Switch/Funktionsweise

Funktionsweise

Im Folgenden wird, sofern nicht anders gekennzeichnet, von Layer-2-Switches ausgegangen

Die einzelnen Ein-/Ausgänge, die sogenannten „Ports“, eines Switches können unabhängig voneinander Daten empfangen und senden
Diese sind entweder über einen internen Hochgeschwindigkeitsbus (Backplane-Switch) oder kreuzweise miteinander verbunden (Matrix Switch)
Datenpuffer sorgen dafür, dass nach Möglichkeit keine Frames verlorengehen

Überbrückung (Bridging)

Ein modularer Netzwerk-Switch mit drei Netzwerkmodulen (insgesamt 24 Ethernet- und 14 Fast Ethernet-Ports) und einem Netzteil.

Moderne Switches verwenden hauptsächlich Ethernet-Schnittstellen

Die Kernfunktion eines Ethernet-Switches besteht darin, eine Multiport-Layer-2-Überbrückung bereitzustellen
Layer-1-Funktionalität ist in allen Switches zur Unterstützung der höheren Schichten erforderlich

Viele Switches führen auch Operationen auf anderen Ebenen aus

Ein Gerät, das mehr als nur überbrücken kann, wird als Multilayer-Switch bezeichnet
Ein Schicht-2-Netzwerkgerät ist ein Multiport-Gerät, das Hardwareadressen und MAC-Adressen verwendet, um Daten auf der Datenverbindungsschicht (Schicht 2) zu verarbeiten und weiterzuleiten

Source Address Table

Ein Switch muss im Regelfall nicht konfiguriert werden

Empfängt er ein Frame nach dem Einschalten, speichert er die MAC-Adresse des Senders und die zugehörige Schnittstelle in der Source Address Table (SAT)

Wird die Zieladresse in der SAT gefunden, so befindet sich der Empfänger im Segment, das an der zugehörigen Schnittstelle angeschlossen ist

Das Frame wird dann an diese Schnittstelle weitergeleitet
Sind Empfangs- und Zielsegment identisch, muss das Frame nicht weitergeleitet werden, da die Kommunikation ohne Switch im Segment selbst stattfinden kann

Falls die Zieladresse (noch) nicht in der SAT ist, muss das Frame an alle anderen Schnittstellen weitergeleitet werden

In einem IPv4-Netz wird der SAT-Eintrag meist bereits während der sowieso nötigen ARP-Adressenanfragen vorgenommen
Zunächst wird aus der ARP-Adressenanfrage eine Zuordnung der Absender-MAC-Adresse möglich, aus dem Antwort-Frame erhält man dann die Empfänger-MAC-Adresse
Da es sich bei den ARP-Anfragen um Broadcasts handelt und die Antworten immer an bereits erlernte MAC-Adressen gehen, wird kein unnötiger Verkehr erzeugt. Broadcast-Adressen werden niemals in die SAT eingetragen und daher stets an alle Segmente weitergeleitet
Frames an Multicast-Adressen werden von einfachen Geräten wie Broadcasts verarbeitet
Höher entwickelte Switches beherrschen häufig den Umgang mit Multicasts und senden Multicast-Frames dann nur an die registrierten Multicast-Adress-Empfänger

Switches lernen also gewissermaßen die MAC-Adressen der Geräte in den angeschlossenen Segmenten automatisch

Switched LANs – Mechanismen

Ein Ethernet-Frame enthält die Zieladresse nach der so genannten Datenpräambel in den ersten 48 Bit (6 Bytes)

Mit der Weiterleitung an das Zielsegment kann also schon nach Empfang der ersten sechs Bytes begonnen werden, noch während das Frame empfangen wird
Ein Frame ist 64 bis 1518 Bytes lang, in den letzten vier Bytes befindet sich zur Erkennung von fehlerhaften Frames eine CRC-Prüfsumme (zyklische Redundanzprüfung)
Datenfehler in Frames können erst erkannt werden, nachdem das gesamte Frame eingelesen wurde

Je nach den Anforderungen an die Verzögerungszeit und Fehlererkennung kann man daher Switches unterschiedlich betreiben

Option	Beschreibung
Cut-through	Adresstabelle wird angesprochen, sobald die Zieladresse eingelesen ist Weiterleitung des Datenpakets, sobald der Weg geschaltet ist Geringe Latenzzeit Keine Fehler erkennen
Store and Forward	Datenpaket wird zunächst vollständig eingelesen und zwischengespeichert Kontrolle der CRC-Prüfsumme und Ausführen von Filterfunktionen
Hybrides Switching	Kombination von Cut Through / Store and Forward Auswahl abhängig von Fehlerrate
Predictive Switching	Pfad in Schaltmatrix wird hergestellt, bevor Zieladresse vollständig eingelesen Basierend auf den vorher geschalteten Pfaden

Ausprägungen

Option	Beschreibung
Port-Switching	Nur ein Gerät pro Port (eine MAC-Adresse) Jedes Gerät erhält volle Bandbreite Schneller Table-Lookup möglich
Segment-Switching	Mehrere Adressen pro Port zulässig Bandbreite wird jedem Segment zur Verfügung gestellt
Bank-Switching	Mehrere Ports teilen sich die eine bestimmte Übertragungrate

Weitere Switching-Verfahren

Option	Beschreibung
Layer-3-Switching	Integration von Routing und Switching Weiterleitung von Paketen anhand der Analyse der Felder des Schicht-3-Protokolls
Layer-4-Switching	Erweiterung des Layer-3-Switchings um Analyse der Felder der Schicht 4 (z. B. Portnummernvon TCP) Priorisierung bestimmter Anwendungen
IP Switching	Kombination aus IP-Router und Layer-2-Switch Zunächst konventionelles IP-Routing Länger anhaltende Verkehrsflüsse werden erkannt, klassifiziert und gekennzeichnet Unter Umgehung des Routers wird danach auf Schicht 2 durch das Netz „geswitcht“

Ein Ethernet-Frame enthält die Zieladresse in den ersten 48 Bit (6 Bytes)

Mit der Weiterleitung an das Zielsegment kann also schon nach Empfang der ersten sechs Bytes begonnen werden, noch während das Frame empfangen wird
Ein Frame ist 64 bis 1518 Bytes lang, in den letzten vier Bytes befindet sich zur Erkennung von fehlerhaften Frames eine CRC-Prüfsumme
Datenfehler in Frames können erst erkannt werden, nachdem das gesamte Frame eingelesen wurde

Je nach den Anforderungen an die Verzögerungszeit und Fehlererkennung kann man daher Switches unterschiedlich betreiben:

Cut-through

Fast-Forward-Switching

Eine schnelle Methode

Hauptsächlich von besseren Switches implementiert
Hierbei trifft der Switch beim eintreffenden Frame direkt nach der Ziel-MAC-Adresse eine Weiterleitungsentscheidung und schickt das Frame entsprechend weiter, während es noch empfangen wird
Die Latenzzeit setzt sich zusammen aus lediglich den Längen der Präambel (8 Byte), der Ziel-MAC-Adresse (6 Byte) und der Reaktionszeit des Switches
Durch die frühestmögliche Weiterleitung kann das Frame aber nicht auf Fehlerfreiheit geprüft werden, und der Switch leitet auch eventuell beschädigte Frames weiter
Da eine Fehlerkorrektur in der Schicht 2 aber nicht existiert, belasten fehlerhafte Frames lediglich die betreffende Verbindung. (Eine Korrektur kann nur in höheren Netzwerkschichten stattfinden.) Manche Switches schalten bei zu häufigen Fehlern auch auf die langsamere, aber fehlerfreie Weiterleitung mit Store-and-Forward um bzw
herunter (s. u.)

Fragment-Free

Schneller als Store-and-Forward-, aber langsamer als Fast-Forward-Switching, anzutreffen vor allem bei besseren Switches

Bei dieser Methode prüft der Switch, ob ein Frame die im Ethernet-Standard geforderte minimale Länge von 64 Bytes (512 Bit) erreicht, und schickt es erst dann weiter zum Zielport, ohne eine CRC-Prüfung durchzuführen
Fragmente unter 64 Byte sind meist Trümmer einer Kollision, die kein sinnvolles Frame mehr ergeben

Store-and-Forward

Sicherste, aber auch langsamste Switch-Methode

Größten Latenzzeit
Wird von jedem Switch beherrscht
Der Switch empfängt zunächst das ganze Frame (speichert dieses; „Store“), berechnet die Prüfsumme über das Frame und trifft dann seine Weiterleitungsentscheidung anhand der Ziel-MAC-Adresse
Sollten sich Differenzen zwischen der berechneten Prüfsumme und dem am Ende des Frames gespeicherten CRC-Wert ergeben, wird das Frame verworfen
Auf diese Weise verbreiten sich keine fehlerhaften Frames im lokalen Netzwerk
Store-and-Forward war lange die einzig mögliche Arbeitsweise, wenn Sender und Empfänger mit unterschiedlichen Übertragungsgeschwindigkeiten oder Duplex-Modi arbeiteten oder verschiedene Übertragungsmedien nutzten
Die Latenzzeit in Bit ist hier identisch mit der gesamten Paketlänge – bei Ethernet, Fast Ethernet und Gigabit Ethernet im Vollduplex-Modus sind das mindestens 576 Bit, Obergrenze ist die maximale Paketgröße (12.208 Bit) – plus der Reaktionszeit des Switches

Hybridmodus

Heute gibt es Switches, die einen Cut-and-Store-Hybridmodus beherrschen

der auch beim Übertragen der Daten zwischen langsamen und schnellen Verbindungen die Latenz senkt.

Error-Free-Cut-Through/Adaptive Switching

Mischung aus mehreren der obigen Methoden

Nur von teureren Switches implementiert
Der Switch arbeitet zunächst im Modus „Cut through“ und schickt das Frame auf dem korrekten Port weiter ins LAN
Es wird jedoch eine Kopie des Frames im Speicher behalten, über die dann eine Prüfsumme berechnet wird
Stimmt sie nicht mit dem im Frame gespeicherten CRC-Wert überein, so kann der Switch dem defekten Frame zwar nicht mehr direkt signalisieren, dass er fehlerhaft ist, aber er kann einen internen Zähler mit der Fehlerrate hochzählen
Wenn zu viele Fehler in kurzer Zeit auftreten, fällt der Switch in den Store-and-Forward-Modus zurück
Sinkt die Fehlerrate wieder tief genug, schaltet der Switch in den Cut-Through-Modus um
Ebenso kann er temporär in den Fragment-Free-Modus schalten, wenn zu viele Fragmente mit weniger als 64 Byte Länge ankommen
Besitzen Sender und Empfänger unterschiedliche Übertragungsgeschwindigkeiten oder Duplex-Modi bzw
Nutzen sie andere Übertragungsmedien (Glasfaser auf Kupfer), so müssen die Daten ebenfalls mit Store-and-Forward-Technik übertragen werden

Symmetrisches und asymmetrisches Switching

Heutige Netzwerke unterscheiden zwei Architekturen

Symmetrisches und asymmetrisches Switching gemäß der Gleichförmigkeit der Anschlussgeschwindigkeit der Ports
Im Falle eines asymmetrischen Switchings, d. h
wenn Sende- und Empfangsports unterschiedliche Geschwindigkeiten aufweisen, kommt das Store-and-Forward-Prinzip zum Einsatz
Bei symmetrischem Switching, also der Kopplung gleicher Ethernetgeschwindigkeiten, wird nach dem Cut-Through-Konzept verfahren

Port-Switching, Segment-Switching

In den Anfangszeiten der Switching-Technik gab es die zwei Varianten

Port-Switching
Segment-Switching

Diese Differenzierung spielt in modernen Netzwerken nur noch eine untergeordnete Rolle, da alle handelsüblichen Switches Segment-Switching an allen Ports beherrschen

Ein Port-Switch verwaltet pro Port nur einen SAT-Eintrag für eine MAC-Adresse
An solch einem Anschluss dürfen folglich nur Endgeräte (Server, Router, Workstation) und keine weiteren Segmente, also keine Bridges, Hubs oder Switches (hinter denen sich mehrere MAC-Adressen befinden) angeschlossen werden (siehe MAC-Flooding)
Zusätzlich gab es oft einen sogenannten „Uplink-Port“, der die lokalen Geräte quasi „nach außen“ verbindet und für den diese Einschränkung nicht galt
Dieser Port hatte oft keine SAT, sondern wurde einfach für alle MAC-Adressen benutzt, die nicht einem anderen lokalen Port zugeordnet waren
Solche Switches arbeiteten in der Regel nach dem Cut-Through-Verfahren

Trotz dieser scheinbar nachteiligen Einschränkungen existierten auch Vorteile

Die Switches kamen mit extrem wenig Speicher aus (geringere Kosten) und aufgrund der Minimalgröße der SAT konnte auch die Switching-Entscheidung schnell getroffen werden
Alle neueren Switches sind Segment-Switches und können an jedem Port zahlreiche MAC-Adressen verwalten, d. h
weitere Netz-Segmente anschließen

SAT-Anordnungen

Entweder jeder Port hat eine eigene Tabelle von beispielsweise max. 250 Adressen
Es gibt eine gemeinsame SAT für alle Ports – mit beispielsweise maximal 2000 Einträgen

Vorsicht: Manche Hersteller geben 2000 Adresseinträge an, meinen aber 8 Ports mit jeweils maximal 250 Einträgen pro Port