Switch là gì? Cách switch mạng hoạt động và các loại phổ biến

Switch (bộ chuyển mạch) là thiết bị mạng kết nối máy tính, máy in, máy chủ, camera và các thiết bị khác trong cùng một mạng LAN, đồng thời chỉ gửi dữ liệu đến cổng có thiết bị nhận dựa trên địa chỉ MAC. Nhờ vậy, nhiều cặp thiết bị có thể trao đổi dữ liệu cùng lúc thay vì dùng chung một đường truyền như khi nối qua Hub. 

Trong bài viết này, Viettel IDC giải thích cách switch học địa chỉ và chuyển tiếp dữ liệu, điểm khác nhau giữa switch, Hub và Router, cùng những tiêu chí cần xem khi chọn switch cho văn phòng, hệ thống camera hay trung tâm dữ liệu.

Switch là gì?

Switch, còn gọi là switch mạng hay bộ chuyển mạch Ethernet, là thiết bị nhiều cổng dùng để nối các thiết bị thành một mạng máy tính cục bộ (LAN). Về bản chất, switch Ethernet là một cầu nối (bridge) nhiều cổng, được IEEE gọi là MAC bridge, hoạt động ở tầng 2 (tầng liên kết dữ liệu) của mô hình OSI. Đơn vị dữ liệu switch xử lý là khung Ethernet (frame), trong đó có địa chỉ MAC của thiết bị gửi và thiết bị nhận.

Hiểu đơn giản, switch là điểm tập trung để các thiết bị trong cùng một mạng nội bộ trao đổi trực tiếp với nhau, còn router là cửa ngõ đưa dữ liệu sang mạng khác như Internet. Bản thân switch không tạo ra kết nối Internet. Một máy tính cắm vào switch chỉ truy cập được Internet khi switch có đường nối lên router hoặc tường lửa ở phía trên.

Từ "switch" còn được dùng cho công tắc dưới phím của bàn phím cơ, máy chơi game Nintendo Switch hay câu lệnh switch-case trong lập trình. Bài viết này chỉ đề cập đến switch trong hệ thống mạng.

Switch hoạt động như thế nào?

Switch quyết định gửi mỗi khung dữ liệu ra cổng nào dựa vào bảng địa chỉ MAC (thường gọi là bảng CAM). Mỗi dòng trong bảng cho biết một địa chỉ MAC đang nằm sau cổng nào và thuộc VLAN nào. Bảng này được switch tự xây dựng và cập nhật qua bốn bước:

1. Học địa chỉ nguồn: khi một khung đi vào, switch đọc địa chỉ MAC nguồn và ghi lại cặp "MAC nguồn, cổng nhận" vào bảng.

2. Chuyển tiếp theo địa chỉ đích: switch tra địa chỉ MAC đích. Nếu đã có trong bảng, khung chỉ được gửi ra đúng cổng tương ứng.

3. Phát tràn khi chưa biết đích: nếu MAC đích chưa có trong bảng, hoặc khung là broadcast (gửi cho tất cả), switch gửi bản sao ra mọi cổng cùng VLAN, trừ cổng đã nhận khung. Đây là hành vi bình thường, không phải lỗi.

4. Xóa mục cũ: các mục học tự động sẽ hết hạn nếu thiết bị không gửi dữ liệu trong một khoảng thời gian cấu hình được (aging time), giúp bảng luôn phản ánh đúng vị trí hiện tại của thiết bị.

Ví dụ, máy A ở cổng 1 gửi dữ liệu lần đầu cho máy C ở cổng 3. Switch ghi nhận "A ở cổng 1", nhưng chưa biết C ở đâu nên phát tràn khung ra các cổng 2, 3 và 4. Khi C phản hồi, switch học được "C ở cổng 3". Từ lần sau, dữ liệu giữa A và C chỉ đi qua cổng 1 và cổng 3, các thiết bị khác không nhận được.

Switch khác Hub và Router như thế nào?

Hub lặp lại tín hiệu ra mọi cổng, switch chuyển khung dữ liệu theo địa chỉ MAC trong một mạng, còn router chuyển gói tin theo địa chỉ IP giữa các mạng khác nhau. Bảng dưới đây so sánh ba thiết bị theo các tiêu chí thường gây nhầm lẫn.

Với switch Layer 3, câu hỏi "có thay được router không" phụ thuộc vào vị trí sử dụng. Bên trong mạng nội bộ, switch Layer 3 có thể định tuyến giữa các VLAN và đóng vai trò cổng mặc định (default gateway) cho từng VLAN, nên thường thay cho router ở lớp lõi. Ở biên mạng, doanh nghiệp vẫn thường dùng router hoặc tường lửa vì cần NAT, kết nối đường truyền của nhà mạng, VPN và kiểm soát lưu lượng ra vào, trong khi nhiều dòng switch Layer 3 không hỗ trợ hoặc chỉ hỗ trợ hạn chế các chức năng này. Vì vậy, cần đối chiếu datasheet của từng model thay vì chỉ dựa vào nhãn "Layer 3".

Ở hộ gia đình, thiết bị Wi-Fi do nhà mạng cung cấp thường gộp cả router, một switch nhỏ vài cổng LAN và điểm phát Wi-Fi trong một hộp. Khi số cổng LAN không đủ, người dùng có thể nối thêm một switch vào một cổng LAN của thiết bị này.

Các loại switch phổ biến

Switch thường được phân loại theo bốn tiêu chí: khả năng quản lý, tầng hoạt động, khả năng cấp nguồn PoE và vị trí trong hệ thống mạng. Một thiết bị có thể thuộc nhiều nhóm cùng lúc, ví dụ một switch managed Layer 2 có PoE đặt ở tầng truy cập.

Theo khả năng quản lý

Theo tầng hoạt động

Switch Layer 2 chỉ chuyển khung theo địa chỉ MAC, nên các thiết bị ở hai VLAN khác nhau không liên lạc được với nhau nếu không có thiết bị định tuyến. Switch Layer 3 (còn gọi là multilayer switch) bổ sung chức năng định tuyến IP. Cách dùng phổ biến là tạo một giao diện ảo (SVI) cho mỗi VLAN trên switch Layer 3 để định tuyến giữa các VLAN ngay trong mạng nội bộ.

Switch PoE

Switch PoE (Power over Ethernet) vừa truyền dữ liệu vừa cấp điện qua cáp mạng cho thiết bị như camera IP, điểm phát Wi-Fi hay điện thoại IP, giúp bỏ bớt bộ nguồn riêng tại vị trí lắp đặt. Mức công suất do chuẩn IEEE quy định, trong đó công suất tối đa tại switch (PSE) cao hơn mức thiết bị nhận được (PD) để bù hao hụt trên cáp:

Ngoài mức tối đa trên từng cổng, mỗi switch còn có tổng công suất PoE (PoE budget). Một switch có nhiều cổng PoE không nhất thiết cấp được mức tối đa cho tất cả các cổng cùng lúc, nên cần cộng công suất của các thiết bị dự kiến kết nối trước khi chọn.

Theo vị trí trong hệ thống mạng

Trong mạng doanh nghiệp, switch thường được tổ chức theo lớp. Switch tầng truy cập (access) nối trực tiếp với máy tính, camera, điểm phát Wi-Fi. Switch tầng phân phối và lõi (distribution, core) gom kết nối từ các switch truy cập và thường là switch Layer 3 có cổng tốc độ cao. Với mạng vừa và nhỏ, hai lớp phân phối và lõi thường được gộp làm một.

Trong trung tâm dữ liệu, mô hình phổ biến là leaf-spine: mỗi tủ rack có switch leaf nối với các máy chủ, các switch spine kết nối toàn bộ leaf với nhau. Switch ở đây ưu tiên mật độ cổng cao, độ trễ thấp và tốc độ cổng như 25G, 100G hoặc 400G, gần như không dùng PoE. Ngoài ra còn có switch công nghiệp, thiết kế lắp trên thanh DIN và chịu được bụi, rung, dải nhiệt độ rộng cho nhà máy, trạm điện hay hệ thống giao thông.

Những tính năng thường gặp trên switch managed

So với switch unmanaged, switch managed cho phép quản trị viên chia mạng, tạo đường dự phòng, ưu tiên lưu lượng và giám sát thiết bị. Các tính năng thường gặp gồm:

- VLAN (IEEE 802.1Q): chia một switch vật lý thành nhiều mạng logic tách biệt, ví dụ mạng kế toán, mạng camera, mạng khách. Cổng trunk cho phép nhiều VLAN đi chung một đường cáp giữa các switch.

- Spanning Tree (STP, RSTP): tự chặn bớt đường đi khi các switch được nối dự phòng nhiều đường, tránh vòng lặp làm nghẽn toàn mạng.

- Gộp liên kết (Link Aggregation, LACP): ghép nhiều cổng thành một liên kết logic để tăng băng thông và giữ kết nối khi một sợi cáp hỏng.

- QoS: ưu tiên lưu lượng nhạy độ trễ như thoại, hội nghị truyền hình khi đường truyền bận.

- Port mirroring: sao chép lưu lượng của một cổng sang cổng giám sát để phân tích sự cố hoặc đưa vào hệ thống phát hiện xâm nhập.

- Kiểm soát truy cập (ACL, port security, IEEE 802.1X): giới hạn thiết bị và loại lưu lượng được phép đi vào mạng qua từng cổng.

- Giám sát (SNMP, syslog, LLDP): theo dõi trạng thái cổng, lỗi, tải và phát hiện thiết bị kết nối lân cận.

- IGMP snooping: hạn chế lưu lượng multicast, như luồng video của camera, bị phát tràn ra mọi cổng.

Danh sách tính năng thực tế khác nhau theo model và đôi khi theo giấy phép phần mềm, nên cần đối chiếu datasheet trước khi mua. Giao diện quản trị của switch cũng là một điểm có thể bị tấn công, vì vậy nên đổi mật khẩu mặc định, dùng SSH hoặc HTTPS thay cho Telnet hoặc HTTP, tách riêng VLAN quản trị và cập nhật firmware theo khuyến cáo của hãng.

Cách chọn switch phù hợp

Chọn switch nên bắt đầu từ danh sách thiết bị sẽ kết nối và cách chúng trao đổi dữ liệu, sau đó mới so sánh hãng và giá. Có thể đi lần lượt theo các câu hỏi sau:

1. Cần bao nhiêu cổng? Đếm số thiết bị dùng cáp hiện có, cộng thêm cổng dành cho uplink và để trống một phần cho thiết bị mới.

2. Tốc độ cổng và uplink bao nhiêu? Cổng 1 Gbps đủ cho phần lớn máy trạm. Khi nhiều thiết bị cùng dồn lên switch tầng trên hoặc máy chủ, nên chọn switch có cổng uplink 10 Gbps (thường là khe SFP+). Tốc độ cổng không làm Internet nhanh hơn gói cước đã đăng ký.

3. Có cần cấu hình không? Chỉ cần thêm cổng thì switch unmanaged là đủ. Cần VLAN, giám sát hoặc kiểm soát truy cập thì chọn smart hoặc managed.

4. Có cần định tuyến giữa các VLAN? Nếu mạng nội bộ có nhiều VLAN và lưu lượng giữa chúng lớn, nên cân nhắc switch Layer 3 ở lớp lõi.

5. Có cấp nguồn cho thiết bị không? Kiểm tra chuẩn PoE mà từng camera, điểm phát Wi-Fi yêu cầu, rồi cộng tổng công suất để so với PoE budget của switch.

6. Lắp ở đâu và cần dự phòng đến mức nào? Cân nhắc dạng để bàn hay gắn tủ rack 19 inch, có quạt hay không quạt (độ ồn), nguồn kép, khả năng xếp chồng (stack) và điều kiện môi trường.

7. Hãng hỗ trợ trong bao lâu? Thời gian bảo hành và cập nhật firmware, bản vá bảo mật ảnh hưởng trực tiếp đến vòng đời của thiết bị.

Câu hỏi thường gặp (FAQs)

1. Switch có phát Wi-Fi không?

Không. Switch chỉ kết nối thiết bị qua cáp mạng. Sóng Wi-Fi do điểm phát (access point) hoặc router Wi-Fi tạo ra; nhiều router Wi-Fi gia đình có tích hợp sẵn một switch vài cổng LAN.

2. Switch có cần cài đặt địa chỉ IP không?

Switch unmanaged không cần cấu hình gì, các thiết bị phía sau vẫn nhận địa chỉ IP từ router hoặc máy chủ DHCP như bình thường. Switch managed có một địa chỉ IP quản trị để truy cập giao diện web hoặc SSH, địa chỉ này không ảnh hưởng đến việc chuyển dữ liệu giữa các cổng.

3. Nối hai sợi cáp giữa hai switch có sao không?

Có thể gây sự cố. Hai đường nối song song tạo thành vòng lặp, khiến các gói broadcast chạy vòng liên tục và làm nghẽn toàn mạng (bão broadcast). Nếu cần đường dự phòng hoặc tăng băng thông giữa hai switch, hãy dùng switch managed và cấu hình Spanning Tree hoặc gộp liên kết LACP.

4. Cắm thiết bị không hỗ trợ PoE vào cổng PoE có bị hỏng không?

Với switch PoE theo chuẩn IEEE 802.3af, 802.3at hoặc 802.3bt, switch chỉ cấp điện sau khi phát hiện thiết bị nhận nguồn hợp lệ, nên máy tính hay thiết bị thông thường vẫn dùng cổng đó như cổng mạng bình thường. Riêng các bộ cấp nguồn PoE thụ động (passive PoE) không theo chuẩn có thể cấp điện ngay khi cắm, cần kiểm tra kỹ trước khi dùng.

Kết luận

Switch là thiết bị tầng 2 giúp các thiết bị trong cùng mạng LAN trao đổi dữ liệu trực tiếp, bằng cách học địa chỉ MAC và chỉ gửi dữ liệu đến cổng cần nhận. Với mạng nhỏ chỉ cần thêm cổng, switch unmanaged là đủ. Khi cần tách mạng theo VLAN, giám sát, cấp nguồn cho camera hay điểm phát Wi-Fi, switch managed và switch PoE sẽ phù hợp hơn; còn khi nhiều VLAN cần định tuyến nội bộ, switch Layer 3 ở lớp lõi là lựa chọn đáng cân nhắc, bên cạnh router hoặc tường lửa ở biên mạng.

Để tìm hiểu thêm về các sản phẩm, dịch vụ tại Viettel IDC, vui lòng liên hệ:

- Hotline: 1800.8088 (miễn phí cước gọi)

- Fanpage: https://www.facebook.com/viettelidc

- Website: https://viettelidc.com.vn