Kiến thức cơ bản chương 6 - Quản Trị Mạng – Trường Đại Học Kinh Tế, Đại học Huế (HCE)

Các thiết bị liên kết mạng

Dưới đây là bản tóm tắt chi tiết và mở rộng về các thiết bị liên kết mạng, tập trung vào việc làm rõ chức năng, so sánh và chỉ ra các điểm dễ nhầm lẫn để ôn tập hiệu quả.

Bảng tổng hợp so sánh các thiết bị

Để có cái nhìn tổng quan, đây là bảng so sánh 5 thiết bị liên kết mạng chính dựa trên tầng hoạt động trong mô hình OSI và chức năng cốt lõi của chúng.

Thiết bị	Tầng hoạt động (Mô hình OSI)	Chức năng chính	Đơn vị xử lý / Phạm vi	Nối mạng
Repeater	1. Tầng Vật lý (Physic)	Khuếch đại, tái tạo tín hiệu điện/quang.	Tín hiệu (Signal / Bit).	Hai mạng *giống hệt nhau* (cùng giao thức, cấu hình).
Hub	1. Tầng Vật lý (Physic)	Hoạt động như một "Repeater nhiều cổng".	Tín hiệu (Signal / Bit).	Nối nhiều thiết bị trong cùng một mạng LAN (topo hình sao).
Bridge	2. Tầng Liên kết dữ liệu (Datalink)	Lọc và chuyển tiếp gói tin (frame) dựa trên địa chỉ MAC.	Gói tin (Frame).	Hai mạng *giống hoặc khác nhau* (ở Tầng 2, ví dụ Ethernet và Token Ring).
Router	3. Tầng Mạng (Network)	Tìm và chọn đường đi (path) tốt nhất dựa trên địa chỉ mạng (ví dụ: IP).	Gói tin (Packet).	Nhiều mạng *khác nhau* (khác giao thức Tầng 3).
Gateway	Cả 7 tầng (Application)	Chuyển đổi toàn bộ giao thức giữa 2 mạng *hoàn toàn không thuần nhất*.	Dữ liệu (Data).	Ví dụ: Mạng LAN (TCP/IP) và Mạng Mainframe (SNA).

Các lưu ý quan trọng và dễ nhầm lẫn

+ Hub (Active) vs. Repeater:

Một Hub chủ động (Active Hub) về cơ bản chính là một Repeater nhiều cổng (multi-port repeater). Cả hai đều hoạt động ở Tầng 1, nhận tín hiệu, tái tạo (khuếch đại, lọc nhiễu) rồi gửi đi. Repeater chỉ có 2 cổng (vào/ra), còn Hub có nhiều cổng để nối các máy tính theo hình sao.

+ Hub vs. "Hub thông minh" (Switch):

- Hub (Bị động/Chủ động): Hoạt động ở Tầng 1. Khi nhận tín hiệu ở một cổng, nó sẽ phát tín hiệu đó ra TẤT CẢ các cổng khác. Điều này tạo ra một "miền đụng độ" (collision domain) lớn, dễ gây tắc nghẽn.

- "Hub thông minh" (Intelligent Hub): Đây là tên gọi cũ của Switch. Nó hoạt động ở Tầng 2 (giống Bridge), đọc được địa chỉ MAC. Khi nhận gói tin ở một cổng, nó chỉ "chuyển mạch" để gửi gói tin đó đến ĐÚNG CỔNG của trạm đích, không làm phiền các cổng khác.

+ Bridge vs. Router (Về xử lý gói tin):

- Bridge (Tầng 2): Xử lý mọi gói tin (frame) đi qua nó. Nó đọc địa chỉ MAC để quyết định LỌC (bỏ) hay CHUYỂN TIẾP (forward).

- Router (Tầng 3): Có địa chỉ mạng (IP) riêng. Nó chỉ xử lý các gói tin (packet) được *gửi trực tiếp đến địa chỉ của nó* (hoặc được cấu hình làm default gateway). Điều này giúp Router lọc lưu lượng hiệu quả hơn Bridge nhiều.

+ Bridge vs. Router (Về xử lý kích thước gói tin):

Đây là một khác biệt kỹ thuật quan trọng:

- Bridge biên dịch (Translating Bridge): Khi nối 2 mạng khác nhau (ví dụ Ethernet 1500 byte và Token Ring 6000 byte), nếu một gói tin lớn (ví dụ 4000 byte) đi từ Token Ring sang Ethernet, Bridge KHÔNG THỂ chia nhỏ gói tin đó. Nó sẽ "chặt bỏ" phần dữ liệu dư (2500 byte) và gây mất mát dữ liệu.

- Router (Không phụ thuộc giao thức): Có khả năng xử lý các kích thước gói tin khác nhau. Nếu một gói tin lớn đi từ mạng này sang mạng kia, Router có thể chia nhỏ (fragment) gói tin lớn đó thành nhiều gói tin nhỏ phù hợp với mạng đích, sau đó trạm đích sẽ tự lắp ráp lại. Đây là ưu điểm vượt trội so với Bridge.

---

I. Repeater (Bộ tiếp sức)

Repeater là thiết bị phần cứng đơn giản nhất, hoạt động ở Tầng 1 - Vật lý (Physic) của mô hình OSI.

Chức năng: Dùng để nối 2 mạng *giống nhau* (cùng nghi thức, cấu hình). Khi Repeater nhận được tín hiệu từ một phía, nó sẽ phát tiếp sang phía kia.

Quá trình xử lý: Repeater không xử lý tín hiệu (không đọc dữ liệu, địa chỉ). Nó chỉ thực hiện các chức năng vật lý:
- Loại bỏ các tín hiệu méo, nhiễu.
- Khuếch đại tín hiệu đã bị suy hao (do đi xa).
- Khôi phục lại tín hiệu ban đầu.

Mục đích chính của việc sử dụng Repeater là làm tăng thêm chiều dài của mạng.

Các loại Repeater:

- Repeater điện: Nối hai đoạn cáp điện. Nó giúp tăng khoảng cách, nhưng luôn bị hạn chế bởi một khoảng cách tối đa do độ trễ của tín hiệu (signal delay). Ví dụ, với mạng cáp đồng trục 50 ohm, khoảng cách tối đa là 2.8 km, dù có dùng thêm Repeater cũng không thể kéo dài thêm.

- Repeater điện quang: Nối một đầu cáp quang và một đầu cáp điện. Nó thực hiện chuyển đổi tín hiệu điện từ cáp điện sang tín hiệu quang để phát trên cáp quang và ngược lại.

Hạn chế của Repeater:

- Không thay đổi nội dung tín hiệu nên không thể nối hai mạng có giao thức khác nhau (ví dụ: không thể nối mạng Ethernet và mạng Token Ring).

- Không làm thay đổi khối lượng chuyển vận (traffic) trên mạng. Nó chuyển tiếp tất cả mọi thứ, nên nếu dùng không tính toán trên mạng lớn sẽ làm hạn chế hiệu năng của mạng.

---

II. Bridge (Cầu nối)

Bridge là một thiết bị có xử lý, hoạt động ở Tầng 2 - Liên kết dữ liệu (Datalink). Nó có thể dùng để nối hai mạng giống nhau hoặc khác nhau (có thể dùng với các mạng có giao thức Tầng 2 khác nhau).

Khác với Repeater (phát lại tất cả), Bridge đọc được các gói tin (frame) của Tầng 2 và xử lý chúng trước khi quyết định có chuyển đi hay không. Bridge sẽ chọn lọc và chỉ chuyển những gói tin mà nó thấy cần thiết.

Cơ chế hoạt động (Tự học và Lọc):

Để thực hiện việc chọn lọc, Bridge xây dựng một bảng địa chỉ (MAC) cho các trạm ở mỗi phía (mỗi cổng) của nó.

1. Cơ chế Tự học (Self-learning):
- Khi nhận được một gói tin, Bridge đọc địa chỉ NGUỒN (Source Address) của gói tin đó.
- Nó kiểm tra xem địa chỉ nguồn đó đã có trong bảng của phía (cổng) nhận được gói tin hay chưa.
- Nếu chưa có, Bridge tự động bổ sung địa chỉ đó vào bảng, liên kết với cổng mà nó vừa nhận được.

2. Cơ chế Lọc và Chuyển (Filtering/Forwarding):
- Sau khi "học" địa chỉ nguồn, Bridge đọc địa chỉ ĐÍCH (Destination Address) của gói tin.
- Nó tra địa chỉ đích này trong bảng:
+ Nếu địa chỉ đích ở CÙNG PHÍA với địa chỉ nguồn (tức là gói tin nội bộ trong một phân đoạn mạng): Bridge sẽ LỌC (Filter), tức là KHÔNG chuyển gói tin đó sang phía bên kia.
+ Nếu địa chỉ đích ở KHÁC PHÍA (hoặc chưa có trong bảng): Bridge sẽ CHUYỂN VẬN (Forward) gói tin đó sang phía bên kia.

Lợi ích: Điều này giúp các trạm không cần thiết chuyển thông tin trên toàn mạng. Gói tin nội bộ sẽ chỉ ở trong phần mạng đó, giúp giảm bớt tắc nghẽn mạng.

Minh họa hoạt động của Bridge (từ Hình 6.3)

Bridge có một bảng ghi nhớ các trạm thuộc mỗi bên. Giả sử Bridge đã "học" và có bảng như sau:

Cổng 1 (Trái)	Cổng 2 (Phải)
Trạm A Trạm B Trạm C	Trạm D Trạm E Trạm F

- Tình huống 1 (Lọc): Trạm A gửi gói tin cho Trạm B. Bridge nhận gói tin ở Cổng 1, đọc địa chỉ đích là B. Bridge tra bảng, thấy Trạm B cũng thuộc Cổng 1 -> Bridge quyết định KHÔNG chuyển gói tin sang Cổng 2.
- Tình huống 2 (Chuyển): Trạm A gửi gói tin cho Trạm D. Bridge nhận gói tin ở Cổng 1, đọc địa chỉ đích là D. Bridge tra bảng, thấy Trạm D thuộc Cổng 2 -> Bridge CHUYỂN gói tin sang Cổng 2.

Các loại Bridge:

- Bridge vận chuyển (Transparent Bridge): Dùng để nối hai mạng LAN cùng sử dụng một giao thức Tầng 2 (ví dụ Ethernet - Ethernet), tuy nhiên mỗi mạng có thể dùng loại dây nối khác nhau. Nó không thay đổi cấu trúc gói tin.

- Bridge biên dịch (Translating Bridge): Dùng để nối hai mạng LAN có giao thức Tầng 2 khác nhau (ví dụ: Ethernet và Token Ring). Nó có khả năng chuyển một gói tin thuộc mạng này sang gói tin thuộc mạng kia trước khi chuyển qua. Lưu ý (rất quan trọng): Bridge không thể chia nhỏ gói tin. Nếu gói tin từ mạng Token Ring (kích thước tối đa 6000 bytes) gửi cho mạng Ethernet (tối đa 1500 bytes) với kích thước lớn hơn 1500 bytes, thì khi qua cầu nối, số lượng byte dư sẽ bị chặt bỏ, gây mất dữ liệu.

Các trường hợp sử dụng Bridge:

- Mở rộng mạng khi đã đạt tới khoảng cách tối đa (Bridge tái tạo tín hiệu tốt hơn Repeater).

- Giảm bớt tắc nghẽn mạng khi có quá nhiều trạm (bằng cách chia mạng ra 2 phần, lọc lưu lượng nội bộ).

- Nối các mạng có giao thức (Tầng 2) khác nhau (dùng Bridge biên dịch).

- Một vài Bridge còn có khả năng lựa chọn đối tượng vận chuyển (ví dụ: chỉ cho phép máy A, B qua, cấm máy C, D).

---

III. Router (Bộ tìm đường)

Router là một thiết bị hoạt động trên Tầng 3 - Mạng (Network). Chức năng chính của nó là tìm được đường đi tốt nhất cho các gói tin qua nhiều kết nối mạng để đi từ trạm gửi (mạng nguồn) đến trạm nhận (mạng đích).

Router có thể được sử dụng trong việc nối nhiều mạng với nhau và cho phép các gói tin có thể đi theo nhiều đường khác nhau để tới đích.

Điểm khác biệt chính với Bridge:

Khác với Bridge (hoạt động ở Tầng 2) phải xử lý mọi gói tin trên đường truyền, Router (hoạt động ở Tầng 3) có địa chỉ riêng biệt (ví dụ: địa chỉ IP). Nó chỉ tiếp nhận và xử lý các gói tin gửi trực tiếp đến nó mà thôi. Khi một trạm muốn gửi gói tin qua Router, nó phải gửi gói tin với địa chỉ trực tiếp của Router (làm "gateway").

Cơ chế hoạt động:

Để tìm được đường đi tốt nhất, mỗi Router duy trì một Bảng chỉ đường (Routing Table). Dựa trên dữ liệu về các Router gần đó và các mạng trong liên mạng, Router sử dụng một thuật toán xác định trước để tính toán ra bảng chỉ đường tối ưu.

Các loại Router:

- Router có phụ thuộc giao thức (Protocol-dependent): Chỉ thực hiện việc tìm đường và truyền gói tin. Nó không chuyển đổi cách đóng gói của gói tin, do đó cả hai mạng phải dùng chung một giao thức truyền thông (Tầng 3).

- Router không phụ thuộc vào giao thức (Protocol-independent): Có thể liên kết các mạng dùng giao thức truyền thông khác nhau. Nó có thể chuyển đổi gói tin của giao thức này sang giao thức kia. Quan trọng: Router loại này có thể chia nhỏ một gói tin lớn thành nhiều gói tin nhỏ trước khi truyền đi (khắc phục nhược điểm của Bridge).

Các lý do sử dụng Router:

- Có phần mềm lọc ưu việt hơn Bridge (vì gói tin phải gửi đến nó mới xử lý, nên giảm được số lượng gói tin qua nó).

- Thường được sử dụng khi nối các mạng thông qua các đường dây thuê bao đắt tiền (vì nó không truyền dữ liệu dư thừa lên đường truyền).

- Có thể dùng trong một liên mạng có nhiều vùng, mỗi vùng có giao thức riêng biệt.

- Có thể xác định được đường đi an toàn và tốt nhất, đảm bảo an toàn thông tin hơn.

- Có thể cài đặt các phương thức nhằm tránh tắc nghẽn mạng.

Phương thức hoạt động (Cập nhật Bảng chỉ đường):

- Phương thức véc tơ khoảng cách (Distance Vector): Mỗi Router luôn luôn truyền đi thông tin về *toàn bộ* bảng chỉ đường của mình trên mạng. Các Router khác sẽ dựa vào đó cập nhật. (Ví dụ: giao thức RIP).

- Phương thức trạng thái tĩnh (Link State): Router chỉ truyền các thông báo khi có phát hiện *có sự thay đổi* trong mạng (ví dụ: một đường truyền bị đứt) và chỉ khi đó các Router khác mới cập nhật lại. Thông tin truyền đi thường là thông tin về đường truyền. (Ví dụ: OSPF, NLSP).

---

IV. Gateway (cổng nối)

Gateway dùng để kết nối các mạng hoàn toàn không thuần nhất, ví dụ như mạng cục bộ (LAN) và các mạng máy tính lớn (Mainframe). Do các mạng này quá khác biệt, việc chuyển đổi phải thực hiện trên cả 7 tầng của hệ thống mở OSI, từ tầng Vật lý lên đến tầng Ứng dụng.

Gateway có các giao thức xác định trước (thường là nhiều giao thức). Hoạt động của Gateway thông thường phức tạp hơn là Router rất nhiều, do đó thông suất (tốc độ) của nó thường chậm hơn. Vì lý do này, Gateway thường không được dùng để nối mạng LAN-LAN (vì đã có Bridge và Router hiệu quả hơn).

---

V. Hub (Bộ tập trung)

Hub thường được dùng để nối mạng, thông qua những đầu cắm của nó, người ta liên kết với các máy tính dưới dạng hình sao (Star topology).

Các loại Hub:

- Hub bị động (Passive Hub):
+ Không chứa các linh kiện điện tử và cũng không xử lý các tín hiệu dữ liệu.
+ Chức năng duy nhất là tổ hợp các tín hiệu từ một số đoạn cáp mạng.
+ Khoảng cách bị hạn chế (ví dụ: khoảng cách từ máy tính đến Hub không thể lớn hơn một nửa khoảng cách tối đa cho phép giữa 2 máy tính).

- Hub chủ động (Active Hub):
+ Có các linh kiện điện tử, hoạt động như một Repeater nhiều cổng.
+ Có thể khuyếch đại và xử lý (tái sinh) tín hiệu, làm tín hiệu tốt hơn, ít lỗi hơn.
+ Cho phép khoảng cách giữa các thiết bị tăng lên.
+ Giá thành cao hơn Hub bị động.

- Hub thông minh (Intelligent Hub):
+ Đây thực chất là "tổ tiên" của Switch ngày nay.
+ Về cơ bản là Hub chủ động, nhưng có thêm bộ vi xử lý và bộ nhớ.
+ Có thể cho phép điều khiển hoạt động thông qua các chương trình quản trị mạng.
+ Có thể hoạt động như một bộ tìm đường (Router) hay một cầu nối (Bridge).
+ Tính năng quan trọng nhất: Nó có thể "chuyển mạch" (switch) để phát gói tin trên một cổng duy nhất có thể nối tới trạm đích, thay vì phát lại gói tin trên mọi cổng như Hub chủ động.