Cut-Through-Switching

Beim Cut-Through-Verfahren beginnt ein Switch die Weiterleitung, sobald er die Zieladresse gelesen hat — lange bevor der Frame vollständig eingetroffen ist. Es ist das schnellste der Weiterleitungsverfahren und das einzige, dessen Verzögerung nicht von der Rahmenlänge abhängt.

Ablauf

Die Zieladresse steht am Anfang des Rahmens, in den ersten sechs Byte. Sobald sie vorliegt, kann der Switch den Ausgangsport bestimmen und beginnen, die eintreffenden Bytes dorthin durchzureichen.

Eingang und Ausgang laufen damit gleichzeitig: Während das Ende des Rahmens noch empfangen wird, verlässt sein Anfang das Gerät bereits. Der Rahmen wird nicht zwischengespeichert, sondern durchgeleitet.

Was das für die Verzögerung bedeutet

Weil nur ein kleiner, immer gleich großer Teil des Frames abgewartet wird, ist die Verzögerung konstant — unabhängig davon, ob ein Rahmen 64 oder 1.518 Byte lang ist. Moderne Geräte erreichen Portlatenzen im Bereich einiger hundert Nanosekunden.

Das ist der eigentliche Gewinn, und er liegt nicht nur im niedrigeren Mittelwert: Die Gleichmäßigkeit ist für Anwendungen wertvoll, die auf berechenbare Laufzeiten angewiesen sind, weil die Schwankung zwischen kurzen und langen Rahmen entfällt.

Der Preis: keine Prüfung

Die Prüfsumme steht am Ende des Rahmens. Ein Switch, der den Anfang bereits weitergesendet hat, kann sie nicht mehr zur Entscheidung nutzen — der Rahmen ist unterwegs, bevor sein Prüffeld überhaupt angekommen ist.

Daraus folgt die wesentliche Einschränkung: Fehlerhafte Rahmen werden mitgeleitet. Sie belasten jeden weiteren Abschnitt und werden erst beim Empfänger verworfen. Der Switch kann den Fehler nachträglich erkennen und zählen, aber nicht verhindern.

In einem Netz mit sauberer Verkabelung fällt das nicht auf, weil fehlerhafte Rahmen selten sind. In einem Netz mit einem defekten Kabel oder einem gestörten Abschnitt verteilt das Verfahren den Schaden, statt ihn einzugrenzen — und erschwert zugleich die Fehlersuche, weil die Fehlerzähler auf mehreren Geräten anschlagen, obwohl nur eines die Ursache sieht.

Wo es nicht geht

Das Verfahren setzt voraus, dass Eingang und Ausgang gleich schnell sind. Ist der Ausgangsport langsamer, muss gepuffert werden, und damit ist man beim Store-and-Forward-Verfahren. Ist er schneller, entstehen Lücken im Datenstrom.

Ebenso entfällt es, sobald am Rahmen etwas geändert wird oder eine Entscheidung Felder braucht, die weiter hinten liegen — etwa eine Einstufung nach Portnummern oder eine Zugriffsliste.

Adaptive Umschaltung

Viele Geräte beherrschen beide Verfahren und wechseln selbsttätig: Sie arbeiten im Cut-Through-Betrieb und schalten auf Store-and-Forward um, wenn die Fehlerrate an einem Port einen Schwellwert übersteigt. Sinkt sie wieder, wird zurückgeschaltet.

Damit ist der Nachteil in der Praxis begrenzt — allerdings um den Preis, dass die Verzögerung nicht mehr vorhersagbar ist, weil sie vom Zustand des Netzes abhängt.

Wo es eingesetzt wird

Der typische Einsatzort sind Rechenzentren und Hochleistungsverbünde, in denen Laufzeiten im Mikrosekundenbereich zählen: Speichernetze, Rechenverbünde, Handelssysteme. Dort sind die Strecken kurz, die Verkabelung kontrolliert und die Portgeschwindigkeiten einheitlich — genau die Bedingungen, unter denen der Nachteil nicht trägt.

Im Campus- und Zugangsnetz ist das Verfahren unüblich, weil dort gemischte Geschwindigkeiten und wechselnde Verkabelungsqualität die Regel sind.

Abgrenzung

Die Gegenüberstellung der drei Verfahren samt Entscheidungskriterien steht im Lemma zu den Weiterleitungsverfahren.

Store-and-Forward nimmt den Rahmen vollständig auf und prüft ihn. Fragment-Free wartet die ersten 64 Byte ab und fängt damit wenigstens die kürzesten fehlerhaften Rahmen auf.

Die Rahmenprüfsumme ist das Feld, dessen Auswertung bei diesem Verfahren entfällt.

Quellen

• IEEE Std 802.1Q: Bridges and Bridged Networks
• IEEE Std 802.3: Ethernet