Routing und Switching

Diesen Artikel über Routing und Switching habe ich für schnatterente.de geschrieben. Viel Spaß beim Lesen!

Dieser Artikel erklärt die Begrifflichkeiten „Routing“ und „Switching“ für Laien, die sich zukünftig mit Netzwerktechnik auseinandersetzen möchten.

Das Ziel soll es sein, die Funktionsweise von Switches und Routern kurz zu erläutern.

Was ist ein Switch?

Ein Netzwerk-Switch ist ein Gerät, an das man mehrere Computer und andere Netzwerkgeräte mithilfe von Netzwerkkabeln anschließen kann. Er dient als zentraler Knotenpunkt für die an ihn angeschlossenen Netzwerkteilnehmer.

Die zentrale Aufgabe des Switchs ist es, alle bei ihm ankommenden Daten an das richtige Zielgerät weiterzugeben.

Switches können auf verschiedenen Ebenen eingesetzt werden. In diesem Beitrag wird ausschließlich die Funktionsweise von Switches in lokalen Netzen, sogenannten LANs (Local Area Network), eingegangen. Ein LAN kann zum Beispiel ein Heimnetzwerk oder ein Firmennetzwerk sein.

Switching als „Ordnungsdienst“ im lokalen Netzwerk

Switching wird in Netzwerken eingesetzt, welche aus mehreren Nutzern, bzw. Geräten (PCs, Laptops, Server, usw.) bestehen, welche untereinander kommunizieren sollen. Die Aufgabe der Switches ist es, den Netzwerkverkehr zwischen diesen Rechnern zu regeln. Sie sorgen dafür, dass alle Nachrichten, die über das Netzwerk verschickt werden, auch beim richtigen Empfänger landen.

Umgesetzt wird dies mithilfe von Netzwerkprotokollen. Um die Funktionsweise der Switches zu verstehen, ist es wichtig ein grundlegendes Verständnis davon zu haben, wie Daten in Rechnernetzen übertragen werden.

Die Datenübertragung erfolgt in Form vieler kleiner Nachrichten, den so genannten „Frames“. Will man beispielsweise eine große Datei zu einem anderen PC übertragen, wird diese nicht einfach als Gesamtpaket über das Netzwerk verschickt, sondern in eine Menge kleiner Teile zerlegt, die in vielen Frames nacheinander versendet werden. (Von diesem Vorgang bekommen der Nutzer und auch die meisten Anwendungen natürlich nichts mit, da sich das Betriebssystem um diese Dinge kümmert.)

Jeder dieser Datenframes besteht aus einem „Header“, einem „Data“-Bereich und einem „Trailer“. Im Header befinden sich unter anderem die Quell- und Ziel-MAC-Adressen der an der Kommunikation beteiligten Computer.
MAC-Adressen sind (hexadezimal notierte) Zahlenfolgen einer festen Länge, die einem bestimmten Endgerät zugeordnet werden können. De facto hat jede Netzwerkkarte, egal ob sie in einem Notebook, einem Fernseher oder einem Router verbaut ist, eine feste, einmalige MAC-Adresse. (Dies gilt übrigens auch für WLAN-Adapter.) Mithilfe der MAC-Adressen wird sichergestellt, dass sich alle Netzwerkgeräte gegenseitig und vor allem eindeutig identifizieren können.

Neben der MAC-Adresse beinhaltet der Frame-Header noch das „Type“-Feld. In diesem ist das verwendete Protokoll (z. B. „IP“, das Internet-Protokoll) hinterlegt. Das Internet-Protokoll sorgt dafür, dass sich die Netzwerkgeräte mithilfe von IP-Adressen kontaktieren können, die sicher vielen schon ein Begriff sind.

Der „Data“-Bereich beinhaltet die zu übertragenden Nutzdaten – also jene Informationen, die es zu übermitteln gilt.

Abgeschlossen wird der Datenframe durch den Trailer, welcher eine Prüfsumme (CRC) enthält. Diese gibt Aufschluss über die Korrektheit der übermittelten Daten. Somit lassen sich Übertragungsfehler schnell erkennen.

Switching, IP- und MAC-Adressen

Anhand des Aufbaus der Datenframes wird klar, was ein Switch leisten muss. Die Frames enthalten immer die MAC-Adresse des Rechners, an den sie gesendet werden sollen. Es ist die Aufgabe des Switchs, zu wissen, an welchem Port das Zielgerät angeschlossen ist. Um dies zu gewährleisten, hält der Switch eine Zuordnungstabelle mit Ports und MAC-Adressen in seinem Speicher. Wann immer neue Geräte dem Netzwerk beitreten, speichert der Switch auch deren MAC-Adresse ab.

Aus der Zuordnungstabelle kann beispielsweise hervorgehen, dass ein PC mit der MAC-Adresse00:AA:11:BB:22:CC am Netzwerkport 2 angeschlossen ist. Empfängt der Switch eine Nachricht für dieses Gerät, wird diese dann ausschließlich über diesen Port weitergeleitet. Die anderen angeschlossenen Geräte bekommen die Nachricht somit nicht.

Kurz zusammengefasst ist das Switching also für die richtige Vermittlung der Daten von Endgerät zu Endgerät in einem LAN zuständig.

Oben wurden kurz IP-Adressen erwähnt und vielleicht fragt sich der eine oder andere ja jetzt, warum es MAC- und IP-Adressen gibt. Denn was man meist zuerst über Rechnernetze lernt, ist ja, dass jeder PC eine eindeutige IP-Adresse hat, über die er erreichbar ist. Wozu braucht man da noch die MAC-Adressen?

Die Kommunikation auf Basis von MAC-Adressen geschieht auf einer hardwarenäheren Ebene als die Kommunikation mit Hilfe von IPs (siehe OSI-Schichten-Modell: Schicht 2 und 3). Letztere baut auf der MAC-Kommunikation auf und würde ohne diese nicht funktionieren.

Im Gegensatz zu IP-Adressen, die doppelt vergeben werden können (auch wenn dies zu Problemen führt), sind MAC-Adressen immer einmalig und somit eindeutig (von bewusster Manipulation mal abgesehen). Dies ist der große Vorteil der MAC-Adressen.

Auch wenn ein Netzwerkgerät mit einem Anderen auf Basis von IP-Adressen oder Rechnernamen kommuniziert, wird der eigentliche Datenaustausch auf der unteren Netzwerkebene mithilfe der MAC-Adressen durchgeführt. Die Techniken bauen schlicht aufeinander auf.

Routing, das Tor zur Welt

So wie das Switching von Switches übernommen wird, gibt es auch fürs Routing passende Geräte – na klar, die heißen Router.

Anders als ein Switch arbeitet ein Router nicht nur im lokalen Netzwerk. Er bildet sozusagen den Knotenpunkt zwischen dem LAN und der Außenwelt – die in den meisten Fällen wohl das Internet ist. Wie bei einem Switch ist es auch die zentrale Aufgabe des Routers dafür zu sorgen, dass alle Netzwerkströme dahin fließen, wo sie hin sollen.

Das bedeutet auch, dass alle Daten die in ein anderes Netz möchten oder von einem anderen Netz hereinkommen, der Prüfung und Erlaubnis des Routers unterliegen.

Was bei dem Switching der Frame war, das ist bei dem Routing das „Paket“. Ein Netzwerkpaket hat zwei Bestandteile: einen IP-Paket-Header und einen „Data“-Bereich. Im Header ist eine Vielzahl von Daten hinterlegt, auf die hier nicht näher eingegangen werden soll. Wichtig zu wissen ist aber, dass sich hier die Ziel- und Quell-IP-Adressen befinden. Anhand dieser IP-Adressen ist wieder eine eindeutige Zuordnung von Sender und Empfänger möglich.

(Wie zuvor bereits beschrieben wurde, liegen dieser Kommunikationsform natürlich auch MAC-Adressen zugrunde. Dies wird beim Routing aber als gegeben hingenommen und spielt für die Betrachtung keine Rolle.)

Wie ebenfalls bereits erwähnt wurde, kann im Router auch festgelegt werden, welche Daten von außen ins lokale Netz fließen dürfen und welche Daten aus dem LAN ins Internet übermittelt werden können. Ein Router ist somit ein Ein- und Ausgangstor. Er trägt nicht nur dazu bei, dass alle Nachrichten dahin gelangen, wo sie hin sollen, sondern dient auch als Schutzmechanismus für das eigene Netzwerk. Zu diesem Zweck ist auf vielen Routern auch eine Firewall installiert.

Des Weiteren können Router genutzt werden, um ein lokales Netzwerk in sogenannte Subnetze (bzw. „VLANs„) zu unterteilen. Damit lässt sich ein physisch vorhandenes Netzwerk logisch in mehrere Unternetzwerke unterteilen. Das Ziel dieser Maßnahme ist eine Aufteilung der Empfänger und Sender in festgelegte Gruppen. So kann es in Unternehmen beispielsweise eigenständige Gruppen für die Geschäftsleitung und das Marketing geben, in denen nur für diese Gruppen relevante Daten ausgetauscht werden.

Kurz zusammengefasst prüft das Routing ein- und ausgehende Datenströme anhand von IP-Adressen und leitet diese entsprechend weiter. Zudem sind Router für die Verwaltung von Subnetzen zuständig. Moderne Geräte unterstützen oft viele darüber hinausgehende Funktionen, welche zum Teil nichts mit dem eigentlichen Routing zu tun haben.

Fazit

Ein Switch arbeitet im lokalen Netzwerk (LAN), wogegen ein Router das Ein- bzw. Ausgangstor zum Internet darstellt. Beide Gerätetypen haben gemein, dass sie dafür zuständig sind, Nachrichten korrekt zuzustellen. Ein Router ist hierbei aber weit mächtiger als ein Switch und kann auch dessen Aufgaben problemlos übernehmen.