm dữ liệu là yếu tố thiết yếu khi mạng đồng thời vận chuyển hỗn hợp lưu lượng từ hệ thống lưu trữ, thoại và tính toán.

Khả năng phục hồi, khả năng mở rộng và các tính năng quản lý

Dự phòng và Tính sẵn sàng cao

Một bộ chuyển mạch trung tâm dữ liệu đạt tiêu chuẩn sản xuất phải hỗ trợ các nguồn điện và mô-đun quạt có thể thay thế nóng để duy trì thời gian hoạt động trong quá trình bảo trì phần cứng. Các mô-đun giám sát dự phòng trên bộ chuyển mạch trung tâm dữ liệu dạng khung giúp mặt điều khiển (control plane) tự động chuyển đổi sang mô-đun dự phòng mà không làm gián đoạn mặt chuyển tiếp (forwarding plane), từ đó bảo vệ hệ thống trước cả các sự cố chủ ý lẫn ngoài ý muốn. Một bộ chuyển mạch trung tâm dữ liệu hỗ trợ chức năng chuyển tiếp không ngừng (non-stop forwarding) và khởi động lại nhẹ nhàng (graceful restart) đảm bảo rằng việc hội tụ giao thức định tuyến sẽ không làm gián đoạn luồng lưu lượng trong suốt các sự kiện chuyển đổi giữa các mô-đun giám sát.

Khả năng tổng hợp liên kết (link aggregation) và khả năng chuyển đổi nhanh (fast failover) cũng rất quan trọng đối với bất kỳ bộ chuyển mạch trung tâm dữ liệu nào trong một kiến trúc mạng dự phòng. Một bộ chuyển mạch trung tâm dữ liệu hỗ trợ ECMP, MLAG hoặc các công nghệ đa đường dẫn tương tự cho phép phân bổ tải lưu lượng đồng thời trên nhiều đường lên (uplinks), loại bỏ các điểm lỗi đơn lẻ. Những tính năng này giúp bộ chuyển mạch trung tâm dữ liệu trở nên bền bỉ hơn nhiều so với việc chỉ dựa vào một đường lên hoạt động duy nhất.

Tự động hóa và Khả năng lập trình

Các môi trường trung tâm dữ liệu hiện đại đòi hỏi một bộ chuyển mạch trung tâm dữ liệu hỗ trợ tự động hóa thông qua các API mở, NETCONF, mô hình YANG hoặc luồng dữ liệu giám sát (telemetry). Một bộ chuyển mạch trung tâm dữ liệu có khả năng lập trình mạnh mẽ cho phép triển khai nhanh hơn, giám sát thời gian thực và tích hợp với các nền tảng điều phối. Khả năng thu thập dữ liệu giám sát (telemetry) dạng luồng từ mọi bộ chuyển mạch trung tâm dữ liệu trong mạng lưới (fabric) giúp đội ngũ vận hành mạng có được tầm nhìn cần thiết để phát hiện tình trạng tắc nghẽn, định tuyến bất đối xứng và các bất thường phần cứng trước khi chúng ảnh hưởng đến các ứng dụng.

Hỗ trợ định tuyến phân đoạn (segment routing), VXLAN và EVPN cũng ngày càng trở thành yêu cầu bắt buộc đối với bất kỳ bộ chuyển mạch trung tâm dữ liệu doanh nghiệp nào được triển khai trong các môi trường được định nghĩa bằng phần mềm (software-defined) hoặc đa người dùng (multi-tenant). Một bộ chuyển mạch trung tâm dữ liệu hỗ trợ các công nghệ lớp phủ (overlay) và lớp nền (underlay) này có thể tham gia vào quy trình tự động hóa mạng lưới động, giảm bớt khối lượng cấu hình thủ công và cho phép triển khai nhanh hơn các khối công việc mới trên toàn bộ cơ sở hạ tầng.

Câu hỏi thường gặp

Dung lượng chuyển mạch của một bộ chuyển mạch trung tâm dữ liệu nên là bao nhiêu để triển khai 100GbE?

Đối với việc triển khai bộ chuyển mạch trung tâm dữ liệu 100GbE, dung lượng chuyển mạch cần đủ lớn để hỗ trợ lưu lượng toàn duplex ở tốc độ đường truyền (line-rate) trên tất cả các cổng đồng thời. Một bộ chuyển mạch trung tâm dữ liệu 100GbE có 48 cổng yêu cầu dung lượng chuyển mạch tối thiểu khoảng 9,6 Tbps nhằm tránh hiện tượng quá tải (oversubscription) ở cấp độ bộ chuyển mạch. Luôn xác minh rằng vi mạch ASIC của bộ chuyển mạch trung tâm dữ liệu hỗ trợ kiến trúc không chặn (non-blocking architecture) cho cấu hình cổng cụ thể mà bạn dự định triển khai.

Kích thước bộ đệm ảnh hưởng như thế nào đến hiệu năng của bộ chuyển mạch trung tâm dữ liệu trong các đợt tăng đột biến lưu lượng?

Kích thước bộ đệm trực tiếp quyết định khả năng của bộ chuyển mạch trung tâm dữ liệu trong việc hấp thụ các đợt lưu lượng ngắn hạn mà không làm mất gói tin. Một bộ chuyển mạch trung tâm dữ liệu có dung lượng bộ đệm quá nhỏ sẽ gặp phải hiện tượng loại bỏ gói ở cuối hàng đợi (tail-drop) trong các đợt lưu lượng vi mô (microbursts), dẫn đến tăng tỷ lệ truyền lại và độ trễ ứng dụng. Đối với khối lượng công việc liên quan đến lưu trữ hoặc tính toán hiệu năng cao (HPC), việc lựa chọn bộ chuyển mạch trung tâm dữ liệu có bộ đệm trên chip hoặc bộ đệm DRAM ngoài lớn hơn sẽ cải thiện đáng kể khả năng chịu đựng các mẫu lưu lượng biến động mạnh.

Liệu một bộ chuyển mạch trung tâm dữ liệu hoạt động ở chế độ cut-through luôn luôn tốt hơn cho các môi trường yêu cầu độ trễ thấp?

Chế độ chuyển tiếp xuyên suốt (cut-through) trên bộ chuyển mạch trung tâm dữ liệu làm giảm độ trễ chuyển tiếp bằng cách bắt đầu truyền khung trước khi toàn bộ khung được nhận. Tuy nhiên, bộ chuyển mạch trung tâm dữ liệu hoạt động ở chế độ chuyển tiếp xuyên suốt có thể lan truyền các khung bị lỗi khi xuất hiện lỗi liên kết, do việc kiểm tra lỗi bị bỏ qua. Đối với hầu hết các môi trường yêu cầu độ trễ thấp, bộ chuyển mạch trung tâm dữ liệu hỗ trợ chuyển mạch thích ứng — tự chuyển về chế độ lưu và chuyển tiếp (store-and-forward) khi tỷ lệ lỗi tăng lên — sẽ mang lại sự cân bằng tốt nhất giữa độ trễ thấp và tính toàn vẹn của lưu lượng.