Wie ein Switch Frames weiterleitet

Ein Switch ist das moderne Gerät, das Geräte in einem LAN verbindet, und er ist wesentlich intelligenter als ein Hub. Statt Daten blind zu wiederholen, liest ein Switch Adressen und leitet jeden Frame nur an den Port weiter, an dem sich das Ziel tatsächlich befindet. Diese eine Änderung verbessert Geschwindigkeit, Effizienz und Sicherheit erheblich. In dieser Lektion erfahren Sie genau, wie ein Switch diese Weiterleitungsentscheidungen trifft.

Ein Switch arbeitet auf der Sicherungsschicht (Layer 2 des OSI-Modells). Auf dieser Schicht werden Daten in Frames organisiert, und jedes Gerät besitzt eine eindeutige MAC-Adresse (Media Access Control address), die fest in seine Netzwerkkarte eingebrannt ist. Der Switch liest die MAC-Adressen in den Frames, um zu entscheiden, wohin er sie senden muss. Deshalb wird er als Layer-2-Gerät bezeichnet.

Jeder Ethernet-Frame enthält zwei MAC-Adressen: eine Quelladresse (wer ihn gesendet hat) und eine Zieladresse (wer ihn empfangen soll). Der Switch untersucht diese Adressen in jedem Frame. Indem er verfolgt, welche MAC-Adresse an welchem Port vorhanden ist, kann der Switch Frames gezielt zustellen, statt sie wie ein Hub überallhin zu überfluten.

Ein Switch baut sein Wissen durch Lernen auf. Wenn ein Frame eintrifft, speichert der Switch die Quell-MAC-Adresse und den Port, an dem der Frame eingegangen ist, als Paar in seiner MAC-Adresstabelle. Mit der Zeit lernt der Switch, wo sich jedes Gerät befindet, während diese Datenverkehr sendet. Dieses automatische Lernen erfordert keine Konfiguration und findet kontinuierlich statt.

Um einen Frame weiterzuleiten, vergleicht der Switch die Ziel-MAC-Adresse mit seiner Tabelle:

• Bekannte Adresse – den Frame nur über den passenden Port ausgeben.
• Unbekannte Adresse – den Frame über alle Ports außer dem Eingangsport ausgeben.

Sobald das Ziel antwortet, lernt der Switch auch dessen Standort, sodass zukünftige Frames direkt dorthin gesendet werden.

Wenn ein Switch noch nicht weiß, an welchem Port sich eine Ziel-MAC-Adresse befindet, überflutet er den Frame über jeden Port außer dem Quellport – ähnlich wie ein Hub. Das ist jedoch nur vorübergehend: Sobald das Ziel antwortet, lernt der Switch dessen Port und beendet die Überflutung für diese Adresse. Überfluten ist also eine Ausweichlösung und nicht das normale Verhalten; außerdem füllt sich die Tabelle schnell.

Jeder Switch-Port arbeitet im Vollduplex-Modus, kann also gleichzeitig senden und empfangen, und stellt dem verbundenen Gerät eine eigene dedizierte Bandbreite statt einer gemeinsam genutzten Leitung zur Verfügung. Dadurch werden die Kollisionen beseitigt, die bei Hubs häufig auftraten, und jedes Gerät kann gleichzeitig mit voller Geschwindigkeit arbeiten. Das ist ein wesentlicher Grund dafür, dass Switching-Netzwerke Netzwerke auf Hub-Basis deutlich übertreffen.

Die MAC-Tabelle wächst nicht unbegrenzt. Jeder Eintrag besitzt einen Alterungs-Timer. Wenn der Switch über einen bestimmten Zeitraum nichts mehr von einer MAC-Adresse hört, entfernt er den Eintrag. So bleibt die Tabelle aktuell, wenn Geräte umziehen oder die Verbindung trennen. Sendet ein Gerät später erneut, lernt der Switch seinen Standort einfach wieder, sodass die Weiterleitung korrekt bleibt.

Switches behandeln verschiedene Frame-Typen unterschiedlich:

• Unicast – an ein Gerät; bei bekannter Adresse an genau diesen Port weitergeleitet.
• Broadcast – an alle Geräte; über jeden Port ausgegeben.
• Multicast – an eine Gruppe; überflutet oder mit zusätzlichen Funktionen gezielt gesendet.

Broadcasts breiten sich immer über den gesamten Switch aus. Das ist für die später behandelten Broadcast-Domänen wichtig.

Switches können Frames auf unterschiedliche Weise weiterleiten. Beim Verfahren Store-and-forward wird der gesamte Frame empfangen, auf Fehler geprüft und anschließend weitergeleitet – zuverlässig, aber etwas langsamer. Beim Verfahren Cut-through beginnt die Weiterleitung, sobald die Zieladresse gelesen wurde – dadurch ist es schneller, aber Fehler können nicht erkannt werden. Die meisten modernen Switches verwenden aus Gründen der Zuverlässigkeit Store-and-forward. Für die Prüfung ist es nützlich, diese beiden Verfahren und ihren Kompromiss zwischen Geschwindigkeit und Genauigkeit zu kennen.

Durch intelligente Weiterleitung bieten Switches gegenüber Hubs drei große Vorteile: höhere Leistung durch dedizierte Vollduplex-Ports, weniger Kollisionen, da jeder Port seine eigene Kollisionsdomäne bildet, und mehr Sicherheit, da Frames nicht an jedes Gerät gesendet werden. Genau deshalb haben Switches Hubs überall ersetzt und bilden das Rückgrat jedes modernen LANs.

Überprüfen Sie Ihr Wissen über Switching.

Sie haben gelernt, dass ein Switch ein Layer-2-Gerät ist, das MAC-Adressen in Frames liest, um diese intelligent weiterzuleiten. Er lernt Quell-MAC-Adressen und die zugehörigen Ports und speichert sie in einer MAC-Adresstabelle. Bekannte Ziele leitet er über einen einzelnen Port weiter, unbekannte Ziele überflutet er vorübergehend. Jeder Port arbeitet im Vollduplex-Modus und verfügt über dedizierte Bandbreite, wodurch Kollisionen beseitigt werden. Tabelleneinträge laufen ab, damit die Tabelle aktuell bleibt. Switches übertreffen Hubs bei Geschwindigkeit, Kollisionsvermeidung und Sicherheit und versorgen jedes moderne LAN.