Switches. Switch P133 P550 P400 P450

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1 Switches Hier ist zunächst die Bridge zu erwähnen. Die Bridge (Brücke) verbindet zwei Segmente (zwei Kollisionsdomänen) analog einer Brücke, die zwei Ufer eines Flusses verbindet. Jeder Port einer Brücke bildet eine eigene Kollisionsdomäne. Brücken lernen die MAC-Adressen der an ihren Ports angeschlossenen Hosts. Kommt ein Frame zur Bridge, entscheidet sie an Hand der MAC-Adresse, ob der Frame für dieses oder das andere Ufer bestimmt ist. Viele Protokolle, die für Bridges entwickelt wurden, gelten nun auch für Switches. Switch Abb. 9-1: Sternförmiges Ethernet mit Switch, vier Hosts an einem Switch 1 56

2 9. Switches Switches sind weiterentwickelte Multiport-Bridges, Brücken mit mehr als zwei Ports (Beinen). Switches werden mit vier bis zu 8 Ports in einem Gehäuse angeboten. Switches arbeiten wie Brücken auf der Schicht, der Sicherungsschicht (Data Link Layer). MAC-Adressen sind Adressen der Schicht. Switches lernen die MAC-Adressen der Rechner, die an ihren Ports angeschlossen sind und erstellen eine Switchingtabelle, s. Abbildung 9-1 und 9-. Switchport MAC-Adresse 1 Abb. 9-: Switchingtabelle mit Einzelhosts am Switch Der Switch trifft eine Weiterleitungsentscheidung (englisch for warding decision) anhand der MAC-Adresse, die auch als Schicht -Adresse bezeichnet wird. Nur wenn kein Eintrag in der Switchingtabelle für den Zielhost vorhanden ist, wird der Frame vom Switch an allen Ports außer dem Eingangsport geflutet. 9.1 ARP-Anfrage und ARP- Antwort im geswitchten Netz Host möchte einen Frame an Host schicken und hat keinen Eintrag in seinem ARP-Cache für die IP-Adresse. Er führt deshalb eine ARP-Anfrage durch. Die ARP-Anfrage ist ein Ethernet Broadcast. Der Switch empfängt die ARP-Anfrage von Host am Port und flutet (engl.: flooding) alle anderen Ports, nämlich die Ports 1, und, s. Abbildung Bekommt der Switch vom Host einen Frame für Host, liest er als Erstes die MAC-Zieladresse und sieht in seiner Switchingtabelle nach, ob ein Eintrag für die MAC-Adresse A8 vorhanden ist. Ist das der Fall, stellt der Switch fest, dass der Frame am Port ausgegeben werden muss und stellt die Verbindung von Port 1 zu Port her. Der Frame wird nur Host zugestellt, die Hosts und bekommen von diesem Frame nichts mit. 1 Switch ARP- Anfrage Abb : Signal bei ARP-Anfrage von Host 57

3 1 Switch ARP- Antwort Die Hosts, und erhalten die ARP-Anfrage, nur Host antwortet an Host mit seiner MAC-Adresse, s. Abbildung Der Frame wird jetzt von Host zum Switch gesendet, der diesen nur dem Zielhost zustellt. Im Broadcastverhalten unterscheidet der Switch sich nicht vom Hub. Der Switch besitzt ebenfalls eine Broadcastdomäne. Bei der ARP-Antwort arbeitet der Switch rationeller als der Hub, denn nur der Host erhält die ARP-Antwort. Bei der Datenübermittlung von Host zu Host ist der Switch gegenüber dem Hub ebenfalls im Vorteil. Nur wenn er die MAC-Adresse des Zielhosts noch nicht gelernt hat, flutet er alle anderen Ports. Abb. 9.1-: Signal bei ARP-Antwort von Host Switch 1 9. Gleichzeitige Sendungen zu unterschiedlichen Zielhosts Im Beispiel in Abbildung 9.-1 sehen wir die parallele Kommunikation von Host zu Zielhost und von Host zu Zielhost. Der Switch wickelt beide Kommunikationen gleichzeitig ab. Über einen Hub konnte nur eine Sendung zum Zeitpunkt durchgeführt werden. Abb. 9.-1: Zwei Quellhosts senden gleichzeitig Daten zu unterschiedlichen Zielhosts 58

4 9. Switches 9. Gleichzeitige Sendungen zu einem Zielhost Im Beispiel in Abbildung 9.-1 sehen wir die parallele Kommunikation von Host und Host zu Zielhost. Wir gehen in diesem Beispiel davon aus, dass der Frame von Host als Erster beim Switch eintrifft, der Switch stellt für diesen Frame die Verbindung zum Port her. Während der Frame vom Port zum Port übertragen wird, trifft am Port 1 der Frame vom Host ein. Dieser wird im Switch zwischengespeichert und anschließend über Port dem Zielhost zugestellt. 1 Switch 9. Gemischter Einsatz von Hub und Switch Abb. 9.-1: Zwei Quellhosts senden gleichzeitig Daten zu einem Zielhost Bei der Umstellung von einem Netz mit Hubs auf ein geswitchtes Netz kann der Hub weiterverwendet werden, wenn die Portzahl des Switches nicht ausreicht und die Datenübertragungsrate passt, s. Abbildung Switches haben wie Hubs auch die MDI- X-Pinbelegung, so dass für die Verbindung vom Hub zum Switch die gleichen Regeln gelten wie für eine Verbindung von Hub zu Hub, s. Abbildung Der Minihub ist mit einem 1:M1- Patchkabel von seinem Uplinkport mit dem Port 0x am Switch Catalyst 1900 angeschlossen. Die Portbezeichnung 0x am Switch weist auf die MDI-X-Pinbelegung des Ports hin. Die Datenübertragungsrate am Hub und am Switch Port 0 beträgt jeweils 10 Mbit/s. Hub P A-8 Abb..1: Ethernet mit Switch und Hub 1 Switch 59

5 Abb. 9.-: Switchingtabelle mit Einzelhosts und Hub am Switch Switchport MAC-Adresse 1 1 Der Switch hat nun die geänderte Switchingtabelle, s. Abbildung 9.-, für den Port 1 sind jetzt zwei MAC-Adressen hinterlegt. Hub Kollisionsdomänen 1 Switch Jeder Switchport bildet eine eigene Kollisionsdomäne. Der Port-Switch hat also vier Kollisionsdomänen, aber nur eine Broadcastdomäne, s. Abbildungen 9.- und 9.-. P A-8 Abb. 9.-: Vier Kollisionsdomänen am Port-Switch Kollisionsdomänen Hub 1 Switch P A-8 Abb. 9.-: Broadcastdomäne am Switch 1 Broadcastdomäne 60

6 9. Switches Abb. 9.-5: Anschluss vom Mini-Hub und Switch Catalyst 191 am Switch Catalyst Symmetrisches und asymmetrisches Switching In Abbildung sehen wir die Frontseite von zwei Switches. Der Catalyst 191 hat an der Frontseite 1 Ethernet-Ports mit 10 Mbit/s Datenübertragungsrate nach 10BaseT und zwei Fast Ethernet-Ports mit 100 Mbit/s nach 100BaseTX (Ax und Bx). Alle Ports haben die MDI-X-Pinbelegung. Der Catalyst 19 unterscheidet sich nur in der Portzahl der Ethernet-Ports, er stellt 10 Mbit/s-Ports zur Verfügung. Abb : Switches Catalyst 191 und 19, Front- oder Portseite Symmetrisches Switching findet zwischen Ports gleicher Daten übertragungsrate (englisch: like bandwidth) statt. Alle 10 Mbit/s- Ports werden untereinander per symmetrischem Switching verbunden, z.b. Port 1 mit Port 8. Symmetrisches Switching wird auch für eine Verbindung von Port A mit Port B verwendet, da beide Ports mit 100 Mbit/s arbeiten. Von asymmetrischem Switching spricht man, wenn die durch den Switch verbundenen Ports mit unterschiedlichen Datenübertragungsraten (engl.: unlike bandwidth) arbeiten. Wenn beispielsweise der Server am Port B des C191 und ein Client am Port 7 des C191 angeschlossen ist, liegt eine typische Anwendung für asymmetrisches Switching vor. Der Server kann bis zu zehn Clients gleichzeitig mit voller Datenübertragungsrate bedienen. Client-Ports machen durchaus Sinn, wenn man den Gleichzeitigkeitsfaktor berücksichtigt. Nicht alle Clients werden zur gleichen Zeit ihre Daten auf dem Server ablegen oder Daten vom Server holen wollen. 61

7 9.6 Duplex- und Halbduplexmodus Ein Host, der allein an einen Switchport angeschlossen ist, kann im Duplexmodus (duplex, dx), (engl.: Full Duplex) betrieben werden, s. Abbildung Er kann gleichzeitig senden und empfangen. Diese Betriebsart eignet sich besonders für Server, da mit ihm kommunizierende Clients sowohl Lese- als auch Schreibwünsche haben können. Auf unser Beispiel aus dem asymmetrischen Switching übertragen könnte der Server gleichzeitig Daten an zehn Clients senden und parallel von zehn anderen Clients Daten empfangen. Die Kommunikation über einen Hub erfolgt immer nur halbduplex (hx), (engl. Half Duplex), so auch die Kommunikation zwischen Hub und Switch. In der Betriebsart Halbduplex kann zwar auch in beiden Richtungen gesendet werden, aber immer nur nacheinander. hx Hub hx P A Leistungsfähigere Switches Der Switch Catalyst 950 (Abbildung 9.7-1) verfügt über 10/100 Mbit/s-Ports und zwei 10/100/1000 Mbit/s-Ports. An die Ports können wahlweise 10 Mbit/s- oder 100 Mbit/s-Geräte angeschlossen werden. Der Switch stellt sich automatisch auf die richtige Datenübertragungsrate des angeschlossenen Gerätes ein. Diese Switch-Eigenschaft nennt sich autosensing (automatische Erfassung). Der Switch Abb : Duplex- und Halbduplexmodus an Switch und Hub Abb : Front- oder Portseite des Switch Catalyst 950 hx dx 1 Switch dx ist zusätzlich in der Lage, auch die beste mögliche Betriebsart, duplex oder halbduplex, mit dem angeschlossenen Gerät auszuhandeln, er beherrscht (full) autonegotiation (selbstständiges Aushandeln). Die zwei 10/100/ 1000 Mbit/s-Ports sind in erster Linie zur leistungsfähigen Verbindung von Switches oder der Anbindung von Leistungsservern über Gigabit Ethernet gedacht. dx 6

8 9. Switches 9.8 Switching-Methoden Die Switching-Methoden werden an Hand des Zeitpunkts, wann der Switch beginnt, den Zielport zu ermitteln, unterschieden. Man unterscheidet: Store and Forward (erst Speichern, dann Weiterleiten) Cut Through oder Fast Forward (sofort Durchschalten) und Fragment Free Cut Through (Cut Through-Verfahren ohne Kollisionsfragmente) oder auch Modified Cut Trough (ein modifiziertes Cut Through-Verfahren) Store and Forward Store and Forward ist das älteste und sicherste Switchingverfahren, es stammt noch aus der Zeit der Bridges. Der Switch liest den kompletten Frame am Eingangsport ein, speichert ihn und überprüft den Frame mittels FCS (Frame Check Sequence) auf korrekte Übertragung. Ist der Frame fehlerfrei übertragen worden, stellt er an Hand der Switchingtabelle den Zielport fest und sendet den Frame am Zielport zum Empfänger, s. Abbildung Vom Eintreffen des Frames am Eingangsport bis zum Senden am Zielport vergeht eine bestimmte Zeit, die Fifo-Latency (Fifo = First in first out, Fifo-Latency = Verzögerungszeit vom ersten Eintreffen bis zum ersten Senden). Diese Fifo-Latency ist beim Store and Forward-Verfahren sehr groß und zusätzlich abhängig von der Framegröße, 6 Bytes minimal, 1518 Bytes maximal. In den Datenblättern der Switchhersteller wird für das Store and Forward-Verfahren die Lifo-Latency (Lifo = Last in first out, Lifo- Latency = Verzögerungszeit vom letzten Eintreffen bis zum ersten Senden) angegeben. Abb : Store and Forward-Switchingverfahren Vorteilhaft bei diesem Switchingverfahren ist, dass der Zielport nicht mit fehlerhaften Frames belastet wird. Das Store and Forward-Switchingverfahren muss bei asymmetrischem Switching, Switching zwischen Ports mit unterschiedlicher Datenübertragungsrate, angewendet werden. DA SA L oder Type PDU + PAD FCS Bytes First in Last in 6 bis zu 1518 Bytes Ermitteln des Zielports aus der Switchingtabelle Herstellen der Verbindung Fifo-Latency Lifo-Latency First out Store and Forward Switching 6

9 DA SA L oder Type PDU + PAD FCS Bytes First in Ermitteln des Zielports aus der Switchingtabelle Herstellen der Verbindung First out Cut Through Latency Fifo-Latency Cut Through Switching Abb. 9.8-: Cut Through-Switchingverfahren 9.8. Cut Through-Switching Beim Cut Through-Switching nutzt man den frühestmöglichen Zeitpunkt, den Zielport zu ermitteln, aus. Im Ethernet-Frame wird als Erstes die MAC-Adresse des Zielhost übertragen. Der Switch liest die MAC-Adresse des Zielhost und beginnt sofort, den Zielport aus der Switchingtabelle zu ermitteln, s. Abbildung Die Cut Through-Latency ist die kürzestmögliche Verzögerung beim Portswitching, sie wird als Fifo-Latency angegeben. Cut Through lässt sich nur beim symmetrischen Switching einsetzen. Neben dem Vorteil der kurzen Schaltverzögerung gibt es aber auch ein paar Nachteile. Der Frame wird weitergeleitet, bevor die korrekte Übertragung des Frames überprüft werden konnte. Im Einzelnen werden folgende Fehler nicht erkannt: Runts, das sind zu kurze Datenrahmen, < 6 Bytes, ein Fehler der Netzwerkkarte Giants, das sind zu große Datenrahmen, > 1518 Bytes FCS-Fehler, erkannte Übertragungsfehler im Frame Kollisionsfragmente, diese können entstehen, wenn ein Hub mit mehreren Hosts an einem Switchport angeschlossen ist Die Übertragung solcher fehlerhafter Frames belastet unnötig den Bereich vom Switchport bis zum Empfänger. Am häufigsten treten Kollisionsfragmente auf, diese sind häufig, wenn Hubs mit vielen Hosts am Switch angeschlossen sind. Um die Übertragung dieser Kollisionsfragmente zu vermeiden und trotzdem eine geringe Latency zu haben, wurde das Cut Through-Verfahren modifiziert. 6

10 9. Switches DA SA L oder Type PDU + PAD FCS Bytes First in 6 Bytes Ermitteln des Zielports aus der Switchingtabelle Herstellen der Verbindung First out Fifo-Latency Modified Cut Through-Switching oder Fragment Free Cut Through-Switching Abb. 9.8-: Modified Cut Through- oder Fragment Free Cut Through-Switching 9.8. Fragment Free Cut Through-Switching Fragment Free oder Modified Cut Through-Switching stehen für den gleichen Sachverhalt, der Switch wartet 6 Bytes ab, bevor er die Weiterleitung des Frames einleitet, s. Abbildung Kollisionen müssen während der ersten 6 Bytes erkannt werden. Das Netzdesign ist so ausgelegt, dass bei normgerechter Ausführung, Einhaltung der zulässigen Leitungslänge, korrekter Anzahl der zulässigen Hubs in der Kollisionsdomäne, Kollisionen immer rechtzeitig erkannt werden. Zur Erinnerung: Die Netzausdehnung im Fast Ethernet musste für die Kollisionsdomäne auf 00 m reduziert werden, gegenüber 500 m im Ethernet. Die Anzahl der zulässigen Repeater wurde von vier auf einen reduziert. Für die Kollisionserkennung bleibt auf Grund der 10fachen Datenübertragungsrate bei Fast Ethernet nur 1/10 der Zeit. Werden unzulässig große Kabellängen verlegt, kommt es zu so genannten Late Collisions, Kollisionen mit dem nachfolgenden Frame. Das Netz funktioniert ohne Kollisionen normal, unter Kollisionen wird es extrem langsam. Modified Cut Through- oder Fragment free Cut Through-Switching verbindet kurze Latency mit relativ wenig übertragenen fehlerhaften Frames, da Runts erkannt werden und Giants und FCS- Fehler relativ selten auftreten. Modified Cut Through-Switching ist nur bei symmetrischem Switching möglich. 65

11 9.9 Kaskadieren von Switches In Abbildung ist die Kaskadierung von Switches am Beispiel von zwei Catalyst 1900-Switches dargestellt. Der Port A des Catalyst 191, oben, ist mit dem Port A des Catalyst 19, unten, über ein gekreuztes Patchkabel verbunden. Beide Ports entsprechen 100BaseTX mit MDI-X-Pinbelegung (Ax). In dieser Konstellation arbeitet der Backbone (Rückgrat des Netzes) mit einer Datenübertragungsrate von 100 Mbit/s. Es sind noch je ein Port B frei. Diese können z. B. für eine Serveranbindung und für den Anschluss eines weiteren Switches genutzt werden. Abb : Kaskadieren von zwei Catalyst 1900-Switches über ein gekreuztes Patchkabel Gefahr: Wenn Switch 1 ausfällt, ist auch die Kommunikation zwischen den Switches, und unterbrochen Anschluss von Switches in einem Verteilerschrank Kommen z.b. vier Switches in einem Verteilerschrank zum Einsatz, sollte die Struktur wie in Abbildung 9.9- gewählt werden. Die Struktur ist zweistufig. Auf der Ebene 1 befindet sich der Backboneswitch. Dieser muss leistungsfähig sein und es gestatten, die Switches der Ebene mit hoher Datenübertragungsrate anzuschließen. Durch diese Zweistufigkeit wird erreicht, dass auf dem Weg von Host zu Host maximal zwei Switches liegen und damit auf dem Weg nur zwei Latencies zu berücksichtigen sind. Ebene 1 Ebene Switch Switch Switch Abb. 9.9-: Anordnung der Switches in zwei Ebenen Switch1 66

12 9. Switches Ein Beispiel für die Umsetzung des Switch-Konzeptes mit zwei Ebenen, in dem die Catalyst 1900-Switches bereits früher angeschafft waren und dem leistungsfähigeren Switch 1 untergeordnet wurden, ist in Abbildung 9.9- dargestellt. Der obere Catalyst 950 ist der Backboneswitch, Switch 1 in Abbildung Er hat eine 1,6 Gbit/s Switching Fabric und verfügt über eine maximale Weiterleitungsdatenrate (Forwarding Bandwidth) von 6,8 Gbit/s. Bei Ports mit maximal 100 Mbit/s und zwei Ports mit maximal 1 Gbit/s Datenübertragungsrate ergeben sich im Einwegverkehr, Gbit/s. Im Duplexverkehr ergäben sich maximal 8,8 Gbit/s. Da aber nicht alle Ports gleichzeitig duplex arbeiten und nicht in beiden Richtungen das gleiche Datenaufkommen gegeben ist, ist die maximale Weiterleitungsdatenrate von 6,8 Gbit/s gut bemessen. Der zweite Catalyst 950 ist über eine Gigabit/s-Verbindung, 1000BaseT, direkt mit dem Backboneswitch verbunden. Die Strecke arbeitet mit 1 Gbit/s duplex. Die beiden Catalyst 1900-Switches sind jeweils mit 100 Mbit/s duplex mit dem Backboneswitch verbunden. Für Serveranbindungen und Verbindungen zwischen Switches ist die Duplexbetriebsart wichtig, da hier in der Realität durchaus gleichzeitig in beide Richtungen die Bandbreite ausgeschöpft wird. Verfügbare Ports: x 10/100/1000BaseT 6 x 10/100BaseTX x 100BaseTX 6 x 10BaseT Sollte Switch 1 ausfallen, kann man die Catalyst 1900-Switches mit dem zweiten Catalyst 950 verbinden. Hierzu ist ein manueller Eingriff notwendig, nachdem man den Fehler, z.b. Ausfall des Netzteils von Switch 1 erkannt hat. Die Ebene ist nach dem Umstecken der Patchkabel wieder funktionsfähig. Ohne Umstecken der Patchkabel ist jeder Switch eine Insel, es können nur die Geräte kommunzieren, die am gleichen Switch angeschlossen sind Auswirkung von Schleifen im Ethernet Weil wir in unserem Netz so viel Funktion wie möglich erhalten möchten, wenn z. B. ein Switch ausfällt, ohne dass wir manuell eingreifen müssen, stecken wir zwei zusätzliche Verbindungen: die Verbindung von Switch zu Switch und die Verbindung von Switch zu Switch, rot in Abbildung 55 eingezeichnet. Die Funktion Spanning Tree, s. Kapitel 10, ist bei den Catalyst Switches ausgeschaltet oder bei einfachen Switches nicht implementiert. Abb. 9.9-: Umsetzung des Zwei-Ebenenmodells mit den Switches Catalyst 950 und

13 Ebene 1 Switch1 Ebene Switch Switch Switch Broadcaststurm Das Netz hat aber gar keine Funktion mehr, sehen wir uns dazu in Abbildung die Auswirkungen einer ARP-Anfrage an. Host sendet eine ARP- Anfrage zu Host. Switch empfängt die ARP-Anfrage und flutet sie an allen anderen Ports. Die ARP-Anfrage gelangt jetzt zu den Switches 1, und. Die Switches fluten nun die jeweils anderen Ports mit dieser ARP- Anfrage. Wir sehen, dass die ARP-Anfrage auf den Pfaden zwischen den Switches in beiden Richtungen transportiert wird. Selbst Host bekommt seine eigene Anfrage zugestellt. Da die Broadcasts von allen Switches Abb. 9.9-: Geswitchtes Ethernet mit zusätzlichen (redundanten) Verbindungen weitergeleitet werden, kommt es zu einem Broadcaststurm. Die ARP-Anfrage blockiert das Netz. Ohne die redundanten Pfade (rot eingezeichnet) gibt es dieses Problem nicht, s. Abbildung 57. Ebene 1 Switch1 Abb : ARP- Anfrage in einem Ethernet mit redundanten Verbindungen zwischen Switches Ebene Switch Switch Switch ARP- Anfrage 68

14 9. Switches Schleifenfreies Netz Host sendet eine ARP-Anfrage zu Host. Switch empfängt die ARP-Anfrage und flutet sie an allen anderen Ports. Die ARP-Anfrage gelangt jetzt zum Switch 1. Dieser flutet nun die anderen Ports mit dieser ARP-Anfrage. Sie gelangt zu Switch, Switch und zu Host. Switch flutet die anderen Ports mit der ARP-Anfrage und Host erhält sie. Host erkennt seine IP-Adresse,, und antwortet an Host mit seiner MAC-Adresse,. Wir sehen, der Rückweg geht direkt von Host zu Host, das übrige Netz wird durch die ARP-Antwort nicht belastet. Mit Switches erreicht man ein schleifenfreies Netz trotz redundanter Pfade mit dem Spanning Tree-Protokoll. Erkenntnis: Ethernet muss schleifenfrei sein, um Broadcaststürme zu vermeiden. Ebene 1 Switch1 Ebene Switch Switch Switch ARP- Anfrage ARP- Antwort Abb : ARP-Anfrage in einem Ethernet ohne redundante Verbindung zwischen Switches 69