Switch

Was ist ein Switch?

Ein Switch, auch Netzwerkweiche genannt, ist ein aktives Gerät der Netzwerktechnik, das mehrere Endgeräte oder Netzsegmente auf der Sicherungsschicht (Layer 2) des OSI-Modells miteinander verbindet. Anders als ein einfacher Hub, der eingehende Datenpakete an alle angeschlossenen Ports weiterleitet, analysiert ein Switch die Ziel-MAC-Adresse jedes eingehenden Ethernet-Frames und sendet ihn gezielt an den dafür bestimmten Port. Diese selektive Weiterleitung reduziert die unnötige Verkehrslast im Netz und erhöht die effektiv nutzbare Bandbreite erheblich.

Vom Hub zum Switch: Warum intelligente Weiterleitung zählt

Ein Hub arbeitet als Signalverstärker, der jedes empfangene Bit an alle Ports kopiert. Alle angeschlossenen Geräte teilen sich dieselbe Kollisionsdomäne. Je mehr Geräte kommunizieren, desto häufiger kommt es zu Datenkollisionen, die den Durchsatz einbrechen lassen. Ein Switch hingegen baut für jedes Gespräch eine kurzzeitige, direkte Verbindung auf und isoliert die Datenströme voneinander. Gleichzeitige Übertragungen zwischen verschiedenen Port-Paaren sind ohne Kollisionen möglich. Jeder Port bildet eine eigene Kollisionsdomäne.

Die MAC-Adresstabelle: Lernen und Weiterleiten

Das Herzstück eines Switches ist die MAC-Adresstabelle, auch Source Address Table genannt. Diese Tabelle ordnet jeder empfangenen Quell-MAC-Adresse den Port zu, an dem der Frame eintraf. Der Switch arbeitet nach drei Grundprinzipien:

Lernen: Eingehende Frames werden auf ihre Quell-MAC-Adresse geprüft. Ist die Adresse nicht in der Tabelle, wird sie zusammen mit dem Port eingetragen. Bei bekannter Adresse wird der vorhandene Eintrag aktualisiert.
Filtern und Weiterleiten: Für jede Ziel-MAC-Adresse sucht der Switch in seiner Tabelle den zugehörigen Port. Findet er einen Eintrag und ist der Port vom Quellport verschieden, leitet er den Frame ausschließlich an diesen einen Port weiter. Stimmt der Zielport mit dem Quellport überein, wird der Frame verworfen.
Flooding: Ist die Ziel-MAC-Adresse unbekannt oder handelt es sich um einen Broadcast oder Multicast, wird der Frame an alle Ports außer dem Quellport weitergeleitet. Das Ziel antwortet, und der Switch lernt dessen Port aus der Antwort.

Store-and-Forward und Cut-Through

Je nach Anforderung an Latenz und Fehlerprüfung arbeiten Switches mit unterschiedlichen Switching-Verfahren.

Store-and-Forward: Der Switch empfängt den gesamten Frame, prüft ihn mittels CRC auf Übertragungsfehler und beginnt erst danach mit der Weiterleitung. Fehlerhafte Frames werden verworfen. Dieses Verfahren erhöht die Latenz um die Übertragungsdauer des Frames, verhindert aber die Verbreitung fehlerhafter Daten.
Cut-Through: Der Switch beginnt mit der Weiterleitung, sobald die Ziel-MAC-Adresse im Header gelesen wurde, noch bevor der restliche Frame eingetroffen ist. Dies minimiert die Latenz, bietet jedoch keinen Schutz vor fehlerhaften Frames. Moderne Switches setzen meist auf Store-and-Forward, da die Geschwindigkeiten heute hoch genug sind.
Fragment-Free: Eine Kompromisslösung, die den Frame erst nach den ersten 64 Byte weiterleitet, um Kollisionsfragmente zu erkennen und zu verwerfen.

VLANs und Segmentierung

Ein klassischer Switch leitet Frames innerhalb einer Broadcast-Domäne weiter. Broadcasts erreichen alle Ports, die zum selben VLAN gehören. Virtual Local Area Networks (VLANs) erlauben es, einen physischen Switch logisch in mehrere unabhängige Switches zu unterteilen. Geräte in unterschiedlichen VLANs können ohne einen Router oder Layer-3-Switch nicht miteinander kommunizieren. VLANs werden auf Trunk-Verbindungen zwischen Switches mittels IEEE 802.1Q-Tagging transportiert. Der Switch kapselt oder markiert die Frames, um die VLAN-Zugehörigkeit über das gesamte Netz hinweg zu erhalten. VLANs sind ein fundamentaler Bestandteil moderner Netzwerktechnik und in einem eigenen Artikel ausführlich beschrieben.

Spanning Tree und Schleifenvermeidung

In redundanten Topologien mit mehreren Switches entstehen physische Schleifen, die zu Broadcast-Stürmen und Netzausfällen führen können. Das Spanning Tree Protocol (STP) erkennt diese Schleifen und deaktiviert logisch überflüssige Verbindungen, bis ein aktiver Pfad ausfällt. Jeder Switch tauscht dazu Bridge Protocol Data Units (BPDUs) aus und berechnet einen schleifenfreien Baum. Moderne Varianten wie Rapid Spanning Tree (RSTP) und Multiple Spanning Tree (MSTP) reduzieren die Konvergenzzeiten und erlauben lastabhängige Pfade. Spanning Tree ist in einem eigenen Artikel detailliert dargestellt.

Management und Konfiguration

Switches lassen sich in zwei große Kategorien einteilen:

Unmanaged Switches: Arbeiten ohne Konfigurationsmöglichkeit, lernen selbstständig MAC-Adressen und leiten Frames weiter. Sie werden in kleinen Büros und Heimnetzen eingesetzt, wo keine VLANs oder Sicherheitsrichtlinien erforderlich sind.
Managed Switches: Bieten umfangreiche Konfigurationsschnittstellen über Kommandozeile (CLI), Weboberfläche oder Netzwerkmanagement-Protokolle (SNMP). Funktionen wie VLANs, Link Aggregation, Quality of Service, Port Security und Zugriffskontrollen sind konfigurierbar und überwachbar. Managed Switches sind Standard in Unternehmens- und Carrier-Netzen.

Layer-3-Switches und Routing

Ein Switch arbeitet traditionell auf Schicht 2. Ein Layer-3-Switch besitzt zusätzlich Routing-Funktionen und kann IP-Pakete zwischen verschiedenen VLANs oder Subnetzen weiterleiten. Er kombiniert die Geschwindigkeit der Hardware-Weiterleitung von Switches mit der logischen Trennung von Routern. Layer-3-Switches sind in modernen Netzen weit verbreitet, weil sie VLAN-übergreifenden Verkehr direkt im Chassis routen, ohne den Umweg über einen separaten Router nehmen zu müssen. Sie ersetzen den klassischen Router jedoch nicht vollständig, da ihnen oft Funktionen wie NAT, Firewall oder WAN-Schnittstellen fehlen.

Weitere typische Funktionen

Moderne Switches bieten zahlreiche erweiterte Leistungsmerkmale, die den Betrieb, die Sicherheit und die Ausfallsicherheit erhöhen.

Link Aggregation: Fasst mehrere physische Ports zu einem logischen Kanal mit höherer Bandbreite und Redundanz zusammen. Wird über LACP oder statisch konfiguriert.
Power over Ethernet (PoE): Versorgt angeschlossene Geräte wie IP-Telefone, Kameras oder Access Points über das Ethernet-Kabel mit Strom. PoE-Standards liefern bis zu 90 Watt pro Port.
Port Security: Beschränkt die Anzahl und die Adressen der Geräte, die an einem Port kommunizieren dürfen, und unterbindet unautorisierte Zugriffe.
Access Control Lists (ACLs): Filtern Datenverkehr auf Layer 2, 3 oder 4 nach definierten Regeln.
DHCP Snooping, ARP Inspection, IP Source Guard: Sicherheitsfunktionen, die vor Man-in-the-Middle-Angriffen und gefälschten Adressen schützen.

Bauformen und Einsatzbereiche

Switches existieren in verschiedensten Formfaktoren und Leistungsklassen.

Desktop-Switches: Kleine Geräte mit 5 bis 16 Ports für das Homeoffice oder kleine Büros.
Stackable Switches: Mehrere physische Geräte werden über ein Rückwandbus-Kabel zu einem logischen Switch gestapelt und zentral verwaltet.
Modular Switches: Große Chassis-basierte Systeme mit austauschbaren Linecards, Netzteilen und Supervisor-Modulen. Sie finden sich in Rechenzentren und großen Campus-Netzen.
Rechenzentrums-Switches: Hochdichte 10-, 25-, 40-, 100-Gigabit-Geräte mit extrem niedrigen Latenzen für virtualisierte Umgebungen und Speichernetze.

Abgrenzung zum Router

Ein Switch arbeitet auf Layer 2 und trifft Weiterleitungsentscheidungen anhand von MAC-Adressen. Ein Router arbeitet auf Layer 3 und routet Pakete anhand von IP-Adressen zwischen verschiedenen Netzen. Ein Switch trennt Kollisionsdomänen, aber alle Ports desselben VLANs bleiben in einer gemeinsamen Broadcast-Domäne. Ein Router trennt Broadcast-Domänen vollständig. In der Praxis werden beide Funktionen in einem Layer-3-Switch oder in separaten Geräten kombiniert.

Historische Entwicklung und heutige Relevanz

Der Switch ging funktional aus der Bridge hervor und verdrängte in den 1990er Jahren die Hubs. Mit dem Wachstum der Netze und der Einführung von Fast Ethernet und Gigabit Ethernet wurden Switches immer leistungsfähiger und günstiger. Die flächendeckende Einführung von VLANs nach IEEE 802.1Q, die Entwicklung von STP und RSTP sowie die Integration von Layer-3-Routing machten Switches zum zentralen Bauelement jeder Netzwerkinfrastruktur. Heutige Netze sind ohne Switches undenkbar. Sie bilden die Grundlage für kabelgebundene LANs, Rechenzentren und den Access-Layer in Campus-Umgebungen.

Zusammenfassung

Der Switch ist das zentrale Koppelelement in lokalen Ethernet-Netzen. Er ersetzt das einfache Broadcast-Prinzip von Hubs durch intelligente, zielgerichtete Weiterleitung auf Basis von MAC-Adressen. Durch VLANs, Redundanzprotokolle, Managementfunktionen und die Integration von Routing hat er sich von einem einfachen Koppler zu einem hochkomplexen Netzwerkgerät entwickelt. Das Verständnis seiner Arbeitsweise, der Speicherverwaltung und der Protokolle ist die Grundlage für jedes Netzwerkdesign und den laufenden Betrieb moderner Kommunikationsinfrastrukturen.