Switches

Einführung

Ein Switch ist eigentlich nichts anderes, als eine Bridge mit mehreren Ports. Der entscheidende Unterschied liegt darin, dass ein Switch Verbindungen zwischen seinen Ports parallel schalten, also dedizierte Verbindungen aufbauen kann. Diese Punkt-zu-Punkt-Verbindungen bilden ein eigenes Netzsegment.
Genau wie die Bridge arbeitet er in der Schicht 2 des OSI Referenzmodells (Sicherung) und ist protokolltransparent. Dadurch ist es ihm möglich Netze unterschiedlicher Topologie zu verbinden (z.B. Koaxialkabel <-> Twisted Pair). Mit entsprechender Übersetzungsintelligenz kann er auch zwischen unterschiedlichen Rahmentypen (Token Ring mit Ethernet) vermitteln. Vorraussetzung ist jedoch, dass die Protokolle der Schichten 3-7 des OSI-Modells identisch sind. Wie die Bridge arbeitet er mit den MAC-Adressen, um Absender und Empfänger von Paketen zu identifizieren. Als Verwandter der Bridge kann ein Switch ebenfalls die Weiterleitung lokalen Datenverkehrs verhindern. Er benutzt Adresstabellen, um sich ein Bild der herrschenden Netzwerktopologie zu verschaffen.

Seine Eigenschaft, die Ports direkt verschalten zu können, fordert entsprechend leistungsfähige Hardware. Denn im Extremfall muss er in der Lage sein, einen Datenverkehr in der Grösse Anzahl Ports x Bandbreite Gesamtnetz zu bewältigen. Schafft er es nicht, ein Paket mit der eigentlichen Verbindungsgeschwindigkeit an die Zielstation zu leiten (= wire speed), würde der Switch selbst einen Flaschenhals darstellen.

Swich-Typen

Grundsätzlich kann man Switches nach folgenden Kriterien unterteilen:

Darüberhinaus haben sich zwei wesentliche Varianten der internen Vermittlung entwickelt, das Cut-Through-Switching und das Store-and-Forward-Switching:

Cut-Through-Switching

Switches, die nach diesem Verfahren arbeiten, lesen nur die ersten 14Byte eines Frames aus. Darin sind alle Informationen enthalten, die benötigt werden, um das Frame weiterleiten zu können. Da nur ein kleiner Teil des Frames gelesen wird, ist die Weiterleitung extrem schnell, bei einem Fast Ethernet-Netzwerk beträgt die Verzögerung unter 11 Mikrosekunden. Der Nachteil liegt u.a. darin, dass keine Filterung fehlerhafter Frames möglich ist, da der CRC-Teil des Frames ausserhalb der ersten 14 Byte liegt. Es ist bestenfalls eine nachträgliche Kontrolle möglich. Damit kann ein defektes Paket zwar nicht mehr aufgehalten werden, es kann aber für den Administrator ein Fehlerbericht erstellt werden, aus dem dieser Rückschlüsse auf die Fehlerursache ziehen kann.
Da diese Switches keine Zwischenspeicherung der Frames durchführen, können sie auch nicht zwischen verschiedenen Bandbreiten oder Rahmentypen vermitteln.

Eine neuere Variante der Cut-Through-Switches sind die sogenannten Fragment-Tree-Switches. im Gegensatz zu herkömmlichen Modellen lesen solche Switches die ersten 64Byte eines Frames aus. Damit lassen sich Kollisionsfragmente herausfiltern. Diese Reste eines kollidierten Frames (Rents) haben eine charakteristische Grösse von weniger als 64Byte. Fragment-Tree-Switches erreichen eine Verzögerung von weniger als 60 Mikrosekunden. Im Gegensatz zu herkömmlichen Cut-Through-Switches stellen die angeschlossenen Segmente Kollisionsdomänen dar.
Allerdings haben sich die Fragment-Tree-Switches nicht durchgesetzt. Dies liegt vor allem daran, dass viele moderne Netzwerke Vollduplexverbindungen nutzen, um Kollisionen zu vermeiden.

Store-and-Forward-Switching

Store-and-Forward-Switches werden gegenüber ihren Cut-Through-Kollegen wesentlich häufiger eingesetzt.
Sie lesen einen Frame komplett ein, speichern ihn zwischen und interpretieren ihn. Deshalb ist ihre Verzögerung auch deutlich höher. Je nach Framegrösse bis zu 100 Mikrosekunden. Ihr Vorteil liegt darin, dass sie fehlerhafte Frames herausfiltern können, dass die angeschlossenen Segmente Kollisionsdomänen werden, dass sie mit einer ausreichend grossen Pufferung zwischen unterschiedlichen Bandbreiten (10BaseX <-> 100BaseX) und mit entsprechender Übersetzungslogik auch zwischen unterschiedlichen Rahmentypen vermitteln können.

Vergleich Cut-Through und Store-and-Forward

Probleme

Auch bei Switches kann es zu dem Problem der Endlosschleifen kommen. Deshalb kommt auch in Switches normalerweise der Spanning Tree Algorithmus zum Einsatz.
Bei einem schlecht geplanten Netzwerk kann es passieren, dass einzelne Ports überlastet sind. Man stelle sich z.B. ein Ethernet vor, bei dem eine grosse Anzahl Stationen auf einen Server zugreifen möchten, der einzeln an einem Port angeschlossen ist. Es kann dazu kommen, dass der Server das Netz blockiert, da der Port überlastet ist. Schliesslich muss der Port, an dem der Server angeschlossen ist alle Pakete empfangen und zusätzlich noch die Antworten des Servers weiterleiten. Überlastete Ports können im Extremfall dazu führen, dass ein Rechner im Netz nicht mehr gefunden wird, weil der ARP-Request nicht beantwortet werden konnte.
Um solche Probleme zu mildern, gibt es bei modernen Switches häufig einen Flow-Control-Mechanismus. Dieser erhält von einem Port die Meldung, dass dieser überlastet ist, und reagiert darauf, indem er die Bandbreite zu diesem Port herabsetzt.