Switch

Was ist ein Switch?

Ein Switch ist ein Endgerät, dass der Verbindung mehrerer Computer bzw. Netzwerk-Segmente in einem Netzwerk (LAN) dient. Bei einem Switch handelt es sich also um ein Kopplungselement, mit dem sich mehrere Hosts in einem Netzwerk miteinander verbinden lassen. In einem Ethernet-Netzwerk wird ein Switch dazu eingesetzt, um Datenpakete zwischen mindestens zwei Computern zu verteilen.

Ein Switch kann eine direkte Verbindung zwischen den angeschlossenen Geräten schalten, sofern ihm die Ports der Datenpaket-Empfänger bekannt sind. Sind die Ports jedoch nicht bekannt, überträgt der Switch die Datenpakete an alle Ports. Sendet ein Empfänger ein Antwortpaket zurück, merkt sich der Switch dann die MAC-Adresse der Datenpakete und den dazugehörigen Port und sendet die Datenpakete dann nur noch dorthin. Auf diese Weise ist es einem Switch möglich, Datenpakete schneller an den Switch-Port, an dem der Empfänger hängt, weiterzuleiten.

Funktionsweise: Switching

Die einzelnen Ports eines Switches können unabhängig voneinander Daten empfangen und senden. Dabei sind sie über einen internen Hochgeschwindigkeitsbus, auch Backplane genannt, miteinander verbunden. Der Cache, der hier als Datenpuffer dient, sorgt dafür, dass nach Möglichkeit keine Datenpakete verloren gehen.

Mit Switching wird die Entscheidung, an welchem Port ein gerade eingetroffener Frame wieder herausgeschickt wird, bezeichnet. Dazu wird das eingehendende Datenpaket analysiert. Die relevanten Informationen sind die darin enthaltenen MAC-Adressen. Die MAC-Adressen von Sender und Empfänger werden in der MAC-Tabelle mit der Port-Nummer des Switches gespeichert. So können die Datenpakete schneller an den Switch-Port, an dem der Empfänger hängt, weitergeleitet werden. Es gibt unterschiedliche Verfahren zur Anwendung des Switchings:

• Cut-Through

Das Datenpaket wird sofort weitergeleitet, wenn der Switch die Adresse des Ziels erhalten hat. Der Vorteil hierbei ist, dass die Verzögerungszeit zwischen Empfangen und Weiterleiten äußerst gering ausfällt. Jedoch werden fehlerhafte Datenpakete auch mal nicht erkannt und trotzdem an den Empfänger weitergeleitet.

• Store-and-Forward

Bei diesem Verfahren nimmt der Switch das gesamte Datenpaket in Empfang und speichert es in einem Puffer, wo es mit verschiedenen Filtern geprüft und bearbeitet wird. Erst wenn die Prüfung erfolgt ist, wird das Paket am der Ziel-Port weitergeleitet. Auf diese Weise können fehlerhafte Datenpakete im Voraus aussortiert werden, was jedoch eine Verzögerung beim Senden verursacht.

• Adaptive-Cut-Through

Es handelt sich um eine Kombination aus den Switching-Verfahren Cut-Through und Store-and-Forward. Solange nur wenige Kollisionen auftreten wird Cut-Through verwendet. Häufen sich die Fehler schaltet der Switch auf Store-and-Forward um.

• Fragment-Free

Hierbei empfängt der Switch zunächst die ersten 64 Byte des Daten-Paketes und prüft diesen auf Fehler. Der Grund hierfür ist, dass die meisten Fehler und Kollisionen während den ersten 64 Byte auftreten. Ist dieser Datensatz fehlerlos, wird das ganze Datenpaket weitergesendet.  Dieses Verfahren wird trotz seiner effektiven Arbeitsweise selten genutzt.

Kollisionsdomäne (Collision Domain)

Über die Ports eines Switches werden mehrere Hosts versammelt. Durch das Versenden von Datenpaketen entstehen Kollisionen, indem mehrere Hosts an einer Kollisionsdomäne angeschlossen sind. Das wiederum reduziert den Netzwerk-Verkehr, der durch wiederholte Übertragungen verursacht wird. Die Einrichtung mehrerer Kollisionsdomänen reduziert die Anzahl der Kollisionen von Datenpaketen.

Switches leiten Datenpakete nur an den Port weiter, an dem sich die Ziel MAC-Adresse befindet. Auf diese Weise wird eine Kollisionsdomäne gebildet. Innerhalb dieser befindet sich dann für gewöhnlich ein einzelner Host, ein weiterer Switch oder ein Router in ein anderes Netz.

Was ist die MAC-Tabelle?

Wie schon erklärt, leiten Switch Datenpakete nur an den Port weiter, an dem der Host mit der Ziel-Adresse angeschlossen ist. Als Zuordnung dient die MAC-Adresse, die vom Switch in einer internen Tabelle gespeichert wird. Empfängt ein Switch ein Datenpaket, so sucht er in seinem Speicher unter der Zieladresse (MAC) nach dem Port und schickt dann das Datenpaket nur an diesen Port. Der Umfang der MAC-Tabelle hängt vom internen Speicher des Switches ab.

Ein Qualitätsmerkmal eines Switch ist, wie viele Adresse er insgesamt und pro Port speichern kann. Je nach Netzwerkumfeld sind unterschiedliche Bedürfnisse gegeben. Je größer ein Netzwerk ist, desto wichtiger ist es darauf zu achten, dass die Switche genügend Kapazität bei der Verwaltung von MAC-Adressen haben.

Arten von Switches

Man unterscheidet Switches hinsichtlich ihrer Leistungsfähigkeiten. Switches weisen eine unterschiedliche Anzahl an speicherbaren MAC-Adressen für die Quell- und Zielports, ein unterschiedliches Verfahren zur Vermittlung von empfangenen Datenpaketen (Switching-Verfahren) und eine unterschiedliche Latenz, sprich Verzögerungszeit, der vermittelten Datenpakete auf. Zudem unterschieden sich Switches in der Anzahl der Ports.

Ein Switch merkt sich, über welchen Port welcher Host erreichbar ist. So erzeugt jeder Switch-Port eine eigene Collision Domain (Kollisionsdomäne). Teure Switche können zusätzlich auf der Schicht 3, der Vermittlungsschicht, des OSI-Schichtenmodells arbeiten (Layer-3-Switch oder Schicht-3-Switch). Sie sind in der Lage, die Datenpakete anhand der IP-Adresse an die Ziel-Ports weiterzuleiten.

Switche unterschieden sich auch in ihrer Bauform. Während ein einfacher Switch über vier oder fünf Ports verfügt, gibt es auch solche, die über 8, 16, 24 oder 32 Ports verfügen. Wenn der Bedarf nach mehr Ports besteht, sollte man auf steckbare Switche zurückgreifen. Diese lassen sich über separate Kabel miteinander verbinden und übereinanderstapeln. In der Regel werden kleine Switche von einem Steckernetzteil mit Strom versorgt und haben keinen Aus- und Ein-Schalter. Geräte mit größerer Port-Anzahl haben das Netzteil integriert und verfügen über einen Lüfter zur Kühlung.