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Switch - ein fixer Paketschalter für schnelle Datennetze

Switch ist die englischsprachige Bezeichnung für Schalter und wird daher allgemein für Bauteile verwandt, die Schaltfunktionen ausführen. So gibt es zum Beispiel kleine Schalter auf elektronischen Schaltungen um Voreinstellungen mechanisch vornehmen zu können. Auch Umschaltgeräte, die die Mehrfachnutzung von Ein-/Ausgabegeräten (Tastatur / Maus / Monitor oder Drucker) ermöglichen, werden als Switch bezeichnet. Im Bereich der Datennetze sind Switches jedoch als Koppelelemente zwischen dem zentralen Netzwerk (Backbone) und dem Netzwerkanschlüssen ein wesentlicher Teil der Netzwerk-Infrastruktur. Auf diese Netzwerkkomponente beziehen sich nachfolgende Ausführungen.

Technologische Grundlagen

In lokalen Datennetzwerken (LAN - Local Area Network) wird überwiegend das Ethernet-Protokoll in der Netzwerkschicht 2 (Layer 2) eingesetzt. Dieses Protokoll regelt den Zugriff vieler Netzwerkgeräte auf ein gemeinsames Breitbandmedium (shared medium). Da der Zugriff grundsätzlich wahlfrei ist, kommt es dabei zu Datenkollisionen, die durch Sendewiederholung nach unterschiedlichen Wartezeiten aufgelöst werden müssen. Diese Abläufe verursachen unkalkulierbare Verzögerungen des Datentransportes, erhöhen durch die Sendewiederholungen die Last auf dem Netz und können bei hohem Datenaufkommen zum Einbruch des Datendurchsatzes führen.

Früher - Eines für Alle

Bevor Switches eingeführt wurden, waren die Netzwerkdosen an einfachen Hubs zusammengeführt und dort mit der höheren Netzwerkebene (Backbone) verbunden. Alle Anschlüsse eines Hubs (Ports) gehörten zum "shared Medium", so dass sich bei einem Hub mit 24 Ports die möglichen 24 Netzwerkteilnehmer gegenseitig stark beeinflussten. Zu einem bestimmten Zeitpunkt konnte immer nur ein Gerät die Bandbreite des Ports nutzen, die anderen mussten warten, bis das gemeinsame Medium wieder frei wurde.

Heute - Switching Hub == Switch

Der Switch ersetzt den alten Hub und wird daher mitunter auch als Switching Hub bezeichnet. Er sorgt für deutliche Durchsatzsteigerung, denn jeder einzelne Port des Switch tauscht die Daten mit dem angeschlossenen Netzwerkgerät exklusiv aus. Die Ports beherrschen Vollduplexbetrieb, können also gleichzeitig senden und empfangen. Dadurch werden Datenkollisionen und Wartezeiten vermieden, die Bandbreite des Ports steht jedem Gerät unabhängig vom Datenverkehr auf den anderen Ports zur Verfügung. Soweit Netzwerkteilnehmer des gleichen Switchs miteinander Daten austauschen, werden diese direkt zum entsprechenden Port weitergeschaltet. Datenpakete zu Teilnehmern, die nicht am gleichen Switch angeschlossen sind, werden über Warteschleifen (Queues) geführt und nacheinander auf die höhere Netzwerkebene geleitet. Ankommende Datenpakete werden anhand der mitgesendeten Zieladresse (MAC-Adresse) auf dem zugeordneten Port ausgegeben. Dieser Datenaustausch zwischen den Ports und dem Backbone wird weitestgehend durch schnelle Hardware-Funktionen realisiert, so dass diese Aktionen sehr schnell erfolgen und die Bezeichnung Switch begründen. Allgemein arbeiten Ethernet-Switches auf der Netzwerkschicht 2 (Verbindungsebene). Häufig werden jedoch in den Switch auch die Funktionen von Routern integriert, so dass auch die Aufgaben der Schicht 3 (Vermittlungsebene) erfüllt werden.

Wesentliche Auswahlkriterien beim Einsatz eines Switches

Montageort

Für den Einsatz direkt am Arbeitsplatz gibt es Standgeräte ohne Lüfter mit wenigen Ports (4-8 Ports), für den Einbau im Datenschrank 19-Zoll-Einbaugeräte und für den rauen Industrieeinsatz spezielle Switches beziehungsweise klimatisierte Datenschränke. Die 19-Zoll-Switches variieren in der Anzahl der belegten Einbauplätze, je Einbauplatz (Unit) sind zumeist 24 Ports verfügbar.

Anschlussart und Bandbreite

Als Verkabelungsarten sind Kupferleitungen ab Cat5 (abgeschirmt und verdrillt) bis 100 m und Glasfaserleitungen bis zu einigen Kilometern geeignet. Je nach Verkabelung sind Bandbreiten zwischen 10 MBit/s und 10.000 MBit/s möglich. Im Backbone wird üblicherweise eine hohe Bandbreite über Glasfaserverbindungen gewählt. Im Anschlussbereich dagegen kommt häufig Cat6-Verkabelung mit Fast Ethernet (100 Mbit/s) zum Einsatz. Der Anschluss am Switch erfolgt über ein flexibles Verbindungskabel (Patchkabel) mit RJ45-Steckern. Mit der Unterstützung von Auto Negotiation und Auto Uplink stellt sich der Anschluss am Switch automatisch auf den Typ des Netzwerkgerätes und die Verkabelungsart ein. Bestimmte Geräte wie IP-Telefone, IP-Kameras, WLAN-Access-Points können zudem über den Netzwerkanschluss mit Betriebsstrom versorgt werden, vorausgesetzt Switch und Endgerät unterstützen PoE (Power over Ethernet).

Strukturierung durch VLAN

In grösseren Netzwerken werden oft Möglichkeiten zur Strukturierung benötigt, die unabhängig vom physikalischen Aufbau des Netzwerkes (Layer 1) sind. Die Einrichtung von virtuellen LANs (VLAN) innerhalb eines grösseren LAN kann am Switch über eine feste Zuordnung von Ports zu einem VLAN oder die Auswertung einer VLAN-ID (Tag) im Datenpaket erreicht werden (Layer 2). Die Teilnehmer verschiedener VLAN's sind dann logisch voneinander getrennt und gehören unterschiedlichen Domänen an. Weitere Strukturierungsmöglichkeiten durch Switches bestehen auf höheren Protokollebenen (Layer 3-7), sofern diese vom Switch unterstützt werden (Layer 2+).

Administration

In kleinen Netzwerken ist eine einfache, automatische Konfiguration vorteilhaft, die keine regelmäßige Administration erfordert. Dafür eignen sich Switches für den SOHO-Bereich (Heim, Büro) und als "unmanaged" ausgewiesene Einbaugeräte. Die meisten Einstellungen werden automatisch gewählt oder sind über einen Webbrowser einstellbar. In grösseren Netzwerken sind sowohl für die Konfiguration, als auch die Betriebsüberwachung wesentlich umfangreichere Möglichkeiten gefordert. Die Unterstützung von verbreiteten Managementprotokollen wie SNMP (Simple Network Management Protocol) und RMON (Remote Monitoring) über einen separaten Management-Port sind neben einer möglichst homogenen Netzstruktur beste Voraussetzungen hierfür.

Einsatzfelder

SOHO - Small Office/Home

Für die gemeinsame Nutzung von Dateien, Anwendungen in kleinen Netzwerken und dem Zugriff auf einen DSL-Anschluss sind bereits Switches mit 10 Mbit/s am Port ausreichend. Bei Einsatz von IP-Telefonie und Multimedia empfiehlt sich allerdings ein Switch mit 100 Mbit/s am Port und Unterstützung für Priorisierung von Datenströmen (QoS).

Firmennetzwerk - Local Area Network

Wird das Netzwerk für die Vernetzung von eigenständigen Rechnern zum Datenaustausch, Drucken im Netz und gelegentlichen Zugriff auf zentrale Server und Dienste eingesetzt, kann mit niedrigen Bandbreitenbedarf gerechnet werden, so dass oft 10 Mbit/s am Port und 100 Mbit/s im Backbone ausreichen. Höhere Bandbreite im Backbone und vor allem höhere Ausfallsicherheit von Switches und Servern sind bei umfangreichem Terminalbetrieb und serverseitigen Anwendungen erforderlich. Kommen dazu noch zeitkritische Anwendungen wie IP-Telefonie und Multimedia, sind 100 Mbit/s am Port, Gigabit-Ethernet im Backbone sowie Management- und QoS-Funktionen Voraussetzung für einen störungsfreien Betrieb.

Carriernetze - Wide Area Network

In Carriernetzen werden besonders ausfallsichere Systeme verwandt, die hohe Bandbreite und Datendurchsatz, kurze Verzögerungen und vielfältige Management- und QoS-Unterstützung bieten.


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