Layer 2 – switch đưa dữ liệu đến đúng thiết bị như thế nào?

[HoangPhuc]

LAYER 2 – SWITCH ĐƯA DỮ LIỆU ĐẾN ĐÚNG THIẾT BỊ NHƯ THẾ NÀO?
Khi hai máy tính giao tiếp trong cùng một mạng LAN, dữ liệu thường đi qua switch. Nhưng switch dựa vào đâu để biết dữ liệu cần được gửi đến cổng nào?
Câu trả lời nằm ở Layer 2, hay còn gọi là Data Link Layer trong mô hình OSI.
Nói ngắn gọn:
Layer 1 truyền bit. Layer 2 chuyển frame bằng địa chỉ MAC. Layer 3 chuyển packet bằng địa chỉ IP.
1. ETHERNET FRAME VÀ MAC ADDRESS
Trong mạng Ethernet, dữ liệu ở Layer 2 được đóng gói thành frame.
Một Ethernet Frame cơ bản gồm:

• Destination MAC.
• Source MAC.
• Type.
• Data.

Có thể hình dung frame giống một bưu kiện. Destination MAC là địa chỉ người nhận, Source MAC là địa chỉ người gửi, Type cho biết bên trong chứa IPv4, IPv6 hay giao thức khác, còn Data là nội dung cần truyền.
Ví dụ:
Destination MAC: AA:AA:AA:AA:AA:AA
Source MAC: BB:BB:BB:BB:BB:BB
Type: IPv4
Data: IP Packet
MAC là viết tắt của Media Access Control Address. Đây là địa chỉ được dùng để nhận diện một interface mạng trong phạm vi Layer 2.
Một địa chỉ MAC thường dài 48 bit và được viết dưới dạng:
00:1A:2B:3C:4D:5E
Có thể hiểu đơn giản:
IP giúp xác định thiết bị thuộc mạng nào, còn MAC giúp xác định thiết bị cụ thể trong mạng hiện tại.
2. UNICAST, MULTICAST VÀ BROADCAST
Ở Layer 2, frame có thể được gửi theo ba cách.
Unicast là một thiết bị gửi cho một thiết bị khác.
A → B
Multicast là một thiết bị gửi cho một nhóm thiết bị đã đăng ký nhận.
A → B, C, D
Broadcast là một thiết bị gửi đến toàn bộ thiết bị trong cùng VLAN.
Địa chỉ MAC broadcast là:
FF:FF:FF:FF:FF:FF
Ví dụ phổ biến nhất là ARP Request. Khi một máy biết IP đích nhưng chưa biết MAC tương ứng, nó gửi broadcast để hỏi:
Ai đang sử dụng địa chỉ IP này?
Tất cả thiết bị trong VLAN đều nhận được câu hỏi, nhưng chỉ thiết bị sở hữu IP đó mới trả lời.
3. SWITCH HỌC VÀ CHUYỂN FRAME NHƯ THẾ NÀO?
Switch lưu thông tin thiết bị trong MAC Address Table.
Ví dụ:

MAC Address	Port
MAC của A	Port 1
MAC của B	Port 2
MAC của C	Port 3

Khi một frame đi vào switch, switch thực hiện hai bước chính.
Bước 1: Học Source MAC
Nếu frame đi vào Port 1 và có Source MAC là A, switch ghi lại:
MAC A → Port 1
Switch luôn học địa chỉ MAC từ địa chỉ nguồn.
Bước 2: Tra Destination MAC
Sau đó switch kiểm tra Destination MAC.
Nếu switch biết MAC đích nằm ở Port 2, nó chỉ chuyển frame ra Port 2.
Frame vào Port 1
→ Tra MAC đích
→ MAC đích nằm ở Port 2
→ Chuyển frame ra Port 2
Nếu switch chưa biết MAC đích nằm ở đâu, nó sẽ flood frame ra tất cả các port trong cùng VLAN, ngoại trừ port nhận frame vào.
Khi thiết bị đích phản hồi, switch học được MAC của thiết bị đó. Những lần sau, frame sẽ được chuyển thẳng đến đúng cổng.
Có thể nhớ:
Switch học từ Source MAC và chuyển frame dựa trên Destination MAC.
4. SWITCH KHÁC HUB NHƯ THẾ NÀO?
Hub hoạt động ở Layer 1. Khi nhận tín hiệu từ một cổng, hub sao chép tín hiệu ra tất cả các cổng còn lại.
Hub không biết:

• Thiết bị nào đang gửi.
• Thiết bị nào cần nhận.
• MAC nào nằm ở port nào.

Switch thông minh hơn vì nó đọc MAC Address và chuyển frame đến đúng cổng.
Hub: nhận một cổng → phát ra mọi cổng
Switch: nhận frame → tra MAC → gửi đúng cổng
Vì vậy, switch sử dụng băng thông hiệu quả hơn và cho phép nhiều thiết bị truyền dữ liệu cùng lúc.
5. VLAN LÀ GÌ?
Nếu toàn bộ thiết bị trên switch cùng nằm trong một mạng Layer 2, broadcast sẽ được gửi đến tất cả các thiết bị. Khi mạng lớn dần, lượng broadcast tăng và việc quản lý trở nên khó khăn.
VLAN – Virtual Local Area Network cho phép chia một switch vật lý thành nhiều mạng logic.
Ví dụ:
Port 1–3 → VLAN 10
Port 4–6 → VLAN 20
Port 7–9 → VLAN 30
Mặc dù các máy cùng kết nối vào một switch, mỗi VLAN vẫn là một mạng Layer 2 riêng.
Một broadcast được tạo trong VLAN 10 chỉ được gửi đến các port thuộc VLAN 10. Thiết bị trong VLAN 20 và VLAN 30 không nhận được.
Do đó:
Mỗi VLAN là một broadcast domain.
VLAN thường được dùng để tách:

• Sinh viên và giảng viên.
• Kế toán và kỹ thuật.
• Người dùng và server.
• Camera và mạng quản trị.
• Nhân viên và khách.

6. ACCESS PORT VÀ TRUNK PORT
Access port thường kết nối với thiết bị đầu cuối và thuộc một VLAN.
PC → Access Port VLAN 10
Trunk port có thể mang traffic của nhiều VLAN trên cùng một đường kết nối.
Switch A
||
|| VLAN 10, 20, 30
||
Switch B
Trunk thường sử dụng chuẩn IEEE 802.1Q để gắn VLAN tag vào frame. Nhờ tag này, switch phía bên kia biết frame thuộc VLAN nào.
Access port thường dùng cho PC, máy in hoặc camera. Trunk thường dùng giữa hai switch hoặc giữa switch và router.
7. VÌ SAO HAI VLAN KHÔNG GIAO TIẾP TRỰC TIẾP?
Mỗi VLAN là một mạng Layer 2 riêng và thường có một subnet IP riêng.
Ví dụ:
VLAN 10 → 192.168.10.0/24
VLAN 20 → 192.168.20.0/24
Máy trong VLAN 10 không thể chỉ dùng switch Layer 2 để giao tiếp với máy trong VLAN 20.
Traffic phải đi qua thiết bị Layer 3, chẳng hạn router hoặc Layer 3 switch. Quá trình này gọi là Inter-VLAN Routing.
Mỗi VLAN cần một default gateway riêng:
VLAN 10 → Gateway 192.168.10.1
VLAN 20 → Gateway 192.168.20.1
Khi máy trong VLAN 10 muốn gửi dữ liệu sang VLAN 20, nó gửi packet đến default gateway. Thiết bị Layer 3 kiểm tra địa chỉ IP đích rồi chuyển packet sang VLAN phù hợp.
8. LAYER 3 SWITCH LÀ GÌ?
Layer 3 switch kết hợp khả năng của switch và router.
Nó có thể:

• Chuyển frame bằng MAC.
• Routing packet bằng IP.
• Tạo VLAN.
• Routing giữa các VLAN.
• Áp dụng ACL.
• Chạy một số giao thức định tuyến.

Trên Layer 3 switch, gateway của VLAN thường được tạo bằng SVI – Switch Virtual Interface.
Ví dụ:
interface vlan 10
ip address 192.168.10.1 255.255.255.0
interface vlan 20
ip address 192.168.20.1 255.255.255.0
ip routing
Khi bật ip routing, switch có thể routing traffic giữa VLAN 10 và VLAN 20.
Layer 3 switch thường được dùng trong mạng doanh nghiệp vì vừa có nhiều port, vừa routing với tốc độ cao.
9. TỔNG KẾT
Những điểm quan trọng nhất cần nhớ:

• Dữ liệu ở Layer 2 được gọi là frame.
• Layer 2 sử dụng địa chỉ MAC.
• Switch học MAC từ Source MAC.
• Switch chuyển frame dựa trên Destination MAC.
• Nếu chưa biết MAC đích, switch sẽ flood trong cùng VLAN.
• Broadcast được gửi đến toàn bộ thiết bị trong cùng VLAN.
• Mỗi VLAN là một broadcast domain.
• Access port thường mang một VLAN.
• Trunk port có thể mang nhiều VLAN.
• Các VLAN muốn giao tiếp phải qua router hoặc Layer 3 switch.

Câu chốt dễ nhớ:
Layer 2 giống như hệ thống giao thư trong một tòa nhà. MAC Address cho biết người nhận là ai, switch biết người đó đang ở cổng nào, còn VLAN chia tòa nhà thành những khu vực riêng biệt.