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Netzwerkgerät, das Datenpakete in Computernetzwerken weiterleitet, eine der technischen Hauptkomponenten des Internets und generell von Netzwerken Aus Wikipedia, der freien Enzyklopädie
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 sehr 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“.[1] Der erste EtherSwitch wurde im Jahr 1990 von Kalpana eingeführt.
Das 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.
Einfache Switches arbeiten ausschließlich auf der Schicht 2 (Sicherungsschicht) des OSI-Modells. Der Switch verarbeitet bei Erhalt eines Frames die 48 Bit lange MAC-Adresse (z. B. 08:00:20:ae:fd:7e) und legt dazu einen Eintrag in der Source-Address-Table (SAT) an, in der neben der MAC-Adresse auch der physische Port (Anschlussbuchse), an dem diese empfangen wurde, gespeichert wird. Im Unterschied zum Hub werden Frames anschließend nur noch an den Port weitergeleitet, der für die entsprechende Zieladresse in der SAT gelistet ist. Ist der Weg zur Zieladresse noch unbekannt (Lernphase), leitet der Switch das betreffende Frame an alle anderen aktiven Ports. Ein Unterschied zwischen Bridge und Switch ist die Anzahl der Ports: Bridges haben typischerweise nur zwei Ports, selten drei oder mehr, Switches hingegen haben als Einzelgeräte etwa 5 bis 50 Ports, modulare Switches auch mehrere Hundert. Von SOHO- über große Gebäudeinstallationen bis zu Rechenzentren ändern sich die Gehäuse fließend. Größere Geräte haben überwiegend Metallgehäuse und sind mit Montagewinkeln für den Einbau in 10″- oder 19″-Racks ausgestattet. Alle Ports sollten unabhängig voneinander gleichzeitig senden und empfangen können (non-blocking). Ein anderer möglicher Unterschied zu Bridges ist, dass manche Switch-Typen die Cut-Through-Technik und andere Erweiterungen (s. u.) beherrschen. So verringert sich die Latenz, also die Verzögerung vom Absenden einer Anfrage und dem Eintreffen der Antwort darauf. Switches können auch mit Broadcasts umgehen; diese werden an alle Ports weitergeleitet. Bis auf wenige Ausnahmen gilt: Ein Switch ist eine Bridge, aber nicht jede Bridge ist ein Switch. Eine Ausnahme bilden Bridges, die verschiedene Protokolle wie Token Ring und Ethernet (MAC-Bridge oder LLC-Bridge) verbinden können. Eine solche Funktionalität ist bei Switches nicht anzutreffen.
Für die angeschlossenen Geräte verhält sich ein Switch weitgehend transparent. Wenn die Kommunikation überwiegend zwischen den Geräten innerhalb eines Segments stattfindet, wird durch den Einsatz eines Switches die Anzahl der kursierenden Frames in den übrigen Segmenten drastisch reduziert. Muss ein Switch allerdings Frames in andere Segmente weiterleiten, führt sein Einsatz eher zu einer Verzögerung der Kommunikation (Latenz). Bei Überlastung eines Segments oder zu wenig Pufferspeicher im Switch kann es zum Verwerfen von Frames kommen. Dies muss durch Protokolle höherer Schichten wie TCP ausgeglichen werden.
Man unterscheidet zwischen Layer-2- und Layer-3- bzw. höheren Switches. Layer-2-Geräte sind häufig einfachere Modelle. Kleinere Geräte verfügen oft nur über grundsätzliche Funktionen und beherrschen meist keine Management-Funktionen (sind allerdings Plug-and-Play-fähig), oder nur mit einem geringen Funktionsumfang wie Portsperren oder Statistiken. Professionelle Layer-3- bzw. höhere Switches verfügen in der Regel auch über Management-Funktionen; neben den grundlegenden Switch-Funktionen verfügen sie zusätzlich über Steuer- und Überwachungsfunktionen, die auch auf Informationen aus höheren Schichten als Layer 2 beruhen können, wie z. B. IP-Filterung, Priorisierung für Quality of Service, Routing. Im Unterschied zu einem Router erfolgt bei einem Layer-3-Switch die Weiterleitungsentscheidung in der Hardware und somit schneller bzw. mit geringerer Latenz. Der Funktionsumfang von Layer-4-Switches und höher unterscheidet sich stark von Hersteller zu Hersteller, üblicherweise werden aber solche Funktionen in Hardware abgebildet wie Network Address Translation/Port Address Translation und Load Balancing.
In Rechenzentrumsnetzwerken mit viel Datenverkehr werden häufig pro Serverrack einer oder mehrere Switches zur Unterverteilung im Rack genutzt. Diese bezeichnet man als „Top of Rack Switch“, sie sind im Normalfall oben im Rack verbaut. Besonders häufig werden diese ToRs in der Spine-Leaf-Architektur verwendet, können aber auch in einem klassischen Sternnetzwerk verbaut werden.
Ziel dieses Konzepts ist es, den Verkabelungsaufwand zwischen vielen Servern und Netzwerksystemen zu minimieren, die in größeren Rechenzentren mehrere zehntausend Systeme umfassen können. Seit SFF-8431 für IEEE 802.3ae sind „Direct-Attach Copper“ (DAC) zur Rack-Verkabelung üblich. Die DACs haben typischerweise eine Länge von 2 m bis 7 m und sind passive Kupferkabel, die ohne ggf. fehleranfällige Laser oder Glasfaser auskommen. Die ToRs aggregieren den Datenverkehr der angeschlossenen Server und transportieren ihn dann gesammelt via Lichtwellenleiter zum Core-Netzwerk.[2]
Die Konfiguration oder Steuerung eines Switches mit Management-Funktionen geschieht je nach Hersteller über eine Kommandozeile (über Telnet oder SSH), eine Weboberfläche, eine spezielle Steuerungssoftware oder über eine Kombination dieser Möglichkeiten. Bei den aktuellen, „non-managed“ (Plug-and-Play-)Switches beherrschen manche höherwertige Geräte ebenfalls Funktionen wie tagged VLAN oder Priorisierung und verzichten dennoch auf eine Konsole oder ein sonstiges Management-Interface.
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.
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 zum entsprechenden Port möglich, durch das Antwort-Frame dann die Zuordnung der 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.
Ein Ethernet-Frame enthält die Zieladresse nach der so genannten Datenpräambel in den ersten 48 Bits (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:
Heutige Netzwerke unterscheiden zwei Architekturen: das symmetrische und asymmetrische 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.
In den Anfangszeiten der Switching-Technik gab es die zwei Varianten: Port- und Segment-Switching. Diese Differenzierung spielt in modernen Netzwerken nur noch eine untergeordnete Rolle, da alle handelsüblichen Switches Segment-Switching an allen Ports beherrschen.
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: trunking, bonding, etherchannel – 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 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.
Den Kern eines Switches bildet das Switching Fabric, durch welches die Frames vom Eingangs- zum Ausgangsport transferiert werden. Das Switching Fabric ist vollständig in Hardware implementiert, um geringe Latenzzeiten und hohen Durchsatz zu gewährleisten. Zusätzlich zur reinen Verarbeitungsaufgabe sammelt es statistische Daten, wie die Anzahl der transferierten Frames, (Frame-)Durchsatz oder Fehler. Die Vermittlungstätigkeit lässt sich auf drei Arten durchführen:
Switches haben folgende Vorteile:
Beim klassischen Ethernet mit Thin- oder Thickwire genau so wie bei Netzen, die Hubs verwenden, war das Abhören des gesamten Netzwerkverkehrs noch vergleichsweise einfach. Switches galten zunächst als wesentlich sicherer. Es gibt jedoch Methoden, um auch in geswitchten Netzen den Datenverkehr anderer Kommunikationsteilnehmer mitzuschneiden, ohne dass der Switch kooperiert:
Die Entwicklung von Ethernet-Switches begann Ende der 1980er Jahre. Durch bessere Hardware und verschiedene Anwendungen mit einem hohen Bedarf an Bandbreite kamen 10-MBit-Netzwerke sowohl im Rechenzentrumsbetrieb als auch bei Campus-Netzen nun rasch an ihre Grenzen. Um einen effizienteren Netzwerkverkehr zu erhalten, begann man, Netze über Router zu segmentieren und Subnetze zu bilden. Das reduzierte zwar Kollisionen und erhöhte die Effizienz, vergrößerte aber auch die Komplexität der Netze und steigerte die Installations- und Administrations-Kosten in erheblichem Maße. Auch die damaligen Bridges waren keine echten Alternativen, da sie nur wenige Ports hatten (meist zwei) und langsam arbeiteten – der Datendurchsatz war vergleichsweise gering und die Latenzzeiten zu hoch. Hier liegt die Geburtsstunde der ersten Switches: Das erste kommerziell verfügbare Modell hatte sieben 10-MBit-Ethernet-Ports und wurde 1990 vom US-StartUp-Unternehmen Kalpana (später von Cisco übernommen) angeboten. Der Switch hatte einen höheren Datendurchsatz als Ciscos High-End-Router und war weitaus günstiger. Zusätzlich entfielen Restrukturierungen: Er konnte einfach und transparent im bestehenden Netz platziert werden. Hiermit begann der Siegeszug der „geswitchten“ Netze. Schon bald danach entwickelte Kalpana das Port-Trunking-Verfahren Etherchannel, das es zur Steigerung des Datendurchsatzes erlaubt, mehrere Ports zu bündeln und gemeinsam als Uplink bzw. Backbone zu nutzen. Mitte der 1990er erreichten Fast-Ethernet-Switches (non Blocking, Full Duplex) Marktreife. Für Gigabit-Ethernet wurden Repeater-Hubs zwar noch im Standard definiert, es existieren aber effektiv keine. In 10-Gigabit-Netzwerken sind gar keine Hubs mehr definiert – alles wird „geswitcht“. Heute werden Segmente mit mehreren tausend Rechnern – ohne zusätzliche Router – einfach und performant mit Switches verbunden. Switches finden Verwendung in geschäftlichen oder privaten Netzwerken ebenso wie bei temporären Netzwerken wie LAN-Partys.
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