MAC Address là gì? MAC Address hoạt động như thế nào?

MAC Address là gì? MAC Address là địa chỉ được sử dụng ở tầng liên kết dữ liệu để nhận diện một giao diện mạng trong mạng Ethernet. Mỗi Ethernet Frame đều chứa địa chỉ MAC nguồn và MAC đích, giúp Switch xác định Frame cần được chuyển đến đâu.

Trong bài viết này, chúng ta sẽ tìm hiểu MAC Address hoạt động như thế nào, MAC Address có cấu trúc ra sao, Switch học MAC Address như thế nào và quá trình này diễn ra thế nào trong một mạng Ethernet thông thường cũng như mạng Ethernet công nghiệp.

Mục lục

1. MAC Address là gì?
2. Cấu trúc của MAC Address
3. MAC Address nằm ở đâu trong Ethernet Frame?
4. Switch sử dụng MAC Address như thế nào?
5. MAC Address và ARP có liên quan gì?
6. MAC Address trong mạng Ethernet công nghiệp
7. MAC Address khác IP Address như thế nào?
8. Kết luận

1. MAC Address là gì?

MAC Address (Media Access Control Address) là một địa chỉ được sử dụng để nhận diện một giao diện mạng ở tầng liên kết dữ liệu (Data Link Layer).

Trong mạng Ethernet, dữ liệu được truyền dưới dạng Ethernet Frame. Mỗi Frame chứa hai địa chỉ MAC quan trọng:

• Source MAC Address: địa chỉ MAC của thiết bị gửi Frame.
• Destination MAC Address: địa chỉ MAC của thiết bị nhận Frame.

Có thể hình dung đơn giản: nếu IP Address giống như địa chỉ được sử dụng để xác định thiết bị trong mạng IP, thì MAC Address là thông tin nhận diện giao diện mạng được Ethernet sử dụng khi truyền Frame trong mạng LAN.

Ví dụ, một thiết bị Ethernet có thể có MAC Address:

00:1A:2B:3C:4D:5E

MAC Address thường được gắn với network interface, chẳng hạn card mạng Ethernet hoặc một cổng mạng Ethernet. Vì vậy, một thiết bị có nhiều giao diện mạng có thể có nhiều MAC Address. Có thể hiểu là: IP giống như địa chỉ nơi bạn cần gửi hàng; MAC giống như mã nhận diện của người/cửa nhận hàng tại địa chỉ đó. Tuy nhiên, đây chỉ là cách ví von để dễ hình dung. Về kỹ thuật, MAC Address là địa chỉ của network interface ở tầng Data Link, còn IP Address là địa chỉ logic ở tầng Network

2. Cấu trúc của MAC Address

2.1. MAC Address có bao nhiêu bit?

MAC Address Ethernet thông dụng có độ dài 48 bit, tương đương 6 byte. Địa chỉ thường được biểu diễn dưới dạng 6 nhóm số hệ thập lục phân (hexadecimal).

00:1A:2B:3C:4D:5E

Mỗi nhóm gồm 2 ký tự hexadecimal và đại diện cho 1 byte. Vì vậy:

6 byte × 8 bit = 48 bit

2.2. Phần đầu và phần cuối của MAC Address

Trong cách tổ chức MAC Address truyền thống, 24 bit đầu thường liên quan đến OUI (Organizationally Unique Identifier), được IEEE cấp cho tổ chức hoặc nhà sản xuất. Phần còn lại được nhà sản xuất sử dụng để phân biệt các giao diện mạng.

Ví dụ minh họa:

00:1A:2B : 3C:4D:5E

 24 bit đầu         24 bit còn lại

Tuy nhiên, không nên hiểu rằng mọi MAC Address hiện nay đều nhất thiết được cấp và sử dụng theo cách này. MAC Address có thể được quản lý hoặc cấu hình theo nhiều cơ chế khác nhau, đặc biệt trong các hệ thống ảo hóa và một số thiết bị mạng.

2.3. Unicast, Multicast và Broadcast MAC Address

Không phải mọi MAC Address đều đại diện cho một thiết bị nhận duy nhất. Ở mức cơ bản, có thể phân biệt:

• Unicast: Frame hướng đến một giao diện mạng cụ thể.
• Multicast: Frame được gửi đến một nhóm thiết bị.
• Broadcast: Frame được gửi đến tất cả các thiết bị trong cùng broadcast domain.

Địa chỉ Broadcast Ethernet đặc biệt là:

FF:FF:FF:FF:FF:FF

3. MAC Address nằm ở đâu trong Ethernet Frame?

Trong phần Header của Ethernet Frame có hai trường quan trọng là Destination MAC Address và Source MAC Address.

| Destination MAC | Source MAC | EtherType/Length | Data | FCS |

Giả sử một PLC có MAC Address là 00:11:22:33:44:55 muốn gửi Frame đến Remote I/O có MAC Address là 00:AA:BB:CC:DD:EE.

Source MAC              Destination MAC
00:11:22:33:44:55        00:AA:BB:CC:DD:EE

Khi Frame đi qua Switch, Switch sẽ đọc các địa chỉ MAC này để quyết định Frame cần được chuyển tiếp qua cổng nào.

4. Switch sử dụng MAC Address như thế nào?

4.1. Switch học MAC Address

Một trong những chức năng quan trọng nhất của Ethernet Switch là xây dựng MAC Address Table. Bảng này cho biết một MAC Address đang được nhìn thấy ở cổng nào của Switch.

MAC Address               Port
00:11:22:33:44:55           Port 1
00:AA:BB:CC:DD:EE           Port 2

Ví dụ có mô hình:

PLC A ── Port 1 [Switch] Port 2 ── Remote I/O B

Khi PLC A gửi một Ethernet Frame, Switch nhìn vào Source MAC Address của Frame và biết rằng MAC Address của PLC A đang nằm ở Port 1. Switch ghi thông tin đó vào MAC Address Table.

4.2. Switch chuyển Frame dựa trên Destination MAC

Sau khi đã học được MAC Address của các thiết bị, Switch có thể sử dụng Destination MAC Address để chuyển Frame đến đúng cổng.

Ví dụ:

1. PLC A gửi Frame vào Port 1.
2. Switch đọc Source MAC và học rằng MAC của PLC A nằm ở Port 1.
3. Switch đọc Destination MAC của Frame.
4. Nếu MAC đích đã có trong MAC Address Table, Switch chuyển Frame đến đúng Port tương ứng.
5. Thiết bị đích nhận Frame và xử lý dữ liệu.

Đây chính là lý do Switch Ethernet có thể giảm lượng lưu lượng không cần thiết so với một Hub truyền thống.

4.3. Nếu Switch chưa biết MAC Address đích thì sao?

Nếu Switch nhận một Frame nhưng chưa biết Destination MAC Address nằm ở cổng nào, Switch có thể flood Frame ra các cổng phù hợp khác trong cùng VLAN, ngoại trừ cổng nhận Frame.

Khi thiết bị đích phản hồi, Switch có thể học MAC Address của thiết bị đó và cập nhật MAC Address Table.

Như vậy, có thể hình dung quá trình hoạt động của Switch bằng ba từ:

Học MAC → Tra cứu MAC → Chuyển Frame

5. MAC Address và ARP có liên quan gì?

Khi tìm hiểu Ethernet, chúng ta thường gặp cả IP Address và MAC Address. Hai loại địa chỉ này có chức năng khác nhau nhưng phối hợp với nhau trong quá trình truyền dữ liệu.

Ví dụ một PLC có:

• IP Address: 192.168.1.10
• MAC Address: 00:11:22:33:44:55

Nếu PLC cần gửi dữ liệu đến một thiết bị trong cùng mạng LAN, nó có thể cần biết MAC Address tương ứng với IP Address đích. Trong IPv4, ARP (Address Resolution Protocol) được sử dụng để tìm MAC Address tương ứng với một IP Address trong cùng mạng.

IP Address ── ARP ──> MAC Address ──> Ethernet Frame

Do đó, có thể hiểu đơn giản: IP giúp xác định địa chỉ logic của thiết bị, còn MAC Address được Ethernet sử dụng để chuyển Frame trong mạng LAN.

6. MAC Address trong mạng Ethernet công nghiệp

Trong hệ thống tự động hóa công nghiệp, MAC Address xuất hiện ở hầu hết các thiết bị có kết nối Ethernet như PLC, HMI, Industrial Ethernet Switch, Remote I/O, IPC, gateway, server SCADA và các bộ chuyển đổi giao tiếp Ethernet.

Ví dụ một hệ thống có:

PLC ── Industrial Switch ── Remote I/O
192.168.1.10                192.168.1.20

Khi PLC trao đổi dữ liệu với Remote I/O, quá trình truyền trên Ethernet vẫn sử dụng Ethernet Frame. Frame chứa MAC Address nguồn và MAC Address đích, trong khi phần dữ liệu bên trong có thể chứa các giao thức cấp cao hơn như Modbus TCP, EtherNet/IP, PROFINET hoặc các giao thức Ethernet công nghiệp khác.

Điều này cho thấy MAC Address không phải là giao thức truyền thông công nghiệp. Nó là một thành phần cơ bản của cơ chế Ethernet và nằm bên dưới nhiều giao thức công nghiệp sử dụng Ethernet.

Thay thiết bị Ethernet có làm thay đổi MAC Address không?

Thông thường, khi thay một thiết bị Ethernet bằng một thiết bị khác, MAC Address của giao diện mạng cũng sẽ thay đổi. IP Address có thể được cấu hình giống thiết bị cũ, nhưng MAC Address thường là địa chỉ khác.

Trong mạng thông thường, điều này không nhất thiết gây ra vấn đề. Tuy nhiên, một số hệ thống có thể sử dụng MAC Address cho các chức năng như kiểm soát truy cập, DHCP reservation hoặc các cơ chế nhận diện thiết bị. Khi đó cần kiểm tra cấu hình trước khi thay thế thiết bị.

7. MAC Address khác IP Address như thế nào?

Một cách ghi nhớ đơn giản là:

IP Address → địa chỉ logic
MAC Address → địa chỉ sử dụng ở tầng Ethernet

Tuy nhiên, không nên hiểu rằng MAC Address chỉ được sử dụng trong một phạm vi mạng duy nhất hoặc luôn luôn là một giá trị phần cứng không thể thay đổi. Trong thực tế, MAC Address có thể được thay đổi hoặc giả lập bằng phần mềm trong một số trường hợp.

8. Kết luận

MAC Address là một thành phần nền tảng của mạng Ethernet. Mỗi Ethernet Frame sử dụng Source MAC Address và Destination MAC Address để xác định nguồn và đích ở tầng liên kết dữ liệu.

Trong mạng LAN, Switch học MAC Address của các thiết bị, lưu chúng trong MAC Address Table và dựa vào bảng này để chuyển Ethernet Frame đến đúng cổng. Nếu chưa biết MAC Address đích, Switch có thể Flood Frame để tìm thiết bị đích và sau đó học thông tin từ các Frame tiếp theo.

Khi kết hợp với IP Address và ARP, MAC Address trở thành một phần quan trọng trong quá trình truyền dữ liệu qua mạng Ethernet. Đây cũng là kiến thức nền tảng để tiếp tục tìm hiểu các chủ đề như Switch Ethernet, MAC Address Table, ARP, VLAN, Ethernet Frame và Ethernet công nghiệp.

Tóm tắt:
MAC Address nhận diện giao diện mạng ở tầng Ethernet → Ethernet Frame chứa MAC nguồn và MAC đích → Switch học MAC Address → Switch tra cứu MAC Address Table → Frame được chuyển đến đúng cổng.