Phân tích chuyên sâu và so sánh ứng dụng của các phương pháp thu thập dữ liệu lưu lượng mạng TAP và SPAN

Trong các lĩnh vực vận hành và bảo trì mạng, khắc phục sự cố và phân tích an ninh, việc thu thập luồng dữ liệu mạng một cách chính xác và hiệu quả là nền tảng để thực hiện nhiều nhiệm vụ khác nhau. Là hai công nghệ thu thập dữ liệu mạng chính thống, TAP (Test Access Point) và SPAN (Switched Port Analyzer, thường được gọi là phản chiếu cổng) đóng vai trò quan trọng trong các tình huống khác nhau do đặc điểm kỹ thuật riêng biệt của chúng. Hiểu sâu sắc các tính năng, ưu điểm, hạn chế và các tình huống áp dụng của chúng là rất quan trọng đối với các kỹ sư mạng để xây dựng các kế hoạch thu thập dữ liệu hợp lý và nâng cao hiệu quả quản lý mạng.

TAP: Một giải pháp thu thập dữ liệu "không mất mát" toàn diện và trực quan

TAP là một thiết bị phần cứng hoạt động ở lớp vật lý hoặc lớp liên kết dữ liệu. Chức năng cốt lõi của nó là sao chép và thu thập 100% luồng dữ liệu mạng mà không làm ảnh hưởng đến lưu lượng mạng gốc. Bằng cách được kết nối nối tiếp trong một liên kết mạng (ví dụ: giữa một switch và một máy chủ, hoặc giữa một router và một switch), nó sao chép tất cả các gói dữ liệu đi lên và đi xuống qua liên kết đến một cổng giám sát bằng cách sử dụng các phương pháp "tách quang học" hoặc "tách lưu lượng", để xử lý tiếp theo bởi các thiết bị phân tích (chẳng hạn như máy phân tích mạng và Hệ thống phát hiện xâm nhập - IDS).

Các tính năng cốt lõi: Tập trung vào "Tính chính trực" và "Tính ổn định"

1. Thu thập 100% gói dữ liệu mà không có rủi ro mất mát

Đây là ưu điểm nổi bật nhất của TAP. Vì TAP hoạt động ở lớp vật lý và trực tiếp sao chép các tín hiệu điện hoặc quang trong liên kết, nên nó không phụ thuộc vào tài nguyên CPU của bộ chuyển mạch để chuyển tiếp hoặc sao chép gói dữ liệu. Do đó, bất kể lưu lượng mạng đang ở mức cao điểm hay chứa các gói dữ liệu có kích thước lớn (chẳng hạn như Jumbo Frames với giá trị MTU lớn), tất cả các gói dữ liệu đều có thể được thu thập đầy đủ mà không bị mất gói do tài nguyên bộ chuyển mạch không đủ. Tính năng "thu thập không mất dữ liệu" này làm cho nó trở thành giải pháp được ưu tiên cho các trường hợp yêu cầu hỗ trợ dữ liệu chính xác (chẳng hạn như xác định nguyên nhân gốc rễ của lỗi và phân tích hiệu suất mạng cơ bản).

2. Không ảnh hưởng đến hiệu suất mạng ban đầu

Chế độ hoạt động của TAP đảm bảo rằng nó không gây nhiễu cho liên kết mạng gốc. Nó không sửa đổi nội dung, địa chỉ nguồn/đích hoặc thời gian của các gói dữ liệu, cũng không chiếm dụng băng thông cổng, bộ nhớ đệm hoặc tài nguyên xử lý của bộ chuyển mạch. Ngay cả khi thiết bị TAP gặp sự cố (chẳng hạn như mất điện hoặc hư hỏng phần cứng), nó chỉ dẫn đến việc không có dữ liệu được xuất ra từ cổng giám sát, trong khi việc giao tiếp của liên kết mạng gốc vẫn diễn ra bình thường, tránh được nguy cơ gián đoạn mạng do sự cố của thiết bị thu thập dữ liệu.

3. Hỗ trợ các liên kết song công toàn phần và môi trường mạng phức tạp

Các mạng hiện đại chủ yếu sử dụng chế độ truyền thông song công toàn phần (nghĩa là dữ liệu truyền đi và truyền xuống có thể được truyền đồng thời). TAP có thể thu nhận luồng dữ liệu theo cả hai hướng của liên kết song công toàn phần và xuất chúng qua các cổng giám sát độc lập, đảm bảo thiết bị phân tích có thể khôi phục hoàn toàn quá trình truyền thông hai chiều. Ngoài ra, TAP hỗ trợ nhiều tốc độ mạng khác nhau (như 100M, 1G, 10G, 40G, và thậm chí cả 100G) và các loại phương tiện truyền dẫn (cáp xoắn đôi, cáp quang đơn mode, cáp quang đa mode), và có thể thích ứng với môi trường mạng có độ phức tạp khác nhau như trung tâm dữ liệu, mạng trục chính và mạng khuôn viên.

Các kịch bản ứng dụng: Tập trung vào "Phân tích chính xác" và "Giám sát liên kết quan trọng"

1. Khắc phục sự cố mạng và xác định nguyên nhân gốc rễ

Khi các sự cố như mất gói dữ liệu, độ trễ, độ rung hoặc độ trễ ứng dụng xảy ra trong mạng, cần phải khôi phục lại tình trạng khi lỗi xảy ra thông qua một luồng gói dữ liệu hoàn chỉnh. Ví dụ, nếu các hệ thống kinh doanh cốt lõi của doanh nghiệp (như ERP và CRM) gặp phải tình trạng hết thời gian chờ truy cập không liên tục, nhân viên vận hành và bảo trì có thể triển khai một thiết bị TAP giữa máy chủ và bộ chuyển mạch lõi để thu thập tất cả các gói dữ liệu khứ hồi, phân tích xem có các vấn đề như truyền lại TCP, mất gói dữ liệu, độ trễ phân giải DNS hoặc lỗi giao thức lớp ứng dụng hay không, và từ đó nhanh chóng xác định nguyên nhân gốc rễ của lỗi (chẳng hạn như sự cố chất lượng liên kết, phản hồi máy chủ chậm hoặc lỗi cấu hình phần mềm trung gian).

2. Thiết lập đường cơ sở hiệu suất mạng và giám sát sự bất thường

Trong vận hành và bảo trì mạng, việc thiết lập đường cơ sở hiệu suất dưới tải trọng kinh doanh bình thường (như mức sử dụng băng thông trung bình, độ trễ chuyển tiếp gói dữ liệu và tỷ lệ thiết lập kết nối TCP thành công) là nền tảng để giám sát các bất thường. TAP có thể thu thập ổn định dữ liệu toàn dải của các liên kết quan trọng (như giữa các switch lõi và giữa các bộ định tuyến đầu ra và ISP) trong thời gian dài, giúp nhân viên vận hành và bảo trì theo dõi các chỉ số hiệu suất khác nhau và thiết lập mô hình đường cơ sở chính xác. Khi các bất thường tiếp theo xảy ra, chẳng hạn như lưu lượng truy cập tăng đột biến, độ trễ bất thường hoặc các bất thường về giao thức (như yêu cầu ARP bất thường và số lượng lớn gói ICMP), các bất thường có thể được phát hiện nhanh chóng bằng cách so sánh với đường cơ sở và có thể can thiệp kịp thời.

3. Kiểm toán tuân thủ và phát hiện mối đe dọa với các yêu cầu bảo mật cao

Đối với các ngành có yêu cầu cao về bảo mật dữ liệu và tuân thủ quy định như tài chính, chính phủ và năng lượng, việc thực hiện kiểm toán toàn diện quy trình truyền tải dữ liệu nhạy cảm hoặc phát hiện chính xác các mối đe dọa mạng tiềm ẩn (như tấn công APT, rò rỉ dữ liệu và phát tán mã độc) là rất cần thiết. Tính năng thu thập không mất dữ liệu của TAP đảm bảo tính toàn vẹn và chính xác của dữ liệu kiểm toán, đáp ứng các yêu cầu của luật và quy định như "Luật An ninh mạng" và "Luật An ninh dữ liệu" về lưu trữ và kiểm toán dữ liệu; đồng thời, các gói dữ liệu dung lượng lớn cũng cung cấp các mẫu phân tích phong phú cho các hệ thống phát hiện mối đe dọa (như IDS/IPS và thiết bị hộp cát), giúp phát hiện các mối đe dọa tần suất thấp và ẩn giấu trong lưu lượng truy cập thông thường (như mã độc trong lưu lượng truy cập được mã hóa và các cuộc tấn công xâm nhập được ngụy trang dưới dạng hoạt động kinh doanh bình thường).

Hạn chế: Sự đánh đổi giữa chi phí và tính linh hoạt trong triển khai

Những hạn chế chính của TAP nằm ở chi phí phần cứng cao và tính linh hoạt triển khai thấp. Một mặt, TAP là một thiết bị phần cứng chuyên dụng, và đặc biệt, các TAP hỗ trợ tốc độ cao (như 40G và 100G) hoặc phương tiện cáp quang đắt hơn nhiều so với chức năng SPAN dựa trên phần mềm; mặt khác, TAP cần được kết nối nối tiếp trong liên kết mạng ban đầu, và liên kết cần phải bị gián đoạn tạm thời trong quá trình triển khai (chẳng hạn như cắm và rút cáp mạng hoặc cáp quang). Đối với một số liên kết lõi không cho phép gián đoạn (chẳng hạn như các liên kết giao dịch tài chính hoạt động 24/7), việc triển khai rất khó khăn, và các điểm truy cập TAP thường cần được đặt trước trong giai đoạn lập kế hoạch mạng.

SPAN: Giải pháp tổng hợp dữ liệu "đa cổng" tiết kiệm chi phí và linh hoạt

SPAN là một chức năng phần mềm được tích hợp sẵn trong các thiết bị chuyển mạch (một số bộ định tuyến cao cấp cũng hỗ trợ chức năng này). Nguyên tắc của nó là cấu hình thiết bị chuyển mạch bên trong để sao chép lưu lượng truy cập từ một hoặc nhiều cổng nguồn (Cổng nguồn) hoặc VLAN nguồn đến một cổng giám sát được chỉ định (Cổng đích, còn được gọi là cổng phản chiếu) để thiết bị phân tích tiếp nhận và xử lý. Không giống như TAP, SPAN không yêu cầu thiết bị phần cứng bổ sung và có thể thu thập dữ liệu chỉ bằng cách dựa vào cấu hình phần mềm của thiết bị chuyển mạch.

Các tính năng cốt lõi: Tập trung vào "Hiệu quả chi phí" và "Tính linh hoạt"

1. Không tốn thêm chi phí phần cứng và triển khai thuận tiện

Vì SPAN là chức năng được tích hợp sẵn trong phần mềm của switch, nên không cần phải mua các thiết bị phần cứng chuyên dụng. Việc thu thập dữ liệu có thể được kích hoạt nhanh chóng chỉ bằng cách cấu hình thông qua giao diện dòng lệnh (CLI) hoặc giao diện quản lý web (chẳng hạn như chỉ định cổng nguồn, cổng giám sát và hướng phản chiếu (vào, ra hoặc hai chiều)). Tính năng "không tốn chi phí phần cứng" này làm cho nó trở thành lựa chọn lý tưởng cho các trường hợp có ngân sách hạn chế hoặc nhu cầu giám sát tạm thời (chẳng hạn như thử nghiệm ứng dụng ngắn hạn và khắc phục sự cố tạm thời).

2. Hỗ trợ tổng hợp lưu lượng truy cập đa cổng/đa VLAN

Một ưu điểm chính của SPAN là khả năng sao chép lưu lượng truy cập từ nhiều cổng nguồn (chẳng hạn như cổng người dùng của nhiều switch lớp truy cập) hoặc nhiều VLAN đến cùng một cổng giám sát cùng một lúc. Ví dụ, nếu nhân viên vận hành và bảo trì doanh nghiệp cần giám sát lưu lượng truy cập Internet của các thiết bị đầu cuối của nhân viên ở nhiều phòng ban (tương ứng với các VLAN khác nhau), thì không cần phải triển khai các thiết bị thu thập riêng biệt ở đầu ra của mỗi VLAN. Bằng cách tổng hợp lưu lượng truy cập của các VLAN này đến một cổng giám sát thông qua SPAN, việc phân tích tập trung có thể được thực hiện, giúp cải thiện đáng kể tính linh hoạt và hiệu quả của việc thu thập dữ liệu.

3. Không cần làm gián đoạn kết nối mạng ban đầu

Khác với cách triển khai nối tiếp của TAP, cả cổng nguồn và cổng giám sát của SPAN đều là các cổng thông thường của switch. Trong quá trình cấu hình, không cần phải cắm và rút cáp mạng của liên kết hiện có, và không ảnh hưởng đến việc truyền tải lưu lượng mạng hiện tại. Ngay cả khi cần điều chỉnh cổng nguồn hoặc tắt chức năng SPAN sau này, chỉ cần sửa đổi cấu hình thông qua dòng lệnh, rất thuận tiện khi thao tác và không gây nhiễu cho các dịch vụ mạng.

Các kịch bản ứng dụng: Tập trung vào "Giám sát chi phí thấp" và "Phân tích tập trung"

1. Giám sát hành vi người dùng trong mạng lưới khuôn viên trường/mạng lưới doanh nghiệp

Trong mạng lưới khuôn viên trường hoặc mạng lưới doanh nghiệp, các quản trị viên thường cần giám sát xem các thiết bị đầu cuối của nhân viên có truy cập bất hợp pháp hay không (chẳng hạn như truy cập các trang web bất hợp pháp và tải xuống phần mềm lậu) và liệu có nhiều lượt tải xuống P2P hoặc luồng video chiếm dụng băng thông hay không. Bằng cách tổng hợp lưu lượng truy cập của các cổng người dùng của các bộ chuyển mạch lớp truy cập đến cổng giám sát thông qua SPAN, kết hợp với phần mềm phân tích lưu lượng (như Wireshark và NetFlow Analyzer), việc giám sát hành vi người dùng và thống kê mức độ chiếm dụng băng thông theo thời gian thực có thể được thực hiện mà không cần đầu tư phần cứng bổ sung.

2. Khắc phục sự cố tạm thời và kiểm thử ứng dụng ngắn hạn

Khi xảy ra các sự cố tạm thời và không thường xuyên trong mạng, hoặc khi cần tiến hành kiểm tra lưu lượng truy cập trên một ứng dụng mới được triển khai (chẳng hạn như hệ thống OA nội bộ và hệ thống hội nghị truyền hình), SPAN có thể được sử dụng để nhanh chóng xây dựng môi trường thu thập dữ liệu. Ví dụ, nếu một bộ phận báo cáo tình trạng gián đoạn thường xuyên trong các cuộc hội nghị truyền hình, nhân viên vận hành và bảo trì có thể tạm thời cấu hình SPAN để sao chép lưu lượng truy cập của cổng nơi đặt máy chủ hội nghị truyền hình sang cổng giám sát. Bằng cách phân tích độ trễ gói dữ liệu, tỷ lệ mất gói và mức độ sử dụng băng thông, có thể xác định xem lỗi là do băng thông mạng không đủ hay do mất gói dữ liệu. Sau khi khắc phục sự cố hoàn tất, cấu hình SPAN có thể được tắt mà không ảnh hưởng đến các hoạt động mạng tiếp theo.

3. Thống kê lưu lượng truy cập và kiểm toán đơn giản trong các mạng quy mô nhỏ và vừa

Đối với các mạng quy mô nhỏ và vừa (như các doanh nghiệp nhỏ và phòng thí nghiệm trong khuôn viên trường), nếu yêu cầu về tính toàn vẹn của việc thu thập dữ liệu không cao, và chỉ cần thống kê lưu lượng đơn giản (như mức sử dụng băng thông của từng cổng và tỷ lệ lưu lượng của các ứng dụng Top N) hoặc kiểm toán tuân thủ cơ bản (như ghi lại tên miền trang web mà người dùng truy cập), thì SPAN có thể đáp ứng đầy đủ các nhu cầu đó. Chi phí thấp và tính năng dễ triển khai của nó làm cho nó trở thành một lựa chọn tiết kiệm chi phí cho các trường hợp như vậy.

Hạn chế: Những thiếu sót về tính toàn vẹn dữ liệu và tác động đến hiệu năng

1. Rủi ro mất gói dữ liệu và thu thập dữ liệu không đầy đủ

Việc sao chép các gói dữ liệu bằng SPAN phụ thuộc vào tài nguyên CPU và bộ nhớ cache của switch. Khi lưu lượng truy cập của cổng nguồn đạt đỉnh (ví dụ như vượt quá dung lượng bộ nhớ cache của switch) hoặc switch đang xử lý một lượng lớn tác vụ chuyển tiếp cùng lúc, CPU sẽ ưu tiên đảm bảo việc chuyển tiếp lưu lượng truy cập ban đầu và giảm hoặc tạm dừng việc sao chép lưu lượng SPAN, dẫn đến mất gói tại cổng giám sát. Ngoài ra, một số switch có những hạn chế về tỷ lệ sao chép của SPAN (ví dụ như chỉ hỗ trợ sao chép 80% lưu lượng) hoặc không hỗ trợ sao chép hoàn toàn các gói dữ liệu có kích thước lớn (ví dụ như Jumbo Frames). Tất cả những điều này sẽ dẫn đến dữ liệu thu thập không đầy đủ và ảnh hưởng đến độ chính xác của kết quả phân tích tiếp theo.

2. Việc chiếm dụng tài nguyên của thiết bị chuyển mạch và tác động tiềm tàng đến hiệu suất mạng

Mặc dù SPAN không trực tiếp làm gián đoạn liên kết gốc, nhưng khi số lượng cổng nguồn lớn hoặc lưu lượng truy cập cao, quá trình sao chép gói dữ liệu sẽ chiếm dụng tài nguyên CPU và băng thông nội bộ của switch. Ví dụ, nếu lưu lượng truy cập của nhiều cổng 10G được sao chép sang một cổng giám sát 10G, khi tổng lưu lượng truy cập của các cổng nguồn vượt quá 10G, cổng giám sát không chỉ bị mất gói do băng thông không đủ mà mức sử dụng CPU của switch cũng có thể tăng lên đáng kể, từ đó ảnh hưởng đến hiệu quả chuyển tiếp gói dữ liệu của các cổng khác và thậm chí gây suy giảm hiệu suất tổng thể của switch.

3. Chức năng phụ thuộc vào kiểu máy chuyển mạch và khả năng tương thích hạn chế

Mức độ hỗ trợ chức năng SPAN rất khác nhau giữa các thiết bị chuyển mạch của các nhà sản xuất và kiểu máy khác nhau. Ví dụ, các thiết bị chuyển mạch cấp thấp có thể chỉ hỗ trợ một cổng giám sát duy nhất và không hỗ trợ phản chiếu VLAN hoặc phản chiếu lưu lượng song công; chức năng SPAN của một số thiết bị chuyển mạch có hạn chế "phản chiếu một chiều" (nghĩa là chỉ phản chiếu lưu lượng vào hoặc ra, và không thể phản chiếu lưu lượng hai chiều cùng một lúc); ngoài ra, SPAN giữa các thiết bị chuyển mạch (chẳng hạn như phản chiếu lưu lượng cổng của thiết bị chuyển mạch A đến cổng giám sát của thiết bị chuyển mạch B) cần dựa vào các giao thức cụ thể (như RSPAN của Cisco và ERSPAN của Huawei), có cấu hình phức tạp và khả năng tương thích thấp, khó thích ứng với môi trường mạng hỗn hợp của nhiều nhà sản xuất.

So sánh những điểm khác biệt cốt lõi và gợi ý lựa chọn giữa TAP và SPAN.

So sánh sự khác biệt cốt lõi

Để làm rõ hơn sự khác biệt giữa hai loại này, chúng tôi so sánh chúng dựa trên các khía cạnh về đặc tính kỹ thuật, tác động đến hiệu suất, chi phí và các trường hợp áp dụng:

Gợi ý lựa chọn: "Ghép nối chính xác" dựa trên yêu cầu của kịch bản.

1. Các trường hợp nên sử dụng TAP

○Giám sát các liên kết kinh doanh cốt lõi (chẳng hạn như các thiết bị chuyển mạch lõi trung tâm dữ liệu và các liên kết bộ định tuyến đầu ra), đòi hỏi phải đảm bảo tính toàn vẹn của việc thu thập dữ liệu;

○Xác định nguyên nhân gốc rễ của lỗi mạng (chẳng hạn như truyền lại TCP và độ trễ ứng dụng), đòi hỏi phân tích chính xác dựa trên toàn bộ gói dữ liệu;

○Các ngành có yêu cầu cao về bảo mật và tuân thủ (tài chính, chính phủ, năng lượng), đòi hỏi phải đáp ứng tính toàn vẹn và không được giả mạo dữ liệu kiểm toán;

○Môi trường mạng tốc độ cao (10G trở lên) hoặc các kịch bản với các gói dữ liệu có kích thước lớn, yêu cầu tránh mất gói trong SPAN.

2. Các trường hợp nên sử dụng SPAN

○Các mạng quy mô nhỏ và trung bình với ngân sách hạn chế, hoặc các trường hợp chỉ yêu cầu thống kê lưu lượng đơn giản (như mức độ sử dụng băng thông và các ứng dụng hàng đầu);

○Khắc phục sự cố tạm thời hoặc kiểm thử ứng dụng ngắn hạn (chẳng hạn như kiểm thử khởi chạy hệ thống mới), yêu cầu triển khai nhanh chóng mà không chiếm dụng tài nguyên lâu dài;

○Giám sát tập trung nhiều cổng nguồn/nhiều VLAN (chẳng hạn như giám sát hành vi người dùng mạng trong khuôn viên trường), đòi hỏi khả năng tổng hợp lưu lượng linh hoạt;

○Giám sát các liên kết không thuộc lõi (chẳng hạn như các cổng người dùng của các bộ chuyển mạch lớp truy cập), với yêu cầu thấp về tính toàn vẹn của việc thu thập dữ liệu.

3. Các kịch bản sử dụng kết hợp

Trong một số môi trường mạng phức tạp, phương pháp triển khai kết hợp "TAP + SPAN" cũng có thể được áp dụng. Ví dụ, triển khai TAP trên các liên kết lõi của trung tâm dữ liệu để đảm bảo thu thập toàn bộ dữ liệu phục vụ cho việc khắc phục sự cố và kiểm tra an ninh; cấu hình SPAN trên các thiết bị chuyển mạch lớp truy cập hoặc lớp tổng hợp để tổng hợp lưu lượng người dùng phân tán nhằm phân tích hành vi và thống kê băng thông. Điều này không chỉ đáp ứng nhu cầu giám sát chính xác các liên kết quan trọng mà còn giảm chi phí triển khai tổng thể.

Vì vậy, với tư cách là hai công nghệ cốt lõi để thu thập dữ liệu mạng, TAP và SPAN không có "ưu điểm hay nhược điểm" tuyệt đối mà chỉ có "sự khác biệt trong việc thích ứng với các kịch bản". TAP tập trung vào "thu thập không mất dữ liệu" và "độ tin cậy ổn định", phù hợp với các kịch bản quan trọng có yêu cầu cao về tính toàn vẹn dữ liệu và ổn định mạng, nhưng có chi phí cao và tính linh hoạt triển khai thấp; SPAN có ưu điểm là "chi phí bằng không" và "linh hoạt và tiện lợi", phù hợp với các kịch bản chi phí thấp, tạm thời hoặc không cốt lõi, nhưng có rủi ro mất dữ liệu và ảnh hưởng đến hiệu suất.

Trong vận hành và bảo trì mạng thực tế, các kỹ sư mạng cần lựa chọn giải pháp kỹ thuật phù hợp nhất dựa trên nhu cầu kinh doanh của họ (chẳng hạn như đó có phải là liên kết cốt lõi hay không và có cần phân tích chính xác hay không), chi phí ngân sách, quy mô mạng và các yêu cầu tuân thủ. Đồng thời, với sự cải thiện tốc độ mạng (như 25G, 100G và 400G) và việc nâng cao các yêu cầu về an ninh mạng, công nghệ TAP cũng không ngừng phát triển (chẳng hạn như hỗ trợ phân chia lưu lượng thông minh và tổng hợp đa cổng), và các nhà sản xuất thiết bị chuyển mạch cũng liên tục tối ưu hóa chức năng SPAN (chẳng hạn như cải thiện dung lượng bộ nhớ đệm và hỗ trợ sao chép không mất dữ liệu). Trong tương lai, hai công nghệ này sẽ tiếp tục phát huy vai trò của mình trong các lĩnh vực tương ứng và cung cấp hỗ trợ dữ liệu hiệu quả và chính xác hơn cho việc quản lý mạng.