Switch là gì? Cách network switch hoạt động

Vinh Phạm

1710

06-11-2018

Hiện nay có nhiều thiết bị mạng được sử dụng để giúp người dùng kết nối mạng. Một trong số đó là Switch, bộ chuyển mạch đóng vai trò quan trọng trong hệ tầng mạng cơ sở. Trong bài viết hôm nay, hãy cùng Bizfly Cloud tìm hiểu kỹ hơn về Switch và lợi ích mà thiết bị này mang lại.

Switch là gì?

Trong mạng máy tính, switch là một thiết bị tạo kênh truyền dữ liệu đến từ bất kỳ cổng đầu vào nào đến cổng đầu ra cụ thể nhằm đưa dữ liệu tới đúng đích chỉ định. 

Trong mạng cục bộ (LAN) sử dụng Ethernet, switch xác định vị trí gửi từng message frame đến bằng cách xem địa chỉ thiết bị vật lý (còn được gọi là Media Access Control address hoặc địa chỉ MAC). 

Switch duy trì các bảng khớp với từng địa chỉ MAC với cổng mà địa chỉ MAC đã nhận được. Nếu một frame được chuyển tiếp đến một địa chỉ MAC không xác định đến hệ thống switch, nó sẽ làm tràn ngập (flooded) tất cả các cổng trong vùng. Broadcast và multicast frames cũng là một dạng flooded. Hiện tượng này này được gọi là BUM flooding - broadcast, unknown unicast, và multicast flooding. Điều này là tính năng của switch Layer 2 hoặc data-link layer device trong mô hình liên lạc Open OS Interconnection (OSI).

Các loại networking switch

Có một số loại switch trong mạng ngoài các thiết bị vật lý, đó là:

Virtual switch

Các Virtual switch là các software-only switch được khởi tạo trong virtual machine (VM) hosting.

Routing switch

Một routing switch kết nối LAN; ngoài việc thực hiện MAC-based Layer 2 switching, nó cũng có thể thực hiện các chức năng định tuyến tại OSI Layer 3 (the network layer) hướng lưu lượng truy cập dựa trên Internet Protocol (IP) address trong mỗi gói.

Workgroup switch

Đây là loại thiết bị chuyển mạch được thiết kế để nối trực tiếp các máy tính với nhau, nhằm hình thành một mạng ngang hàng. Như vậy, một cổng của bộ chuyển mạch sẽ chỉ có một địa chỉ máy tính tương ứng trong bảng địa chỉ với giá thành thấp hơn các loại khác. Chính vì thế, workgroup switch không cần phải có bộ nhớ lớn hay tốc độ xử lý cao.

Segment switch

Segment switch nối các Hub hay workgroup switch với nhau, từ đó hình thành một liên mạng ở tầng hai. Với mỗi cổng trong trường hợp này sẽ có nhiều địa chỉ máy tính tương ứng. Vì vậy, segment switch đòi hỏi bộ nhớ phải đủ lớn và tốc độ xử lý cao để có thể xử lý lượng lớn thông tin tại bộ chuyển mạch.

Backbone switch

Backbone switch kết nối các segment switch với nhau. Do đó yêu cầu là phải có bộ nhớ lớn, tốc độ tải rất nhanh để chứa được địa chỉ cho tất cả các máy tính trong toàn hệ thống và kịp thời hoán chuyển dữ liệu giữa các nhánh mạng.

Cách network switch hoạt động

Switch, physical và virtual, chiếm phần lớn các thiết bị mạng trong mạng dữ liệu hiện đại

Switch, physical và virtual, chiếm phần lớn các thiết bị mạng trong mạng dữ liệu hiện đại. Chúng cung cấp các kết nối có dây với máy tính để bàn, các điểm truy cập không dây, máy móc công nghiệp và một số thiết bị Internet (IoT) như hệ thống nhập thẻ. Chúng kết nối các máy tính lưu trữ các máy ảo trong các trung tâm dữ liệu, cũng như các máy chủ vật lý chuyên dụng và phần lớn cơ sở hạ tầng lưu trữ. Chúng mang theo một lượng lớn traffic trong các mạng của nhà cung cấp viễn thông.

Một network switch có thể được triển khai theo các cách sau:

• Edge, hoặc access, switch: Các switch này quản lý lưu lượng truy cập vào hoặc ra khỏi network. Các thiết bị như máy tính và điểm truy cập sẽ kết nối với các edge switch.
• Aggregation, or distribution, switch: Các switch được đặt trong lớp giữa. Các Edge switch kết nối vào các thiết bị này và chúng có thể gửi lưu lượng truy cập từ switch sang switch hoặc gửi tới các core switch.
• Core switch: Các switch mạng này bao gồm backbone của mạng, có nhiệm vụ kết nối mạng người dùng hoặc thiết bị với mạng trung tâm dữ liệu, kết nối mạng LAN doanh nghiệp với các bộ định tuyến kết nối chúng với internet..

Nhiều trung tâm dữ liệu áp dụng kiến trúc leaf/spine, giúp loại bỏ lớp tổng hợp (aggregation layer). Trong thiết kế này, servers và storage kết nối với leaf switch (edge switch) và mỗi leaf switch kết nối thành hai hoặc nhiều spine (core) switch. Điều này giảm thiểu số lượng bước (hop) dữ liệu đã nhận được từ nguồn đến đích, do đó, giảm thiểu thời gian dành cho trung chuyển hoặc độ trễ.

Một số trung tâm dữ liệu thiết lập fabric hoặc mesh network design, mọi thiết bị sẽ xuất hiện trên một switch lớn duy nhất. Cách tiếp cận này giúp giảm độ trễ đến mức tối thiểu và được sử dụng cho các ứng dụng như high-performance computing (HPC) trong các dịch vụ tài chính hoặc kỹ thuật.

Không phải tất cả các mạng đều sử dụng các switch. Ví dụ, một mạng có thể được tổ chức theo kiểu token ring hoặc được kết nối thông qua một bus hoặc một hub hoặc repeater. Trong các mạng này, mọi thiết bị được kết nối đều nhìn thấy và đọc được tất cả lưu lượng truy cập. Một mạng cũng có thể được thiết lập bằng cách kết nối trực tiếp các máy tính với nhau, mà không cần một lớp thiết bị mạng riêng biệt; cách tiếp cận này chủ yếu quan tâm đến các ngữ cảnh HPC, nơi có độ trễ phụ 5 phần triệu giây, khá phức tạp để thiết kế và quản lý.

Tầm quan trọng của Switch

Switch có thể chuyển frame dựa trên địa chỉ MAC nên được xếp vào thiết bị Lớp 2. Nhờ tính năng lựa chọn đường dẫn để quyết định chuyển frame mà mạng LAN có thể hoạt động một cách hiệu quả hơn. Thiết bị chuyển mạch này nhận biết được máy nào kết nối với cổng bằng cách học địa chỉ MAC nguồn trong frame nhận được. Switch chịu trách nhiệm thiết lập mạch ảo giữa hai cổng tương ứng mà không ảnh hưởng đến lưu thông trên các cổng khác. Do đó, mạng LAN với hiệu suất cao thường sử dụng chuyển mạch toàn bộ.

Bộ chuyển mạch tập trung các kết nối và quyết định chọn đường dẫn để truyền dữ liệu hiệu quả. Frame được chuyển mạch từ cổng nhận đến cổng phát, với mỗi cổng là một kết nối cung cấp băng thông cho host.

Ngoài ra, Ethernet Hub cũng là một thiết bị phổ biến tương tự như Switch. Trong Ethernet Hub, tất cả các cổng kết nối với một mạng chính, đồng nghĩa với việc các thiết bị kết nối sẽ cùng chia sẻ băng thông mạng. Ví dụ, có hai máy trạm được thiết lập phiên kết nối thì sẽ cần một lượng băng thông lớn, từ đó làm giảm hiệu suất của các thiết bị còn lại. Để khắc phục tình trạng này, bộ chuyển mạch Switch xử lý mỗi cổng là một đoạn mạng (segment) riêng biệt. Khi các máy ở các cổng khác nhau cần liên lạc với nhau, Switch sẽ chuyển frame từ cổng này sang cổng kia nhằm đảm bảo việc cung cấp băng thông cho từng phiên kết nối.

Lợi ích của bộ chuyển mạch Switch

Switch đóng vai trò giúp các hoạt động của hệ thống mạng diễn ra một cách song công (có khả năng đọc - ghi, nghe - nói) trên cùng một thiết bị. Điểm ưu việt của bộ chuyển mạch Switch là không cần phải chia sẻ băng thông như các thiết bị tương tự khác, từ đó giúp kênh truyền khác không bị ảnh hưởng. Với cơ chế tự kiểm tra lỗi frame, switch còn có khả năng giảm tỷ lệ lỗi trong frame. Điều này đồng nghĩa với việc các gói tin tốt khi được nhận thì sẽ được lưu lại trên hệ thống trước khi gửi đi (công nghệ store-and-forward).

Thiết bị chuyển mạch chủ yếu hoạt động ở tầng liên kết dữ liệu Layer 2, còn gọi là Switch Layer 2 trong mô hình tham chiếu OSI, nên có thể giới hạn lưu lượng truyền đi ở ngưỡng nhất định. Một Switch Layer 2 sẽ đi kèm với nhiều giao diện khác nhau (10Mbps, 100Mbps, 1Gbps, 10Gbps,...), đồng thời hỗ trợ giao tiếp Full-duplex trên từng cổng.

Không chỉ vậy, mỗi Switch đều có khả năng mở rộng mạng và kết nối với phần còn lại của mạng thông qua các cổng Uplink tốc độ cao, từ đó kết nối với các Switch Layer 3 định tuyến hoặc thiết bị chuyển mạch Switch Layer 2 khác. Tóm lại, bộ chuyển mạch Switch hoạt động như một bộ điều khiển trung tâm, cho phép tất cả các thiết bị kết nối với nó giao tiếp với nhau một cách hiệu quả, giúp cho việc chia sẻ thông tin, phân bổ nguồn lực trở nên dễ dàng.

Nguồn: Bizfly Cloud chia sẻ

>> Có thể bạn quan tâm: Phân biệt Switch và Router dễ hiểu nhất