Switch
Switch - Kabelkonzentrator auf OSI-Layer 2
Beschreibung
- Mehrere Datenkabel werden an einen Switch angeschlossen
- Um die Kommunikation zwischen verschiedenen Netzwerkgeräten zu ermöglichen
- Switches verwalten den Datenfluss über ein Netzwerk, indem sie ein empfangenes Netzwerkpaket nur an das eine oder die mehrere Geräte senden, für die das Paket bestimmt ist
- Jedes mit einem Switch verbundene Netzwerkgerät kann anhand seiner Netzwerkadresse identifiziert werden, sodass der Switch den Verkehrsfluss lenken und so die Sicherheit und Effizienz des Netzwerks maximieren kann
- Switch (vom Englischen für „Schalter“, „Umschalter“ oder „Weiche“, auch Netzwerkweiche oder Verteiler genannt) bezeichnet ein Kopplungselement in Rechnernetzen, das Netzwerksegmente miteinander verbindet
- Es sorgt innerhalb eines Segments (Broadcast-Domain) dafür, dass die Datenpakete, sogenannte „Frames“, an ihr Ziel kommen
- Im Unterschied zu einem auf den ersten Blick ähnlichen Repeater-Hub werden Frames aber nicht einfach an alle anderen Ports weitergeleitet, sondern nur an den, an dem das Zielgerät angeschlossen ist – ein Switch trifft eine Weiterleitungsentscheidung anhand der selbsttätig gelernten Hardware-Adressen der angeschlossenen Geräte
- Der Begriff Switch bezieht sich allgemein auf eine Multiport-Bridge – ein aktives Netzwerkgerät, das Frames anhand von Informationen aus dem Data Link Layer (Layer 2) des OSI-Modells weiterleitet
- Manchmal werden auch die präziseren Bezeichnungen Bridging Hub oder Switching Hub verwendet, im IEEE 802.3-Standard heißt die Funktion MAC Bridge. (Packet „Switching“ ist aus der leitungsvermittelnden Technik entlehnt, tatsächlich wird nichts „geschaltet“.
- Der erste EtherSwitch wurde im Jahr 1990 von Kalpana eingeführt
- Dass dem Switch vergleichbare Gerät auf Netzwerkschicht 1 (Layer 1) wird als (Repeater-)Hub bezeichnet
- Switches, die zusätzlich Daten auf der Netzwerkschicht (Layer 3 und höher) verarbeiten, werden oft als Layer-3-Switches oder Multilayer-Switches bezeichnet und können die Funktion eines Routers erfüllen
- Neben Ethernet-Switches gibt es Fibre-Channel-Switches, auch SAS-Expander werden immer häufiger als Switches bezeichnet
- Fibre Channel (FC) definiert ein nicht routingfähiges Standardprotokoll aus dem Bereich der Speichernetzwerke, das als Variante von SCSI für die Hochgeschwindigkeitsübertragung großer Datenmengen konzipiert wurde
- SAS (Serial Attached SCSI) ist der direkte Nachfolger der älteren parallelen SCSI-Schnittstelle
Switching
Entwicklung
Funktionen
Typen
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)
- 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 |
|
| Store and Forward |
|
| Hybrides Switching |
|
| Predictive Switching |
|
Ausprägungen
| Option | Beschreibung |
|---|---|
| Port-Switching |
|
| Segment-Switching |
|
| Bank-Switching |
|
Weitere Switching-Verfahren
| Option | Beschreibung |
|---|---|
| Layer-3-Switching |
|
| Layer-4-Switching |
|
| IP Switching |
|
- 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
Mehrere Switches in einem Netzwerk
Bei frühen Switches musste die Verbindung mehrerer Geräte meistens entweder über einen speziellen Uplinkport oder über ein gekreuztes Kabel (crossover cable) erfolgen, neuere Switches wie auch alle Gigabit-Ethernet Switches beherrschen Auto-MDI(X), sodass diese auch ohne spezielle Kabel miteinander gekoppelt werden können
- Oft, aber nicht notwendigerweise sind Uplink-Ports in einer schnelleren oder höherwertigen (Ethernet-)Übertragungstechnik realisiert als die anderen Ports (z. B. Gigabit-Ethernet statt Fast Ethernet oder Glasfaserkabel anstatt Twistedpair-Kupferkabel)
- Im Unterschied zu Hubs können nahezu beliebig viele Switches miteinander verbunden werden
- Die Obergrenze hat hier nichts mit einer maximalen Kabellänge zu tun, sondern hängt von der Größe der Adresstabelle (SAT) ab
- Bei aktuellen Geräten der Einstiegsklasse sind oft 500 Einträge (oder mehr) möglich, das begrenzt die maximale Anzahl von Knoten (~Rechnern) auf ebendiese 500
- Kommen mehrere Switches zum Einsatz, so begrenzt das Gerät mit der kleinsten SAT die maximale Knotenanzahl
- Hochwertige Geräte können mit vielen tausend Adressen umgehen
- Läuft im Betrieb eine zu kleine Adresstabelle über, so müssen wie beim MAC-Flooding alle nicht zuzuordnenden Frames an alle anderen Ports weitergeleitet werden, folglich kann die Übertragungsleistung drastisch einbrechen
- Zur Steigerung der Ausfallsicherheit können bei vielen Geräten Verbindungen redundant aufgebaut werden
- Dabei werden der mehrfache Transport von Broadcasts und Switching-Schleifen durch den per Spanning Tree Protocol (STP) aufgebauten Spannbaum verhindert
- Eine andere Möglichkeit, ein Netz mit Schleifen redundant zu machen und gleichzeitig die Leistung zu steigern, ist das Meshing (IEEE 802.1aq – engl.: Shortest Path Bridging)
- Hier dürfen beliebige Schleifen zwischen meshing-fähigen Geräten gebildet werden; zur Leistungssteigerung können dann für Unicast-Datenverkehr (ähnlich wie beim Trunking) alle Schleifen (auch Teilschleifen) weiter genutzt werden (es wird kein einfacher Spannbaum gebildet). Multicast und Broadcast müssen vom Meshing-Switch gesondert behandelt werden und dürfen nur auf einer der zur Verfügung stehenden vermaschten Verbindungen weitergeschickt werden
Wenn in einem Netzwerk Switches ohne weitere Vorkehrungen mit sich selbst verbunden oder mehrere Switches zyklisch in einer Schleife miteinander verbunden werden, entsteht eine Schleife, eine sogenannte Switching-Loop
- Durch endloses Doppeln und Kreisen von Datenpaketen führt solch eine fehlerhafte Vernetzung in der Regel zu einem Totalausfall des Netzwerks
Eine bessere Nutzung von mehrfach ausgeführten Verbindungen (Links) ist die Port-Bündelung (englisch: Vorlage:Lang, Vorlage:Lang, Vorlage:Lang – je nach Hersteller), wodurch bis zu acht [2009] gleichartige Verbindungen parallel geschaltet werden können, um die Geschwindigkeit zu steigern
- Dieses Verfahren beherrschen professionelle Switches, die auf diese Weise untereinander, von Switch zu Switch oder aber von Switch zu Server verbunden werden können
- Ein Standard ist mit LACP definiert (zuerst IEEE 802.3ad, später IEEE 802.1AX), das Zusammenschalten von Switches verschiedener Hersteller kann allerdings manchmal problematisch sein
- Außer einigen herstellerspezifischen Protokollen existieren auch nicht ausgehandelte, sogenannte statische Bündel
- So eine Portbündelung ist ebenfalls auf mehrere Links zwischen zwei Geräten beschränkt; drei oder mehr Switches zum Beispiel in einem aktiven Ring zu verbinden, ist damit nicht möglich
- Ohne STP bildet sich entweder eine Switching-Schleife oder Frames erreichen nicht zuverlässig ihr Ziel, mit STP wird einer der Links blockiert und erst mit SPB können alle Links tatsächlich verwendet werden
- Stacking
Stacking ist im Switching-Umfeld eine Technik, um mehrere unabhängige stacking-fähige Switches zu einem gemeinsamen logischen Switch mit höherer Portanzahl zusammen zu stellen und mit einem gemeinsamen Management zu konfigurieren
- Stacking-fähige Switches bieten besondere Ports, die sogenannten Stacking-Ports, welche üblicherweise mit besonders hoher Übertragungsrate und geringer Latenzzeit arbeiten
- Beim Stacking werden die Switches, die in der Regel vom selben Hersteller und aus derselben Modellreihe stammen müssen, mit einem speziellen Stack-Kabel miteinander verbunden
- Eine Stacking-Verbindung ist normalerweise die schnellste Verbindung zwischen mehreren Switches und überträgt neben Daten auch Managementinformationen
- Solche Schnittstellen können durchaus teurer sein als Standard-HighSpeed-Ports, die natürlich ebenfalls als Uplinks genutzt werden können; Uplinks sind immer möglich, aber: nicht alle Switches unterstützen das Stacking
Anhang
Siehe auch
Sicherheit
Dokumentation
RFC
- RFC 2613 – Remote Network Monitoring MIB Extensions for Switched Networks Version 1.0
Links
Weblinks
Testfragen
Was ist der entscheidende Unterschied zwischen einem Hub und einem Switch?
Ein Switch verhindert Datenkollisionen durch direkte Verbindungen zwischen den Stationen.
Was ist ein Multilayer Switching?
Multi-Layer-Switching bezieht sich auf jeden Switch, der Verkehr auf Schicht höher als 02 weiterleitet
- Ein Layer-3-Switch wird als Multilayer-Switch betrachtet, da er Frames auf 02 und Pakete auf 03 weiterleitet
Was ist ein VLAN?
Ein Switch kann mithilfe virtueller LANs, die als VLANs bezeichnet werden, logisch in separate Broadcast-Domänen unterteilt werden
Jedes VLAN repräsentiert unsere einzigartige Broadcast-Domain.
Warum brauchen wir einen Switch?
Um ein LAN zu erweitern, um mehrere Geräte in einem LAN zuzulassen
Was sind die Grundfunktionen eines Switch?
Weiterleiten eines Frames basierend auf der Ziel-MAC-Adresse, Aufbau eines schleifenfreien Layer-2-Netzwerks zur Bereitstellung eines redundanten Pfads.