Luận văn thạc sĩ về thiết kế và thi công thiết bị định tuyến hỗ trợ bảo mật phần cứng

Luận văn thạc sĩ nghiên cứu kỹ thuật điện tử thiết kế và thi công thiết bị định tuyến có hỗ trợ tăng tốc bảo mật phần cứng, đánh giá hiện trạng, phân tích vấn đề, đề xuất biện

• Tác giả: Đoàn Ngọc Cẩm
• Người hướng dẫn: TS. Trần Hoàng Linh
• Trường học: Đại học Bách Khoa - ĐHQG Tp.HCM
• Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện Tử
• Đề tài: Thiết Kế Và Thi Công Thiết Bị Định Tuyến Có Hỗ Trợ Tăng Tốc Bảo Mật Phần Cứng
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2021
• Địa điểm: Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CẢM ƠN
• LỜI CAM ĐOAN
• MỤC LỤC
• DANH MỤC BẢNG BIỂU
• DANH MỤC HÌNH VẼ
• DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
• 1. CHƯƠNG 1: MỞ ĐẦU
• 1.1. Lý do chọn đề tài
• 1.2. Mục tiêu và nhiệm vụ của luận văn
• 1.3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
• 1.4. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn
• 2. CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN ĐỀ TÀI
• 2.1. Tổng quan
• 3. CHƯƠNG 3
• 4. CHƯƠNG 4
• 5. CHƯƠNG 5
• 6. CHƯƠNG 6
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Giới thiệu tổng quan về thiết bị định tuyến

Thiết bị định tuyến là một phần quan trọng trong hạ tầng mạng, đặc biệt trong bối cảnh hiện nay khi mà việc kết nối và bảo mật thông tin ngày càng trở nên quan trọng. Thiết bị định tuyến không chỉ đơn thuần là một công cụ chuyển tiếp dữ liệu mà còn đóng vai trò quan trọng trong việc đảm bảo an toàn mạng. Trong luận văn này, thiết bị định tuyến được thiết kế với mục tiêu tối ưu hóa hiệu suất và bảo mật thông qua việc tích hợp các công nghệ hiện đại. Đặc biệt, việc sử dụng phần cứng tăng tốc mã hóa bảo mật là một trong những điểm nổi bật, giúp giảm tải cho CPU và cải thiện tốc độ xử lý dữ liệu. Như vậy, việc thiết kế một thiết bị định tuyến hiện đại không chỉ dừng lại ở việc đảm bảo khả năng kết nối mà còn phải chú trọng đến vấn đề bảo mật mạng.

1.1. Tầm quan trọng của thiết bị định tuyến trong mạng

Thiết bị định tuyến đóng vai trò như một trung tâm điều phối trong mạng, giúp kết nối các thiết bị và đảm bảo rằng dữ liệu được chuyển đến đúng nơi. Trong môi trường mạng hiện đại, việc sử dụng công nghệ định tuyến thông minh là cần thiết để tối ưu hóa băng thông và giảm thiểu độ trễ. Điều này không chỉ giúp cải thiện hiệu suất mạng mà còn nâng cao trải nghiệm người dùng. Hơn nữa, với sự gia tăng của các mối đe dọa an ninh mạng, việc thiết kế các thiết bị định tuyến với khả năng bảo mật cao trở nên cấp thiết. Việc tích hợp giải pháp bảo mật vào thiết bị định tuyến giúp bảo vệ dữ liệu truyền tải và ngăn chặn các cuộc tấn công từ bên ngoài.

II. Phân tích và thiết kế phần cứng thiết bị định tuyến

Phân tích và thiết kế phần cứng là bước quan trọng trong quá trình phát triển thiết bị định tuyến. Việc lựa chọn linh kiện và thiết kế mạch in cần phải được thực hiện một cách cẩn thận để đảm bảo rằng thiết bị hoạt động ổn định và hiệu quả. Đặc biệt, việc sử dụng phần cứng tăng tốc cho các chức năng bảo mật như mã hóa và giải mã là rất quan trọng. Trong luận văn này, các thành phần chính của thiết bị định tuyến sẽ được phân tích, bao gồm vi điều khiển, mạch nguồn và các giao tiếp mạng. Đặc biệt, việc sử dụng công nghệ phần cứng như CESA trên SoC giúp nâng cao khả năng xử lý bảo mật mà không làm giảm hiệu suất của thiết bị.

2.1. Lựa chọn linh kiện và thiết kế mạch

Lựa chọn linh kiện phù hợp là một trong những yếu tố quyết định đến sự thành công của thiết bị định tuyến. Các linh kiện cần phải đảm bảo tính tương thích và hiệu suất cao trong quá trình hoạt động. Việc thiết kế mạch in cũng cần chú trọng đến các yếu tố như giảm thiểu nhiễu và tối ưu hóa đường truyền tín hiệu. Các kỹ thuật layout mạch tốc độ cao sẽ được áp dụng để đảm bảo rằng tín hiệu được truyền tải một cách chính xác và hiệu quả. Điều này không chỉ giúp nâng cao hiệu suất mạng mà còn đảm bảo tính ổn định của thiết bị trong các điều kiện hoạt động khác nhau.

III. Phần mềm cho thiết bị định tuyến

Phần mềm là một phần không thể thiếu trong thiết kế thiết bị định tuyến. Hệ điều hành OpenWrt được lựa chọn để tích hợp các chức năng cần thiết cho thiết bị. Việc xây dựng hệ điều hành này không chỉ giúp tối ưu hóa hiệu suất mà còn đảm bảo tính linh hoạt trong việc cấu hình và quản lý thiết bị. Hệ điều hành OpenWrt cho phép người dùng dễ dàng thiết lập các kết nối VPN và cấu hình bảo mật, đồng thời hỗ trợ các giao thức mạng cần thiết cho thiết bị. Điều này giúp nâng cao khả năng bảo mật của thiết bị, đặc biệt là trong bối cảnh ngày càng nhiều mối đe dọa an ninh mạng.

3.1. Tích hợp và cấu hình hệ điều hành

Việc tích hợp hệ điều hành OpenWrt vào thiết bị định tuyến đòi hỏi một quy trình cẩn thận để đảm bảo rằng tất cả các chức năng được thực hiện một cách hiệu quả. Các bước cấu hình cần được thực hiện để đảm bảo rằng thiết bị có thể hoạt động ổn định trong môi trường mạng khác nhau. Hệ điều hành này cung cấp giao diện người dùng thân thiện, giúp người dùng dễ dàng thiết lập và quản lý các kết nối mạng. Hơn nữa, việc hỗ trợ các giao thức bảo mật như IPsec giúp bảo vệ dữ liệu trong quá trình truyền tải, từ đó nâng cao an toàn mạng cho người dùng.

IV. Thử nghiệm và đánh giá hiệu suất

Thử nghiệm và đánh giá hiệu suất của thiết bị định tuyến là bước quan trọng để đảm bảo rằng thiết bị hoạt động theo đúng yêu cầu đã đề ra. Các thử nghiệm sẽ được thực hiện để đo đạc thông lượng, độ trễ và khả năng xử lý của thiết bị trong các điều kiện khác nhau. Việc kiểm tra các chức năng cơ bản như DHCP, ARP và kết nối Internet cũng sẽ được thực hiện để đảm bảo rằng thiết bị hoạt động ổn định. Kết quả thử nghiệm sẽ được phân tích để đưa ra những đánh giá chính xác về hiệu suất của thiết bị, từ đó có thể đưa ra các cải tiến cần thiết trong thiết kế và cấu hình.

4.1. Đo đạc và phân tích thông lượng

Đo đạc thông lượng là một trong những chỉ số quan trọng để đánh giá hiệu suất của thiết bị định tuyến. Các thử nghiệm sẽ được thực hiện để đo đạc thông lượng trên các cổng WAN, LAN và SFP. Kết quả đo đạc sẽ cho thấy khả năng xử lý dữ liệu của thiết bị trong các tình huống khác nhau, từ đó giúp đánh giá được hiệu suất thực tế của thiết bị. Các số liệu thu thập được sẽ được phân tích để đưa ra những nhận định và đề xuất cải tiến cho thiết bị, nhằm nâng cao hiệu suất mạng và bảo mật mạng.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh mạng Internet ngày càng phát triển, nhu cầu bảo mật và hiệu suất truyền tải dữ liệu trở nên cấp thiết. VPN (Virtual Private Network) là một công nghệ mạng ảo phổ biến, trong đó IPsec VPN được sử dụng rộng rãi để bảo vệ dữ liệu truyền qua mạng công cộng. Tuy nhiên, việc triển khai IPsec thường gặp phải hạn chế về tốc độ mã hóa do sử dụng phần mềm, gây quá tải CPU và giảm thông lượng mạng. Theo ước tính, việc xử lý mã hóa IPsec bằng phần mềm có thể làm giảm hiệu suất mạng đến 30-40% khi lưu lượng tăng cao. Do đó, việc thiết kế thiết bị định tuyến (router) có khả năng tăng tốc mã hóa bảo mật phần cứng là một hướng đi quan trọng nhằm nâng cao hiệu năng và giảm tải cho CPU.

Mục tiêu nghiên cứu là thiết kế và thi công một thiết bị định tuyến tích hợp chức năng tăng tốc mã hóa IPsec bằng phần cứng, sử dụng SoC Marvell 88F6820 và hệ điều hành OpenWrt. Nghiên cứu tập trung vào việc phân tích cấu trúc router, lựa chọn vi điều khiển phù hợp, thiết kế sơ đồ mạch, layout mạch tốc độ cao, xây dựng hệ điều hành tích hợp VPN và thực hiện tăng tốc mã hóa bảo mật bằng phần cứng CESA. Phạm vi nghiên cứu bao gồm thiết kế phần cứng và phần mềm cho router, thử nghiệm các chức năng mạng cơ bản và đo đạc thông lượng trên các cổng LAN, WAN, SFP và VPN trong môi trường thực tế tại Việt Nam.

Ý nghĩa nghiên cứu thể hiện ở việc cung cấp giải pháp thiết kế router bảo mật hiệu quả, giảm thiểu chi phí xử lý trên CPU, đồng thời đóng góp kiến thức về thiết kế phần cứng giao tiếp tốc độ cao và phát triển hệ điều hành nhúng cho thiết bị mạng. Kết quả nghiên cứu có thể ứng dụng trong các hệ thống mạng doanh nghiệp, viễn thông và các thiết bị mạng nhúng đòi hỏi bảo mật cao.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

• Mô hình OSI và giao thức IPsec: IPsec hoạt động ở tầng mạng (tầng 3 OSI), cung cấp bảo mật bằng cách mã hóa và xác thực gói tin IP. IPsec bao gồm các giao thức như IKE (Internet Key Exchange) và ESP (Encapsulation Security Payload) để thiết lập và bảo vệ đường hầm VPN.

• Kiến trúc router và SoC: Router được thiết kế với kiến trúc gồm data plane (xử lý dữ liệu tốc độ cao) và control plane (quản lý, điều khiển). SoC Marvell 88F6820 tích hợp CPU ARM Cortex-A9 lõi kép, các giao tiếp mạng tốc độ cao như PCIe, Ethernet, SerDes, và bộ tăng tốc bảo mật phần cứng CESA.

• Kiến trúc tăng tốc mã hóa phần cứng: Hai mô hình chính là Look-aside (phần cứng hỗ trợ xử lý mã hóa riêng biệt, CPU vẫn xử lý IKE) và Flow-through (phần cứng xử lý toàn bộ luồng dữ liệu bảo mật). Luận văn áp dụng mô hình Look-aside với phần cứng CESA để giảm tải CPU trong xử lý ESP.

• Khái niệm về layout mạch tốc độ cao: Thiết kế mạch in (PCB) cần chú ý đến trở kháng, nhiễu điện từ, và cấu trúc lớp (stack-up) để đảm bảo tín hiệu truyền dẫn ổn định, đặc biệt với các giao tiếp PCIe, Ethernet tốc độ cao.

Phương pháp nghiên cứu

• Nguồn dữ liệu: Thu thập tài liệu kỹ thuật từ nhà sản xuất SoC Marvell, tài liệu chuẩn PCIe, Ethernet, IPsec, và các tài liệu tham khảo về thiết kế phần cứng, phần mềm nhúng. Dữ liệu thực nghiệm thu thập từ quá trình thiết kế, thi công và thử nghiệm router tại phòng thí nghiệm.

• Phương pháp phân tích: Phân tích yêu cầu kỹ thuật, lựa chọn linh kiện, thiết kế sơ đồ mạch nguyên lý, layout mạch in bằng phần mềm Allegro 17.2. Xây dựng hệ điều hành OpenWrt tích hợp VPN và phần mềm điều khiển. Thực hiện đo đạc thông lượng mạng qua các cổng LAN, WAN, SFP và VPN để đánh giá hiệu năng.

• Timeline nghiên cứu: Quá trình nghiên cứu kéo dài khoảng 12 tháng, bao gồm các giai đoạn: khảo sát và phân tích yêu cầu (2 tháng), thiết kế phần cứng (3 tháng), layout và thi công mạch (2 tháng), phát triển phần mềm và hệ điều hành (3 tháng), thử nghiệm và đánh giá (2 tháng).

• Cỡ mẫu và chọn mẫu: Thiết bị nghiên cứu là một mẫu router hoàn chỉnh được thiết kế và thi công riêng, không áp dụng phương pháp chọn mẫu đại diện do tính đặc thù của thiết bị.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Thiết kế phần cứng router hoàn chỉnh: Router BK Router được thiết kế với nguồn vào 12V, 2A, tích hợp 5 cổng LAN, 1 cổng WAN RJ45, 1 cổng WAN SFP, 2 khe mPCIe cho card Wi-Fi, 1 khe M2 cho FPGA tăng tốc bảo mật, khe microSD và SIM card. Vi xử lý trung tâm sử dụng SoC Marvell 88F6820 với CPU ARM Cortex-A9 lõi kép 1.3GHz, RAM 1GB, bộ nhớ eMMC 1GB hoặc microSD 2GB. Thiết kế mạch nguồn đáp ứng dòng tối thiểu 3.43A cho nguồn 3.3V, 0.1A cho nguồn 1.5V, 0.6A cho nguồn 1.8V, đảm bảo hoạt động ổn định.

2. Layout mạch tốc độ cao hiệu quả: Áp dụng kỹ thuật layout mạch in 6 lớp với cấu trúc stack-up hợp lý, sử dụng các tụ lọc LC, mạch lọc EMI, và thiết lập trở kháng chính xác cho các đường truyền SerDes, PCIe, Ethernet. Kết quả layout đảm bảo tín hiệu ổn định, giảm nhiễu và mất mát tín hiệu, phù hợp với yêu cầu tốc độ cao.

3. Xây dựng hệ điều hành OpenWrt tích hợp VPN: Hệ điều hành được xây dựng dựa trên nhân Linux, tích hợp giao diện cấu hình, chức năng VPN IPsec với khả năng tăng tốc mã hóa phần cứng CESA. Hệ thống hỗ trợ nạp firmware qua eMMC hoặc microSD, có giao diện web thân thiện, hỗ trợ cấu hình Wi-Fi, DHCP, ARP.

4. Tăng tốc mã hóa IPsec bằng phần cứng CESA: Thử nghiệm đo đạc thông lượng cho thấy khi sử dụng phần cứng tăng tốc CESA, thông lượng VPN tăng lên khoảng 40-50% so với xử lý phần mềm thuần túy. Cụ thể, thông lượng qua cổng LAN đạt trên 900 Mbps, cổng WAN đạt trên 850 Mbps, và thông lượng VPN đạt khoảng 700 Mbps, giảm đáng kể tải CPU.

Thảo luận kết quả

Việc lựa chọn SoC Marvell 88F6820 với bộ tăng tốc bảo mật CESA là phù hợp với mục tiêu nâng cao hiệu suất xử lý IPsec. Kết quả đo đạc cho thấy phần cứng tăng tốc giúp giảm tải CPU, tăng thông lượng mạng, phù hợp với các ứng dụng đòi hỏi bảo mật cao và băng thông lớn. So với các nghiên cứu trước đây chỉ sử dụng phần mềm mã hóa, giải pháp phần cứng này mang lại hiệu quả rõ rệt.

Layout mạch tốc độ cao được thực hiện theo các nguyên tắc kỹ thuật chuẩn, giúp giảm thiểu nhiễu và đảm bảo tín hiệu truyền dẫn ổn định, điều này rất quan trọng trong thiết kế router hiện đại. Việc tích hợp hệ điều hành OpenWrt giúp tăng tính linh hoạt và khả năng mở rộng của thiết bị.

Dữ liệu có thể được trình bày qua các biểu đồ so sánh thông lượng giữa các cổng LAN, WAN, VPN với và không có phần cứng tăng tốc, cũng như bảng thống kê dòng điện tiêu thụ của các nguồn cung cấp trên bo mạch. Điều này minh họa rõ ràng hiệu quả của giải pháp thiết kế.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Triển khai rộng rãi phần cứng tăng tốc mã hóa IPsec: Khuyến nghị các nhà sản xuất thiết bị mạng tích hợp bộ tăng tốc bảo mật phần cứng như CESA để nâng cao hiệu suất và giảm tải CPU, đặc biệt trong các thiết bị router doanh nghiệp và viễn thông. Thời gian thực hiện: 6-12 tháng.

2. Tối ưu hóa layout mạch tốc độ cao: Áp dụng các kỹ thuật thiết kế mạch in chuẩn, sử dụng cấu trúc lớp phù hợp, lọc nhiễu và kiểm soát trở kháng để đảm bảo tín hiệu ổn định, giảm thiểu lỗi truyền dẫn. Chủ thể thực hiện: kỹ sư thiết kế phần cứng.

3. Phát triển phần mềm hệ điều hành nhúng tích hợp VPN: Cập nhật và tối ưu hệ điều hành OpenWrt hoặc các hệ điều hành nhúng khác để hỗ trợ tốt hơn các chức năng bảo mật, giao diện cấu hình thân thiện và khả năng mở rộng. Chủ thể thực hiện: nhóm phát triển phần mềm.

4. Nâng cao đào tạo và nghiên cứu về thiết kế router bảo mật: Tổ chức các khóa đào tạo chuyên sâu về thiết kế phần cứng, phần mềm cho thiết bị mạng bảo mật, đồng thời khuyến khích nghiên cứu phát triển các giải pháp mới về tăng tốc mã hóa. Chủ thể thực hiện: các trường đại học, viện nghiên cứu.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Kỹ sư thiết kế phần cứng mạng: Có thể tham khảo chi tiết về thiết kế sơ đồ mạch, lựa chọn linh kiện, layout mạch tốc độ cao, giúp nâng cao kỹ năng thiết kế router và các thiết bị mạng tốc độ cao.

2. Nhà phát triển phần mềm nhúng: Tìm hiểu cách xây dựng hệ điều hành OpenWrt tích hợp VPN, quản lý phần cứng tăng tốc bảo mật, phát triển giao diện cấu hình và các ứng dụng mạng.

3. Chuyên gia an ninh mạng: Hiểu rõ về cơ chế bảo mật IPsec, cách tăng tốc mã hóa phần cứng, từ đó áp dụng vào thiết kế hệ thống mạng an toàn, tối ưu hiệu suất bảo mật.

4. Sinh viên và nghiên cứu sinh ngành Kỹ thuật Điện tử, Viễn thông: Nắm bắt kiến thức thực tiễn về thiết kế phần cứng, phần mềm cho thiết bị mạng, từ đó phát triển đề tài nghiên cứu hoặc ứng dụng trong công nghiệp.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao cần tăng tốc mã hóa IPsec bằng phần cứng?
   Việc mã hóa IPsec bằng phần mềm gây quá tải CPU, giảm thông lượng mạng. Phần cứng tăng tốc giúp giảm tải CPU, nâng cao hiệu suất xử lý, đảm bảo tốc độ truyền tải dữ liệu nhanh và ổn định.

2. SoC Marvell 88F6820 có ưu điểm gì trong thiết kế router?
   SoC này tích hợp CPU ARM Cortex-A9 lõi kép, các giao tiếp mạng tốc độ cao, bộ tăng tốc bảo mật CESA, hỗ trợ PCIe, Ethernet, giúp thiết kế router hiệu quả, giảm chi phí và thời gian phát triển.

3. Layout mạch tốc độ cao cần lưu ý những gì?
   Cần kiểm soát trở kháng, giảm nhiễu điện từ, sử dụng cấu trúc lớp PCB phù hợp, bố trí linh kiện hợp lý, lọc nhiễu bằng tụ LC để đảm bảo tín hiệu truyền dẫn ổn định và giảm lỗi.

4. Hệ điều hành OpenWrt có vai trò gì trong router?
   OpenWrt cung cấp nền tảng phần mềm nhúng linh hoạt, hỗ trợ cấu hình mạng, VPN, giao diện web, giúp quản lý và vận hành router hiệu quả, dễ dàng tùy chỉnh và mở rộng.

5. Thông lượng VPN tăng bao nhiêu khi sử dụng phần cứng tăng tốc?
   Theo kết quả thử nghiệm, thông lượng VPN tăng khoảng 40-50%, đạt khoảng 700 Mbps, giúp giảm tải CPU và cải thiện hiệu suất mạng đáng kể so với xử lý phần mềm thuần túy.

Kết luận

• Đã thiết kế và thi công thành công một thiết bị định tuyến tích hợp phần cứng tăng tốc mã hóa IPsec, đáp ứng yêu cầu bảo mật và hiệu suất cao.
• Áp dụng SoC Marvell 88F6820 và phần cứng CESA giúp tăng thông lượng VPN lên khoảng 50%, giảm tải CPU hiệu quả.
• Thiết kế layout mạch tốc độ cao đảm bảo tín hiệu ổn định, giảm nhiễu, phù hợp với các giao tiếp PCIe, Ethernet tốc độ cao.
• Xây dựng hệ điều hành OpenWrt tích hợp VPN và giao diện cấu hình thân thiện, hỗ trợ phát triển và vận hành thiết bị.
• Đề xuất triển khai rộng rãi phần cứng tăng tốc mã hóa, tối ưu thiết kế mạch và phát triển phần mềm để nâng cao hiệu quả thiết bị mạng bảo mật.

Next steps: Triển khai thử nghiệm thực tế trong môi trường doanh nghiệp, mở rộng tính năng bảo mật, tối ưu phần mềm và nghiên cứu các giải pháp tăng tốc mã hóa mới.

Call to action: Các nhà nghiên cứu và kỹ sư thiết kế thiết bị mạng nên áp dụng và phát triển các giải pháp tăng tốc mã hóa phần cứng để đáp ứng nhu cầu bảo mật và hiệu suất ngày càng cao trong mạng hiện đại.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Mở đầu thể tham khảo thiết kế, linh kiện điện tử cho dự án của họ. Đồng thời đề tài còn trình bày khá cụ thể về việc layout bo mạch điện tử trên phần mềm Allegro 17.2 từ việc lựa chọn stack-up cho bo mạch, đặt linh kiện cho hợp lý trước khi layout cũng như một số kinh nghiệm khi layout mạch mang tính tham khảo cao. Tiếp theo đó, đề tài này cũng sẽ cung cấp cho người đọc một cái nhìn khái quát về hệ điều hành nhân Linux (Linux kernel). 3 Chương 2: Tổng quan đề tài CHƯƠNG 2.

TỔNG QUAN ĐỀ TÀI Tổng quan Hiện nay, có rất nhiều tùy chọn để nâng cao hiệu suất trong việc triển khai IPsec, từ triển khai phần mềm thuần túy bằng cách sử dụng tập lệnh CPU (Instruction Set) dành riêng cho việc mã hóa cho đến sử dụng một phần cứng chuyên biệt cho việc giảm tải thời gian xử lý gói IPsec. Để giảm tải cho quá trình xử lý gói IPsec, ta phải giảm tải cho quá trình thực hiện giao thức trao đổi khóa (IKE) – quá trình thiết lập một đường hầm IPsec ở Phase 1 của giao thức IPsec và quá trình thực hiện giao thức ESP – giai đoạn dữ liệu đang được trao đổi trong đường hầm IPsec Hiện nay, có 2 kiểu kiến trúc thiết kế là Look-aside và Flow-through để giải quyết vấn đề trên. Kiến trúc Look-aside sẽ giúp ta giảm tải nhiều cho quá trình xử lý gói theo giao thức ESP. Tuy nhiên, nhiều tác vụ liên quan đến quá trình trao đổi khóa (IKE) vẫn đòi hỏi CPU chính phải xử lý.

Những thiết bị này cũng tạo ra một kiến trúc để di chuyển dữ liệu kém hiệu quả hơn kiến trúc Flow-through. Với kiến trúc Flow-through, ta đặt phần cứng xử lý các tác vụ bảo mật vào đường dẫn dữ liệu chính ( main data flow). Kiến trúc này sẽ giảm thiểu tối đa việc xử lý các gói tin được trao đổi. Hình sau thể hiện sự khác nhau giữa các kiến trúc trong các tác vụ của giao thức IPsec.1 So sánh các kiến trúc thiết kế khi xử lý dữ liệu IPsec VPN Thiết bị tăng tốc mã hóa có thể được sử dụng hiệu quả để giảm tải các tác vụ IPsec liên quan đến việc mã hóa / giải mã.

Các bộ tăng tốc này có thể là một phần của CPU, hay là 4 Chương 2: Tổng quan đề tài một bộ xử lý mật mã nằm trong SoC hay là một card PCIe được gắn thêm.2 Giải pháp để giảm tải xử lý IPsec Phân tích và thiết kế phần cứng của router 2. Ý tưởng thiết kế Hình 2.3 Kiến trúc tổng quát của một router thông dụng Hình trên mô tả kiến trúc của 1 router thông dụng, gồm có các đơn vị xử lý mạng, mạng chuyển mạch tốc độ cao, và khối điều khiển chính (master control unit). Khối xử lý mạng gồm 2 phần: bộ giao tiếp đường dây (line card interface) và khối chuyển tiếp (forward module). Khối giao tiếp line card được thiết kế để xử lý các gói tin ở 5 Chương 2: Tổng quan đề tài lớp 1 và 2, khối chuyển tiếp xử lý gói tin ở lớp 3.

Khối điều khiển chính quản lý và tính toán định tuyến, quản lý mạng, cấu hình thiết bị và điều khiển. Khối mạng chuyển mạch tốc độ cao chuyển gói tin giữa các đơn vị xử lý mạng và cung cấp các dịch vụ khác. Kiến trúc này cũng có thể được chia thành 2 phần: data plane (phần tốc độ cao) và control plane (phần tốc độ thấp). Dữ liệu được xử lý và chuyển đi với tốc độ cao qua đơn vị xử lý mạng và mạng chuyển mạch tốc độ cao.

Ở phần tốc độ thấp, bộ điều khiển chính và CPU sẽ phối hợp với nhau cho các nhiệm vụ điều khiển, quản lý hệ thống. Các router thông thường sử dụng CPU của các hãng như MediaTek, Broadcom, Marvell để làm khối xử lý trung tâm. Đây là các CPU thông dụng, được chế tạo để quản lý các luồng dữ liệu từ mạng WAN đi vào mạng nội bộ LAN. Với các router thông dụng, không đòi hỏi băng thông cao và độ bảo mật, đây là giải pháp thường được sử dụng.4 Sơ đồ kết nối giữa CPU và Ethernet Khi router được sử dụng cho các ứng dụng đòi hỏi về tốc độ và bảo mật cao, để thực hiện các giải thuật mã hóa và giải mã đòi hỏi khối lượng tính toán rất lớn.

Nếu thực hiện tất cả các phép tính này trên CPU sẽ dẫn đến tình trạng CPU không thể xử lý kịp với khối lượng dữ liệu lớn. Chính vì vậy, trên thiết kế router, cần có một khối thành phần tính toán mã hóa IPsec riêng biệt. Dữ liệu được di chuyển giữa CPU và khối mã hóa này được thực hiện thông qua giao thức truy cập trực tiếp bộ nhớ (DMA). 6 Chương 2: Tổng quan đề tài Hình 2.5 Sơ đồ kết nối giữa CPU và Ethernet có thành phần tăng tốc bảo mật phần cứng theo mô hình Look-aside 2.

Đánh giá các chip có thể sử dụng trong thiết kế Các CPU cho thiết kế router được thiết kế đặc biệt, có đầy đủ các ngoại vi tích hợp cùng với CPU trong dạng một System on a chip (SoC).6 Sơ đồ khối cơ bản của 1 SoC cho router Trong một SoC cho router, các gói đi vào qua các cổng input, sau đó được chuyển mạch qua một mạng lưới các kết nối gọi là Switching Fabric, rồi đi ra các cổng xuất. Router SoC giữ một bảng tra các địa chỉ của các nút mạng ứng với các gói tin đi vào, và sử dụng các qui tắc khác nhau để tìm ra đường đi tốt nhất để chuyển các gói tin đi (routing). Nó cũng cập nhật bảng này liên tục dựa trên lưu lượng dữ liệu đi qua nó, từ đó đảm bảo các đường đi tốt nhất cho các gói tin. Trên board sẽ có 1 bộ nhớ flash hay EEPROM có nhiệm vụ chứa các bảng tra, trong đó 7 Chương 2: Tổng quan đề tài có địa chỉ mạng và các địa chỉ của các host.

Để xác định đường đi tốt nhất cho các gói tin để đưa nó đến đích, bảng tra này chứa đựng tất các địa chỉ mạng đã biết, các chỉ dẫn để kết nối đến các mạng khác, các đường đi giữa các router và khoảng cách giữa các nút hay địa chỉ mạng. Có nhiều hãng cung cấp CPU cho router. Trong các năm gần đây, các hãng này thay đổi rất nhiều. Các tên tuổi lớn như Ralink, Ubicom, Atheros bị các hãng khác mua lại.

Hiện nay, hai tên tuổi lớn nhất là Broadcom, Qualcom. Ngoài ra, MediaTek, Marvell, Quantenna cũng là hãng có thị phần khá lớn cho các router thuộc tầm mid-end và high-end. Realtek cũng là một hãng rất nổi tiếng chuyên cung cấp chipset cho D-link và Huawei. Cisco cũng sản xuất chipset cho router, nhưng các chipset của Cisco được thiết kế dùng riêng cho các router chuyên dụng của hãng, và để sử dụng các chip của Cisco cần các giấy phép đặc biệt để tiếp cận với thiết kế mẫu cũng như phần mềm.

Sau khi khảo sát và cân nhắc về tốc độ xử lý, giá thành, thương hiệu, thiết kế sử dụng vi xử lý Armada 88F6820 của hãng Marvell. CPU này được chế tạo chuyên cho các thiết kế router, được tích hợp các phần cứng dành cho xử lý gói tin Ethernet tốc độ cao, tích hợp các phần cứng giao tiếp mạng lên đến tốc độ Gbit. Ưu điểm của chip Marvell là nhóm có thể mua tại nhà phân phối chính hãng ở Việt Nam, và có hỗ trợ từ nhà sản xuất sau khi ký NDA. Điều này là rất quan trọng để đảm bảo chất lượng sản phẩm.

8 Chương 3: Thiết kế sơ đồ nguồn lý CHƯƠNG 3. THIẾT KẾ SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ ROUTER Chương này sẽ trình bày chi tiết của bo mạch chủ Router (được gọi là BK Router) và phân tích thiết kế mạch nguyên lý của nó. Đầu tiên, đề mục 2.1 sẽ mô tả sơ đồ khối tổng quát của bo mạch Router và các giao thức giao tiếp giữa các khối với nhau. Tiếp đến, mục 2.2 sẽ đi sâu phân tích nguyên lý hoạt động của từng khối trong bo mạch.

Phân tích sơ bộ hệ thống 3. Yêu cầu thiết kế - Nguồn vào 12V, 2A. - 5 Cổng LAN, 1 Cổng WAN, 1 Cổng SFP: để giao tiếp Ethernet. - 2 cổng mPCIE giao tiếp PCIe: để gắn card Wifi 2.

- 1 cổng M2 giao tiếp PCIe: để giao tiếp với card FPGA.0: để lưu trữ dữ liệu, khởi động,… - 2 cổng UART: để debug. - 1 khe micro SD card: Lưu trữ firmware khi không có eMMC. - 1 khe micro SIM card: để gắn SIM 3G/4G và phát tín hiệu. - 12 đèn LED RGB để báo hiệu.

- Có vi xử lý để quản lý nguồn và các tín hiệu đèn báo hiệu. Phân tích thiết kế a) Lựa chọn vi xử lý: Router xử lý nhiều chức năng cùng một lúc, hoạt động như một máy tính nhúng, do đó cần phải chọn các vi xử lý có tốc độ xử lý nhanh và hỗ trợ về phần cứng. Vì vậy, cách tốt nhất là sử dụng các vi xử lý nằm trong SoC (System on Chip) với các tính năng chuyên dụng cho Router, chip 88F6820 đã được chọn làm vi xử lý chính với CPU lõi kép, nhân ARMv& Cortex-A9 với hiệu năng cao. b) Bộ nhớ: Router cần bộ nhớ lớn để xứ lý các tín hiệu và mã hóa tín hiệu, nên cần phải có dung lượng RAM tối thiểu là 1GB.

Firmware của Router và các ứng dụng cần nhiều dung lượng để lưu trữ. Ngoài ra, bộ nhớ hệ điều hành cũng nên có dung lượng lớn để sau này dễ dàng phát triển. Vì vậy, Router cần SD card khoảng 2GB, eMMC ít nhất 1 GB. Về phần bộ nhớ để lưu trữ hệ điều hành sẽ có hai phương án thay thế lẫn nhau là eMMC và microSD card, nghĩa là chỉ được sử dụng một trong hai phương án trong một lúc, microSD card được sử dụng lưu trữ chương trình trong lúc xây dựng và phát triển phần mềm vì như vậy sẽ thuận tiện hơn, eMMC được sử 9 Chương 3: Thiết kế sơ đồ nguồn lý dụng để lưu trữ phần mềm khi phần mềm đã được xây dựng hoàn chỉnh, đã là thành phẩm.

c) Kết nối mạng: Router cần các kết nối WAN, LAN và SFP, do đó đã chọn: cần thiết kế Router hỗ trợ 1 cổng WAN theo chuẩn RJ45, 1 cổng WAN theo chuẩn SFP, 5 cổng LAN để người dùng dễ dàng truy cập Ethernet qua đường có dây với tốc độ ổn định. Ngoài ra, nhóm còn sử dụng thêm thẻ SIM để phát sóng 3/4G để đề phòng khi không có Ethernet. d) Các kết nối ngoại vi: Router cần gắn card Wi-Fi: cần 2 cổng mPCIE giao tiếp PCIe để gắn card Wi-Fi phát sóng băng tần 2.