In der Welt der Netzwerktechnik spielt das Konzept des Switching eine zentrale Rolle. Switching bezieht sich auf den Prozess des Weiterleitens von Datenpaketen innerhalb eines Netzwerks von einem Gerät zum anderen. Diese Technologie ist grundlegend für die Schaffung leistungsfähiger, zuverlässiger und skalierbarer Netzwerke, die eine schnelle und sichere Datenübertragung ermöglichen.
Was ist ein Switch?
Ein Switch (umgangssprachlich auch Verteiler oder Netzwerkweiche genannt) ist ein Kopplungselement, das dazu dient, verschiedene Geräte innerhalb eines lokalen Computernetzwerks miteinander zu verbinden. Beim Switching wird der Datenverkehr zwischen diesen Geräten, wie Computern, Servern und Druckern, gezielt gesteuert und verwaltet. Im Gegensatz zu einem Hub, der die gesendeten Daten an alle angeschlossenen Netzwerkgeräte zustellt, kann ein Switch die Zieladresse jedes Datenpakets erkennen und es gezielt an das entsprechende Gerät weiterleiten. Dies geschieht durch die Nutzung der MAC-Adressen (Media Access Control) der angeschlossenen Geräte.
Switches spielen eine zentrale Rolle in der Netzwerkinfrastruktur, da sie den Datenfluss effizienter gestalten, Netzwerkengpässe reduzieren und die Datenrate verbessern. Sie tragen dazu bei, Kollisionen und unnötigen Datenverkehr zu minimieren. Je nach Anwendung lassen sich nahezu beliebig viele Switches aneinanderkoppeln.
Switching-Mechanismen im Vergleich
Cut-Through
Verschickt ein Datenpaket sofort nach Erhalt des Ziel-MAC-Adressteils nahtlos weiter, ohne das gesamte Paket zu prüfen.
+ Schnelle Übertragung, geringe Latenz beim Switching.
- Höheres Risiko von Fehlerweiterleitung. Defekte Ethernet-Frames müssen erneut übertragen werden, was zu einer Netzwerküberlastung führen kann.
Store-and-Forward
Empfängt und speichert das gesamte Datenpaket, prüft es auf Fehler und die Richtigkeit der CRC-Prüfsumme und leitet es dann weiter.
+ Verringerung der Fehlerrate, Paketintegrität wird sichergestellt.
- Höhere Latenz aufgrund der vollständigen Paketprüfung und -speicherung.
Adaptive-Cut-Through
Kombination aus Cut-Through und Store-and-Forward. Startet als Cut-Through, wird bei Überschreitung der Fehlerrate auf Store-and-Forward umgeschaltet.
+ Anpassungsfähigkeit an Netzwerkbedingungen, Balance zwischen Geschwindigkeit und Fehlererkennung.
- Komplexer in der Verwaltung, kann bei hohem Fehlervolumen ineffizient werden.
Fragement-Free
Eine Variante des Cut-Through, die die ersten 64 Bytes eines Pakets überprüft, um Kollisionen zu vermeiden.
+ Reduziert die Wahrscheinlichkeit, fehlerhafte Pakete zu übertragen, schneller als Store-and-Forward.
- Kann kleinere Fehler in Paketen übersehen, die nach den ersten 64 Bytes auftreten.
Latenz von Switching-Verfahren ermitteln
Die Latenz ist die Verzögerungszeit, die entsteht, wenn Daten durch einen Netzwerk-Switch geleitet werden. Die Ermittlung dieser Verzögerung ist komplex, da sie von verschiedenen Aspekten abhängt. Neben dem Switching-Verfahren selbst wird die Verzögerungszeit auch von der Paketgröße, der allgemeinen Netzwerklast sowie von der Qualität der Netzwerkhardware beeinflusst.
Die Messung der Latenz in Frames pro Sekunde bzw. Packets per Second (PPS) erfolgt entweder direkt durch die Erfassung der Zeit, die ein Paket braucht, um den Switch zu passieren, oder indirekt, durch den Einsatz von Netzwerkanalyse-Tools, die eine detailliertere Untersuchung des Netzwerkverkehrs erlauben. Wenn ein Switch in der Lage ist, alle seine Ports kontinuierlich ohne Verzögerung mit maximaler Datenrate zu versorgen, bezeichnet man dies als Non-Blocking oder Wire-Speed-Fähigkeit.
Funktionen im Überlastungsfall
Beim Switching tritt Überlastung auf, wenn das Netzwerk mehr Datenverkehr erfährt, als es effizient verarbeiten kann, was zu Verzögerungen und Verlust von Datenframes führen kann. Um solche Situationen beim Switching zu bewältigen und die Netzwerkstabilität und -leistung zu gewährleisten, kommen verschiedene Technologien zum Einsatz. Diese Funktionen sind darauf ausgerichtet, den Datenfluss zu regulieren, Engpässe zu vermeiden und die Effizienz des Netzwerks auch unter hoher Last zu erhalten.
Flow-Control
Diese Funktion dient der Steuerung des Datenflusses zwischen Sender und Empfänger im Netzwerk, um eine Überlastung beim Switching zu verhindern. Flow-Control-Mechanismen funktionieren ausschließlich im Vollduplex-Modus von Fast-Ethernet und Gigabit-Ethernet. Sie passen die Übertragungsrate an die Kapazität des Empfängers an, um Datenstau und möglichen Datenverlust zu vermeiden.
Back-Pressure
Back-Pressure wird speziell in Halbduplex-Netzwerktechniken eingesetzt, um Überlastung zu verhindern. Wenn der Switch Überlastung feststellt, sendet er Signale zur Datenquelle, um die Übertragung von Datenframes zu drosseln. Diese Technik kann jedoch zu einer ineffizienten Nutzung der Netzwerkkapazität führen, da sie den gesamten Datenverkehr auf einem Medium reduziert, anstatt nur den überlasteten Pfad zu adressieren.
Head-of-Line-Blocking (HOL-Blocking)
HOL-Blocking tritt auf, wenn das vorderste Paket in einer Warteschlange nachfolgende Pakete blockiert, während es auf Bedingungen wie verfügbare Route oder Bandbreite wartet. Dies kann beim Switching zu erheblichen Latenzen führen. Der Vorgang HOL-Blocking Prevention minimiert diese Effekte, indem störende Pakete verworfen oder anderen Warteschlangen zugewiesen werden, häufig auf Layer 2 (Ethernet Switches) angewendet.
Managed Switch / Enterprise Switch
Managed Switches bieten fortgeschrittene Funktionen sowie Überwachungstools zur Bewältigung von Netzwerküberlastungen. Sie ermöglichen die Behandlung des Netzwerkverkehrs nach Priorität. In überlasteten Netzwerken können Managed Switches kritischen Verkehr priorisieren, um sicherzustellen, dass wichtige Daten wie VoIP oder Streaming-Dienste nicht unterbrochen werden.
Software Defined Networking (SDN)
SDN ermöglicht eine zentralisierte, softwarebasierte Steuerung des Netzwerkverkehrs und kann bei Überlastungen den Datenverkehr umleiten, um Engpässe zu vermeiden. Es ermöglicht zudem eine Echtzeitüberwachung und automatische Anpassung der Netzwerkleistung, um Flexibilität und Anpassungsfähigkeit an dynamische Netzwerkbedingungen zu gewährleisten.
Worin liegt der Unterschied zwischen Routing und Switching?
Routing und Switching sind grundlegende Netzwerkkomponenten, die auf verschiedenen Schichten des OSI-Referenzmodells agieren und unterschiedliche Funktionen erfüllen.
Switching verbindet und leitet Daten innerhalb eines lokalen Netzwerks (LAN) mittels MAC-Adressen auf der Datensicherungsschicht (Layer 2) des OSI-Referenzmodells. Die Hauptaufgabe ist die schnelle und fehlerlose Datenübertragung innerhalb des LANs.
Routing hingegen findet Wege für Datenpakete zwischen verschiedenen Netzwerken und arbeitet auf der Netzwerkschicht (Layer 3), wobei es IP-Adressen nutzt. Es verbindet unterschiedliche LANs und ist entscheidend für die Netzwerkkommunikation über größere Distanzen und verschiedene Netzwerkstrukturen hinweg.
Diese beiden Netzwerkkomponenten bilden zusammen die Basis für die Funktionsweise von Netzwerken und ermöglichen es, dass Anwendungsprotokolle, die auf höheren Schichten des OSI-Modells arbeiten, fehlerfrei über verschiedene Netzwerke hinweg kommunizieren können. Während Switching demnach hauptsächlich auf die interne Netzwerkkommunikation innerhalb eines begrenzten Bereichs fokussiert ist, ermöglicht Routing die Kommunikation und Datenübertragung über weitreichende und unterschiedlich strukturierte Netzwerke hinweg.
Wie funktioniert Switching in Ethernet-basierten LANs?
In modernen lokalen Netzwerken (LANs) werden Daten hauptsächlich mittels des Ethernet-Standards übertragen, der die Schichten eins und zwei des OSI-Modells abdeckt. Dieses Protokoll segmentiert die Daten in Ethernet-Frames, die neben den Daten selbst auch die 48-Bit-MAC-Adressen der sendenden und empfangenden Geräte sowie Prüfsummen enthalten. Switches in einem LAN nutzen diese MAC-Adressen, um zu entscheiden, über welche ihrer Ausgangsports die Datenframes zum festgelegten Zielport weitergeleitet werden sollen.
In komplexeren LAN-Topologien, die aus mehreren Switches bestehen, ist es notwendig, Datenverkehrsschleifen zu verhindern, um das endlose Umherwandern von Frames zu vermeiden. Hierfür werden Protokolle wie das Spanning Tree Protocol (STP) eingesetzt, die eine schleifenfreie Topologie erstellen und dabei eine eindeutige Struktur für die Verbindungen festlegen.
Wie funktioniert Routing in IP-basierten Netzwerken?
Routing in IP-basierten Netzwerken involviert die Bestimmung des besten Weges für Daten, um von ihrem Ursprungsort zu ihrer Zieladresse zu gelangen. Router analysieren die Ziel-IP-Adressen in den Datenpaketen und ermitteln mithilfe von statischen Routen oder dynamischen Routing-Protokollen den effizientesten Pfad durch das Netzwerk. Diese Entscheidungen basieren auf Faktoren wie der Verfügbarkeit von Netzwerkpfaden und deren Leistung. Sobald der beste Weg bestimmt ist, leiten Router die Pakete über verschiedene Netzwerke und Zwischenstationen in Millisekunden weiter, bis sie ihr endgültiges Ziel erreichen.
Einstellung und Konfigurationsmöglichkeiten
Eine wichtige Eigenschaft des Ethernet Switches ist die Kofiguartionsmöglichkeit. Hier unterscheiden wir unmanaged, managed und smart manged.
Unmanaged, Managed und Smart Managed Ethernet Switches bieten unterschiedliche Netzwerkverwaltungsfunktionen. Unmanaged Switches sind einfach zu bedienen, ideal für kleine (Heim)Netzwerke. Managed Switches ermöglichen erweiterte Kontrolle und Konfiguration, ideal für komplexe Netzwerke von großen professionellen Netzwerken. Smart Managed Switches bieten eine Zwischenlösung, mit einfacher Konfiguration und Überwachungsfunktionen. Diese Switchen sind für kleinere Unternehmen geeignet.
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