Was ist ein Netzwerk-Switch? Netzwerktechnik einfach erkärt
Ein Netzwerk-Switch ist ein zentrales Gerät in der modernen Netzwerktechnik, das einfach dazu dient, zwei oder mehr Netzwerkgeräte wie Computer oder Drucker miteinander zu verbinden. Ein Netzwerk-Switch verbindet Geräte so, dass diese innerhalb eines Netzwerks effizient miteinander kommunizieren können.
Ein Switch (Schalter) ist ein Endgerät, das der Verbindung mehrerer Computer bzw. Netzwerk-Segmente in einem Netzwerk (LAN) dient. Bei einem Schalter handelt es sich also um ein Kopplungselement, mit dem sich mehrere Geräte in einem Netzwerk miteinander verbinden lassen. In einem Ethernet-Netzwerk wird ein Schalter dazu eingesetzt, um Datenpakete zwischen mindestens zwei Computern zu verteilen. Netzwerk-Switches bilden dabei das Rückgrat in modernen Netzwerken.
Ein Schalter 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 Schalter die Datenpakete an alle Ports. Sendet ein Empfänger ein Antwortpaket zurück, merkt sich der Schalter dann die MAC-Adresse der Datenpakete und den dazugehörigen Port und sendet die Datenpakete dann nur noch dorthin. Auf diese Weise ist es einem Schalter möglich, Datenpakete schneller an den Switch-Port, an dem der Empfänger hängt, weiterzuleiten. Dass der Switch so gezielt arbeitet, erhöht die Effizienz des gesamten Netzwerks. Ein Netzwerk-Switch verbindet somit gezielt Geräte innerhalb einer Infrastruktur.
Wie funktioniert ein Netzwerk-Switch: Switching einfach erklärt
Um zu verstehen, wie ein Ethernet-Switch den Datenverkehr regelt, muss man das Prinzip des Switching betrachten. Ein Netzwerk ermöglicht erst durch diese Technik einen stabilen Fluss, bei dem der Switch empfängt, prüft und gezielt weiterleitet. Der Switch sendet Daten nur an den entsprechenden Port, was die Effizienz erhöht.
Die einzelnen Ports eines Switches können unabhängig voneinander Daten senden und empfangen. 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 Netzwerkpakete verloren gehen.
Mit Switching wird die Entscheidung, an welchem Port ein gerade eingetroffener Frame wieder herausgeschickt wird, bezeichnet. Dazu wird das eingehende Datenpaket analysiert. Die relevanten Informationen sind die darin enthaltenen MAC-Adressen. Die MAC-adressen der geräte (Sender und Empfänger) werden in der MAC-Tabelle mit der Port-Nummer des Switches gespeichert. So können die Netzwerkpakete schneller an den Switch-Port, an dem der Empfänger hängt, durchgeleitet werden. Prüft der Switch das Paket, geschieht dies meist auf Schicht 2 des OSI-Modells. Switch verarbeitet dabei die Informationen in Echtzeit.
Es gibt unterschiedliche Verfahren zur Anwendung des Switchings:
- Cut-Through: Das Datenpaket wird sofort durchgeleitet, wenn der Schalter die Adresse des Ziels erhalten hat. Der Vorteil hierbei ist, dass die Verzögerungszeit zwischen Empfangen und Durchleiten äußerst gering ausfällt. Jedoch werden fehlerhafte Netzwerkpakete auch mal nicht erkannt und trotzdem an den Empfänger weitergeleitet.
- Store-and-Forward: Bei diesem Verfahren nimmt der Schalter 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 entsprechenden Port weitergegeben. Auf diese Weise können fehlerhafte Netzwerkpakete 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 Schalter auf Store-and-Forward um.
- Fragment-Free: Hierbei empfängt der Schalter 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) im Netzwerk
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.
Netzwerk-Switches leiten Netzwerkpakete nur an den Anschluss 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. Im Gegensatz zu einem Switch würde ein Hub das Signal an alle verbundenen Geräte gleichzeitig senden. Ein Netzwerk verwendet heute fast ausschließlich Switches statt Hubs.
Was ist die MAC-Tabelle? MAC-Adressen des Netzwerks verwalten
Wie schon erklärt, leiten Switch-Netzwerkpakete nur an den Anschluss 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. Ein Switch leitet Daten gezielt weiter: Sobald ein Schalter empfängt, sucht er in seinem Speicher unter der Zieladresse (MAC) nach dem Anschluss und schickt dann das Datenpaket nur an diesen Anschluss. Der Umfang der MAC-Tabelle hängt vom internen Speicher des Switches ab.
Ein Qualitätsmerkmal eines Schalter ist, wie viele Adresse er insgesamt und pro Port speichern kann. Je nach Netzwerkumfeld sind unterschiedliche Bedürfnisse gegeben. Je größer ein Network ist, desto wichtiger ist es darauf zu achten, dass die Switche genügend Kapazität bei der Verwaltung von MAC-Adressen haben. Geräte in einem netzwerk benötigen eindeutige Adressen, damit der Switch arbeitet effizient.
Switch vs Router und Hub: Der Unterschied
In der Technik des Netzwerkes ist es entscheidend, den Unterschied zwischen einem Switch, einem Router und einem Hub zu kennen. Jedes Gerät übernimmt eine andere Aufgabe beim Netzwerk verbinden. Während ein Hub Daten stumpf an alle Ports verteilt, arbeitet ein Ethernet-Switch wesentlich intelligenter. Ein Router hingegen wird meist als Access-Punkt zum Internet oder zum Verbinden verschiedener Lans genutzt. Router arbeiten primär auf Layer 3, während ein Standard-Switch arbeitet auf Schicht 2. Ein Switch ermöglicht die Kommunikation innerhalb eines lokalen Datennetzwerks bzw. im selben Netzwerk, während Router Netze trennen.
Anwendung und Arten von Netzwerk-Switches
Man unterscheidet Netzwerk-Switches hinsichtlich ihrer Leistungsfähigkeiten. Switches verfügen über 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 Netzwerkpakete auf. Zudem unterscheiden sich Netzwerk-Switches in der Anzahl der Ports.
Ein Schalter merkt sich, über welchen Anschluss welcher Host erreichbar ist. So erzeugt jeder Switch-Anschluss eine eigene Collision Domain (Kollisionsdomäne). Teure Switches bieten zusätzliche Funktionen und können auf der Schicht 3, der Vermittlungsschicht, des OSI-Modells arbeiten (Layer 3-Switch oder Schicht-3-Switch). Diese verwaltete switches sind in der Lage, die Netzwerkpakete anhand der IP-Adressen an die Ziel-Ports durchgeleitet.
Managed vs. Unmanaged Switches: Verwalteter Switch zum Verwalten des Datenverkehrs
Für den Heimgebrauch reicht oft ein unmanaged switch (oder unmanaged switches), der ohne Konfiguration sofort hilft, ein Netzwerk zu verbinden. In professionellen Netzwerken kommen jedoch managed switches zum Einsatz. Ein verwalteter switch (oder managed switch) erlaubt es Administratoren, den Datenverkehr gezielt zu verwalten, Vlans einzurichten und die Bandbreite zu optimieren. Solche Smart-Switches erhöhen die Sicherheit und Effizienz innerhalb eines lokalen Netzwerks. Verwaltete Switches bieten zudem oft Quality of Service (QoS) Funktionen, um den Datenverkehr zu priorisieren. Ein Schalter verwendet dabei intelligente Algorithmen, um angebundene Geräte optimal zu bedienen.
Ethernet Switch mit Layer 3, Gigabit Ethernet und Power over Ethernet
Teure Switches bieten zusätzliche Funktionen und können auf der Schicht 3 des OSI-Modells arbeiten (Layer 3-Switch). Diese sind in der Lage, Netzwerkpakete anhand der IP-Adressen an die Ziel-Ports weiterzugeben. Moderne switches unterstützen oft Gigabit Ethernet für hohe Geschwindigkeit oder Power over Ethernet (PoE), um angeschlossene Geräte wie IP-Telefone oder Kameras direkt mit Strom zu versorgen. Die Geschwindigkeit moderner Ethernet-Verbindungen ermöglicht es, große Datenmengen schnell zu übertragen.
Netzwerk-Switches unterscheiden sich auch in ihrer Bauform. Während ein einfacher Ethernet-Switch über vier oder fünf Ports verfügt, gibt es auch solche, die über 8, 16, 24 oder 32 Anschlüsse verfügen. Wenn der Bedarf nach mehr Anschlüssen besteht, sollte man auf steckbare Switche zurückgreifen. Diese lassen sich über separate Kabel miteinander verbinden und übereinanderstapeln (Switch zu Switch). Mehrere Switches können so switches verbinden, um ein größeres Netzwerk aufzubauen.
Netzwerk-Switches konfigurieren und Switch verwendet im lokalen Netzwerk
Ein logischer Switch kann zudem helfen, physische Ressourcen besser zu nutzen, wenn ein Schalter benutzt wird, um komplexe Strukturen zu konfigurieren. Switches ermöglichen so ein skalierbares Wachstum des Netzwerks. Administratoren können managed switches gezielt konfigurieren, um Vlans zu erstellen, die Geräte innerhalb verschiedener logischer Segmente trennen. Die Konfiguration erfolgt meist über eine Web-Oberfläche oder CLI. Access-Ports werden dabei für Endgeräte genutzt, während Trunk-Ports switches verbinden. In Lans ist die richtige Konfiguration entscheidend für Performance und Sicherheit. Netzwerk Switches sind heute unverzichtbar innerhalb eines Netzwerks.