Was ist ein Switch und was macht er im Netzwerk?

Wer mehrere Geräte in unterschiedlichen Arealen in ein Netzwerk integriert, wundert sich möglicherweise über eine sehr schleppende Datenübertragung. Wenn einzelne Schnittstellen ihre Daten übermitteln, bedarf es, wie im richtigen Leben, eine wirksame Organisation und einen praktischen Filter. Und dies übernimmt im Netzwerk der Switch.

Was sich genau hinter diesem technischen Gerät verbirgt und welches Potenzial in ihm schlummert, wird folgend etwas genauer unter die Lupe genommen.

Dabei muss man zwischen einem Switch für ein kleineres Netzwerk oder dem Heimgebrauch und einem Gerät für den professionellen Einsatz unterscheiden. Während das eine Gerät nur 20 bis 30 Euro kostet, kann der Preis für einen Switch für ein Netzwerk im Unternehmen auch mal schnell 150 Euro und mehr kosten.

Was ist ein Switch und wozu dient er?

Ein Switch verbindet diverse Netzwerksegmente miteinander. Aus diesem Grund der vielseitigen Kopplung ist er auch in nahezu jedem Netzwerksystem zu finden. Nähert man sich seinem funktionalen Wert von der sprachlichen Seite, steht einem aus dem Englischen übersetzt ein Schalter beziehungsweise eine Weiche zur Verfügung. Und genau dies ist er auch – eine Netzwerkweiche. Seine Hauptaufgabe in den einzelnen Segmenten besteht aus der Sicherung des erfolgreichen Transports von Datenpaketen an den jeweiligen Port.

Im Gegensatz zu einem, ebenfalls frequent genutzten, Repeater-Hub senden Switchtechniken die Daten – auch Frames genannt – nur an den jeweiligen Zielort, aber nicht an alle im Netzwerk befindlichen Ports. Daher ermöglicht die autonome Verwaltung der Hardware-Adressen jeglicher Geräte eine Weiterleitungsentscheidung.

Etwas tiefer in die Materie eintauchend, stellt das Modul in der Regel eine Multiport-Bridge dar. Dieser aktive Bestandteil eines Netzwerkes leitet folglich Dateninformationen aus dem Data Link Layer eines OSI-Modells (Open Systems Interconnection) weiter. Die Daten selbst kursieren entweder über einen internen Hochgeschwindigkeitsbus (Backplane-Switch) oder kreuzweise über ein Zuordnungssystem (Matrix-Switch).

Ohne wirklich zu „schalten“, entlehnt sich der Begriff aus der leitungsvermittelnden Elektrotechnik. Für eine individuelle Verarbeitung von Informationen existieren verschiedene Modelle auf dem Markt:

• Layer-2-Switch – Die kleinsten und einfachen Exemplare verfügen meist über kein separates Managementsystem. Ihre Plug-and-Play-Kompatibilität vereinfacht die Integration dieser Geräte auch in ein simples Netzwerk. Oft fehlen auch Funktionen wie statistische Speicher oder Portsperren.
• Layer-3-Switch – Mit einem eigenen Managementsystem versehen vereinfachen sie die autonome Datenübermittlung immens. Zudem bieten diese größeren Netzwerkweichen dem Nutzer verschiedene Überwachungsfunktionen. Hierbei greifen die Switchmodule ebenso auf höhere Schichten als Layer-2 zurück. Ergänzende Erweiterungen priorisieren den Quality of Service. Außerdem kann eine IP-Filterung sowie das Routing innerhalb der Hardware realisiert werden.
• Höherwertige Module – Mit zusätzlichen Möglichkeiten hinsichtlich Network Address Translation (NAT) oder Port Address Translation (PAT) gönnen die professionellen Geräte dem Verbraucher mehr Steuerungsoptionen. Ebenso lässt sich ein auf die Anforderungen entsprechendes Load Balancing forcieren.

Wie funktioniert ein Switch?

Dieses Gerät arbeitet in einer speziellen Schicht des Netzwerkprotokolls. Oft ist dies der Layer 2. Hier verarbeitet er die 48 Bit umfassende Media Access Control Adresse (MAC-Adresse) und sondiert sie mit einer Registrierung in der Source-Address-Table – kurz SAT. Gleichzeitig werden hierbei auch die physischen Ports gespeichert, von denen die Adressen übermittelt worden sind. Diese eindeutige Zuweisung ermöglicht eine zielgenaue und separierte Datenübermittlung.

Dabei erweist sich das Switchmodul als selbsttätiges Netzwerksegment, aktualisiert es die Zuweisungsroutinen fortlaufend. Nur in der sogenannten Lernphase gelangen die Datenpakete an alle Ports, wenn die Zieladresse noch unbekannt ist. Im Vergleich zur Bridge mit zwei, selten drei Schnittstellen verfügt ein Switchelement über 5 bis immerhin 50 Ports.

Professionelle modulare Exemplare offenbaren sogar mehrere hundert Anschlussstellen. Dabei offenbart er großartige Features:

• Fragment-Free – Bei besseren Switches prüft die Netzwerkweiche die Länge der im Ethernet erforderlichen 64-Bytes-Länge des ankommenden Frames. Ohne Prüfung werden diese dann an das Ziel weitergesendet. Stimmt die Länge nicht überein, wird der Frame aufgrund einer Kollision trümmerhaft sein. Eine Prüfung folgt.
• Fast-Forward – Bereits beim Eintreffen des Frames entscheidet diese Technikkomponente über eine flexible Weiterleitung. Folglich werden die Informationen schon weitergeleitet, bevor der gesamte Frame im Modul angekommen ist. Fehlerstellen werden nicht erkannt, können in einem Layer-2 aber auch nicht korrigiert werden. Schichten vom Typ 2 enthalten keine Fehlerkorrektur.
• Non-Blocking – Sämtliche Ports können separat senden beziehungsweise empfangen. Und dies ist sogar gleichzeitig möglich. Daher schenkt das Modul eine extrem hohe Unabhängigkeit der einzelnen Kanäle.
• Cut-Through – Minimieren der Verzögerung nach einer Abfrage und dem daraufhin eintreffenden Feedback. Das transparente Switch-Verhalten im Netzwerk regelt ebenso die Steuerung angeschlossener Segmente. Findet die Kommunikation innerhalb eines Segments statt, werden die Interaktionen in den anderen Bereichen reduziert. Jedoch können bei Segment-überschreitenden Anforderungen einzelne Frames aufgrund einer Verzögerung verloren gehen. Durch die Verringerung der Latenz als Funktionserweiterung wird diesem Risiko vorgebeugt. Aber auch die Kontrolle durch höhere Protokolle wie das Transmission Control Protocol (TCP) wird dieses Verwerfen ausgeglichen. Diese Prozedur erfolgt in der Regel bei gleichen Geschwindigkeiten von Quell- und Zielort.

Mittels Stacking lassen sich auch mehrere dazu fähigen Switches zu einem logischen Element zusammenfügen. Hierbei erhöht sich die Portanzahl. Ein integriertes Management ermöglicht eine optimale Steuerung. Hohe Übertragungsrate und eine dazu vergleichsweise geringere Latenz sind große Vorteile in der massenweisen Datenverarbeitung.

Anwendungsgebiete des Netzwerkschalters

Eine Adressverwaltung ist und bleibt in einem Netzwerk unerlässlich. Daher eignet sich dieses Gerät allein schon für eine Anwendung in jedem dieser Systeme. Vor allem profitiert der Nutzer aber aufgrund der hohen Anzahl an Ports bei einem großen Netzwerk von seiner Funktion. Gerade in großen Rechenzentren lassen sich spezielle Platinen, Rechner oder Speicher ansprechen.

In Rechenzentren werden tagtäglich große Mengen an Datenverkehr geregelt. Um die Ansteuerung der einzelnen Serverracks gezielt zu gewährleisten, bedarf es einiger Top of Rack Switch (ToR). Von großem Vorteil erweist sich eine solche Anwendung bei einer Spine-Leaf-Architektur, sie funktionieren aber genauso gut für Sternarchitekturen.

Dank der Implementation der Module lässt sich ein Verkabelungsaufwand deutlich minimieren. Man darf sich vorstellen, dass in solch einer Institution bis zu zehntausend Systeme betriebsbereit gehalten werden. Aber auch bei einer allgemeinen Gebäudeinstallation erweist sich dieses technische Equipment als ein verlässlicher Assistent bei der Kommunikation von einer Steuerzentrale über die Verteiler bis hin zu einzelnen Abnehmern in verschiedenen Arealen.

Der große Vorteil liegt ganz klar in der schnellen Datenorganisation eines komplexen Netzwerkes, wenn gleich auch ein firmeninternes Netzwerk einer kleinen Firma davon profitiert. So sind jederzeit auch Anforderungen des umsichtigen Small Office oder des Homeoffice zu Hause realisierbar – dies versteht man unter dem Begriff SOHO.

Leistungssteigerung bei der Datenübertragung

Die Verwendung eines Switch bietet den Nutzern eines Netzwerkes einige Vorteile. Zum einen wäre die Vermeidung von Datenkollisionen zu nennen. Intern lassen sich beide Pakete senden. Dank Flow Control kann zudem die Übermittlungsgeschwindigkeit reguliert werden. Des Weiteren schenkt er einige Vorzüge gegenüber üblichen Hubs.

Bei vier Kommunikationspaaren an einem 8-Port-Switch und der vollen Ausnutzung der Übertragungsgeschwindigkeit kann somit die achtfache Geschwindigkeit gegenüber eines Hubs erreicht werden. Dies hängt aber auch von den internen Prozessoren der angeschlossenen Schnittstellen ab.

Die Aufzeichnung der Adressen innerhalb der Tabelle verhindert zudem Spionage durch die Netzwerkkarte. Daten werden eben nur dahin geschickt, wo der passende Adressat zu finden ist. Die Unterteilung eines physischen Gerätes in separate logische Module erfolgt einfach über VLANs. Und auch die Bündelung der Ports und der Duplex-Modus steuern ihren Beitrag zur Leistungssteigerung bei.

Zusammenfassung und Fazit

Ein Switch erweist sich als besonders hilfreich im Umfeld mehrerer technischer Geräte. Zudem ermöglicht er die reibungslose und parallele Übertragung von Daten von einigen Schnittstellen, was die Datenverarbeitung am Zielort deutlich optimiert. So präsentiert er sich bereits für kleine Firmennetzwerke als unerlässlich.

Mittels individueller Segmentierung und möglicher Bündelung können außerdem sehr komplexe und mehrere Netzwerke verbunden und aufeinander abgestimmt werden. In jedem Fall profitiert der Nutzer von einer verkürzten Kommunikation und daher schnelleren Ausführung seiner Befehle.

Wenn Layer-2 für die meisten kleinen Netzwerke ausreichen, können höherwertige Switchmodule die interaktive Lösungen zwischen verschiedenen Netzwerken schlechthin sein.