Ethernet আর switch — MAC ঠিকানা, frame আর spanning tree

১ · Ethernet-এর গল্প — একটি ল্যাবের তার থেকে ৮০০ Gb/s

অফিসের ডেস্কের নিচের নীল তার, বাসার router-এর পেছনের port, ঢাকার কোনো data center-এর হাজার হাজার সার্ভার — সবখানে একই প্রযুক্তি: Ethernet. পর্ব ০৩-এ আপনি Ethernet frame-এর hex পড়েছেন, আর পর্ব ০২-এ hub আর switch-এর নাম শুনেছেন। এবার ভেতরে ঢোকার পালা: frame-এর প্রতিটি ঘর কেন আছে, MAC ঠিকানার বিটগুলো কী বলে, আর switch কীভাবে কাউকে কিছু না জিজ্ঞেস করে নিজে নিজে শিখে নেয় কে কোথায় বসে আছে।

Ethernet-এর আসল জাদু হলো এটি নিজেকে বারবার বদলেছে, কিন্তু ওপরের স্তরের কাছে একই চেহারা রেখেছে। মোটা coax থেকে পাতলা coax, তারপর twisted pair আর hub, তারপর switch আর full-duplex, তারপর fiber — প্রতিবারই frame-এর ফর্ম্যাট মোটামুটি একই থেকেছে। তাই ১৯৯০ সালের একটি IP stack আজকের ১০০ Gb/s কার্ডেও কাজ করে। মানের নামগুলো পড়তে শিখুন:

প্রতিটি গতির জন্য তামা আর fiber-এর আলাদা আলাদা মান ও সংশোধনী আছে (802.3u, 802.3ab, 802.3ae…), তাই সালগুলো মোটা দাগে মনে রাখুন: ১০ Mb/s (১৯৮০-র দশক) → ১০০ Mb/s (১৯৯০-এর মাঝামাঝি) → ১ Gb/s (১৯৯০-এর শেষ) → ১০ Gb/s (২০০০-এর দশকের শুরু) → ৪০/১০০ Gb/s (২০১০ নাগাদ) → ২০০/৪০০ Gb/s (২০১০-এর দশকের শেষ) → ৮০০ Gb/s (২০২০-এর দশক)। তার আর fiber-এর ভেতরের সংকেতের কথা পর্ব ০৭–০৮-এ।

২ · Ethernet II frame — প্রতিটি ঘর কেন আছে

একটি frame-কে কুরিয়ারের পার্সেলের মতো ভাবুন। ওপরে প্রাপকের ঠিকানা, তারপর প্রেরকের ঠিকানা, তারপর একটি লেবেল “ভেতরে কী” — “ভঙ্গুর: কাচ” বা “বই”। তারপর আসল জিনিস। আর শেষে একটি সিল, যেটি ছেঁড়া থাকলে বোঝা যায় পথে কিছু হয়েছে। Ethernet II frame-এর গঠন ঠিক এমন:

 ┌──────────┬─────┬─────────┬─────────┬──────────┬──────────────┬─────┐
 │ Preamble │ SFD │ Dst MAC │ Src MAC │EtherType │   Payload    │ FCS │
 │  7 বাইট  │  1  │    6    │    6    │    2     │  46 – 1500   │  4  │
 └──────────┴─────┴─────────┴─────────┴──────────┴──────────────┴─────┘
 └─ তারের জন্য ─┘ └──────────────── frame: 64 থেকে 1518 বাইট ─────────────┘

• Preamble (৭ বাইট) আর SFD (১ বাইট): প্রথম ৭ বাইট 10101010 নকশা, যা শুনে প্রাপকের ঘড়ি প্রেরকের ছন্দের সাথে মিলে যায়। তারপর SFD (start frame delimiter) 10101011 — শেষের “11” মানে “এবার আসল frame শুরু”। এগুলো physical স্তরের অংশ; Wireshark-এ সাধারণত দেখা যায় না, আর frame-এর আকারেও ধরা হয় না।
• Destination MAC (৬ বাইট): প্রথমে গন্তব্য — যাতে switch বা NIC প্রথম কয়েকটি বাইট পড়েই সিদ্ধান্ত নিতে পারে, “এটি আমার কি না” বা “কোন port-এ যাবে”। এই ক্রমের সুবিধা অংশ ৬-এর cut-through-এ দেখবেন।
• Source MAC (৬ বাইট): প্রেরকের ঠিকানা — switch এটি দেখেই শেখে (অংশ ৫)।
• EtherType (২ বাইট): ভেতরে কোন protocol — 0x0800 IPv4, 0x86DD IPv6, 0x0806 ARP (পর্ব ১৮), 0x8100 মানে একটি VLAN tag বসানো আছে (পর্ব ১৩)।
• Payload (৪৬–১৫০০ বাইট): ওপরের স্তরের packet. ১৫০০-ই Ethernet-এর MTU. ৪৬-এর কম হলে NIC শেষে শূন্য দিয়ে padding বসায়।
• FCS (৪ বাইট): পুরো frame-এর (গন্তব্য থেকে payload পর্যন্ত) CRC-32. প্রাপক নিজে হিসাব করে মেলায়; না মিললে frame নীরবে ফেলে দেয় — কোনো খবর পাঠায় না। CRC কীভাবে হিসাব হয়, পর্ব ০৯-এ।

EtherType না length — একই দুই বাইটের দুই মানে

এখানে একটি ঐতিহাসিক জট আছে, যা পরীক্ষায় প্রায়ই আসে। DIX-এর Ethernet II-তে এই দুই বাইট ছিল type. কিন্তু IEEE-র প্রথম 802.3 মানে একই জায়গায় রাখা হয়েছিল payload-এর length, আর ভেতরের protocol চেনানোর দায় দেওয়া হয়েছিল payload-এর শুরুর একটি ছোট 802.2 LLC header-কে। দুই ধরনের frame একই তারে চলবে কীভাবে? সমাধানটি সুন্দর: payload কখনো ১৫০০-র বেশি হয় না, তাই নিয়ম করা হলো —

সব EtherType ইচ্ছে করেই 0x0600-এর ওপরে, তাই কোনো সংঘাত নেই; পরে IEEE নিজেও type-ব্যাখ্যা মেনে নেয় (১৯৯৭ সালের একটি সংশোধনীতে বলে জানা যায়)। আজ IP, ARP, IPv6 — প্রায় সব traffic Ethernet II ফর্ম্যাটে; LLC-ধাঁচের frame দেখবেন কিছু বিশেষ protocol-এ, যেমন ক্লাসিক STP-র বার্তায়।

৬৪ আর ১৫১৮ — দুই সীমার হিসাব

• সর্বনিম্ন: ৬ + ৬ + ২ + ৪৬ + ৪ = ৬৪ বাইট = ৫১২ বিট। কেন ৫১২ বিট? শেয়ার করা তারে collision ধরতে হলে প্রেরককে frame পাঠানো শেষ করার আগেই সবচেয়ে দূরের সংঘর্ষের খবর ফিরে আসতে হবে — ১০ Mb/s Ethernet-এর সর্বোচ্চ দৈর্ঘ্য আর repeater-এর দেরি মিলিয়ে সেই round-trip সময় ধরা হয়েছিল ৫১২ বিট-সময় (slot time). পুরো প্রমাণ পর্ব ১১-এ।
• সর্বোচ্চ: ৬ + ৬ + ২ + ১৫০০ + ৪ = ১৫১৮ বাইট. একটি 802.1Q VLAN tag (৪ বাইট) থাকলে ১৫২২.
• তারের প্রতিটি frame-এর বাড়তি খরচ: preamble আর SFD ৮ বাইট, আর পরের frame-এর আগে ১২ বাইট সময়ের নীরবতা (inter-frame gap, ৯৬ বিট-সময়)। তাই সবচেয়ে ছোট frame-ও তারে ৬৪ + ২০ = ৮৪ বাইটের সময় নেয়।

Jumbo frame

১৫০০ বাইটের MTU এসেছে ১৯৮০-র দশকের দামি মেমরির যুগ থেকে। আজকের data center-এ অনেকে jumbo frame চালু করেন — সাধারণত ৯০০০ বাইটের মতো MTU. লাভ দুটি: header-এর ভাগ কমে, আর CPU-কে অনেক কম frame সামলাতে হয়। হিসাব করুন — TCP/IPv4-এ ১৫০০ MTU-তে প্রতি frame-এ ডেটা ১৪৬০ বাইট, তারের সময় ধরে efficiency ১৪৬০ ÷ ১৫৩৮ ≈ ৯৪.৯৩%; ৯০০০ MTU-তে ডেটা ৮৯৬০, তারে ৯০৩৮ বাইট, efficiency ≈ ৯৯.১৪%. কিন্তু সাবধান: jumbo frame IEEE 802.3-এর আনুষ্ঠানিক মানের অংশ নয়, আকারও vendor-ভেদে আলাদা হতে পারে। পথের প্রতিটি যন্ত্রকে একই বড় MTU সমর্থন করতে হয়; একটিও না করলে বড় frame নীরবে হারায় আর সমস্যা খুঁজতে দিন চলে যায়। তাই সাধারণত শুধু নিয়ন্ত্রিত নেটওয়ার্কে (storage, data center-এর ভেতর) ব্যবহার হয়, ইন্টারনেটে নয়।

৩ · MAC ঠিকানা — ৪৮ বিটের পরিচয়পত্র

একটি MAC address ৪৮ বিট, অর্থাৎ ৬ বাইট, লেখা হয় ১২টি hex অঙ্কে: 00:00:5e:00:53:01 (Linux আর macOS-এর ধরন), 00-00-5E-00-53-01 (Windows), বা 0000.5e00.5301 (Cisco-র ধরন)। মোট সম্ভাব্য ঠিকানা ২^৪৮ = ২৮১,৪৭৪,৯৭৬,৭১০,৬৫৬ — প্রায় ২৮১ লক্ষ কোটি।

প্রথম ৩ বাইট: OUI

বিশ্বজুড়ে MAC যাতে না মেলে, সেজন্য IEEE প্রতিটি নির্মাতাকে ২৪ বিটের একটি নম্বর দেয় — OUI (Organizationally Unique Identifier). ঠিকানার প্রথম ৩ বাইট OUI, শেষ ৩ বাইট নির্মাতা নিজে প্রতিটি কার্ডে আলাদা বসায়। এক OUI দিয়ে ২^২৪ = ১,৬৭,৭৭,২১৬টি ঠিকানা হয়; বড় নির্মাতারা তাই অনেকগুলো OUI নেন। IEEE-র সর্বজনীন তালিকায় OUI দেখে নির্মাতার নাম খোঁজা যায় — Wireshark এভাবেই ঠিকানার পাশে কোম্পানির নাম দেখায়। এই পর্বের উদাহরণে আমরা 00:00:5e:00:53:xx ব্যবহার করছি — 00:00:5e হলো IANA-র OUI, আর তার ভেতরের 00:00:5e:00:53:00 থেকে …:ff অংশটি শুধু ডকুমেন্টেশনের উদাহরণের জন্য সংরক্ষিত (RFC 7042-এ, যা পরে RFC 9542 দিয়ে হালনাগাদ হয়েছে বলে জানা যায়) — কোনো আসল যন্ত্রের নয়।

প্রথম বাইটের দুটি বিশেষ বিট

OUI-র প্রথম বাইটের সবচেয়ে নিচের দুটি বিট সাধারণ নম্বর নয়, এরা “পতাকা”:

 প্রথম বাইট (octet), যেমন 0xda = 1 1 0 1 1 0 1 0
                                  b7 b6 b5 b4 b3 b2 b1 b0
                                                   │  └── I/G: 0 = individual (unicast)
                                                   │           1 = group (multicast/broadcast)
                                                   └───── U/L: 0 = universal (IEEE-র OUI)
                                                               1 = local (admin বা software বানিয়েছে)

• I/G বিট (bit 0): ০ হলে ঠিকানাটি একটি নির্দিষ্ট interface-এর — unicast. ১ হলে একটি দলের — multicast. সব ৪৮ বিট ১ হলে (ff:ff:ff:ff:ff:ff) সেটি broadcast — LAN-এর সবার জন্য। মজার তথ্য: Ethernet প্রতিটি বাইট নিচের বিট আগে পাঠায়, তাই এই I/G বিটই তারে যাওয়া ঠিকানার একেবারে প্রথম বিট — NIC প্রথম বিট শুনেই বোঝে frame-টি দলের জন্য কি না।
• U/L বিট (bit 1): ০ হলে নির্মাতা IEEE-র OUI থেকে বসিয়েছে (“burned-in”). ১ হলে ঠিকানাটি স্থানীয়ভাবে বানানো — virtual machine, container, বা ফোনের random MAC.

মুখস্থ রাখার সহজ কৌশল: দ্বিতীয় hex অঙ্ক দেখুন। সেটি ২, ৬, A বা E হলে ঠিকানাটি local unicast (যেমন da:…, 02:…, 8a:…)। বিজোড় হলে (১, ৩, ৫…, F) group ঠিকানা (যেমন 01:00:5e:… IPv4 multicast, 33:33:… IPv6 multicast).

ফোনের “Private” বা random MAC

স্থায়ী MAC-এর একটি সমস্যা: শপিং মল বা বিমানবন্দরের Wi-Fi আপনার ফোনের MAC দেখে চিনে ফেলতে পারে আপনি আগেও এসেছিলেন — যুক্ত না হলেও, কারণ Wi-Fi খোঁজার বার্তাতেও MAC থাকে। এই গোপনীয়তার ঝুঁকি কমাতে আধুনিক OS-গুলো MAC randomization চালু করেছে: Wi-Fi খোঁজার সময় এবং অনেক ক্ষেত্রে প্রতিটি নেটওয়ার্কের জন্য আলাদা একটি বানানো ঠিকানা ব্যবহার করে — যার U/L বিট ১. সাধারণভাবে জানা যায়, Android ১০ থেকে প্রতিটি নেটওয়ার্কের জন্য random MAC ডিফল্ট, iOS ১৪ থেকে “Private Wi-Fi Address” আছে, আর Windows-এ “Random hardware addresses” নামে একটি সেটিং আছে; সংস্করণ আর ডিফল্ট আচরণ সময়ের সাথে বদলায়, তাই নিজের যন্ত্রের সেটিং দেখে নিন। পার্শ্বপ্রতিক্রিয়া: যে হোস্টেলের Wi-Fi “MAC দিয়ে অনুমতি” দেয়, সেখানে বদলানো ঠিকানার ফোন আটকে যেতে পারে।

নিচের decoder কয়েকটি নমুনা ঠিকানার প্রথম বাইট ভেঙে দুটি পতাকা আর OUI দেখায়। Run চাপুন:

// Decode a 48-bit MAC address: OUI, I/G bit and U/L bit of the first octet.
const known = { "00:00:5e": "IANA; 00:00:5e:00:53:xx is for documentation",
  "01:00:5e": "IANA - IPv4 multicast mapping", "33:33:00": "IPv6 multicast mapping",
  "01:80:c2": "IEEE 802.1 - bridge protocols (STP BPDU)" };
function decode(addr) {
  const b = addr.split(":").map(h => parseInt(h, 16));
  const first = b[0];
  const ig = first & 1;                  // bit 0: Individual(0) / Group(1)
  const ul = (first >> 1) & 1;           // bit 1: Universal(0) / Local(1)
  const oui = addr.slice(0, 8);
  let kind = ig ? "group (multicast)" : "individual (unicast)";
  if (b.every(x => x === 255)) kind = "BROADCAST (all ones)";
  console.log(`${addr}  first octet 0x${addr.slice(0, 2)} = ${first.toString(2).padStart(8, "0")}`);
  console.log(`   I/G=${ig} -> ${kind}`);
  console.log(`   U/L=${ul} -> ${ul ? "locally administered (no IEEE OUI)"
                                    : "universally administered (IEEE-assigned OUI)"}`);
  if (!ul && !ig) console.log(`   OUI ${oui} -> ${known[oui] ?? "look up in the IEEE registry"}`);
  else if (ig && known[oui] && !kind.startsWith("BROAD")) console.log(`   prefix ${oui} -> ${known[oui]}`);
}
["00:00:5e:00:53:01", "ff:ff:ff:ff:ff:ff", "01:00:5e:00:00:fb",
 "33:33:00:00:00:01", "01:80:c2:00:00:00", "da:a1:19:00:53:2c"].forEach(decode);

00:00:5e:00:53:01  first octet 0x00 = 00000000
   I/G=0 -> individual (unicast)
   U/L=0 -> universally administered (IEEE-assigned OUI)
   OUI 00:00:5e -> IANA; 00:00:5e:00:53:xx is for documentation
ff:ff:ff:ff:ff:ff  first octet 0xff = 11111111
   I/G=1 -> BROADCAST (all ones)
   U/L=1 -> locally administered (no IEEE OUI)
01:00:5e:00:00:fb  first octet 0x01 = 00000001
   I/G=1 -> group (multicast)
   U/L=0 -> universally administered (IEEE-assigned OUI)
   prefix 01:00:5e -> IANA - IPv4 multicast mapping
33:33:00:00:00:01  first octet 0x33 = 00110011
   I/G=1 -> group (multicast)
   U/L=1 -> locally administered (no IEEE OUI)
   prefix 33:33:00 -> IPv6 multicast mapping
01:80:c2:00:00:00  first octet 0x01 = 00000001
   I/G=1 -> group (multicast)
   U/L=0 -> universally administered (IEEE-assigned OUI)
   prefix 01:80:c2 -> IEEE 802.1 - bridge protocols (STP BPDU)
da:a1:19:00:53:2c  first octet 0xda = 11011010
   I/G=0 -> individual (unicast)
   U/L=1 -> locally administered (no IEEE OUI)

এবার আসল একটি যন্ত্রের ঠিকানা দেখি। এই পাতার bash কোড একটি Linux container-এ চলে; Linux প্রতিটি interface-এর MAC রাখে /sys/class/net/<নাম>/address ফাইলে, আর ঠিকানাটি কীভাবে এসেছে তা addr_assign_type-এ (০ = কার্ডের স্থায়ী, ১ = kernel-এর random, ৩ = কেউ বসিয়েছে)। স্ক্রিপ্টটি শুধু পড়ে, কিছু বদলায় না:

# Read every interface's MAC from /sys/class/net and decode the first octet.
[ -d /sys/class/net ] || { echo "/sys/class/net not available"; exit 0; }
for dev in /sys/class/net/*; do
  name=${dev##*/}
  mac=$(cat "$dev/address" 2>/dev/null) || { echo "$name: address unreadable"; continue; }
  first=$((16#${mac:0:2}))
  bits=""; for i in 7 6 5 4 3 2 1 0; do bits+=$(( (first >> i) & 1 )); done
  ig=$(( first & 1 )); ul=$(( (first >> 1) & 1 ))
  echo "$name  mac=$mac  first octet=$bits"
  if [ "$mac" = "00:00:00:00:00:00" ]; then echo "   all zeros: loopback has no real MAC"; continue; fi
  [ "$ig" = 0 ] && echo "   I/G=0 -> unicast" || echo "   I/G=1 -> group"
  [ "$ul" = 1 ] && echo "   U/L=1 -> locally administered (software-made)" \
                || echo "   U/L=0 -> universal: OUI ${mac:0:8} from the maker"
  echo "   addr_assign_type=$(cat "$dev/addr_assign_type" 2>/dev/null || echo ?) (0=permanent 1=random 3=set by user)"
done
if command -v ip >/dev/null; then ip -br link; else echo "ip command not found"; fi

lo  mac=00:00:00:00:00:00  first octet=00000000
   all zeros: loopback has no real MAC
tap0  mac=be:a9:25:37:ef:26  first octet=10111110
   I/G=0 -> unicast
   U/L=1 -> locally administered (software-made)
   addr_assign_type=1 (0=permanent 1=random 3=set by user)
lo               UNKNOWN        00:00:00:00:00:00 <LOOPBACK,UP,LOWER_UP>
tap0             UNKNOWN        be:a9:25:37:ef:26 <BROADCAST,UP,LOWER_UP>

৪ · Hub, bridge আর switch — collision আর broadcast domain

পর্ব ০২-এর যন্ত্রপাতির অংশে আপনি দেখেছেন কোন যন্ত্র কোন স্তরের। এখানে শুধু এই পর্বের দরকারি দিকটি: কে কাকে “শুনতে” বাধ্য করে।

• Hub (L1): এক port-এ আসা বিট সব port-এ পাঠায়। সবাই একই তার ভাগ করছে যেন — একসাথে দুজন পাঠালে collision. সব port মিলে একটি collision domain.
• Bridge (L2): ১৯৮০-র দশকে দুই-তিনটি LAN segment জোড়ার যন্ত্র, সাধারণত software-এ চলত। Frame পুরো পড়ে, গন্তব্য MAC দেখে ঠিক করে পার করবে কি না। প্রতিটি দিক আলাদা collision domain.
• Switch (L2): মূলত অনেক port-এর, hardware-এ চলা দ্রুত bridge. প্রতিটি port-এ সাধারণত একটিমাত্র যন্ত্র, full-duplex — একে বলে microsegmentation. প্রতিটি port আলাদা collision domain (full-duplex-এ collision কার্যত শূন্য)।
• Router (L3): broadcast পার করে না। তাই router-এর প্রতিটি interface একটি আলাদা broadcast domain-এর সীমানা।

এবার পরীক্ষার ক্লাসিক প্রশ্নটি করি। নিচের topology-তে কয়টি collision domain আর কয়টি broadcast domain?

                 ┌─────────── Router R ───────────┐
               Gi0/0                            Gi0/1
                 │                                │
            ┌── SW1 (switch) ──┐              H2 (hub)
            │      │           │               │     │
           PC1    PC2      H1 (hub)           PC6   PC7
                          │    │    │
                         PC3  PC4  PC5

৫ · Switch কীভাবে শেখে — MAC table, flood, forward আর filter

একটি নতুন switch বাক্স থেকে বের করে তার লাগালেন। কোনো configuration নেই, কেউ তাকে বলেনি কোন port-এ কোন কম্পিউটার। তবু কয়েক সেকেন্ডের মধ্যে সে ঠিক port-এ frame পাঠাতে শুরু করে। এই কৌশলের নাম transparent bridging — “transparent” কারণ কম্পিউটারগুলো জানেই না মাঝে একটি switch আছে; তারা আগের মতো frame পাঠায়।

Switch-এর মনে একটি টেবিল থাকে — MAC address table (বিশেষ দ্রুত মেমরিতে রাখা হয় বলে অনেকে বলেন CAM table). প্রতিটি ঘরে: MAC ঠিকানা → port, আর শেষ কখন দেখা গেছে। প্রতিটি frame এলে switch দুটি আলাদা কাজ করে:

একটি ৪ port-এর switch ধরুন। PC1, PC2, PC3 port ১, ২, ৩-এ; আর port ৪-এ একটি পুরোনো hub, তাতে PC4 আর PC5. ঠিকানাগুলো 00:00:5e:00:53:11, …:22, …:33, …:44, …:55 — সংক্ষেপে শেষ বাইট দিয়ে লিখছি। টেবিল প্রথমে খালি। পাঁচটি frame-এ কী ঘটে, দেখুন:

একই ঘটনাগুলো কোডে চালান, সাথে একটি ষষ্ঠ frame — ৪০০ সেকেন্ড পরে, যখন সবার ঘরের বয়স ৩০০ সেকেন্ড পেরিয়ে গেছে:

// A 4-port learning switch. PC4 and PC5 share port 4 through a hub.
const AGING = 300;                       // seconds an unused entry is kept
const BCAST = "ff:ff:ff:ff:ff:ff";
const table = new Map();                 // MAC -> { port, seen }
const others = p => [1, 2, 3, 4].filter(x => x !== p).join(",");
const mac = { PC1: "00:00:5e:00:53:11", PC2: "00:00:5e:00:53:22",
  PC3: "00:00:5e:00:53:33", PC4: "00:00:5e:00:53:44", PC5: "00:00:5e:00:53:55" };
const frames = [   // [time in s, in-port, source, destination]
  [0, 1, "PC1", "PC3"], [1, 3, "PC3", "PC1"], [2, 4, "PC4", "ALL"],
  [3, 1, "PC1", "PC4"], [4, 4, "PC5", "PC4"], [400, 2, "PC2", "PC1"],
];
for (const [t, inPort, src, dst] of frames) {
  for (const [m, e] of table)                       // 1. aging
    if (t - e.seen > AGING) { table.delete(m); console.log(`  t=${t}: aged out ${m}`); }
  table.set(mac[src], { port: inPort, seen: t });   // 2. learn from SOURCE
  const d = dst === "ALL" ? BCAST : mac[dst];       // 3. decide by DESTINATION
  let action;
  if (d === BCAST) action = "broadcast -> FLOOD to ports " + others(inPort);
  else if (!table.has(d)) action = "unknown dst -> FLOOD to ports " + others(inPort);
  else if (table.get(d).port === inPort) action = "dst is on the same port -> FILTER (drop)";
  else action = "FORWARD only to port " + table.get(d).port;
  console.log(`t=${t} port ${inPort}: ${src} -> ${dst}: ${action}`);
  console.log("     MAC table: " +                 // show "last byte @ port"
    [...table].map(([m, e]) => `..${m.slice(-2)}@${e.port}`).join(" "));
}

t=0 port 1: PC1 -> PC3: unknown dst -> FLOOD to ports 2,3,4
     MAC table: ..11@1
t=1 port 3: PC3 -> PC1: FORWARD only to port 1
     MAC table: ..11@1 ..33@3
t=2 port 4: PC4 -> ALL: broadcast -> FLOOD to ports 1,2,3
     MAC table: ..11@1 ..33@3 ..44@4
t=3 port 1: PC1 -> PC4: FORWARD only to port 4
     MAC table: ..11@1 ..33@3 ..44@4
t=4 port 4: PC5 -> PC4: dst is on the same port -> FILTER (drop)
     MAC table: ..11@1 ..33@3 ..44@4 ..55@4
  t=400: aged out 00:00:5e:00:53:11
  t=400: aged out 00:00:5e:00:53:33
  t=400: aged out 00:00:5e:00:53:44
  t=400: aged out 00:00:5e:00:53:55
t=400 port 2: PC2 -> PC1: unknown dst -> FLOOD to ports 1,3,4
     MAC table: ..22@2

৬ · Store-and-forward বনাম cut-through

Switch frame পাঠানো শুরু করবে কখন — পুরো frame পাওয়ার পরে, নাকি গন্তব্য ঠিকানা পড়ামাত্র? দুটি পদ্ধতিই চালু আছে:

• Store-and-forward: পুরো frame buffer-এ নেয়, FCS মিলিয়ে দেখে, তারপর পাঠায়। ভাঙা frame এখানেই থামে, সামনে ছড়ায় না। আর দুই port-এর গতি আলাদা হলে (যেমন ১ Gb/s থেকে ১০ Gb/s) এটিই একমাত্র উপায়। পর্ব ০৪-০৫-এর delay-হিসাবে আমরা ঠিক এই মডেলটিই ধরেছি।
• Cut-through: preamble-এর পরে গন্তব্য MAC-এর ৬ বাইট পড়েই টেবিল দেখে পাঠানো শুরু করে — frame-এর বাকি অংশ তখনো আসছে। দেরি কম, কিন্তু FCS যাচাই আগে হয় না: ভাঙা frame-ও সামনে চলে যায় (শেষে প্রাপক ফেলে দেবে)। একটি মাঝামাঝি রূপ fragment-free: প্রথম ৬৪ বাইট পেয়ে তারপর শুরু, কারণ পুরোনো শেয়ার করা Ethernet-এ collision-এ ভাঙা টুকরো সাধারণত ৬৪ বাইটের কম হতো।

পূর্ণ সমাধান করা উদাহরণ

প্রশ্ন: দুটি কম্পিউটারের মাঝে ৩টি switch, সব link ১ Gb/s. ১৫১৮ বাইটের একটি frame পাঠানো হলো। Propagation আর processing delay উপেক্ষা করে, (ক) store-and-forward আর (খ) cut-through (গন্তব্যের ৬ বাইট পেলেই শুরু) switch-এ শেষ বিট পৌঁছাতে কত সময় লাগবে?

• একটি link-এ পুরো frame-এর transmission delay = ১৫১৮ × ৮ ÷ ১০^৯ = ১২,১৪৪ ÷ ১০^৯ সেকেন্ড = ১২.১৪৪ µs.
• (ক) Store-and-forward: পথে ৪টি link, প্রতিটিতে পুরো frame নতুন করে পাঠাতে হয় → ৪ × ১২.১৪৪ = ৪৮.৫৭৬ µs.
• (খ) Cut-through: প্রেরক একবার পুরো frame পাঠায় (১২.১৪৪ µs), আর প্রতিটি switch শুধু ৬ বাইট = ৪৮ বিট = ০.০৪৮ µs পিছিয়ে থাকে → ১২.১৪৪ + ৩ × ০.০৪৮ = ১২.২৮৮ µs.

প্রায় চার গুণ পার্থক্য! তবু সবাই cut-through নয়, কারণ ইন্টারনেটের মিলিসেকেন্ডের দেরির পাশে ১২ µs নগণ্য, আর output port ব্যস্ত থাকলে cut-through switch-কেও frame জমিয়ে রাখতে হয়। যেখানে প্রতিটি মাইক্রোসেকেন্ডের দাম আছে — যেমন high-frequency trading বা কিছু HPC cluster — সেখানে cut-through জনপ্রিয় বলে জানা যায়।

৭ · Loop-এর বিপদ আর Spanning Tree Protocol

একটি switch নষ্ট হলে পুরো অফিস অচল — তাই প্রকৌশলীরা বাড়তি তার দিয়ে বিকল্প পথ রাখেন (redundancy). কিন্তু switch-এর জগতে বিকল্প পথ মানে loop, আর loop মানে বিপর্যয়। কেন?

• Ethernet frame-এ কোনো TTL নেই। IP packet-এর TTL প্রতিটি router-এ কমে, ০ হলে মারা যায় (পর্ব ১৬, ২০)। Frame-এর এমন কিছু নেই — loop-এ সে চিরকাল ঘুরতে পারে।
• Broadcast গুণিতক হারে বাড়ে। তিনটি switch ত্রিভুজে জোড়া থাকলে একটি broadcast দুই দিকে flood হয়, প্রতিটি switch আবার অন্য দিকে flood করে — কপিগুলো দুই দিকেই ঘুরতে থাকে, আর প্রতিটি নতুন broadcast আরও কপি যোগ করে। কয়েক সেকেন্ডে link ভরে যায়, switch-এর CPU আটকে যায়, সব কম্পিউটারকে প্রতিটি কপি পড়তে হয় — একে বলে broadcast storm.
• MAC table অস্থির হয়। একই উৎস MAC-এর frame একবার এক port-এ, একবার অন্য port-এ আসে, তাই switch বারবার ঘর বদলায় (MAC flapping) — unicast-ও ভুল দিকে যায়।

গ্রাফ তত্ত্বের ভাষায়: switch আর link মিলে একটি graph; এর একটি spanning tree হলো এমন কিছু link-এর সেট যা সব switch-কে জোড়ে কিন্তু কোনো cycle রাখে না। Spanning Tree Protocol (STP) switch-গুলোকে নিজেরা কথা বলে এমন একটি গাছ বানাতে দেয়, আর বাকি link-গুলোকে বন্ধ (blocked) রাখে — কোনো link নষ্ট হলে বন্ধ link খুলে নতুন গাছ বানায়।

STP-র চারটি নিয়ম

Switch-গুলো একে অপরকে ছোট বার্তা পাঠায় — BPDU (Bridge Protocol Data Unit), group ঠিকানা 01:80:c2:00:00:00-এ, ডিফল্টে প্রতি ২ সেকেন্ডে। প্রতিটি BPDU বলে: “আমার মতে root কে, সেখানে পৌঁছাতে আমার খরচ কত, আর আমি কে।” এগুলো তুলনা করে চারটি ধাপ হয়:

1. Root bridge নির্বাচন: সবচেয়ে ছোট bridge ID যার। Bridge ID = ২ বাইট priority (ডিফল্ট ৩২৭৬৮) + ৬ বাইট MAC. আগে priority তুলনা, সমান হলে MAC. তাই ছোট priority বসিয়ে admin নিজের পছন্দের switch-কে root করতে পারেন।
2. প্রতিটি অ-root switch-এ একটি root port: যে port দিয়ে root পর্যন্ত মোট path cost সবচেয়ে কম। সমান হলে: যে প্রতিবেশীর কাছ থেকে BPDU আসছে, তার bridge ID ছোট; তাও সমান হলে প্রতিবেশীর port ID ছোট।
3. প্রতিটি link-এ (segment-এ) একটি designated port: link-এর দুই প্রান্তের মধ্যে যে root-এর কাছে কম খরচে — সেটি ওই link-এর জন্য frame পাঠানোর দায়িত্ব নেয়। সমান হলে ছোট bridge ID. Root-এর সব port designated.
4. বাকি সব port blocked: যে port root port-ও নয়, designated-ও নয়, সে ডেটা frame পাঠায়ও না, গ্রহণও করে না — শুধু BPDU শোনে, যাতে দরকারে আবার জেগে উঠতে পারে।

Path cost আসে link-এর গতি থেকে — যত দ্রুত, তত সস্তা। পুরোনো ১৯৯৮ সালের মানের প্রচলিত মান: ১০ Mb/s = ১০০, ১০০ Mb/s = ১৯, ১ Gb/s = ৪, ১০ Gb/s = ২. দ্রুততর link-এর জন্য পরে একটি “long” পদ্ধতি এসেছে (যেমন ১ Gb/s = ২০,০০০, ১০ Gb/s = ২,০০০), আর vendor-ভেদে ডিফল্ট আলাদা হতে পারে — পরীক্ষার প্রশ্নে সাধারণত cost বলে দেওয়া থাকে।

চার switch-এর একটি সম্পূর্ণ উদাহরণ

চারটি switch A, B, C, D একটি বর্গের মতো জোড়া — A–B, A–C, B–D, C–D, সব link ১ Gb/s (cost ৪)। সবার priority ৩২৭৬৮, শুধু admin C-র priority বসিয়েছেন ৪০৯৬. MAC-এর শেষ বাইট: A = 0a, B = 0b, C = 0c, D = 0d. Port নম্বর:

        p1        p1
   A ─────────────── B          A: 32768.00:00:5e:00:53:0a
 p2 │                │ p2       B: 32768.00:00:5e:00:53:0b
    │                │          C:  4096.00:00:5e:00:53:0c
 p1 │                │ p1       D: 32768.00:00:5e:00:53:0d
   C ─────────────── D
        p2        p2            সব link cost 4 (1 Gb/s)

এখন একই হিসাব কোডে, সাথে একটি প্রশ্ন: C–D link যদি ধীর হয় — ১০০ Mb/s, cost ১৯ — তাহলে কোন port বন্ধ হবে?

// Classic STP (802.1D) on 4 switches: root bridge, root ports, designated ports.
const sw = { A: [32768, "00:00:5e:00:53:0a"], B: [32768, "00:00:5e:00:53:0b"],
             C: [4096,  "00:00:5e:00:53:0c"], D: [32768, "00:00:5e:00:53:0d"] };
const bid = s => String(sw[s][0]).padStart(5, "0") + "." + sw[s][1]; // priority.MAC, compared as text
function stp(links) {                     // link = [sw1, port1, sw2, port2, cost]
  const root = Object.keys(sw).sort((x, y) => bid(x) < bid(y) ? -1 : 1)[0];
  const cost = { [root]: 0 };             // root path cost (Bellman-Ford, tiny graph)
  for (let i = 0; i < 4; i++) for (const [a, , b, , c] of links) {
    if (a in cost && (cost[a] + c < (cost[b] ?? Infinity))) cost[b] = cost[a] + c;
    if (b in cost && (cost[b] + c < (cost[a] ?? Infinity))) cost[a] = cost[b] + c;
  }
  const ends = links.flatMap(([a, pa, b, pb, c]) => [[a, pa, b, pb, c], [b, pb, a, pa, c]]);
  const rp = {};                          // root port: lowest (cost, neighbour BID, port)
  for (const s of Object.keys(sw)) if (s !== root) {
    const key = e => [String(cost[e[2]] + e[4]).padStart(6, "0"), bid(e[2]), e[3]].join("|");
    rp[s] = ends.filter(e => e[0] === s).sort((x, y) => key(x) < key(y) ? -1 : 1)[0][1];
  }
  console.log(`root bridge = ${root} (bridge ID ${sw[root][0]}.${sw[root][1]})`);
  console.log("root path cost: " + Object.keys(sw).map(s => `${s}=${cost[s]}`).join(" "));
  console.log("root ports: " + Object.entries(rp).map(([s, p]) => `${s}:p${p}`).join(" "));
  for (const [a, pa, b, pb] of links) {   // designated = end with lower (cost, BID)
    const aWins = cost[a] < cost[b] || (cost[a] === cost[b] && bid(a) < bid(b));
    const [dS, dP, oS, oP] = aWins ? [a, pa, b, pb] : [b, pb, a, pa];
    const other = rp[oS] === oP ? "root port" : "BLOCKED";
    console.log(`  link ${a}-${b}: designated ${dS}:p${dP}, ${oS}:p${oP} ${other}`);
  }
}
console.log("== all links 1 Gb/s (cost 4) ==");
stp([["A", 1, "B", 1, 4], ["A", 2, "C", 1, 4], ["B", 2, "D", 1, 4], ["C", 2, "D", 2, 4]]);
console.log("== C-D link is 100 Mb/s (cost 19) ==");
stp([["A", 1, "B", 1, 4], ["A", 2, "C", 1, 4], ["B", 2, "D", 1, 4], ["C", 2, "D", 2, 19]]);

== all links 1 Gb/s (cost 4) ==
root bridge = C (bridge ID 4096.00:00:5e:00:53:0c)
root path cost: A=4 B=8 C=0 D=4
root ports: A:p2 B:p1 D:p2
  link A-B: designated A:p1, B:p1 root port
  link A-C: designated C:p1, A:p2 root port
  link B-D: designated D:p1, B:p2 BLOCKED
  link C-D: designated C:p2, D:p2 root port
== C-D link is 100 Mb/s (cost 19) ==
root bridge = C (bridge ID 4096.00:00:5e:00:53:0c)
root path cost: A=4 B=8 C=0 D=12
root ports: A:p2 B:p1 D:p1
  link A-B: designated A:p1, B:p1 root port
  link A-C: designated C:p1, A:p2 root port
  link B-D: designated B:p2, D:p1 root port
  link C-D: designated C:p2, D:p2 BLOCKED

Port-এর অবস্থা আর সময়

ক্লাসিক STP-তে একটি port blocked থেকে সরাসরি forwarding-এ যায় না — হঠাৎ খুললে অস্থায়ী loop হতে পারে। তাই ধাপগুলো: blocking (শুধু BPDU শোনে) → listening (BPDU পাঠায়, ভূমিকা ঠিক করে) → learning (MAC শেখে, এখনো ডেটা পাঠায় না) → forwarding. ডিফল্ট টাইমার: hello ২ সেকেন্ড, max age ২০ সেকেন্ড, forward delay ১৫ সেকেন্ড। একটি link নষ্ট হলে পরোক্ষভাবে টের পেতে max age (২০) পর্যন্ত অপেক্ষা, তারপর listening (১৫) আর learning (১৫) — মোট প্রায় ৩০ থেকে ৫০ সেকেন্ড নেটওয়ার্কের একটি অংশ অচল। ১৯৯০-এর দশকে এটি মেনে নেওয়া যেত; আজকের ভিডিও কল আর অনলাইন লেনদেনের যুগে নয়।

৮ · RSTP, link aggregation আর switch-এর নিরাপত্তা

RSTP — দ্রুত spanning tree

RSTP (Rapid Spanning Tree Protocol, 802.1w, পরে 802.1D-2004-এর ভেতরে মিশে যায়) একই root-port-designated হিসাব রাখে, কিন্তু কয়েকটি বুদ্ধিমান বদলে সময় সেকেন্ডের নিচে বা কয়েক সেকেন্ডে নামিয়ে আনে: blocked port-গুলোর দুটি নতুন ভূমিকা — alternate (root-এর দিকে তৈরি বিকল্প পথ, root port মরলেই সাথে সাথে দায়িত্ব নেয়) আর backup; অবস্থা মাত্র তিনটি — discarding, learning, forwarding; টাইমারের অপেক্ষার বদলে প্রতিবেশীর সাথে সরাসরি “proposal/agreement” হাত মেলানো; আর কম্পিউটার যুক্ত port-কে edge port ঘোষণা করলে সেটি সঙ্গে সঙ্গে forwarding-এ যায়। ওপরের উদাহরণে B:p2 RSTP-তে হতো একটি alternate port — A–B link কাটলে প্রায় সাথে সাথেই B-র নতুন root port. VLAN থাকলে প্রতিটি VLAN বা VLAN-গোষ্ঠীর জন্য আলাদা গাছও বানানো যায় (IEEE-র MSTP, Cisco-র PVST+); VLAN নিজে পর্ব ১৩-এ।

Link aggregation — দুটি তার, একটি link

দুই switch-এর মাঝে দুটি তার দিলে STP একটিকে বন্ধ করে দেবে — কিন্তু আপনি তো দুটিরই গতি চান। সমাধান link aggregation: কয়েকটি সমান্তরাল link-কে একটি যৌক্তিক link হিসেবে দেখানো (Cisco-র ভাষায় EtherChannel, Linux-এ bond). দুই প্রান্ত নিজেদের মধ্যে কথা বলে এটি ঠিক করে LACP (Link Aggregation Control Protocol) দিয়ে — মূলত 802.3ad, পরে 802.1AX নামে আলাদা মান। দুটি জিনিস মনে রাখুন। প্রথমত, STP পুরো bundle-কে একটি link হিসেবে দেখে, তাই কিছুই বন্ধ হয় না; একটি তার কাটলে বাকিগুলো চলতে থাকে। দ্বিতীয়ত, frame কোন তারে যাবে তা ঠিক হয় MAC, IP বা port-এর hash দিয়ে — একই সংযোগ (flow) সবসময় একই তারে, যাতে frame-এর ক্রম না ভাঙে। তাই ২ × ১ Gb/s bundle-এ একটি বড় ফাইল ডাউনলোড ১ Gb/s-এর বেশি পাবে না; লাভ হয় অনেক ব্যবহারকারী একসাথে থাকলে।

MAC flooding আর port security — প্রতিরক্ষার দিক থেকে

Switch সহজেই যেকোনো উৎস MAC বিশ্বাস করে শেখে — এই সরলতাই তার দুর্বলতা। ধারণাগতভাবে, কোনো যন্ত্র যদি হাজার হাজার ভুয়া উৎস ঠিকানার frame পাঠায়, switch-এর সীমিত টেবিল ভরে যায় (MAC flooding). তখন আসল যন্ত্রগুলোর ঠিকানা শেখা যায় না, অচেনা গন্তব্যের সব frame সব port-এ flood হয় — অর্থাৎ যে traffic শুধু দুজনের মধ্যে যাওয়ার কথা, তা অন্যদের port-এও পৌঁছায়। আবার কেউ নিজের switch লাগিয়ে খুব ছোট priority-র BPDU পাঠালে root হয়ে নেটওয়ার্কের পথ ঘুরিয়ে দিতে পারে, বা ভুল করে একটি তারের দুই প্রান্ত একই switch-এ লাগিয়ে loop বানাতে পারে। প্রতিরক্ষা:

• Port security: প্রতিটি access port-এ সর্বোচ্চ কয়টি MAC শেখা যাবে তার সীমা (যেমন ১ বা ২); সীমা পেরোলে frame ফেলে দেওয়া, সতর্কবার্তা, বা port বন্ধ — নীতিভেদে।
• 802.1X: port-এ তার লাগালেই নেটওয়ার্ক নয়; আগে পরিচয় যাচাই (username/certificate). MAC-এর চেয়ে অনেক শক্ত পরিচয়।
• BPDU guard আর root guard: কম্পিউটারের port-এ BPDU এলে port বন্ধ; আর যে port-এর দিক থেকে root আসার কথা নয়, সেখানে “ভালো” BPDU এলে তা উপেক্ষা — যাতে অচেনা switch root হতে না পারে।
• Storm control আর পর্যবেক্ষণ: broadcast/multicast-এর হারের সীমা, MAC flapping-এর লগ আর সতর্কবার্তা, অব্যবহৃত port বন্ধ রাখা।

ARP spoofing আর DHCP snooping-এর মতো এই স্তরের অন্য হুমকি ও প্রতিরক্ষা পর্ব ১৮ আর ৫০-এ।

বাস্তব switch-এ কেমন দেখায়

নিচে একটি Cisco IOS-ধাঁচের switch-এর আউটপুট — উদাহরণ, অন্য vendor-এর কমান্ড আর ফর্ম্যাট আলাদা (Juniper-এ show ethernet-switching table, Linux bridge-এ bridge fdb show). Port-এর নাম, VLAN আর ঠিকানা এই পর্বের উদাহরণের সাথে মিলিয়ে বানানো:

SW1# show mac address-table dynamic
          Mac Address Table
-------------------------------------------
Vlan    Mac Address       Type        Ports
----    -----------       --------    -----
   1    0000.5e00.5311    DYNAMIC     Gi1/0/1
   1    0000.5e00.5333    DYNAMIC     Gi1/0/3
   1    0000.5e00.5344    DYNAMIC     Gi1/0/4
   1    0000.5e00.5355    DYNAMIC     Gi1/0/4
Total Mac Addresses for this criterion: 4

SW1# show mac address-table aging-time
Global Aging Time:  300

একই port Gi1/0/4-এ দুটি ঠিকানা — সেখানে hub বা আরেকটি switch, অথবা কোনো কম্পিউটারের ভেতরে VM আছে।

৯ · AI-এর যুগে switching

“Switch কীভাবে কাজ করে” প্রশ্নে AI চমৎকার ব্যাখ্যা দেয়। কিন্তু domain গোনা, STP-র tie-breaker বা configuration-এ তার ভুল খুব সাধারণ — আর STP-র ভুল configuration পুরো অফিসের নেটওয়ার্ক বন্ধ করে দিতে পারে। এই বিষয়ে AI-এর পরিচিত ভুল:

AI-এর দেওয়া switching-উত্তর মানার আগে — চেকলিস্ট

• Collision আর broadcast domain নিজে segment ধরে গুনে মিলিয়েছি (hub = এক, switch port = আলাদা, router interface = দুটিই আলাদা)
• STP-র root, root port আর blocked port হাতে বা ছোট simulator দিয়ে আবার হিসাব করেছি — tie-breaker-এর ক্রমসহ
• MAC ঠিকানার বিট (I/G, U/L) নিজে binary-তে ভেঙে দেখেছি
• কমান্ডগুলো আমার যন্ত্রের vendor আর OS-এর কি না ডকুমেন্টেশনে মিলিয়েছি; Linux-এ ip আর bridge, পুরোনো ifconfig/brctl নয়
• “STP বন্ধ করুন” বা “সব port খুলে দিন” জাতীয় পরামর্শ বাদ দিয়েছি; প্রতিরক্ষা (port security, BPDU guard) কমানো হয়নি
• বাস্তব নেটওয়ার্কে বদলের আগে ল্যাব বা VM-এ চালিয়ে, packet capture করে আচরণ দেখেছি