Mạng máy tính: trở lại những vấn đề cơ bản

Nếu so sánh giữa hub, switch và router, thoạt đầu bạn sẽ thấy chúng khá là giống nhau và không biết phải phân biệt thế nào. Nhưng thực tế hub, swithch và router chỉ có một số tính năng cơ bản chung, còn lại hầu hết là khác nhau. Nếu bạn không thể nói về router sau khi đã hiểu về rub, bạn có thể tham khảo bài viết dưới đây.

Trong các thiết bị mạng thì hub là mắt xích nhỏ nhất. Thiết bị cơ bản này gắn kết các máy tính trong mạng với nhau để có được một form segment (phân đoạn) mạng đơn. Chúng được gọi là “hub” (trung tâm) vì chúng nằm ở trung tâm của một mạng, kết nối tới máy tính thông qua các cáp phân tán, tương tự như chiếc nan hoa xe đạp vậy. Tất cả máy tính trong một segment mạng đều có thể “thấy” và giao tiếp được với nhau.

Mô hình mạng OSI (Nguồn: Raduniversity)

Xin được bổ sung thêm rằng hub là thiết bị tầng 1 trong mô hình mạng OSI (Open System Interconnection), tầng Vật Lý.

Nhiệm vụ của hub chỉ đơn giản là nhận dữ liệu đến (các frame - khung dữ liệu) và phát tán chúng trở lại các thiết bị gắn trong mạng. Hub hoạt động theo cơ chế quảng bá (broadcast), có phần hơi thừa khi phải gửi dữ liệu cho cả các thiết bị không có nhu cầu.

Nguồn: abdn.ac.uk

Hub không có bất kỳ kiểu sắp xếp thông minh nào. Nó không xác định được cổng nào yêu cầu khung dữ liệu, cổng nào không để gửi cho từng cổng cụ thể. Vì thế nó gửi cho tất cả các cổng trong mạng, cổng nào có yêu cầu thì tự kiểm tra và tiếp nhận dữ liệu mình cần.

Cơ chế phát tán khung dữ liệu tới mọi cổng đơn đảm bảo ít nhất mỗi khung đều được gửi tới các đích yêu cầu. Nhưng cũng chính vì thế mà hub được gọi là những kẻ câm lặng, chỉ biết phát ra mà không cần nhận lại thông tin phản hồi xác nhận.

Vì hub là các gói đơn giản và dễ cài đặt nên người ta sử dụng chúng như là các thiết bị mức đầu vào để kết nối các máy PC với nhau. Nếu như chẳng may bạn hết cổng mạng hub, bạn có thể tạo một hub kiểu “chuỗi cánh hoa” (daisy-chain) bằng cách kết nối qua cổng “uplink”.

Các hub hiện đại có chế độ “tự cảm nhận” (auto-sensing) và bạn có thể dùng bất kỳ cổng nào để thực hiện việc này. Nhưng hub hiện đang ngày càng bị thu hẹp với sự thay thế của switch. Sử dụng switch hiệu quả hơn nhiều, nhất là khi dùng băng thông mạng.

Tạo một switch

Nếu bạn đang tìm kiếm một giải pháp mạng hiệu quả hơn, bạn sẽ cần đến switch. Switch hoạt động ở mức cao hơn hub, tại tầng 2, tầng Liên kết dữ liệu (Data Link layer). Một switch cũng tương tự như một hub, nhưng thông minh hơn. Chúng thân thiện hơn một chút và nhanh hơn nhiều.

Nguồn: abdn.ac.uk

Không giống như hub, switch kiểm tra kỹ lưỡng từng gói dữ liệu nhận được, xác định nguồn và đích mỗi gói. Sau đó chờ các gói dữ liệu chuyển đến đích một cách chính xác. Switch sử dụng địa chỉ MAC (Media Access Control) của các thiết bị mạng để tìm ra thiết bị đích. Địa chỉ MAC là một mã ID 16 ký tự duy nhất, là địa chỉ phần cứng cố định trong từng thiết bị.

Để hoạt động hiệu quả, mỗi switch tạo ra một link liên kết chuyên dụng tạm thời giữa nơi gửi và nơi nhận, tương tự như một kênh điện thoại chuyển mạch.

Với cơ chế phân phối gói dữ liệu tới đúng thiết bị đòi hỏi, switch càng hiệu quả hơn khi người dùng sử dụng băng thông mạng. Tốc độ thực thi cao hơn nhiều so với hub.

Một tính năng nâng cao ở switch nữa là khả năng giải quyết xung đột dữ liệu. Các xung đột này xuất hiện khi các máy trong mạng cùng một lúc gửi dữ liệu quảng bá tới tất cả các cổng. Chúng sẽ đột ngột làm chậm quá trình thực thi mạng. Hiện nay, với các switch có chế độ nạp điều khiển lưu lượng, các xung đột sẽ bị loại trừ. Không có xung đột tức là không phải đi tìm xung đột như các hub phải làm. Vì thế các switch có thể loại trừ phương thức truy cập phương tiện dò tìm xung đột CSMA/CD (carrier-sense multiple-access with collision detection), làm cho thông lượng được tăng lên.

Một lợi ích khác khi dùng switch, xuất phát từ thực tế là chúng hỗ trợ phương thức truyền thông full-duplex, tức truyền thông hai chiều song song. Phương thức truyền mặc định trong mạng là kiểu chậm hơn: hafl-duplex (một chiều). Trong đó bạn chỉ có thể gửi hoặc nhận chứ không vừa nhận, vừa gửi dữ liệu cùng một lúc được.

Sử dụng phương thức full-duplex với băng thông mạng rất hiệu quả.

Sử dụng switch sẽ tốt hơn nhiều so với hub nếu mạng của bạn có từ 4 máy tính trở nên. Hoặc nếu mạng có các chương trình ứng dụng sản sinh một lượng đáng kể giao thông mạng, như các game đa người chơi hay chia sẻ file đa phương tiện nặng nề, bạn cũng nên dùng switch.

Sự định hướng tốt nhất

Như trên đã nói hub nằm ở tầng 1, switch hoạt động ở tầng 2, chắc nhiều bạn sẽ dễ dàng đoán là router hoạt động ở tầng 3. Và quả thất đúng như vậy. Một router làm việc tương tự như một switch, nhưng có một số bước tiến xa hơn. Chúng gửi các gói dữ liệu tới đích qua một “liên mạng” (internetwork), tức là mạng khác hoặc internet. Quá trình đó được gọi là quá trình định tuyến (routing).

Nguồn: abdn.ac.uk

Để định tuyến cho các gói dữ liệu khi chuyển sang mạng khác, một router phải liên lạc với các rounter khác và sử dụng giao thức định tuyến (routing protocol). Sau đó dùng thông tin này để tạo và duy trì một bảng định tuyến (routing table).

Bảng định tuyến bao gồm một danh sách lộ trình xác định tối ưu đích mạng, cộng thêm các dữ liệu được biết đến như là các ‘routing metrics’ (đơn vị met định tuyến) nằm trong các router. Bảng routing còn có đường dẫn tới router ‘upstream’ (dòng trên) tiếp theo.

Router kiểm tra kỹ dữ liệu đến và có thể xác định địa chỉ đích của dữ liệu đó. Sau đó chúng sử dụng bàng ‘rounting table’. Các router không sử dụng địạ chỉ MAC để xác định đích đến dữ liệu. Chúng dùng ‘địa chỉ mạng đươc cấu hình theo kiểu phần mềm’ (software-configured network address ) để định tuyến. Cách này khiến router hoạt động hiệu quả hơn switch nhưng tại cùng một thời điểm, chúng lại khiến các router gặp nhiều vấn đề xung đột phức tạp hơn. Hiện cần có giải pháp xử lý thông minh hơn cho các router.

Một trong những lợi ích của việc định tuyến là nó cho phép lưu lượng mạng hoặc đến, hoặc đi, đều được lọc dựa trên địa chỉ IP của người gửi và người nhận. Một router sẽ phân tích từng gói dữ liệu để xem nó thuộc kiểu gì. Sau đó gửi các gói SMTP hoặc POP3 tới các cổng được yêu cầu, chẳng hạn như cổng 25 và 110. Hoặc bạn cũng có thể gửi các gói HTTP tới các cổng khác như cổng 80 chẳng hạn, v.v…

Hầu hết router gia đình hoặc router văn phòng phạm vi nhỏ đều là các thiết bị đa tính năng, kết hợp cả switch, firewall, dịch vụ DHCP (Dynamic Host Configuration Protocol – giao thức cấu hình host động), bộ dịch địa chỉ mạng Network Address Translator và nhiều điểm truy cập Wi-Fi. Các rounter thông thường đều có cổng Ethernet phân tách cho kết nối WAN (Wide Area Network), hộp cáp đầu hoặc một kết nối không dây WiMax.

Một biến thể của router thông thường là router ADSL. Router ADSL là sự kết hợp của router với modem ADSL nhằm đơn giản hoá kết nối tới một WAN. Với router ADSL, thay vì một cổng WAN, nó sử dụng một socket phone cho đường truyền ADSL. Kết quả khiến router ADSL hoàn toàn là một router cực nhỏ, bạn không thể dùng nó để kết nối bất kỳ modem cáp nào.