DATENNETZE - Datennetze / Ethernet

Ethernet - Bridges und Switches

Bridges:

Bridges werden hauptsächlich bei 10Base2 eingesetzt. Eine Bridge hat mindestens zwei Anschlüsse. Ein Datenpaket, das auf einem Anschluss empfangen wird, speichert die Bridge zunächst vollständig ab und sendet es anschließend unverändert auf allen anderen Anschlüssen wieder ab. Fehlerhafte Pakete oder Kollisionen werden dabei ausgefiltert. Dadurch durchbricht man die Größenlimitierung von 10Base2-Netzen, transportiert aber die Netzlast jedes Segments auch in die anderen Segmente.

Durch die Zwischenspeicherung kann eine Bridge auch Netze unterschiedlicher Bandbreite koppeln, z.B. 10 und 100Mbit Ethernet. Deswegen steckt in jedem Dual-Speed-Hub eine Bridge zur Koppelung der 100Mbit-Anschlüsse mit den 10Mbit-Anschlüssen.

Switches:

Ein Switch arbeitet zunächst genau wie eine Bridge. Er achtet aber bei jedem Paket auf die Absenderadresse und auf welchem Anschluss das Paket hereinkam. Diese Informationen speichert er ab. Nun kann er Pakete, deren Zieladresse er bereits kennt, gezielt auf den richtigen Anschluss weiterleiten. Netzwerksegmente an anderen Anschlüssen bekommen von dem Paket nichts mehr mit. So kann die Netzlast bei intelligenter Platzierung von Switches signifikant gesenkt werden. Im Gegensatz zu einer Bridge kann ein Switch gleichzeitig mehrere Pakete verarbeiten (z.B. eines von Port 1 nach 6 leiten und eines von Port 5 nach 4).

Ein Switch kann zudem eine Umsetzung verschiedener Anschlussgeschwindigkeiten vornehmen. Damit können in einem LAN Endgeräte mit 10Mbit-Ethernet und Fast Ethernet miteinander kommunizieren. An einem Hub können immer nur Geräte mit derselben Geschwindigkeit angeschlossen werden.

Für Switches gibt es verschiedene Arbeitsweisen:

Cut through: Nach den ersten 12 Byte (Quell- und Zieladresse) wird entschieden, auf welchen Port das Paket weitergeleitt wird. Während auf dem Eingangsport noch der Empfang läuft, wird bereits gesendet. Das führt zu einer sehr geringen Paketverzögerung (30 - 40 Mikrosekunden bei 10Mbit-Ethernet). Allerdings werden auch Pakete übertragen, die sich später als fehlerhaft (anhand des CRC-Codes) oder als Kollision erweisen.
Modify cut through: Die Entscheidung fällt erst nach 64 Bytes. Dann sind Kollisionen normalerweise bereits erkannt worden und können ausgefiltert werden. Die Verzögerung steigt jedoch auf 500 Mikrosekunden und fehlerhafte Pakete werden trotzdem übertragen.
Store and forward: Die Entscheidung fällt nach dem Empfang des kompletten Pakets. Dadurch entsteht eine paketlängenabhängige Verzögerung von 500 - 8000 Mikrosekunden. Dafür werden fehlerhafte Pakete erkannt. Diese Arbeitsweise entspricht der einer Bridge.
Intelligent switching: Der Switch schaltet automatisch je nach Netzlast und Fehlerhäufigkeit zwischen Modify cut through und Store and forward hin und her.

Der Einsatz von Switchen ist kein Allheilmittel für Performanceprobleme im Netz. Ihrem Einsatz muss immer eine Analyse der Datenströme im Netz vorausgehen. Man muss also wissen, wer vor allem mit wem kommuniziert und wo der Flaschenhals sitzt. Mittlerweile sind Switches allerdings so preiswert geworden (16 Port Hub ca. 300 Euro, 16 Port Switch ca. 600 Euro, Markengeräte), dass sie oftmals schlicht als Ersatz für Hubs verwendet werden. Das bringt in fast allen Fällen auch Vorteile.

Beispiel:

Angenommen, das obige Netz sei sehr stark ausgelastet, es finde aber kaum Datenverkehr zwischen den beiden Sternen statt. Die Hubs transportieren die Last des linken Sterns jedoch nach rechts und umgekehrt. Ein Switch zwischen den beiden Sternnetzen trennt diese Lasten voneinander, die Auslastung sinkt in beiden Teilnetzen fast auf die Hälfte:

Angenommen, im selben Netz liefe der größte Teil des Datenverkehrs zwischen den Endgeräten und dem Server (ganz rechts im Bild) ab. Dann brächte dieser Lösungsvorschlag nur der linken Hälfte des Netzes Erleichterung. Um beide Sternnetze zu entlasten müsste der Server über eine schnelle Leitung (Fast Ethernet oder Gigabit Ethernet) direkt am Switch angebunden werden:

Spanning Tree Algorithmus:

Das abgebildete Netzwerk aus miteinander verbundenen Switches erlaubt jeweils mehrere Wege vom Sender zum Empfänger. Ohne weitere Maßnahmen würde jedes Paket über jeden möglichen Weg übertragen, käme beim Empfänger also mehrfach an. Es könnte sogar passieren, dass Datenpakete ewig im Kreis laufen. Die Auslegung mit redundanten Verbindungen ist jedoch im Hinblick auf die Ausfallsicherheit des Gesamtnetzes wünschenswert.

Zur Lösung dieses Problems kommunizieren die Switches miteinander. Zunächst wird nach bestimmten Kriterien einer ausgewählt. Von diesem ausgehend werden zunächst alle Verbindungen bestimmt, die direkt zu weiteren Switches führen. Von diesen aus werden wiederum die direkten Wege zu jenen Switches gesucht, die im ersten Durchgang noch nicht erfasst wurden. Dies setzt sich so lange fort, bis zu jedem Switch ein Weg gefunden wurde. Alle Verbindungen, die hierbei nicht benötigt wurden, werden nun softwareseitig abgeschaltet. Es entsteht so eine baumförmige Netzstruktur mit dem zuerst ausgewählten Switch als Wurzel. Das Netz hat nun keine redundanten Wege mehr, sprich keine Maschen. Dieser Algorithmus heißt "Spanning Tree".

Auch wenn der Baum steht, kommunizieren die Switches weiterhin miteinander, um Ausfälle oder neu hinzugekommene Switches erkennen zu können. Dann wird der Algorithmus neu angestoßen und das Netz so rekonfiguriert. Das kann bei sehr komplexen Netzen durchaus eine Minute dauern.