Trong thế giới mạng hiện đại, switch Layer 2 là thiết bị xương sống cho hầu hết các mạng LAN.
Chúng ta hãy cùng nhìn lại quá trình tiến hóa từ mô hình half-duplex truyền thống đến full-duplex và cách các switch giúp loại bỏ hoàn toàn xung đột mạng (collision) nhờ cơ chế thông minh hơn nhiều so với hub.
Full-Duplex – Chấm dứt kỷ nguyên va chạm
Trước đây, các thiết bị mạng hoạt động ở chế độ half-duplex, nghĩa là truyền và nhận dữ liệu không thể xảy ra đồng thời. Điều này dẫn đến hiện tượng collision domain, nơi hai thiết bị có thể cùng lúc truyền và gây va chạm dữ liệu. Giao thức CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection) được dùng để phát hiện và xử lý những va chạm đó.
Tuy nhiên, ngày nay, full-duplex mode đã trở thành tiêu chuẩn:
Thiết bị có thể truyền và nhận đồng thời.
Không còn hiện tượng va chạm dữ liệu, nên CSMA/CD không còn cần thiết.
Mỗi cổng của switch đại diện cho một collision domain riêng biệt, nhưng vì không có va chạm nên thường chúng ta giả định rằng collision domain không tồn tại trong môi trường full-duplex.
Switch hoạt động như thế nào?
Không giống như hub – thiết bị lặp lại tín hiệu đến tất cả các cổng mà không phân biệt địa chỉ đích – switch thông minh hơn nhờ sử dụng địa chỉ MAC đích để xác định gửi frame đến đúng thiết bị.
Quy trình hoạt động của switch dựa trên ba khái niệm cốt lõi:
MAC Address Table (Bảng địa chỉ MAC)
Switch lưu giữ một bảng ánh xạ giữa:
Địa chỉ MAC của thiết bị đầu cuối.
Cổng vật lý (physical port) mà thiết bị đó kết nối đến switch.
Bảng này cho phép switch biết gửi frame ra cổng nào khi nhận được frame có đích là địa chỉ MAC đó.
Dynamic MAC Address Learning
Switch không cần người quản trị nhập thủ công các địa chỉ MAC vào bảng. Thay vào đó:
Khi switch nhận một frame từ một thiết bị trên một cổng nào đó,
Nó sẽ ghi nhớ địa chỉ MAC nguồn và liên kết địa chỉ đó với cổng nhận,
Cập nhật bảng MAC một cách động (dynamic learning).
Ví dụ:
Nếu PC-A có MAC là AA:AA:AA:AA:AA:AA gửi frame ra cổng FastEthernet 0/1, thì switch sẽ ghi nhận:
AA:AA:AA:AA:AA:AA → Fa0/1
Ethernet Broadcast Domain
Một broadcast domain bao gồm tất cả các thiết bị có thể nhận được broadcast frame (ví dụ: ARP request).
Switch không chia nhỏ broadcast domain, nó chuyển tiếp broadcast đến tất cả các cổng.
Router (Layer 3) mới là thiết bị ngăn cách broadcast domain.
Mỗi VLAN trên switch cũng tạo ra một broadcast domain riêng biệt. Khi bạn cấu hình nhiều VLAN, thì các host khác VLAN sẽ không nhận được broadcast của nhau, trừ khi được route giữa các VLAN (inter-VLAN routing).
Tổng hợp luồng xử lý của Switch
Nhận một frame Ethernet từ thiết bị gửi.
Ghi nhớ địa chỉ MAC nguồn và cổng nhận (nếu chưa có).
Kiểm tra bảng MAC để xem địa chỉ MAC đích đang nằm ở cổng nào.
Nếu tìm thấy → chuyển tiếp frame đúng cổng.
Nếu không tìm thấy → broadcast ra tất cả các cổng (trừ cổng nhận).
Ví dụ minh họa thực tế
Một văn phòng có bốn PC kết nối vào một switch 2960. Mỗi máy đều cấu hình full-duplex và nối trực tiếp vào switch:
PC1 gửi dữ liệu đến PC3.
Switch kiểm tra bảng MAC → thấy PC3 ở cổng Fa0/3 → gửi frame duy nhất đến cổng đó.
Không có broadcast, không có va chạm, không làm phiền PC2 hay PC4.
Lưu ý khi triển khai trong thực tế
Luôn đảm bảo full-duplex được cấu hình đúng, đặc biệt nếu thiết bị đầu cuối không hỗ trợ auto-negotiation.
Khi có sự mất đồng bộ duplex (duplex mismatch) – ví dụ switch ở full còn thiết bị ở half – sẽ không có va chạm rõ ràng nhưng hiệu suất cực kỳ thấp, gây hiện tượng late collision.
Để chia nhỏ broadcast domain, hãy sử dụng VLAN, và router hoặc Layer 3 switch để kết nối giữa các VLAN.
TÓM TẮT BÀI
Switch ngày nay không chỉ thay thế hub mà còn là nền tảng cho mọi thiết kế mạng hiệu quả. Nhờ khả năng học địa chỉ MAC và phân phối lưu lượng một cách có chọn lọc, switch:
Loại bỏ hoàn toàn collision domain
Tối ưu hiệu suất truyền tải
Tăng tính bảo mật và khả năng mở rộng với VLAN
Nếu bạn mới học CCNA, hãy thử dựng một lab đơn giản gồm 1 switch và 3 PC. Bật chế độ debug trên switch, gửi các gói tin và quan sát cách bảng MAC được học động – đó là bước đầu tiên để hiểu rõ cách switch thực sự “suy nghĩ” trong mạng.
