Tổng quan nghiên cứu

Theo thống kê kỹ thuật năm 2012 tại Trường Đại học Điều dưỡng Nam Định, toàn bộ hệ thống công nghệ thông tin phục vụ 315 cán bộ giảng viên cùng hàng nghìn sinh viên với 294 máy trạm nhưng chỉ vận hành dựa trên 10 thiết bị chuyển mạch Layer 2 gồm 240 cổng mạng và 01 đường truyền ADSL duy nhất. Toàn bộ hạ tầng mạng được xây dựng theo kiến trúc mạng phẳng không phân đoạn, khiến hệ thống thường xuyên đối mặt với tình trạng nghẽn cổ chai, xung đột miền truyền thông và nguy cơ bão quảng bá làm gián đoạn các hoạt động đào tạo. Trước bối cảnh phát triển theo Quyết định số 24/2004/QĐ-TTg của Thủ tướng Chính phủ nhằm xây dựng trường thành cơ sở đào tạo y tế đầu ngành, việc thiết kế một hạ tầng mạng hiện đại, có tính mở rộng cao và vận hành ổn định là yêu cầu cấp thiết.

Đề tài tập trung nghiên cứu kiến trúc mạng Campus phân cấp theo tiêu chuẩn của Cisco Systems, khảo sát toàn diện thực trạng tòa nhà Hiệu bộ 9 tầng gồm 128 phòng chức năng, từ đó đề xuất mô hình thiết kế mạng chuẩn hóa và khả thi. Mục tiêu cốt lõi của nghiên cứu là xây dựng bản thiết kế mạng Campus ứng dụng mô hình lõi thu gọn kết hợp phân chia mạng LAN ảo, giúp tối ưu hóa 100% khả năng định tuyến Layer 3, giảm thiểu hơn 80% lưu lượng quảng bá dư thừa và nâng cao độ sẵn sàng của hệ thống lên mức 99.9%. Kết quả nghiên cứu không chỉ giải quyết triệt để bài toán kết nối tại đơn vị mà còn đáp ứng sự dịch chuyển luồng dữ liệu theo quy luật 20/80 hiện đại.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng dựa trên nền tảng kiến trúc mạng phân cấp 3 lớp của Cisco Systems bao gồm: Lớp Truy cập có mật độ cổng cao và chi phí thấp để kết nối người dùng; Lớp Phân phối thực hiện kiểm soát chính sách an ninh, lọc gói tin và gom lưu lượng; Lớp Lõi đóng vai trò xương sống truyền dẫn tốc độ cao với độ trễ tối thiểu. Bên cạnh đó, đề tài ứng dụng mô hình Modular Enterprise Campus nhằm module hóa hệ thống thành các khối chức năng độc lập như Khối chuyển mạch, Khối quản trị, Khối biên và Khối Server Farm tập trung.

Về mặt lý thuyết luồng dữ liệu, nghiên cứu phân tích sự dịch chuyển từ quy luật 80/20 truyền thống sang quy luật 20/80 hiện đại. Trong môi trường mới, khoảng 80% lưu lượng truy cập phải vượt qua mạng đường trục để đi đến các máy chủ dịch vụ trung tâm hoặc Internet, trong khi chỉ còn 20% lưu lượng phát sinh cục bộ nội bộ phân đoạn. Để giải quyết bài toán này, các khái niệm kỹ thuật nền tảng được áp dụng chặt chẽ gồm: Mạng LAN ảo (VLAN) nhằm chia nhỏ miền quảng bá và miền đụng độ; kỹ thuật chuyển mạch đa lớp kết hợp chip chuyên dụng ASIC; cơ chế định tuyến tĩnh và động trên các thiết bị chuyển mạch Layer 3; và nguyên lý cô lập bão broadcast để đảm bảo chất lượng dịch vụ.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu áp dụng phương pháp khảo sát toàn bộ trên toàn bộ cỡ mẫu gồm 37 đơn vị phòng ban, trung tâm, bộ môn trực thuộc trường với tổng số 315 cán bộ viên chức và 128 phòng chức năng phân bố từ tầng 1 đến tầng 9. Nguồn dữ liệu sơ cấp được thu thập thông qua đo đạc trực tiếp sơ đồ mặt bằng hạ tầng, kiểm kê 294 máy trạm kết nối LAN, 10 thiết bị chuyển mạch và nhật ký hoạt động mạng trong suốt giai đoạn từ tháng 01/2012 đến tháng 12/2012. Nguồn dữ liệu thứ cấp được kế thừa từ các tài liệu chuẩn kỹ thuật của Cisco Systems và Kỷ yếu 50 năm thành lập trường (1960 - 2010).

Đề tài lựa chọn phương pháp phân tích cấu trúc hình học mạng kết hợp phương pháp mô hình hóa luồng dữ liệu. Lý do lựa chọn phương pháp này là vì nó cho phép lượng hóa chính xác mật độ người dùng, lưu lượng băng thông tiêu thụ tại từng tầng, từ đó xác định chuẩn xác các điểm nghẽn vật lý và nguy cơ suy hao tín hiệu để đưa ra phương án phân bổ VLAN và vị trí đặt thiết bị định tuyến tối ưu nhất.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Thứ nhất, hạ tầng mạng vật lý xuất hiện sự thiếu hụt nghiêm trọng và phân bố mất cân đối. Hệ thống có 294 máy trạm nhưng chỉ được cấp 240 cổng mạng vật lý thông qua 10 bộ chuyển mạch Layer 2, tạo ra tỷ lệ thiếu hụt cổng kết nối lên tới 18.37%. Tình trạng này buộc nhiều đơn vị phải sử dụng thiết bị chia sẻ cổng phụ, làm gia tăng xung đột tín hiệu và suy giảm chất lượng truyền dẫn.

Thứ hai, toàn bộ hệ thống máy chủ và ứng dụng quản lý đang đối mặt với rủi ro vận hành rất cao. Toàn trường chỉ có 02 máy chủ dùng chung cho hàng loạt ứng dụng trọng yếu gồm phần mềm kế toán DAS, thư viện điện tử iLib và phần mềm quản lý đào tạo VSU, IU-UI. Đáng chú ý, 100% hệ thống máy chủ này lại được đặt chung trong phòng làm việc thông thường của bộ phận CNTT mà không có phòng máy chủ chuyên dụng đạt chuẩn về nhiệt độ, độ ẩm hay an ninh vật lý. Ngoài ra, 100% máy trạm và máy chủ đều sử dụng hệ điều hành không có bản quyền chính thức.

Thứ ba, năng lực nhân sự CNTT còn quá mỏng so với quy mô hoạt động. Trong tổng số 315 cán bộ công nhân viên toàn trường, chỉ có 7 người có trình độ đại học chuyên ngành CNTT (chiếm 2.22%), trong đó Phòng CNTT chỉ có đúng 3 nhân sự chuyên trách (chiếm 0.95% tổng biên chế) và hoàn toàn chưa có chứng chỉ an ninh mạng hay quản trị mạng chuyên sâu.

Thứ tư, kiến trúc mạng phẳng làm suy giảm từ 40% đến 60% băng thông khả dụng do toàn bộ 294 nút mạng cùng nằm chung trong một miền quảng bá, khiến các gói tin broadcast từ giao thức ARP, NetBIOS làm tràn ngập đường truyền.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân cốt lõi của các hạn chế trên bắt nguồn từ việc đầu tư chắp vá qua từng giai đoạn và thiếu một quy hoạch tổng thể ngay từ khi đưa tòa nhà 9 tầng vào sử dụng. Ngân sách CNTT chưa được phân bổ thành danh mục độc lập mà phải phụ thuộc vào nguồn chi thường xuyên mua sắm thiết bị định kỳ. Việc sử dụng chung tài nguyên và tăng độ tin cậy của hệ thống là mục tiêu hàng đầu nhưng mô hình cũ đã không thể đáp ứng.

Dữ liệu nghiên cứu về lưu lượng và tải mạng có thể được mô tả trực quan thông qua bảng ma trận phân bố luồng dữ liệu giữa các tầng kết hợp biểu đồ cột so sánh mật độ gói tin broadcast trước và sau khi tối ưu hóa, qua đó minh họa mức độ sụt giảm lưu lượng rác từ 100% xuống dưới mức 15%. So với các công trình nghiên cứu về mạng Campus của Cisco, kết quả tại Trường Đại học Điều dưỡng Nam Định khẳng định rằng việc loại bỏ mạng phẳng và áp dụng mô hình phân cấp kết hợp Local VLAN là giải pháp sống còn để triệt tiêu hiện tượng lặp vòng Spanning Tree, đồng thời giải phóng 80% gánh nặng xử lý định tuyến cho mạng lõi.

Đề xuất và khuyến nghị

Trên cơ sở kết quả nghiên cứu, tác giả đề xuất 4 nhóm giải pháp kỹ thuật và tổ chức có tính hành động cao:

Thứ nhất, tái cấu trúc toàn bộ hạ tầng theo mô hình Collapsed Core 3 lớp kết hợp kiến trúc Modular. Ban Giám hiệu cần phê duyệt dự án đầu tư trang bị cặp chuyển mạch đa lớp Layer 3 tại trung tâm và hệ thống switch truy cập tốc độ Gigabit tại từng tầng của tòa nhà 9 tầng. Mục tiêu hướng tới là đạt tỷ lệ dự phòng đường truyền 100% và duy trì độ sẵn sàng hệ thống đạt mức 99.99%. Thời gian triển khai dự kiến trong vòng 6 tháng do Ban Quản lý dự án CNTT chủ trì thực hiện.

Thứ hai, phân định và cấu hình hệ thống mạng LAN ảo cục bộ (Local VLAN) độc lập. Phòng CNTT tiến hành thiết lập tối thiểu 8 phân vùng VLAN riêng biệt tương ứng với các khối: Ban Giám hiệu, Quản lý đào tạo, Tài chính kế toán, Giảng viên các bộ môn từ tầng 4 đến tầng 9, Thư viện điện tử tầng 3, và hệ thống Ký túc xá. Giải pháp này nhằm mục tiêu cô lập 100% miền quảng bá giữa các khối, nâng cao tốc độ truy xuất cơ sở dữ liệu lên hơn 35% và hoàn thành trong thời hạn 3 tháng.

Thứ ba, xây dựng trung tâm dữ liệu và phân vùng Server Farm độc lập tích hợp an ninh đa lớp. Phòng Vật tư Trang thiết bị phối hợp với Phòng CNTT di dời 02 máy chủ hiện có vào phòng máy chủ đạt chuẩn kỹ thuật, đồng thời lắp đặt thiết bị tường lửa Firewall chuyên dụng và hệ thống ngăn ngừa xâm nhập IPS. Mục tiêu là ngăn chặn 95% nguy cơ tấn công mạng và mã độc, thực hiện trong lộ trình 9 tháng.

Thứ tư, chuẩn hóa bản quyền phần mềm và đào tạo nhân sự. Phòng Tổ chức Cán bộ phối hợp cử 100% nhân sự chuyên trách (3 cán bộ CNTT) tham gia các khóa đào tạo chứng chỉ quốc tế về quản trị mạng, đồng thời tiến hành bản quyền hóa toàn bộ hệ điều hành trên 294 máy trạm theo kế hoạch từng năm.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Luận văn là tài liệu tham khảo thực tiễn và chuyên sâu cho 4 nhóm đối tượng sau:

Thứ nhất, đội ngũ kỹ sư mạng và chuyên viên quản trị hệ thống tại các cơ sở giáo dục: Tài liệu cung cấp bản hướng dẫn chi tiết từ khâu khảo sát thực địa, tính toán cổng mạng đến cấu hình thiết bị chuyển mạch Cisco và phân bổ VLAN cho các đơn vị có quy mô từ 200 đến 500 máy trạm.

Thứ hai, các nhà quản lý và lãnh đạo phụ trách CNTT trong cơ quan, trường học: Luận văn cung cấp luận cứ khoa học rõ ràng giúp xây dựng đề án quy hoạch tổng thể hạ tầng CNTT, dự toán kinh phí đầu tư thiết bị và thiết kế phòng máy chủ chuyên dụng đáp ứng các quy định pháp luật.

Thứ ba, học viên cao học và sinh viên ngành Công nghệ thông tin, Hệ thống tính toán: Đề tài là nguồn tài liệu học thuật giá trị về ứng dụng mô hình Campus 3 lớp, nguyên lý chuyển dịch lưu lượng theo quy luật 20/80 và kỹ thuật bảo mật mạng phân lớp.

Thứ tư, các đơn vị tư vấn thiết kế và tích hợp hệ thống viễn thông: Nắm bắt một trường hợp nghiên cứu điển hình để tư vấn giải pháp chuyển đổi mạng phẳng sang mạng phân tầng hiệu quả cho các tòa nhà công sở từ 7 đến 12 tầng.

Câu hỏi thường gặp

Mô hình mạng Campus 3 lớp của Cisco mang lại ưu điểm vượt trội gì so với mạng phẳng truyền thống? Mô hình 3 lớp phân định ranh giới rõ ràng giữa Truy cập, Phân phối và Lõi, giúp triệt tiêu hiện tượng nghẽn mạng cục bộ. Thay vì để 294 máy trạm cùng chia sẻ một miền quảng bá gây bão broadcast làm sụt giảm nghiêm trọng hiệu năng, cấu trúc này giúp cô lập hoàn toàn sự cố, tăng băng thông hữu ích lên hơn 70% và giúp việc mở rộng quy mô mạng trở nên vô cùng linh hoạt.

Tại sao luận văn khuyến nghị áp dụng quy luật lưu lượng 20/80 thay cho quy luật 80/20 truyền thống? Trong mô hình hiện đại, các dịch vụ như kế toán DAS, thư viện iLib hay máy chủ đào tạo được đặt tập trung tại Server Farm hoặc Internet. Do đó, 80% lưu lượng phải đi qua mạng đường trục backbone và chỉ 20% là lưu lượng nội bộ VLAN, đòi hỏi phải nâng cấp năng lực chuyển mạch Layer 3 tại lớp lõi để giải tỏa áp lực truyền dẫn.

Làm thế nào để phân chia VLAN hợp lý cho tòa nhà 9 tầng của Trường Đại học Điều dưỡng Nam Định? Luận văn đề xuất áp dụng Local VLAN dựa trên ranh giới chức năng và tầng làm việc thay vì triển khai End-to-end VLAN. Việc thiết lập các VLAN riêng biệt cho Ban Giám hiệu, khối Phòng ban, khối Bộ môn và Thư viện giúp giảm 85% lưu lượng quảng bá thừa và tăng cường khả năng kiểm soát an toàn thông tin giữa các đơn vị.

Hạ tầng mạng đề xuất giải quyết vấn đề nghẽn băng thông và an toàn thông tin như thế nào? Giải pháp kết hợp nâng cấp đường truyền cáp quang tốc độ cao thay thế 01 kết nối ADSL cũ, sử dụng Switch Layer 3 có thông lượng lớn và tích hợp hệ thống tường lửa Firewall cùng hệ thống ngăn ngừa xâm nhập IPS. Cấu trúc này giúp ngăn chặn 95% nguy cơ tấn công từ bên ngoài và tối ưu hóa luồng dữ liệu trọng yếu.

Kinh nghiệm thực tế rút ra từ việc thiết kế mạng cho một đơn vị giáo dục y tế là gì? Cần xây dựng quy hoạch hạ tầng mạng đồng bộ ngay từ khâu thiết kế xây dựng công trình dân dụng, tránh tình trạng thiếu phòng máy chủ riêng biệt như thực trạng của 02 máy chủ ban đầu. Đồng thời, phải kết hợp chặt chẽ giữa nâng cấp thiết bị phần cứng, chuẩn hóa bản quyền và đào tạo liên tục cho 100% nhân sự kỹ thuật.

Kết luận

Luận văn thạc sĩ đã hoàn thành xuất sắc các mục tiêu đề ra thông qua các kết quả cốt lõi:

  • Khảo sát và đánh giá toàn diện hiện trạng hệ thống thông tin của Trường Đại học Điều dưỡng Nam Định với 315 cán bộ và 294 máy trạm bố trí trên tòa nhà 9 tầng.
  • Hệ thống hóa cơ sở lý thuyết về kiến trúc mạng Campus, mô hình phân cấp 3 lớp của Cisco và quy luật chuyển dịch luồng dữ liệu 20/80 hiện đại.
  • Đề xuất bản thiết kế mạng Campus hoàn chỉnh, ứng dụng kiến trúc Collapsed Core và kỹ thuật phân chia Local VLAN tối ưu hóa cho tòa nhà 9 tầng.
  • Xây dựng phương án bố trí Server Farm độc lập, thiết lập chính sách an ninh mạng đa tầng và kế hoạch chuẩn hóa bản quyền phần mềm.
  • Hoàn thiện giải pháp nâng cao chất lượng nguồn nhân lực CNTT, đóng góp tài liệu tham khảo có giá trị ứng dụng cao cho ngành giáo dục y tế.

Trong giai đoạn 2013 - 2015, nhà trường cần ưu tiên phân bổ ngân sách để triển khai thiết bị mạng lõi và xây dựng phòng máy chủ đạt chuẩn. Quý độc giả và các nhà quản trị mạng hãy tham khảo toàn văn luận văn để ứng dụng mô hình thiết kế mạng Campus tối ưu cho cơ quan, đơn vị của mình.