Cầu mạng (tiếng Anh bridge) là thiết bị cho phép kết nối các mạng LAN. Cầu mạng cung cấp các chức năng cho phép kết nối nhiều mạng LAN thành mạng lớn hơn và nhanh hơn. Những bộ chuyển mạch Ethernet là tên hiện đại cho các cầu mạng. Trong lĩnh vực mạng máy tính, cầu mạng thường được gọi ngắn gọn là “cầu”.
Cầu mạng hoạt động trên tầng liên kết dữ liệu. Những thiết bị này xem xét các các địa chỉ tầng liên kết dữ liệu để chuyển tiếp các khung dữ liệu. Vì chúng không kiểm tra trường dữ liệu của khung truyền tải khi chuyển tiếp, do đó, chúng có thể xử lý các gói tin IP, cũng như các dạng gói tin khác như gói tin AppleTalk.
Hai mạng LAN riêng rẽ thường sẽ có gấp hai lần khả năng tải so với một mạng LAN. Cầu mạng cho phép các mạng LAN kết nối với nhau và vẫn giữ được khả năng tải này. Giải pháp ở đây là không gửi các luồng lưu lượng qua một cổng khi không cần thiết, như vậy mỗi mạng LAN có thể hoạt động với tốc độ đầy đủ. Hoạt động này làm tăng độ tin cậy của mạng do trong một mạng LAN nếu có một nút bị lỗi và phát ra liên tục những dòng dữ liệu rác, điều này có thể làm nghẽn toàn bộ mạng LAN. Với việc quyết định xem những gói tin nào sẽ chuyển tiếp, những gói tin nào không chuyển tiếp, cầu mạng hoạt động giống như một cách cửa chống cháy trong toàn nhà, ngăn chặn các nút bị lỗi khỏi việc làm sập toàn bộ hệ thống mạng.
Để các ưu điểm đó dễ dàng thực hiện, cầu mạng lý tưởng sẽ phải hoàn toàn trong suốt đối với các mạng LAN kết nối vào, và việc triển khai cầu mạng cũng phải thật đơn giản: chỉ cần kết nối dây mạng LAN vào cầu mạng là mọi hoạt động thực hiện một cách hoàn hảo. Trong trường hợp này, phải không yêu cầu thay đổi phần cứng, không có yêu cầu nào liên quan tới phần mềm cũng như không có bất kỳ sự thay đổi cấu hình nào của các bộ chuyển mạch, các vùng địa chỉ, không làm việc với các bảng định tuyến,… Mọi hoạt động hiện có trong mạng LAN phải không bị ảnh hưởng do cầu mạng nói chung. Đối với các trạm trong mạng LAN cũng không được có sự khác biệt nào có thể quan sát được trong hoạt động không phụ thuộc vào trạm đó trong mạng LAN hay trong mạng LAN kết nối với cầu mạng.
Hoạt động[sửa]
Về mặt kỹ thuật, có thể xây dựng cầu mạng hoàn toàn trong suốt trong kết nối các mạng LAN. Thông thường có hai thuật toán được áp dụng: thuật toán học quay lui để dừng những luồng tải dữ liệu được gửi tới những nơi không cần thiết; thuật toán cây khung nhỏ nhất để ngắt các vòng lặp có thể tạo ra khi các bộ chuyển mạch được kết nối với nhau. Nếu công nghệ mạng LAN là Ethernet thì các cầu mạng thường được gọi là các bộ chuyển mạch Ethernet.
Cầu mạng thường hoạt động theo chế độ hỗn hợp, theo đó chúng sẽ chấp nhận từng khung dữ liệu được trạm kết nối với nó truyền đi. Cầu mạng sẽ phải quyết định cho từng khung: khung dữ liệu nào sẽ được chuyển tiếp, khung nào sẽ được bỏ qua, và khi được chuyển tiếp thì chuyển tiếp ra cổng nào. Quyết định này được thực hiện dựa trên địa chỉ đích. Cơ chế này được thực hiện dựa trên một bảng băm trong cầu mạng. Trong bảng có một danh sách các đích đến có thể đạt tới, và chúng thuộc những kết nối tới cổng ra nào. Khi cầu mạng được kết nối vào mạng lần đầu tiên, bảng băm rỗng. cầu mạng lúc đó còn chưa biết các đích sẽ ở đâu. Để phát hiện các đích đến và cập nhật bảng băm, cầu mạng sử dụng thuật toán tràn ngập: đối với mỗi khung dữ liệu tới ứng với một đích chưa biết, cầu mạng sẽ chuyển tiếp khung tới tất cả các cổng của cầu mạng, ngoại trừ cổng mà khung dữ liệu đã tới. Theo thời gian, cầu mạng sẽ học được vị trí của các đích đến. Một khi đã biết được vị trí đích đến, khung dữ liệu sẽ được chuyển tiếp tới các cổng cần thiết và cầu mạng sẽ không thực hiện quá trình tràn ngập nữa.
Thuật toán sử dụng trong cầu mạng gọi là thuật toán học quay lui. Vì làm việc trong chế độ hỗn hợp, nên cầu mạng sẽ xem xét từng khung dữ liệu được gửi tới cổng bất kỳ của nó. Với việc xem xét địa chỉ nguồn của khung, cầu mạng có thể xác định được những trạm nào có thể truy cập tới từ cổng nào.
Hình trạng mạng có thể thay đổi vì các máy trạm cũng như cầu mạng có thể được bật hoặc tắt hoặc được chuyển đi. Để có thể xử lý được trong trường hợp hình trạng mạng động, mỗi khi tạo một bản ghi trong bảng băm, thời điểm đến của khung dữ liệu được ghi nhận lại trong nội dung của bản ghi. Mỗi khi nhận được một khung dữ liệu từ một nguồn đã có trong bảng băm, bản ghi tương ứng với với nguồn đó sẽ được cập nhật bằng thời gian đến hiện thời. Như vậy, thời gian tương ứng với mỗi bản ghi sẽ chỉ ra thời điểm gần nhất mà khung dữ liệu được gửi tới từ trạm.
Một cách định kỳ, cầu mạng sẽ quét tất cả các bản ghi trong bảng băm và lọc đi tất cả những bản ghi trở nên cũ vài phút. Bằng cách này, nếu một máy trạm bị ngắt ra khỏi mạng LAN và được di chuyển trong toàn nhà và kết nối mạng lại ở một nơi khác, trong vòng vài phút, máy sẽ quay trở lại trạng thái hoạt động bình thường, không cần can thiệp trực tiếp. Thuật toán này cũng có nghĩa là, nếu một máy trạm tạm thời im lặng trong vài phút, mọi lưu lượng tới máy đó sẽ bị tràn ngập cho tới khi trạm gửi khung dữ liệu.
Quá trình định tuyến các khung dữ liệu đến phụ thuộc vào cổng tới và địa chỉ đích. Thủ tục đó được thực hiện như sau:
- Nếu cổng đối với địa chỉ đích giống như cổng nguồn, loại bỏ khung dữ liệu;
- Nếu cổng đối với địa chỉ đích và cổng nguồn khác nhau, khung dữ liệu sẽ được chuyển tiếp tới cổng đích;
- Nếu cổng đích chưa biết, sử dụng phương pháp tràn ngập và gửi khung dữ liệu tới tất cả các cổng, trừ cổng nguồn.
Đối với mỗi khung dữ liệu tới, thuật toán này sẽ được áp dụng, do đó thuật toán sẽ được phát triển thành chip VLSI chuyên dụng. Chip này sẽ duyệt và cập nhật các bản ghi của bảng băm trong vài mili giây. Vì cầu mạng chỉ xem xét các địa chỉ MAC để quyết định việc chuyển tiếp gói tin, nên quá trình chuyển tiếp có thể thực hiện ngay khi phần đầu của trường đích tới, trước khi toàn bộ khung tới cổng. Thiết kế này cho phép giảm thời gian trễ khi khung dữ liệu được truyền qua cầu mạng, cũng như số lượng khung dữ liệu mà cầu mạng phải lưu trong bộ đệm.
Các thuật toán quyết định trong cầu mạng như thuật toán cây khung nhỏ nhất được chuẩn hoá trong tiêu chuẩn IEEE 802.1D và sử dụng trong nhiều năm, tới năm 2001, tiêu chuẩn được xem xét lại và cập nhật thuật toán mới cho phép tìm cây khung nhỏ nhất nhanh hơn mỗi khi có sự thay đổi hình trạng mạng.
Ứng dụng[sửa]
Cầu mạng có nhiều ứng dụng trong những tính huống cần thiết phải kết nối liên mạng khi trong cơ quan, tổ chức cần phải triển khai nhiều mạng LAN khác nhau. Như trong nhiều trường đại học, các tập đoàn, tổ chức lớn có thể có nhiều thiết bị, máy chủ, máy tính, máy in trang bị tại nhiều bộ phận khác nhau. Mỗi bộ phận lại có thể có những mục tiêu hoạt động khác nhau và thiết bị sẽ được triển khai thành các mạng LAN khác nhau với những chức năng khác nhau. Khi các bộ phận này cần tương tác, kết nối với nhau, trong hệ thống mạng của toàn bộ cơ quan cần phải triển khai các cầu mạng. Trong trường hợp này, những mạng LAN khác nhau xuất hiện do những hoạt động tự trị và tương đối độc lập với nhau của các bộ phận trong cơ quan.
Một tình huống khác dẫn tới việc phải dùng cầu mạng, đó là khi cơ quan tổ chức có thể nằm trên một diện tích rộng, có nhiều toà nhà với khoảng cách khá xa nhau. Một cách tự nhiên, trong mỗi toàn nhà sẽ triển khai một mạng LAN riêng rẽ, và các mạng LAN sẽ được kết nối với nhau qua cầu mạng và liên kết quang thông qua bộ chuyển mạch tổng. Trong một số trường hợp, có thể chia thành nhiều mạng LAN nhỏ kết nối qua cầu mạng để tăng khoảng cách vật lý tổng thể để có thể bao phủ toàn bộ diện tích cơ quan.
Khi cần phân chia một mạng LAN logic thành nhiều mạng LAN, các mạng có thể kết nối với nhau thông qua cầu mạng để phân tải trong trường hợp có nhiều thiết bị, máy tính, máy chủ không thể cùng kết nối vào một mạng LAN.
Tài liệu tham khảo[sửa]
- A. S. Tanenbaum, and D. J. Wetherall (2011). Computer Networks. Pearson 2011.
- W. Stallings. Data and Computer Communications. Pearson 2007.
- W. Stallings. Data and Computer Communications. Pearson 2013;
- Benrouz A. Forouzan. Data Communication and Networking. McGraw-Hill 2012.
- J. F Kurose, K. W Ross. Computer Networking A topdown approach.6th edition. Pearson.2013.
