Hiểu về Switch – Cầu nối mạng máy tính

Switch mạng là một thiết bị quan trọng trong việc kết nối và chuyển tiếp dữ liệu giữa các thiết bị trong một mạng. Nó có vai trò quan trọng trong việc cung cấp kết nối hiệu quả, tăng cường hiệu suất mạng và cung cấp khả năng điều khiển dữ liệu đáng tin cậy. Hãy cùng khám phá chi tiết về switch và vai trò quan trọng của nó trong việc xây dựng và quản lý mạng thông tin.

1. Switch mạng là gì?

Switch mạng, hay thường được gọi là switch kết nối các thiết bị trong một mạng với nhau, cho phép chúng giao tiếp bằng cách trao đổi gói dữ liệu. Nó có thể là các thiết bị phần cứng quản lý mạng vật lý hoặc các thiết bị ảo dựa trên phần mềm.

Một switch hoạt động trên tầng liên kết dữ liệu, hay tầng 2, của mô hình Open Systems Interconnection (OSI). Trong một mạng cục bộ (LAN) sử dụng Ethernet, một switch mạng xác định nơi gửi mỗi khung tin nhắn đến bằng cách xem địa chỉ điều khiển truy cập phương tiện (MAC). Nó duy trì các bảng khớp mỗi địa chỉ MAC với cổng nhận địa chỉ MAC đó.

2. Switch có giá trị gì trong mạng?

Trách nhiệm mà switch đảm nhiệm là chuyển tiếp thông tin giữa các điểm cuối khác nhau và mang lại nhiều lợi ích đa dạng:

• Switch chiếm phần lớn các thiết bị mạng trong các mạng dữ liệu hiện đại và chịu trách nhiệm vận chuyển lượng dữ liệu lớn trong các mạng cung cấp viễn thông. 
• Chúng cung cấp giao tiếp toàn duple, kết nối các đoạn mạng, tăng hiệu suất mạng và tận dụng hiệu quả băng thông có sẵn. 
• Switch mạng cung cấp kết nối có dây cho máy tính để bàn, điểm truy cập không dây (AP), máy in, máy móc công nghiệp và một số thiết bị internet of things (IoT), như hệ thống thẻ đi vào. 
• Chúng kết nối các máy tính chứa các máy ảo (VMs) trong trung tâm dữ liệu, cũng như máy chủ vật lý và một phần lớn cơ sở hạ tầng lưu trữ. 
• Hầu hết các switch hiện đại sử dụng công nghệ Power over Ethernet (PoE), có thể cung cấp lên đến 100 watt điện để hỗ trợ kết nối của các thiết bị mạng. Điều này cho phép doanh nghiệp thiết lập các thiết bị như đèn ngoài trời, camera an ninh, điện thoại VoIP và các loại cảm biến khác để giám sát các khu vực xa trong các vị trí không cần nguồn điện riêng biệt.
• Dữ liệu từ các thiết bị IoT có thể được thu thập bởi switch và sử dụng bởi các thuật toán trí tuệ nhân tạo và học máy để tối ưu hoá môi trường thông minh hơn.

3. Switch mạng hoạt động như thế nào?

Tất cả các switch truyền dữ liệu từ một vị trí đến một vị trí khác, nhưng cấu hình phần cứng và phần mềm của chúng có thể khác nhau đáng kể. Một switch mạng có thể triển khai theo các cách sau:

• Edge/ Access switch: Các switch này quản lý lưu lượng đi vào hoặc ra khỏi mạng. Các thiết bị như máy tính và điểm truy cập kết nối vào các switch cạnh.
• Distribution/ Aggregation switch: Các switch này được đặt trong một tầng trung gian tùy chọn trong cấu trúc mạng. Các switch cạnh kết nối vào các switch tập trung và chuyển tiếp lưu lượng từ switch này sang switch khác hoặc gửi lên các switch trung tâm.
• Core switch: Các switch mạng này tạo thành xương sống của mạng. Các switch trung tâm kết nối các switch tập trung hoặc cạnh, người dùng hoặc mạng cạnh thiết bị vào các mạng trung tâm dữ liệu và mạng LAN doanh nghiệp vào router.

Một khung dữ liệu sẽ được gửi đến tất cả các cổng trong miền chuyển mạch nếu nó được gửi đến một địa chỉ MAC mà hạ tầng switch không quen thuộc. Khung dữ liệu cho đa phát và phát sóng cũng được gửi đến tất cả các cổng. Điều này được gọi là lũ truyền, địa chỉ unicast không xác định và đa phát. Khả năng này làm cho switch mạng trở thành một thiết bị tầng 2 trong mô hình truyền thông OSI.

Đọc thêm: Port mạng là gì? Sự khác biệt trong chức năng của các loại Port

3.1. Đối với trung tâm dữ liệu

Nhiều trung tâm dữ liệu áp dụng kiến trúc spine-leaf, loại bỏ tầng phân phối. Trong thiết kế này, máy chủ và lưu trữ kết nối vào các switch lá (switch cạnh). Mỗi switch lá kết nối vào hai hoặc nhiều switch xương (switch trung tâm). Điều này giảm số lượt nhảy dữ liệu cần đi qua để từ nguồn đến điểm đến, từ đó giảm độ trễ.

Một số trung tâm dữ liệu thiết lập một kiến trúc mạng vải hoặc mạng lưới, khiến mọi thiết bị trông như đang kết nối vào một switch lớn duy nhất. Phương pháp này giảm độ trễ tới mức tối thiểu. Các ứng dụng đòi hỏi cao sử dụng tính toán hiệu năng cao (HPC) thường sử dụng phương pháp này.

3.2. Đối với doanh nghiệp nhỏ và mạng gia đình

Switch cung cấp lợi ích về các cổng Ethernet bổ sung để kết nối với Gigabit Ethernet.

Tuy nhiên, không phải mạng nào cũng sử dụng switch. Một mạng có thể được tổ chức dưới dạng mạng vòng thông qua token ring hoặc kết nối thông qua bus, hub hoặc repeater. Trong những mạng này, mọi thiết bị kết nối mạng nhìn thấy toàn bộ lưu lượng và đọc lưu lượng được gửi đến nó. Một mạng cũng có thể được thiết lập bằng cách kết nối trực tiếp các máy tính với nhau mà không cần một tầng riêng biệt của các thiết bị mạng. Phương pháp này chủ yếu dành cho HPC, yêu cầu độ trễ dưới 5 micro giây và khá phức tạp để thiết kế, kết nối dây và quản lý.

4. Có những loại switch nào? 

Có một số loại switch trong mạng:

• Switch ảo là các switch chỉ tồn tại dưới dạng phần mềm trong môi trường đặt máy ảo. Switch định tuyến kết nối các mạng LAN. Ngoài việc thực hiện chuyển mạch tầng 2 dựa trên địa chỉ MAC, chúng thực hiện chức năng định tuyến tại tầng 3 của mô hình OSI (tầng mạng), điều hướng lưu lượng dựa trên địa chỉ IP trong từng gói tin. 
• Switch quản lý cho phép người dùng điều chỉnh từng cổng trên switch. Điều này cho phép giám sát và thay đổi cấu hình. 
• Switch không quản lý cho phép các thiết bị Ethernet truyền dữ liệu tự động bằng cách sử dụng tính tự đàm phán (autonegotiation), xác định các tham số như tốc độ dữ liệu. Cấu hình là cố định và không thể chỉnh sửa.
• Smart switch có thể được cấu hình để cho phép kiểm soát hơn về việc truyền dữ liệu, nhưng chúng có nhiều hạn chế so với switch quản lý. Smart switch cũng được gọi là switch một phần được quản lý. 
• Stackable switch là các switch cố định có thể kết nối với nhau thông qua giao diện cáp backplane để tạo thành một switch logic duy nhất từ hai hoặc nhiều switch vật lý.
• Các modular switch là các thẻ switch dành cho các switch modul hoặc dựa trên khung chassis và có thể được gắn vào một khung chassis có kích thước lớn, cố định, có thể chứa hai hoặc nhiều thẻ. Vì các giao diện switch có thể được thay đổi theo nhu cầu, loại switch này mang lại sự linh hoạt và khả năng nâng cấp tốt nhất.

5. Các ứng dụng khác nhau của switch mạng là gì? 

Switch đóng vai trò quan trọng trong việc cung cấp kết nối internet và giao tiếp mạng trên toàn bộ mạng. Dưới đây là các trường hợp sử dụng khác nhau của switch mạng: 

• Bằng cách tự động hóa kết nối liên kết, loại bỏ cài đặt thủ công và tốn thời gian, switch mạng cung cấp kết nối hiệu quả, tốc độ và dễ sử dụng giữa các thiết bị mạng. 
• Switch hỗ trợ xây dựng một mạng an toàn và đáng tin cậy hơn bằng cách cung cấp một mức độ kiểm soát về cách dữ liệu được truyền. 
• Switch mạng được yêu cầu khi các thiết bị mạng riêng biệt cần được kết nối bằng cách sử dụng kết nối vật lý vì chúng có một số cổng ở mặt trước. Thông thường, các cổng đó là cổng RJ-45 cho cáp Ethernet; tuy nhiên, số lượng cổng có thể thay đổi. 
• Có thể hoạt động ở chế độ full-duplex, cho phép truyền và nhận dữ liệu đồng   thời trên mạng. So với hub, chỉ cho phép chế độ half-duplex, switch thực tế làm tăng gấp đôi tốc độ mạng. 
• Hữu ích cho các mạng gia đình và các tình huống sử dụng dịch vụ phát trực tuyến mạnh mẽ một cách thường xuyên. Đặc biệt hữu ích nếu bạn cần một phương pháp đáng tin cậy để phát trực tuyến hoặc video 4K. 
• Vì switch duy trì một danh sách địa chỉ MAC riêng biệt của mỗi thiết bị được kết nối đến, hầu hết giao tiếp mạng chỉ được định tuyến đến điểm đích dự định và không được phát sóng đến tất cả các thiết bị kết nối. Điều này giảm thiểu va chạm và loại bỏ các miền phát sóng trong mạng.

5.1. Switch mạng và router

• Switch và router có thể dễ dàng gây nhầm lẫn. Tuy nhiên, chúng có các chức năng khác nhau và hoạt động trên các tầng riêng biệt. Dưới đây là những khác biệt chính giữa một switch và một router: 
• Switch mạng là một thiết bị tầng 2 trên mô hình OSI. Router chủ yếu là một thiết bị tầng 3. 
• Một router di chuyển dữ liệu giữa hai hoặc nhiều mạng máy tính, trong khi một switch tạo điều kiện cho việc chia sẻ tài nguyên bằng cách kết nối nhiều thiết bị trên một mạng LAN duy nhất. 
• Để xác định đường và điểm đến của một gói tin, một router xem xét địa chỉ IP của các gói tin. Một switch xem xét địa chỉ MAC của mỗi thiết bị để chuyển dữ liệu đến đúng điểm đến. 
• Router sử dụng gói tin dữ liệu, trong khi switch, là một phần của tầng liên kết dữ liệu, thường làm việc với khung dữ liệu (data frames). 
• Một switch ít phức tạp hơn một router, vì khác với một router, một switch không sử dụng thuật toán định tuyến để điều hướng dữ liệu trong các mạng lớn.
• Router có thể hoạt động trong cả mạng có dây và mạng Wi-Fi, nhưng switch chỉ giới hạn trong kết nối mạng có dây. 
• Một router cung cấp chuyển đổi địa chỉ mạng (network address translation), NetFlow và chất lượng dịch vụ (quality of service), trong khi một switch không cung cấp các dịch vụ này.

5.2. Switch mạng so với hub 

Dưới đây là những khác biệt chính giữa switch mạng và hub:

• Trong khi switch là một thiết bị tầng 2 trên mô hình OSI, hub là một thiết bị vật lý ở tầng 1. 
• Một hub đơn giản hơn so với một switch mạng vì, khác với switch, nó không theo dõi địa chỉ của các máy tính mà nó chuyển lưu lượng dữ liệu tới. 
• Mục tiêu của một hub là kết nối tất cả các nút trong một mạng, trong khi một switch Ethernet kết nối tất cả các thiết bị mạng lại với nhau và chuyển gói tin dữ liệu giữa các thiết bị đó. 
• Bởi vì một hub không thể quản lý dữ liệu đi vào và đi ra như một switch mạng có thể, sẽ xảy ra nhiều va chạm giao tiếp. 
• Switch mạng ngăn va chạm bằng cách đệm các khung Ethernet, trong khi hub không thể ngăn chặn va chạm vì các thiết bị được kết nối trên một luồng truyền duy nhất.

Lời kết

Như vậy, Switch mạng đóng vai trò quan trọng bởi nó có nhiều ứng dụng đối với giao tiếp mạng. Bài viết đã tổng hợp tất cả những thông tin cần biết về Switch, hi vọng đó đều đem lại lợi ích đối với bạn trong khi tìm hiểu về mạng.

Tìm hiểu thêm về thiết bị mạng tại bài viết: