Was ist ein Netzwerk-Switch?

Ein Netzwerk-Switch ist als Hardwarekomponente definiert, die für die Weiterleitung von Daten von einem Computernetzwerk an den Zielendpunkt durch Paketvermittlung, MAC-Adressidentifizierung und ein Multiport-Brückensystem verantwortlich ist. In diesem Artikel werden die Funktionsweise, die Typen und die Verwendung eines Netzwerk-Switches erläutert.

Ein Netzwerk-Switch ist eine Hardwarekomponente, die für die Weiterleitung von Daten von Netzwerken an den Zielendpunkt durch Paketvermittlung, MAC-Adressidentifizierung und ein Multiport-Brückensystem verantwortlich ist.

Ciscos Industriestandard-Netzwerk-Switch | QuelleÖffnet ein neues Fenster

Ein Netzwerk-Switch verbindet und überträgt Datenpakete zu und von Geräten in einem lokalen Netzwerk (LAN). Im Gegensatz zu einem Router verteilt ein Switch Informationen nur an das eine Gerät, für das er entwickelt wurde, einschließlich eines anderen Switches, eines Routers oder des Computers eines Benutzers, und nicht an mehrere Geräte in einem Netzwerk.

Heutzutage sind Netzwerke unter anderem für die Unterstützung von Unternehmen, das Anbieten vernetzter Dienste und die Ermöglichung der Zusammenarbeit von entscheidender Bedeutung. Da sie Geräte verbinden, die Ressourcen gemeinsam nutzen, sind Netzwerk-Switches ein wichtiger Bestandteil aller Netzwerke.

Ein Netzwerk-Switch arbeitet auf der Datenverbindungsschicht 2 der Architektur von Open Systems Interconnection (OSI). Es akzeptiert Pakete von Zugangspunkten, die mit physischen Ports verbunden sind, und sendet sie dann nur über die Ports an ein Zielgerät.

Diese könnten auch dort funktionieren, wo Routing auf der Netzwerkebene 3 erfolgt. Switches sind Standardkomponenten in Ethernet-, Fibre-Channels-, InfiniBand- und Asynchronous Transfer Mode (ATM)-Netzwerken, um nur einige zu nennen. Die meisten Switches nutzen heutzutage jedoch Ethernet.

Ein Netzwerk-Switch verbindet Netzwerkgeräte (Drucker, Computer und drahtlose Geräte/Zugangspunkte) und ermöglicht Benutzern den Austausch von Datenpaketen. Switches können sowohl hardware- als auch softwarebasierte virtuelle Geräte sein, die physische Systeme steuern. In heutigen Netzwerksystemen bilden Switches die Grundlage den Großteil der Netzwerkausrüstung.

Sie verbinden Desktop-PCs, Industriemaschinen, drahtlose Zugangspunkte und bestimmte Internet-of-Things-Geräte (IoT), einschließlich Karteneingabesystemen für das Internet.

Sie verbinden die Maschinen in Rechenzentren, die virtuelle Maschinen (VMs) betreiben, und die meisten Server und Speichergeräte. In den Netzwerken von Telekommunikationsanbietern transportieren sie riesige Datenmengen.

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Ein Netzwerk-Switch kann auf drei Arten funktionieren:

Wie unten dargestellt, ist ein Netzwerk-Switch eine Multiport-Brücke für Netzwerke, die auf der Datenverbindungsschicht 2 des OSI-Modells betrieben werden. Er ist für die Datenübertragung mithilfe von MAC-Adressen (Media Access Control Address) verantwortlich. Bestimmte Switches können Daten an die Netzwerkschicht (also Schicht 3) weiterleiten, da sie mit Routing-Funktionalität ausgestattet sind. Beispiele für solche Switches sind Layer-3-Switches, oft auch als Multilayer-Switches bekannt.

Der Netzwerk-Switch ist Teil der Schicht 2 im OSI-Modell

Wenn Frames an eine MAC-Adresse gesendet werden, die von der Switch-Infrastruktur nicht erkannt wird, werden sie an alle Ports der Switch-Domäne gesendet, um an den vorgesehenen Empfänger übermittelt zu werden. Auch in den Frames, die für Broadcasting und Multicasting verwendet werden, tritt eine Sättigung auf. Als Teil des OSI-Designs verwandelt die BUM-Flooding-Funktion einen Switch in ein Data-Link-Layer- oder Layer-2-Gerät. Unter BUM-Flooding versteht man die Überschwemmung von unbekanntem Unicast-, Broadcast- und Multicast-Verkehr.

Switches sind wesentliche Bestandteile jedes Netzwerks. Sie verbinden mehrere Geräte im selben Netzwerk innerhalb eines Gebäudes, beispielsweise PCs, Drucker, WLAN-Zugangspunkte und Server.

Ein Switch ermöglicht es verbundenen Geräten, Daten zu übertragen und miteinander zu kommunizieren. Wenn Geräte an Switches angeschlossen werden, notieren sie sich die MAC-Informationen (Media Access Control) des Geräts. Bei dieser Adresse handelt es sich um einen Code, der in der Netzwerkschnittstellenkarte (NIC) des Geräts gespeichert ist. Dabei handelt es sich um den Teil des Geräts, der über ein Ethernet-Kabel mit dem Switch verbunden ist.

Die MAC-Adresse bestimmt, welches zugehörige Gerät ausgehende Pakete sendet und angibt, wohin eingehende Pakete zugestellt werden sollen. Im Gegensatz zur IP-Adresse der Netzwerkschicht 3, die einem Gerät sporadisch zugewiesen werden und sich mit der Zeit ändern kann, wird die MAC-Adresse zur dauerhaften Identifizierung des physischen Endpunktgeräts verwendet. Wenn ein Gerät ein Paket an das andere Gerät überträgt, erreicht es den Switch, der den Header des Pakets scannt, um herauszufinden, was als nächstes zu tun ist.

Es überprüft die Adresse des Ziels und überträgt das Paket über die richtigen Ports an Geräte. Viele Switches sind mit Vollduplex-Funktionen ausgestattet, um die Möglichkeit von Kollisionen im Netzwerkverkehr zu minimieren. Dadurch erhalten Pakete die gesamte Bandbreite der Verbindung zwischen dem Gerät und dem Switch.

Obwohl Switches normalerweise Funktionen auf Layer 2 ausführen, können sie auch auf Layer 3 ausgeführt werden. Dies ist notwendig, um virtuelle lokale Netzwerke (VLANs) zu ermöglichen – also logische Netzwerksegmente, die über Subnetze hinausgehen. Der Datenverkehr muss zwischen Switches geleitet werden, um von einem Subnetz in ein anderes zu gelangen, was durch die integrierten Routing-Funktionen erleichtert wird.

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Netzwerk-Switches sind in verschiedenen Typen und Kategorien erhältlich, um unterschiedliche Anwendungsfälle abzudecken. Diese sind:

Arten von Netzwerk-Switches

Managed Switches, die am häufigsten in kommerziellen und Unternehmensumgebungen zum Einsatz kommen, bieten IT-Experten mehr Kapazität und Möglichkeiten. Zur Konfiguration verwalteter Switches werden Befehlszeilenschnittstellen verwendet. Sie ermöglichen einfache Protokollagenten für die Netzwerkverwaltung, die Informationen zur Fehlerbehebung bei Netzwerkproblemen bereitstellen.

Administratoren können damit auch virtuelle LANs erstellen, um ein lokales Netzwerk in kleinere Teile aufzuteilen. Aufgrund ihrer zusätzlichen Funktionalität sind Managed Switches wesentlich teurer als Unmanaged Switches.

Die grundlegendsten Switches sind nicht verwaltete Switches, die eine festgelegte Konfiguration haben. Ein nicht verwalteter Switch erweitert lediglich die Ethernet-Verbindungen eines LANs und ermöglicht so zusätzliche Internetverbindungen zu lokalen Geräten. Unmanaged Switches verwenden Geräte-MAC-Adressen, um Daten hin und her zu übertragen. Sie sind in der Regel Plug-and-Play-fähig, sodass der Benutzer nur wenige Alternativen zur Auswahl hat.

Diese Switches können Standardkonfigurationen für Aspekte wie die Servicequalität haben, diese können jedoch nicht geändert werden. Unmanaged Switches sind relativ günstig, aber aufgrund ihrer geringen Leistungsfähigkeit für viele Unternehmensanwendungen ungeeignet.

Auf einigen Netzwerk-Switches sind jetzt PoE-Funktionen verfügbar, wodurch die Installation von IoT-Geräten und anderen Geräten schneller, einfacher und sicherer wird. PoE ist eine Methode zur Gleichstromversorgung von Geräten mit geringem Stromverbrauch über ein LAN-Kabel. Geräte mit geringem Stromverbrauch, die an einen PoE-fähigen Netzwerk-Switch angeschlossen sind, benötigen keine Stromversorgung mehr. Wenn es nicht möglich ist, Anschlüsse zu verbergen, sind keine zusätzlichen Steckdosen erforderlich und die Installation erscheint effizient. Ein PoE-fähiger Switch ist zudem sicherer, da die Leistungsabgabe gering ist und intelligent verwaltet wird.

LAN-Switches oder lokale Netzwerk-Switches werden typischerweise zur Verbindung von Standorten im internen LAN eines Unternehmens verwendet. Er wird auch als Ethernet-Switch oder Daten-Switch bezeichnet. Durch die effiziente Zuweisung von Bandbreite wird verhindert, dass sich Datenpakete auf ihrem Weg durch ein Netzwerk überlappen. Bevor das zugestellte Datenpaket an sein vorgesehenes Ziel weitergeleitet wird, stellt es der LAN-Switch zu. Diese Switches verringern Netzwerküberlastungen oder -engpässe, indem sie ein Datenpaket ausschließlich an den vorgesehenen Empfänger senden.

Verwaltete Switches werden als intelligente oder intelligente Switches bezeichnet, wenn sie über Eigenschaften verfügen, die über die eines nicht verwalteten Switches hinausgehen, jedoch geringer sind als die eines herkömmlichen verwalteten Switches. Sie sind daher fortschrittlicher als unmanaged Switches, aber kostengünstiger als vollständig steuerbare Switches.

Andere Alternativen wie VLANs bieten möglicherweise nicht so viele Funktionen wie vollständig gesteuerte Switches. Da sie jedoch kostengünstiger sind, eignen sie sich möglicherweise für kleinere Netzwerke mit begrenzten Budgets und geringeren Funktionsanforderungen.

Modulare Switches ermöglichen das Hinzufügen von Erweiterungsmodulen nach Bedarf und bieten so eine größere Flexibilität, wenn das Netzwerk wächst. Erweiterungsmodule für drahtlose Verbindung, Firewalls und Netzwerkanalyse sind einige Beispiele für app-spezifische Erweiterungsmöglichkeiten.

Zusätzliche Anschlüsse, Stromquellen und Kühlventilatoren sind möglicherweise möglich. Allerdings sind diese Switches deutlich teurer als feste Switches und werden häufig in großen Netzwerken eingesetzt. In den meisten Fällen verfügen sie auch über Layer-3-Fähigkeiten (zusätzlich zu Layer 2), sodass sie als Netzwerk-Router fungieren können.

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Switches mit fester Konfiguration verfügen über eine feste Anzahl von Ports und sind häufig nicht erweiterbar, sodass sie im Laufe der Zeit erschwinglich sind. Die häufigsten Schalter auf dem Markt sind diese. Sie verfügen über eine vorgegebene Anzahl von Ethernet-Ports, zum Beispiel unter anderem 8 Gigabit-Ports, 16 Ports, 24 Ports und 48 Ports. Sie können über unterschiedliche Ports verfügen (hinsichtlich Geschwindigkeit und Verbindung). Die Portgeschwindigkeiten liegen jedoch typischerweise bei 1 Gbit/s (mindestens) und die Konnektivitätsoptionen sind entweder kabelgebundene elektrische Ports (RJ45) oder Glasfaser-Ports.

Mit stapelbaren Switches können Sie Ihr Netzwerk optimieren und gleichzeitig seine Zuverlässigkeit erhöhen. Bei einem tatsächlichen stapelbaren Switch fungieren diese Switch-Cluster als ein einzelner Switch, der von einem einzelnen SNMP/RMON-Agenten, einer Domäne, nur einer Befehlszeilenschnittstelle (CLI) oder einer Webschnittstelle unterstützt wird.

Die Möglichkeit, Link-Aggregationsgruppierungen zu erstellen, die mehrere Einheiten im Stapel abdecken, Spiegelverkehr von einer Komponente zu einer anderen im Stapel zu übertragen und Quality of Service (QoS) für alle Einheiten zu konfigurieren, sind allesamt Vorteile der Verwendung dieser Art von Switches für die Verbindung.

Switches sind Teil der Layer-2-Schicht des OSI-Modells. Sie funktionieren auf der Datennetzwerkebene und ihre Hauptaufgabe besteht darin, Ethernet-Frames so schnell wie möglich von einem Port zum anderen weiterzuleiten. Da sie auf der Netzwerkschicht des OSI-Modells arbeiten, werden diese Switches als Layer-3-Switches bezeichnet. Ein Layer-3-Switch ist eine Mischung aus Layer-2- und Layer-3-Geräten. Ihre Software ist komplexer als herkömmliche Layer-2-Switches und sie können dynamische Routing-Protokolle ausführen.

Rechenzentren erfreuen sich in den letzten Jahren immer größerer Beliebtheit. Fast alle großen Unternehmen konsolidieren ihre IT-Ressourcen und Netzwerke aus Gründen der einfacheren Verwaltung und Verwaltung sowie aus anderen Gründen in einigen großen Rechenzentren. Daher müssen Rechenzentrums-Switches unter anderem über Funktionen wie Hochgeschwindigkeitsleistung, große Portkapazität, geringe Latenz, Virtualisierungsunterstützung, Sicherheit und QoS verfügen.

Die Cisco Nexus-Gerätereihe ist ein hervorragendes Beispiel für Data Center-Switches. Diese Switches sind ideal für die Implementierung des Software-Defined Network (SDN)-Konzepts und bieten Virtualisierung und Programmierbarkeit.

Der RJ45-Anschluss wird an ein Standard-Ethernet-Kabel angeschlossen und ist die gebräuchlichste Switch-Schnittstelle. In vielen Fällen müssen Sie eine Glasfaserverbindung verwenden, um die Konnektivität über die 100-Meter-Grenze von Standard-Ethernet-Kabeln hinaus zu verlängern. Switches mit Glasfaseranschlüssen verfügen häufig über RJ45-Anschlüsse und zusätzliche Glasfaseranschlüsse für den Anschluss an Glasfaseranschlüsse.

Man nennt sie steckbare Glasfaseranschlüsse mit kleinem Formfaktor. In den meisten Fällen werden Glasfaseranschlüsse verwendet, um eine Verbindung zu anderen Fernschaltern herzustellen, entweder innerhalb desselben Gebäudes oder über kilometerweit voneinander entfernte Einrichtungen hinweg.

Dieser Schalter verbindet zahlreiche Computer mit einer Tastatur, einer Maus oder einem Monitor. Diese Schalter werden häufig zur Steuerung von Servergruppen verwendet und gleichzeitig die Kabel vom Desktop entfernt. Ein KVM-Switch ist eine hervorragende Schnittstelle für einen Benutzer, der viele Maschinen von einer einzigen Konsole aus verwalten möchte. In diesen Geräten können in der Regel Tastatur-Hotkeys konfiguriert sein, sodass Sie schnell zwischen PCs wechseln können. Ein KVM-Extender kann die Reichweite des Switches um mehrere hundert Fuß vergrößern, um DVI-, VGA- oder HDMI-Videoübertragungen zu übertragen.

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Bei der Bereitstellung von Netzwerk-Switches sollten IT-Manager die folgenden Anwendungsfälle und Anwendungen berücksichtigen:

Verwendungsmöglichkeiten eines Netzwerk-Switches

Ein Netzwerk-Switch verfügt möglicherweise über endlose Ports zum Anschließen von Kabeln, was bei einer Sterntopologie hilfreich ist. Darüber hinaus verbinden Switches viele Computer mit dem Netzwerksystem. Unabhängig davon, ob sich die Computer am anderen Ende des Raums oder am anderen Ende der Welt befinden, besteht die Hauptfunktion eines Netzwerk-Switches darin, Datenpakete effizient von einem Computer zum anderen zu übertragen. Dies gilt unabhängig von der physischen Entfernung zwischen den Geräten. Einige andere Geräte helfen beim Transport von Daten entlang der Route, aber der Switch ist eine entscheidende Komponente des Netzwerkdesigns.

Jeder Port an einem Netzwerk-Switch verfügt über denselben Weiterleitungs- oder Filtermechanismus. Benutzer können über mehrere Ports verfügen, die jeden Switch miteinander verbinden, indem sie mehrere Switches kaskadieren, die alle einzeln in der Gruppe eingestellt und betrieben werden können.

Die Verwendung von Switches zur Auslagerung des Datenverkehrs aus analytischen Gründen ist üblich. Switches in einem Netzwerk können dabei helfen, verschiedene Arten von Netzwerkverkehr zu regulieren, z. B. den in das Netzwerk eintretenden und verlassenden Datenverkehr und die Verbindung vieler Netzwerkgeräte, z. B. PCs und drahtlose Zugangspunkte. Ein Schlüsselbegriff in diesem Zusammenhang ist die „Weiterleitung“.

Beim Weiterleiten wird der Netzwerkverkehr von einem Gerät, das an einen Port eines Netzwerk-Switches angeschlossen ist, an ein anderes Gerät weitergeleitet, das an einen anderen Port des Switches angeschlossen ist. Dieser Vorgang beginnt, wenn ein Gerät an einen Port angeschlossen wird, und endet, wenn ein anderes Gerät an einen anderen Switch-Port angeschlossen wird.

Dies ist für die Netzwerksicherheit nützlich, da es ermöglicht, einen Switch vor einem Wide Area Network (WAN)-Router zu positionieren, bevor der Datenverkehr an das LAN gesendet wird. Es ist auch so, dass die Verwendung von Netzwerk-Switches die Erkennung von Eindringlingen, die Leistungsanalyse und die Einrichtung von Firewalls einfacher macht. Bevor die Daten beispielsweise an einen Paket-Sniffer oder ein Intrusion-Detection-System gesendet werden, kann die Portspiegelung dabei helfen, eine Spiegelkopie der durch den Switch übertragenen Informationen zu erstellen. Dies geschieht, bevor die Informationen an das Ziel gesendet werden. Dies hilft bei der zukünftigen Analyse.

Netzwerk-Switches unterteilen das LAN-Netzwerk in viele Kollisionsdomänen mit jeweils einer Breitbandverbindung, was zu einem erweiterten LAN-Frequenzband führt. Bei der Übertragung von Frames können Netzwerk-Switches ein unverändertes quadratisches elektrisches Signal erzeugen.

Switches sind Geräte, die auf mehreren OSI-Modellebenen gleichzeitig funktionieren, beispielsweise auf Datenverbindungen, Netzwerken oder Transportschichten. Multilayer-Switches sind Geräte, die auf vielen Ebenen gleichzeitig arbeiten. Um den erhöhten Netzwerkverkehr von Video- und anderen bandbreitenintensiven Apps, mehr Benutzergeräten und mehr Paketen für Server und Cloud-Speicher zu bewältigen, ist ein effektives Switching erforderlich. Jedes kleine oder mittlere Unternehmen kann LAN-Switching nutzen, um die Geschwindigkeit und Zuverlässigkeit aufrechtzuerhalten, die Benutzer benötigen.

Als Layer-2-Gerät basiert ein Switch alle seine Entscheidungen auf den im L2-Header enthaltenen Daten. Abhängig von den MAC-Adressquellen und -zielen bestimmen Switches den Weiterleitungspfad. Eine der Aufgaben des Switches besteht darin, eine MAC-Adressdatenbank einzurichten, die jeden Switch-Port des Switches mit den MAC-Standorten der angeschlossenen Geräte abgleicht.

Die MAC-Adressdatenbank ist zu Beginn leer, und wenn ein Switch Daten empfängt, überprüft er das Ursprungs-MAC-Adressfeld des eingehenden Frames. Es füllt die MAC-Adressdatenbank mit den Quell-MAC-Adressen und dem Switch-Port, der das Paket sammelt. Der Switch verfügt schließlich über eine vollständig ausgefüllte MAC-Adresstabelle, da jedes angeschlossene Gerät etwas liefert. Diese Tabelle kann dann genutzt werden, um Frames auf intelligente Weise an ihren gewünschten Ort zu verschieben.

Lassen Sie uns abschließend den Filteranwendungsfall von Netzwerk-Switches diskutieren. Diese Funktion gibt an, dass ein Switch einen Frame niemals von demselben Port zurückleiten würde, an dem er empfangen wurde. Man kann den MAC-Adressfilter verwenden, um zu verhindern, dass bestimmte Knoten eine Verbindung herstellen. Sie können dies erreichen, indem Sie Quell- und Ziel-MAC-Layer-Ethernet-Adressen am Quellport (eingehend) eines Switches filtern.

Abhängig von Ihren Netzwerkzugriffskontrollanforderungen kann die filternde MAC-Adresse Unicast, Multicast oder Broadcast sein. Wenn ein Switch einen Frame überfluten muss, wird der Frame kopiert und an alle Switch-Ports außer dem Port gesendet, der ihn erhalten hat. Ein Host sendet selten einen Frame mit dem Ziel als seiner eigenen MAC-Adresse. Dies liegt häufig daran, dass ein Host eine falsche Situation hat oder böswillig handelt. In diesem Fall verwirft der Switch in jedem Fall lediglich den Frame.

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Die weltweite Nachfrage nach Netzwerk-Switches steigt ständig, um eine Ära der Fernkonnektivität und den Aufstieg des IoT zu unterstützen. Die weltweiten Tracker von IDC haben herausgefunden, dass der weltweite Switch-Markt im dritten Quartal 2021 um 7,5 % gewachsen ist. Dies ist auch auf die zunehmende Verbreitung von Cloud Computing zurückzuführen, da Netzwerk-Switches dabei helfen, die Ressourcenverteilung in großen Clouds zu orchestrieren, aufrechtzuerhalten und zu stabilisieren Computerumgebungen. In den nächsten Jahren wird dieser Bedarf weiter zunehmen, sodass Kenntnisse über die Funktionsweise von Netzwerk-Switches unerlässlich werden.

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Technischer Schreiber