Warum Switching-Schleifen gefährlich sind

Redundante Verbindungen machen Netzwerke zuverlässiger, können in einem geswitchten Netzwerk aber ein gefährliches Problem verursachen: eine Switching-Schleife. Eine Schleife entsteht, wenn es zwischen Switches zwei oder mehr Pfade gibt und Frames endlos im Kreis laufen. Anders als eine langsame Verbindung kann eine Schleife innerhalb weniger Sekunden das gesamte Netzwerk lahmlegen. In dieser Lektion erfahren Sie, wie Schleifen entstehen und warum sie so zerstörerisch sind.

Um Schleifen zu verstehen, rufen Sie sich in Erinnerung, wie Switches unbekannten oder Broadcast-Datenverkehr verarbeiten. Wenn ein Switch einen Broadcast-Frame oder einen Frame für ein Ziel empfängt, das er noch nicht gelernt hat, flutet er den Frame über jeden Port außer dem, über den er eingegangen ist. Dieses Flooding ist normal und nützlich. Bei einer Schleife in der Topologie wird es jedoch zu einer unkontrollierbaren Katastrophe.

Angenommen, zwei Switches sind mit zwei Kabeln verbunden und bilden dadurch eine Schleife. Ein Broadcast erreicht Switch A, der ihn über beide Verbindungen zu Switch B flutet. Switch B flutet ihn über beide Verbindungen zurück zu Switch A. Switch A flutet ihn erneut, und der Frame vervielfältigt sich und kreist ohne jede Möglichkeit, dies zu stoppen. Ein Layer-2-Frame hat keine integrierte Ablaufzeit, die diesen Zyklus beendet.

Das Ergebnis ist ein Broadcast-Sturm: Kopien von Frames vervielfältigen sich explosionsartig und sättigen jede Verbindung. Die Bandbreite wird durch den kreisenden Datenverkehr vollständig belegt, die CPUs der Switches werden durch die Verarbeitung des Floodings stark ausgelastet, und legitimer Datenverkehr kommt nicht mehr durch. Das Netzwerk funktioniert praktisch nicht mehr. Eine einzige Schleife kann einen gesamten Standort innerhalb weniger Sekunden lahmlegen. Deshalb werden Schleifen als Notfälle behandelt.

Schleifen verursachen ein weiteres Problem: Instabilität der MAC-Adressentabelle. Ein Switch lernt anhand der Quelladresse eingehender Frames, an welchem Port sich ein Gerät befindet. Wenn Schleifen-Frames über mehrere Ports eintreffen, ändert der Switch ständig seine Zuordnung und verschiebt den Tabelleneintrag zwischen den Ports. Diese Verwirrung verfälscht die Weiterleitungsentscheidungen und verschlimmert das Chaos.

Router verhindern endlose Schleifen, weil IP-Pakete einen TTL-Zähler (Time To Live) enthalten, der bis auf null sinkt und das Paket verwirft. Layer-2-Ethernet-Frames haben jedoch kein TTL-Feld. Nichts im Frame selbst wird heruntergezählt oder läuft ab. Daher kann ein Schleifen-Frame auf Layer 2 unbegrenzt zirkulieren, bis ein Mensch die Schleife unterbricht oder ein Protokoll dies verhindert.

Schleifen werden nur selten absichtlich erzeugt. Oft entstehen sie versehentlich: Jemand steckt beide Enden eines Patchkabels in denselben Switch, verbindet zwei Wandanschlüsse miteinander oder schaltet einen nicht verwalteten Switch falsch hintereinander. Da die Symptome plötzlich auftreten und alle betreffen, sind versehentliche Schleifen ein klassischer Grund dafür, dass ein ganzes Büro gleichzeitig die Verbindung verliert.

Anzeichen für eine Schleife sind ein extrem langsames oder vollständig ausgefallenes Netzwerk, Statusanzeigen an den Switches, die hektisch und synchron blinken, sowie eine sehr hohe CPU-Auslastung der Switches. Pings laufen im gesamten Netzwerk in einen Timeout. Wenn die Verbindung unmittelbar nach dem Umstecken eines Kabels oder dem Hinzufügen eines Geräts zusammenbricht, sollten Sie eine Schleife vermuten und nach dem neu entstandenen redundanten Pfad suchen.

Die sofortige Lösung besteht darin, die Schleife durch das Trennen des verursachenden redundanten Kabels zu unterbrechen. Sobald der zweite Pfad entfernt ist, kann das Flooding nicht mehr im Kreis laufen, und der Sturm endet nahezu sofort. Deshalb beginnen Techniker bei einem plötzlichen Totalausfall häufig damit, kürzlich hinzugefügte Verbindungen zu trennen und zu prüfen, ob sich das Netzwerk erholt.

Sie sollten sich nicht darauf verlassen, dass Menschen jede Schleife vermeiden, und Redundanz ist für die Zuverlässigkeit wertvoll. Die eigentliche Lösung ist ein automatisches Protokoll, das redundante Verbindungen zulässt, aber diejenigen blockiert, die eine Schleife bilden würden, und sie als Backups bereithält. Dieses Protokoll ist das Spanning Tree Protocol, das Thema der nächsten Lektion. Es ist der Standard zum Schutz vor Switching-Schleifen.

Switching-Schleifen gehören zu den störendsten Ausfällen, die in einem Netzwerk auftreten können, und sind Bestandteil der Network+-Prüfung. Verstehen Sie die Kette: Ein redundanter Pfad führt zu Flooding, Flooding führt zu einem Broadcast-Sturm und zu Instabilität der MAC-Tabelle, und ohne TTL auf Layer 2 endet der Sturm nicht von selbst. Genau deshalb gibt es die Schleifenvermeidung.

Testen Sie Ihr Wissen über Schleifen.

Eine Switching-Schleife entsteht, wenn redundante Pfade Switches ermöglichen, Broadcasts im Kreis zu fluten. Da Layer-2-Ethernet-Frames kein TTL besitzen, endet die Schleife nie. Dadurch entsteht ein Broadcast-Sturm, der Verbindungen sättigt und die CPU-Auslastung der Switches in die Höhe treibt. Zusätzlich kommt es zu Instabilität der MAC-Tabelle, weil Einträge zwischen Ports wechseln. Schleifen entstehen häufig versehentlich und können einen gesamten Standort innerhalb weniger Sekunden lahmlegen. Die dauerhafte Lösung ist ein automatisches Protokoll zur Schleifenvermeidung: Spanning Tree.