Switch
Ein Switch ist ein Kopplungselement, das mehrere Stationen in einem Netzwerk miteinander verbindet. In einem Ethernet-Netzwerk, das auf der Stern-Topologie basiert dient ein Switch als Verteiler für die Datenpakete.
Die Funktion ist ähnlich einem Hub, mit dem Unterschied, das ein Switch direkte Verbindungen zwischen den angeschlossenen Geräten schalten kann, sofern ihm die Ports der Datenpaket-Empfänger bekannt sind. Wenn nicht, dann broadcastet der Switch die Datenpakete an alle Ports. Wenn die Antwortpakete von den Empfängern zurück kommen, dann merkt sich der Switch die MAC-Adressen der Datenpakete und den dazugehörigen Port und sendet die Datenpakete dann nur noch dorthin.
Während ein Hub die Bandbreite des Netzwerks limitiert, steht der Verbindung zwischen zwei Stationen, die volle Bandbreite der Ende-zu-Ende-Netzwerk-Verbindung zur Verfügung.
Ein Switch arbeitet auf der Sicherungsschicht (Schicht 2) des OSI-Modells und arbeitet ähnlich wie eine Bridge. Daher haben sich bei den Herstellern auch solche Begriffe durchgesetzt, wie z. B. Bridging Switch oder Switching Bridge. Die verwendet man heute allerdings nicht mehr.
Switches unterscheidet man hinsichtlich ihrer Leistungsfähigkeit mit folgenden Eigenschaften:
- Anzahl der speicherbaren MAC-Adressen für die Quell- und Zielports
- Verfahren, wann ein empfangenes Datenpaket weitervermittelt wird (Switching-Verfahren)
- Latenz (Verzögerungszeit) der vermittelten Datenpakete
Ein Switch ist im Prinzip nichts anderes als ein intelligenter Hub, der sich merkt, über welchen Port welche Station erreichbar ist. Auf diese Weise erzeugt jeder Switch-Port eine eigene Collision Domain (Kollisionsdomäne).
Teure Switches 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. Im Gegensatz zu normalen Switches lassen sich auch ohne Router logische Abgrenzungen erreichen.
Switching-Verfahren
| Switching-Verfahren | Beschreibung | Vorteile | Nachteile |
|---|---|---|---|
| Cut-Through | Der Switch leitet das Datenpaket sofort weiter, wenn er die Adresse des Ziels erhalten hat. | Die Latenz, die Verzögerungszeit, zwischen Empfangen und Weiterleiten ist äußerst gering. | Fehlerhafte Datenpakete werden nicht erkannt und trotzdem an den Empfänger weitergeleitet. |
| Store-and-Forward | Der Switch nimmt das gesamte Datenpaket in Empfang und speichert es in einem Puffer. Dort wird dann das Paket mit verschiedenen Filtern geprüft und bearbeitet. Erst danach wird das Paket an den Ziel-Port weitergeleitet. | Fehlerhafte Datenpakete können so im voraus aussortiert werden. | Die Speicherung und Prüfung der Datenpakete verursacht eine Verzögerung, abhängig von der Größe des Datenpaketes. |
| Kombination aus Cut-Through und Store-and-Forward | Viele Switches arbeiten mit beiden Verfahren. Solange nur wenige Kollisionen auftreten wird Cut-Through verwendet. Häufen sich die Fehler schaltet der Switch auf Store-and-Forward um. | ||
| Fragment-Free | Der Switch empfängt die ersten 64 Byte des Daten-Paketes. Ist dieser Teil fehlerlos werden die Daten weitergeleitet. Die meisten Fehler und Kollisionen treten während den ersten 64 Byte auf. Dieses Verfahren wird trotz seiner effektiven Arbeitsweise selten genutzt. | ||
Kollisionsdomäne (Collision Domain)
Durch das CSMA/CD-Verfahren entstehen Kollisionen, wenn mehrere Stationen 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 bilden an jedem ihrer Ports eine Kollisionsdomäne, indem sie den Datenverkehr nur an den Port weiterleiten an dem sich die Ziel-MAC-Adresse befindet. Innerhalb einer Kollisionsdomäne (Switch-Port) befindet sich dann in der Regel eine einzelne Station, ein weiterer Switch oder ein Router in ein anderes Netz.
MAC-Adressen-Verwaltung / MAC-Tabelle
Switches haben den Vorteil, im Gegensatz zu Hubs, dass sie Datenpakete nur an den Port weiterleiten, an dem die Station mit der Ziel-Adresse angeschlossen ist. Als Zuordnung dient die MAC-Adresse, also die Hardware-Adresse einer Netzwerkkarte. Diese Adresse speichert der Switch in einer internen Tabelle. 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. Die Zuteilung der MAC-Adressen lernt ein Switch mit der Zeit kennen. Die Anzahl der Adressen, die ein Switch aufnehmen kann, hängt von seinem internen Speicher ab.
Ein Qualitätsmerkmal eines Switch ist, wie viele Adresse er insgesamt und pro Port speichern kann. An einem Switch, der nur eine Handvoll Computer verbindet, spielt es keine Rolle wie viele Adressen er verwalten kann. Wenn der Switch aber in einem großen Netzwerk steht und an seinen Ports noch andere Switches und Hubs angeschlossen sind, dann muss er evt. mehrere tausend MAC-Adressen speichern und den Ports zuordnen können. Je größer ein Netzwerk ist, desto wichtiger ist es darauf zu achten, dass die Switches genügend Kapazität bei der Verwaltung von MAC-Adressen haben.
Zusätzliche Leistungsmerkmale von Switches
Bandbreite
Die Daten in einem Switch werden über die sogenannte Backplane übertragen. Über die Backplane werden alle Ports miteinander verbunden, die Daten miteinander austauschen müssen. Die Bandbreite muss also groß genug sein, um alle angeschlossenen Stationen mit der Netzwerk-Geschwindigkeit bedienen zu können.
Es gilt die Faustformel: Die Bandbreite der Backplane muss dem Doppelten der höchstmöglichen Bandbreite aller verfügbaren Ports entsprechen. Vereinfacht gilt folgende Formel:
Das Ergebnis muss nochmals verdoppelt werden (x2), wenn die Daten mit Vollduplex übertragen werden.
Ein Switch mit 5 Fast-Ethernet-Anschlüssen (100 MBit/s) benötigt also eine Backplane-Bandbreite von 1 GBit/s (1000 MBit/s).
Bei kleinen Netzwerkinstallationen spielt die Backplane-Bandbreite in der Regel keine Rolle. Schon billige Switches haben eine ausreichend große Backplane-Bandbreite. Dient der Switch aber als Verteiler zwischen Stationen mit Datenbankabfragen und File-Transfers, dann spielt die Bandbreite ein größere Rolle.
Einfachere Switches basieren in der Regel auf einer Bus-Architektur mit hoher Bandbreite, da der Schaltungsaufwand geringer ist und sich das Gerät billiger herstellen lässt.
Problemfall: Switch
Fließt der Datenverkehr in einem Netzwerk ständig nur zu einer einzigen Station, dann hat der Switch wenig Einfluss auf die Performance. Eine geringe Anzahl an Datenpaketen kann ein Switch zwischenspeichern. Irgendwann verwirft er die eingehenden Datenpakete oder erzeugt Kollisionen.
Verworfene Datenpakete werden von höheren Protokollen, wie TCP oder IPX, erneut gesendet. Bei ungesicherten Protokollen, wie z. B. UDP oder NetBIOS kann das jedoch zu Verbindungsabbrüchen führen. Kollisionen werden auf der Schicht 2 erkannt und erneut angefordert. In jedem Fall entstehen spürbare Verzögerungen im Netzwerkverkehr.
Bauformen
Switches gibt es in den unterschiedlichsten Bauformen und Ausbaustufen. Generell gilt, je größer und besser ein Switch ausgestattet ist, desto teurer ist er. Ein einfacher Switch hat 4 oder 5 Ports. Mit ein paar Status-LEDs sind sie in Kästchen in der Größe einer Zigarettenschachtel eingebaut.
Etwas bessere Switches haben ein Metallgehäuse, sind stabiler und für den Dauereinsatz besser geeignet. Neben den kleinen 4- und 5-Port Switches gibt es Ausbaustufen mit 8, 16, 24 und 32 Ports. Wer mehr Ports benötigt, braucht stackable Switches, die sich über separate Kabel miteinander verbinden und übereinander stapeln lassen. Wer Switches in 19"-Schränken installieren will, der sollte auf 16-, 24- und 32-Port Switches achten. Diese verfügen über Halterungen für 19"-Einbauschienen. Die kleinen Geräte haben manchmal Halterungen an der Unterseite und lassen sich an der Wand montieren.
Wer kleine Switches mit geringer Portanzahl kauft und nicht in einen 19"-Schrank einbaut, der sollte auf die Anordnung von RJ45-Buchsen und Status-LEDs achten. Es gibt Geräte, bei denen die LEDs auf der Vorderseite und die Anschlüsse auf der Rückseite angeordnet sind. In billigen Geräten sind die Status-LEDs in die RJ45-Buchsen integriert. Das ist nicht immer praktisch. Z. B. wenn die Kabel nicht aus der Richtung kommen, wo man die Status-LEDs gut sichtbar haben will. In der Regel werden kleine Switches von einem Steckernetzteil mit Strom versorgt und haben keinen Aus- und Ein-Schalter. Geräte mit größerer Port-Anzahl haben das Netzteil integriert und einen Lüfter zur Kühlung. Vorsicht dann bei Gebrauch im privaten Bereich. Der Lüfterlärm ist nicht zu unterschätzen.