CCNA [LAB 02] Tìm hiểu Layer2 Address và hoạt động của Switch

Mục lục:

I. Tìm hiểu về Layer2 Address​

1. Layer2 Address (MAC Address) là gì
2. Cấu trúc của Layer2 Address
3. Vai trò của MAC Address trong Layer2[/ANCHOR]

II. Cách thức hoạt động của Switch trong Layer2​

1. Giới thiệu về Switch Layer2
2. Đặc điểm Switch Layer2
3. Chức năng Switch Layer2
4. Quy trình hoạt động cụ thể Switch Layer2
5. Thực hành bài LAB với Switch Layer2

III. Kết luận​

---

I. Tìm hiểu về Layer2 Address​

1. Layer2 Address (MAC Address) là gì​

- Layer2 Address hay còn gọi là MAC Address (Media Access Control Address) là địa chỉ vật lý của một thiết bị mạng, được gán bởi nhà sản xuất phần cứng và hoạt động ở lớp liên kết dữ liệu (Layer 2) trong mô hình OSI.
- Địa chỉ MAC là một chuỗi 48 bit (6 byte), thường được biểu diễn dưới dạng 12 ký tự thập lục phân, chia thành 6 cặp ký tự, ví dụ: 00:1A:2B:3C:4D:5E.
- Mỗi thiết bị mạng (như máy tính, điện thoại, bộ định tuyến, switch, card mạng) đều có một MAC Address duy nhất để nhận diện trong mạng.

2. Cấu trúc của Layer2 Address​

- MAC Address là một chuỗi 48-bit, thường được biểu diễn dưới dạng 12 ký tự thập lục phân (hexadecimal), chia thành 6 cặp ký tự. Mỗi cặp ký tự đại diện cho 8 bit (1 byte). Gồm có 2 phần:
- Phần đầu (Organizationally Unique Identifier - OUI):
+ Gồm 3 byte đầu tiên (24 bit) của MAC Address, xác định nhà sản xuất thiết bị.
+ Ví dụ: 00:1A:2B là OUI cho biết nhà sản xuất cụ thể.
- Phần sau (Network Interface Controller - NIC):
+ Gồm 3 byte cuối (24 bit) do nhà sản xuất chỉ định, đảm bảo rằng mỗi thiết bị có một địa chỉ MAC duy nhất.
+ Ví dụ: 3C:4D:5E là phần NIC.

3.Vai trò của MAC Address trong Layer2​

1. Nhận diện thiết bị:
- MAC Address được sử dụng để nhận diện các thiết bị trên cùng một mạng LAN (Local Area Network).
- Khi một thiết bị gửi dữ liệu, nó sẽ gắn MAC Address của mình vào frame dữ liệu.
2. Chuyển tiếp dữ liệu:
- Switch sử dụng MAC Address để chuyển tiếp các frame đến đúng thiết bị đích.
- Khi switch nhận được một frame, nó sẽ kiểm tra địa chỉ MAC đích và tìm kiếm trong bảng MAC Address để quyết định gửi frame qua cổng nào.
3. Quản lý lưu lượng:
- MAC Address giúp quản lý lưu lượng trong mạng bằng cách đảm bảo rằng dữ liệu chỉ được gửi đến thiết bị đích, giảm tải và tăng hiệu suất mạng.

II. Cách thức hoạt động của Switch trong Layer2​

1. Giới thiệu về Switch Layer2​

- Switch là thiết bị mạng kết nối các thiết bị trong mạng cục bộ (LAN) và có thể hoạt động ở các tầng khác nhau của mô hình OSI. Các switch khác nhau cung cấp các mức độ chức năng và hiệu suất khác nhau. Switch layer 2 là thiết bị chuyển mạch hoạt động ở tầng liên kết dữ liệu (Data Link Layer) và dùng để kết nối các thiết bị đầu cuối trong mạng LAN.

2. Đặc điểm Switch Layer2​

- Switch Layer 2 sở hữu bộ tính năng cơ bản, đáp ứng hầu hết các nhu cầu kết nối và truyền tải dữ liệu trong mạng nội bộ (LAN). Loại switch này thực hiện nhiệm vụ chuyển mạch dựa trên lớp liên kết dữ liệu (Data Link Layer) của mô hình OSI, sử dụng địa chỉ MAC để chuyển tiếp khung dữ liệu (data frame) một cách chính xác.
- Thiết bị này yêu cầu địa chỉ MAC nguồn và đích của mỗi khung dữ liệu để chuyển mạch. Switch Layer 2 có khả năng tự động học các địa chỉ MAC bằng cách ghi lại địa chỉ MAC nguồn của mỗi khung nhận được, sau đó lưu trữ địa chỉ MAC đó trong một bảng chuyển tiếp (MAC address table).

3. Chức năng Switch Layer2​

1. Xây dựng và quản lý bảng MAC Address:
- Switch tạo ra và duy trì một bảng MAC Address (MAC Address Table) chứa các cặp địa chỉ MAC và cổng kết nối tương ứng.
- Khi switch nhận một frame từ một cổng, nó ghi lại địa chỉ MAC nguồn của thiết bị gửi và ánh xạ địa chỉ đó với cổng nhận trong bảng MAC Address.
2. Chuyển tiếp dữ liệu dựa trên MAC Address:
- Khi một frame đến switch, switch sẽ kiểm tra địa chỉ MAC đích.
- Nếu địa chỉ MAC đích đã tồn tại trong bảng MAC Address, switch sẽ chuyển tiếp frame đến đúng cổng mà thiết bị đích kết nối.
- Nếu địa chỉ MAC đích không có trong bảng (hoặc là frame broadcast), switch sẽ chuyển frame đó đến tất cả các cổng trừ cổng nhận.
3. Lọc lưu lượng:
- Switch chỉ gửi dữ liệu đến cổng có chứa thiết bị đích, giúp giảm tải mạng và tăng hiệu suất bằng cách tránh việc phát sóng không cần thiết.
4. Giảm xung đột (collision):
- Trong môi trường mạng với các thiết bị kết nối qua hub (trước đây), dữ liệu từ một thiết bị có thể va chạm với dữ liệu từ thiết bị khác trên cùng một đoạn mạng (collision domain). Switch loại bỏ vấn đề này bằng cách tạo ra các collision domain riêng biệt cho mỗi cổng, nghĩa là mỗi cổng trên switch là một đoạn mạng riêng lẻ, ngăn ngừa xung đột.

4. Quy trình hoạt động cụ thể Switch Layer2​

1. Frame nhập vào switch:
- Khi một thiết bị gửi một frame, nó sẽ đi qua cổng của switch.
- Switch đọc thông tin trong frame, đặc biệt là địa chỉ MAC nguồn và đích.
2. Cập nhật bảng MAC Address:
- Switch ghi nhận địa chỉ MAC nguồn vào bảng MAC Address cùng với cổng nhận.
- Nếu địa chỉ MAC đích không có trong bảng, switch sẽ phát sóng frame đến tất cả (broadcast) các cổng khác trừ cổng nhận.
3. Chuyển tiếp frame:
- Nếu địa chỉ MAC đích có trong bảng MAC Address, switch sẽ chuyển frame trực tiếp đến cổng được ánh xạ với địa chỉ đó.
- Nếu không có ánh xạ, frame được phát sóng và mọi thiết bị khác sẽ kiểm tra nếu nó là đích của frame đó.

5. Thực hành bài LAB với Switch Layer2​

Mô hình:

Bài LAB đơn giản tìm hiểu về hoạt động của Switch
- Yêu cầu:
+ PC2 ping được PC3 và ngược lại mà không cần định tuyến hay làm gì thêm
+ Kiểm tra bảng MAC của switch trước và sau khi có thiết bị kết nối vào cổng.
+ Thay đổi port khác cắm vào switch và kiểm tra lại bảng MAC

- Kiểm tra bảng MAC trước khi có các thiết bị kết nối vào cổng

Khi một thiết bị mới được kết nối vào switch qua một cổng cụ thể, switch sẽ cập nhật bảng MAC của nó với địa chỉ MAC của thiết bị và cổng tương ứng.
Ví dụ, nếu bạn cắm một máy tính mới vào cổng e0/0 của switch, switch sẽ học địa chỉ MAC của máy tính đó và lưu vào bảng MAC với thông tin cổng e0/0

- Cắm PC2 vào port e0/0
Đặt IP và kiểm tra bảng MAC:


- Cắm PC3 vào port e0/1
Đặt IP và kiểm tra bảng MAC:


PC2 ping PC3 thành công:

PC3 ping lại PC2 thành công:


- Thay đổi port e0/3 kết nối với PC2 và kiểm tra lại bảng MAC

Bảng MAC đã thay đổi => Khi bạn thay đổi port của một thiết bị kết nối vào switch, bảng MAC của switch sẽ được cập nhật để phản ánh sự thay đổi đó. Switch sẽ xóa bản ghi cũ và thêm bản ghi mới, liên kết địa chỉ MAC với cổng mới. Điều này đảm bảo rằng các gói tin được gửi đến thiết bị qua cổng chính xác.

Quá trình gói tin di chuyển qua Switch:​

1. Gửi Gói Tin từ PC1​

Khi PC2 gửi một gói tin, nó sẽ bao gồm địa chỉ MAC nguồn (của PC2) và địa chỉ MAC đích (của PC3). Gói tin này được đóng gói dưới dạng frame và gửi tới switch.

2. Nhận Gói Tin trên Switch​

Switch nhận frame từ PC2 qua cổng e0/0.

3. Xử Lý Gói Tin trên Switch​

- Đọc Địa Chỉ MAC: Switch đọc thông tin trong frame, bao gồm địa chỉ MAC nguồn và địa chỉ MAC đích.
+ Địa chỉ MAC nguồn: Đây là địa chỉ MAC của PC1, dùng để biết từ thiết bị nào gói tin đến.
+ Địa chỉ MAC đích: Đây là địa chỉ MAC của PC2, dùng để biết gói tin cần gửi đến thiết bị nào.
- Cập Nhật Bảng MAC: Switch sử dụng địa chỉ MAC nguồn để cập nhật bảng MAC của nó:
+ Ghi Địa Chỉ MAC: Nếu địa chỉ MAC nguồn của PC2 không có trong bảng MAC, switch sẽ thêm địa chỉ MAC nguồn và gán nó với cổng e0/0 mà gói tin đến

4. Tìm Cổng Gửi Gói Tin​

Tra Cứu Bảng MAC:Switch tra cứu địa chỉ MAC đích trong bảng MAC của nó để xác định cổng mà gói tin cần gửi đến.
+ Nếu địa chỉ MAC đích của PC2 có trong bảng MAC switch sẽ biết cổng e0/1 để gửi gói tin đến.
+ Nếu địa chỉ MAC đích không có trong bảng MAC, switch sẽ gửi gói tin dưới dạng broadcast đến tất cả các cổng ngoại trừ cổng nhận gói tin ban đầu.

5. Gửi Gói Tin Đến Cổng Đích​

- Switch gửi frame đến cổng mà PC2 đang kết nối. Nếu địa chỉ MAC đích không có trong bảng, gói tin sẽ được broadcast tới tất cả các cổng khác, và chỉ PC2 sẽ trả lời.

III. Kết luận​

- Việc hiểu Layer 2 Address và hoạt động của switch là quan trọng để nắm vững cách thức hoạt động của mạng LAN, giúp trong việc cấu hình và xử lý các vấn đề liên quan đến truyền tải dữ liệu giữa các thiết bị trong mạng.