Was ist ein Netzwerk-Switch?

Was ist ein Netzwerk-Switch?

Ein Netzwerk-Switch ist ein Gerät, das es zwei oder mehr IT-Geräten, z. B. Computern, ermöglicht, miteinander zu kommunizieren. Durch die Verbindung mehrerer IT-Geräte entsteht ein Kommunikationsnetzwerk. Rechen-, Druck-, Server-, Dateispeicher-, Internetzugangs- und andere IT-Ressourcen können über das Netzwerk gemeinsam genutzt werden.

IT-Geräte kommunizieren durch den Austausch von „Paketen“ von Daten über das Netzwerk. Einfache Switches leiten Pakete von einem Gerät zum anderen weiter, während kompliziertere Vorgänge (wie die Entscheidung, ob ein Paket sein beabsichtigtes Ziel erreichen darf) traditionell die Domäne anderer Arten von Netzwerkgeräten sind.

Switches können die Form einer dedizierten Appliance annehmen oder eine Komponente anderer Geräte sein, wie z. B. Netzwerkrouter und Wireless Access Points (APs), die Operationen an Datenpaketen durchführen. Die grundlegende Switching-Technologie gibt es seit Jahrzehnten und sie ist einer der grundlegenden Bausteine aller modernen IT-Netzwerke, einschließlich des Internets.

Welche Probleme lösen Switches?

Ein Netzwerk-Switch verbindet Benutzer, Anwendungen und Geräte über ein Netzwerk, sodass sie miteinander kommunizieren und Ressourcen gemeinsam nutzen können. Die einfachsten Netzwerk-Switches bieten Konnektivität ausschließlich für Geräte in einem einzigen lokalen Netzwerk (LAN). Fortgeschrittenere Switches können Geräte aus mehreren LANs verbinden und können sogar grundlegende Datensicherheitsfunktionen enthalten. 

In den fortschrittlicheren Switches sind Funktionen, die über die einfache LAN-Verbindung hinausgehen, oft eine Teilmenge der Funktionen, die normalerweise in anderen Netzwerkgeräten wie Routern und Firewalls zu finden sind. Trotz der fortschrittlichen Fähigkeiten dieser Switches werden sie weiterhin als „Switches“ bezeichnet, da ihr Hauptzweck darin besteht, Geräte als Teil eines IT-Netzwerks miteinander zu verbinden. 

Eine wichtige Rolle eines fortschrittlichen Switches ist die Fähigkeit, „virtuelle Netzwerke“ zu erstellen. Virtuelle Netzwerke isolieren Gruppen vernetzter Systeme voneinander, basierend auf Konfigurationen, die von Netzwerkadministratoren bereitgestellt werden. Diese Fähigkeit ermöglicht es, eine große Anzahl von Systemen mit einem einzigen physischen Netzwerk zu verbinden und gleichzeitig bestimmte Systeme sicher von den anderen zu trennen. Zu den virtuellen Netzwerktypen gehören Virtual Private Networks (VPNs), Virtual LANs (VLANs) und Ethernet VPN-Virtual eXtensible LANs (EVPN-VXLANs), die alle regelmäßig in mittelgroßen und großen Netzwerken verwendet werden. EVPN-VXLAN ist eine zunehmend verbreitete Implementierung der Netzwerksegmentierung in modernen Unternehmensnetzwerken.

Netzwerk-Switches sind in einer Vielzahl von Geschwindigkeiten, Funktionen und Größen verfügbar. Sie können überall von drei Geräten bis zu Tausenden von ihnen unterstützen. Mehrere Netzwerk-Switches können miteinander verbunden werden, um noch mehr Geräte zu unterstützen. Die Details, wie diese Switches verbunden sind, werden als „Netzwerktopologie“ bezeichnet. 

Eine moderne „Spine-Leaf“-Topologie mit Hochgeschwindigkeits-Switches mit hoher Portdichte könnte problemlos Zehntausende von Geräten zu einem einzigen physischen Netzwerk verbinden. In einem Spine-Leaf-Datencenter-Netzwerk aggregieren Leaf-Switches den Datenverkehr von Servern und stellen eine direkte Verbindung zu Spine-Switches her, die alle Leaf-Switches in einer Full-Mesh-Topologie miteinander verbinden. Diese großen Netzwerke werden in der Regel mithilfe von EVPN-VXLAN in eine große Anzahl virtueller Netzwerke segmentiert, wobei Leaf-Switches den Zugriff auf (und das Routing für) verschiedene Netzwerksegmente ermöglichen.

Diese Art von Netzwerk ist in Datencentern üblich, die von vielen Kunden gemeinsam genutzt werden (sogenannte „Multi-Tenant“-Datencenter), sowie in solchen, die von Regierungen und großen Unternehmen genutzt werden.

Wie funktioniert ein Switch?

Die Art und Weise, wie ein Netzwerk-Switch die Kommunikation zwischen Geräten ermöglicht, besteht darin, dass alle verbundenen Systeme, einschließlich des Switches selbst, einem Standardsatz von Kommunikationsprotokollen folgen Diese Standards werden von internationalen Standardisierungsorganisationen wie dem Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE) und der Internet Engineering Task Force (IETF) definiert und gepflegt.

Es gibt drei primäre Möglichkeiten für Geräte, eine Verbindung zu einem Netzwerk zu schaffen: Funk (wie WLAN), elektrisch (wie RJ-45 Ethernet) und lichtbasierte Optik. Jede Verbindungsmethode verwendet ein anderes Mittel der physischen Netzwerkverbindung – HF-Spektrum, Kupferkabel bzw. Glasfaserkabel –, über die IT-Geräte kommunizieren, indem sie sich gegenseitig einen Strom von Einsen und Nullen senden.

Netzwerkstandards ermöglichen es, diese Ströme von Einsen und Nullen in Pakete zu interpretieren. Pakete enthalten einen Header und Nutzinformationen. Paket-Header enthalten Informationen wie die Quell- und Zieladresse der Geräte, die an dieser Kommunikation teilnehmen. Nutzinformationen enthalten die Daten, die die vernetzten Geräte eigentlich versuchen auszutauschen. Jedes Gerät in einem Netzwerk hat eine oder mehrere Adressen, an die Pakete adressiert werden können.

Gruppen von Paketen, die von zwei oder mehr Adressen ausgetauscht werden, werden als „Datenströme“ bezeichnet. Datenströme entsprechen in etwa individuellen Gesprächen zwischen vernetzten Geräten. Ein Switch liest die Adressen aus den Paket-Headern und leitet die Pakete dann an ihr Ziel weiter.

Switches verwalten Aufzeichnungen, sogenannte Lookup-Tabellen (LUTs). LUTs enthalten eine Liste, von der Adressen über spezifische Switch-Ports erreicht werden können. Einige Switches sowie alle Router können mit „Routen“ konfiguriert werden. Routen sind eine Art Lookup-Tabelle, die Switches anweist, alle Pakete mit bestimmten Zielen an einen zwischengeschalteten Switch oder Router zu senden. Durch die Verwendung von Routen können Switches Pakete an Geräte senden, für die der Switch keine Adressinformationen hat.

Betrachten wir zum Beispiel, wie ein Smartphone ein WLAN-Heimnetzwerk verwenden könnte, um auf eine Webseite zuzugreifen. Das Smartphone verbindet sich über WLAN mit einem AP. Der AP verfügt über einen eingebauten RJ-45/Ethernet-Switch, der mit einem Internet-Router verbunden ist.