Melden Sie sich hier an, um auf Kommentare und die Whitepaper-Datenbank zugreifen zu können.

Kein Log-In? Dann jetzt kostenlos registrieren.

Falls Sie Ihr Passwort vergessen haben, können Sie es hier per E-Mail anfordern.

Der Zugang zur Reseller Only!-Community ist registrierten Fachhändlern, Systemhäusern und Dienstleistern vorbehalten.

Registrieren Sie sich hier, um Zugang zu diesem Bereich zu beantragen. Die Freigabe Ihres Zugangs erfolgt nach Prüfung Ihrer Anmeldung durch die Redaktion.

15.03.1996 - 

Internetworking/Integration beider Techniken beim Aufbau skalierbarer Netzwerke

Router vs. Switch: Nicht das Problem eines Entweder-Oder

Switching stellt in gewisser Weise eine Renaissance der Bridging-Technologie dar - vor allem deshalb, weil Switches ebenfalls auf der Basis von Layer 2 des OSI-Modells arbeiten. Die eingesetzten Geraete sind jedoch einfacher, preisguenstiger und leistungsfaehiger, und das bei hoeherer Port-Dichte. Wie eine Bridge trifft auch ein Switch aufgrund der in jedem Paket enthaltenen MAC-Adresse die Entscheidung, wohin das Paket gehen soll. Im Gegensatz zu einer Bridge ist ein Switch jedoch in der Lage, Daten mit sehr geringer Verzoegerung zu transportieren, und bietet damit also eine Leistung, die der in einem "einfachen" LAN naeher kommt als derjenigen, die ueber das Bridging erzeugt wird.

Durch Switching ist es also moeglich, sowohl in gemeinsam genutzten als auch in dedizierten LAN-Segmenten die verfuegbare Bandbreite stufenweise anzupassen. Auf diese Weise lassen sich Engpaesse zwischen den LANs verringern. Switching-Komponenten sind heute fuer Ethernet, Fast Ethernet, Token Ring, FDDI und ATM erhaeltlich.

Switching funktioniert, wie schon erwaehnt, im Prinzip wie Bridging - nur schneller. Wie die bisher ueblichen Bridges bieten daher auch Switches eine Reihe von Vorteilen fuer den Anwender. Man kann zum einen kostenguenstig Netzwerke in kleinere "Kollisionsbereiche" (Collision domains) teilen und so jedem Arbeitsplatz mehr Bandbreite zuweisen. Dank ihrer Protokolltransparenz ist es zum anderen moeglich, Switches ohne oder mit nur geringer Softwarekonfiguration in Netzwerken zu installieren, auch wenn dort mehrere Protokolle zum Einsatz kommen. Switches arbeiten dabei auf der bestehenden Verkabelung genau so, wie vorhandene Repeater beziehungsweise Hubs und die Adapter. Ihre Transparenz sorgt schliesslich fuer einen sehr geringen Verwaltungsaufwand, fuer einfache Ergaenzungen und Veraenderungen.

Durch eine anwendungsspezifische ASIC-Technologie kann ein Switch ankommende Datenpakete in jeder denkbaren (von der Vekabelung unterstuetzten) Geschwindigkeit zu allen Anschluessen weiterleiten. Das ist auch ein - wenn nicht der wesentliche Grund - fuer die spuerbare Leistungsverbesserung gegenueber herkoemmlichen Bridges. Eine einzelne Ethernet-Schnittstelle erlaubt zum Beispiel die Uebertragung von maximal 14 880 pps (Packets per second) bei 64- Oktett-Frames (Mindestgroesse). Konkret bedeutet dies: Ein 12-Port- Ethernet-Switch, der sechs gleichlaufende Datenstroeme unterstuetzt, bietet einen Gesamtdurchsatz von 89 280 pps (6 x 14880 pps). Durch die ASIC-Technologie ist ein Switch somit in der Lage, groessere Leistung ueber mehr Ports zu geringeren Kosten zu bieten als eine herkoemmliche Bridge.

Das Switching selbst kann nach zwei unterschiedlichen Verfahren erfolgen: dem Cut-through-Switching oder Store-and-forward- Switching. Cut-through-Switches starten die Weiterleitung bereits, bevor sie das gesamte Paket (Frame) erhalten haben. Nachdem der Switch dabei nur die MAC-Zieladresse lesen muss, werden die Pakete schneller verarbeitet und die Verzoegerung ist fuer grosse wie fuer kleine Pakete gleich. Den groessten Vorteil bringt Cut-trough- Switching beim Datenverkehr zwischen Ports mit der gleichen LAN- Geschwindigkeit. Ein Paket, das von einem 100-Mbit/s- zu einem 10- Mbit/s-Port transportiert wird, muss bis zur Weiterleitung gepuffert werden. Der Nachteil eines reinen Cut-Through-Switching liegt also darin, dass auch fehlerhafte Pakete und Frames mit FCS- Fehlern (Frame Check Sequence) vom Switch weitergeleitet werden.

Ein Store-and-Forward-Switch liest und prueft hingegen jeweils vor der Weiterleitung zuerst das gesamte Paket. Auf diese Weise ist der Switch in der Lage, fehlerhafte Pakete auszusondern. Der Netzadministrator kann hier zudem zur Kontrolle des Datenverkehrs ueber den Switch massgeschneiderte Filter definieren. Der Nachteil dieses Verfahrens liegt sicherlich in einer Verzoegerung, die proportional mit der Groesse des Pakets zunimmt.

Was ist nun von der vielzitierten Debatte "Switch versus Router" zu halten? Router arbeiten auf Layer 3 des OSI-Modells und verfuegen ueber umfangreichere Software-Features als ein Switch. Da also ein Router auf einer hoeheren OSI-Ebene als ein Switch angesiedelt ist, kann er zwischen verschiedenen Netzwerkprotokollen, beispielsweise IP, IPX, Appletalk oder Decnet, unterscheiden - ist demnach durch seine Protokoll- "Kenntnisse" in der Lage, weit intelligentere Transportentscheidungen zu treffen als ein Switch.

Genau wie ein Switch ermoeglicht auch ein Router den Anwendern die nahtlose Kommunikation zwischen einzelnen LAN-Segmenten. Der Unterschied liegt aber darin, dass letzterer die logischen Grenzen zwischen einzelnen Segmenten im Netz bestimmt. Zudem verfuegt er ueber Schutzfunktionen (Firewall-Service), laesst zum Beispiel nur Daten passieren, die spezifisch adressiert sind. Dadurch wird verhindert, dass sich ueber den Router sogenannte Broadcast- Ueberlastungen fortpflanzen. Gleichzeitig wird vermieden, dass Pakete von nicht unterstuetzten Protokollen uebertragen werden.

Leistungsdefizit durch aufwendigere Verarbeitung

Fuer seine Aufgaben muss ein Router ueber zwei Grundfunktionen verfuegen: Zunaechst ist er fuer die Erstellung und Wartung einer "Routing-Tabelle" fuer jedes Protokoll verantwortlich. Darueber hinaus muss das in jedem Paket enthaltene Protokoll identifizieren, die Zieladresse lesen und auf Basis der in der Routing-Tabelle fuer das jeweilige Protokoll enthaltenen Daten eine Transportentscheidung treffen. Die hoehere Intelligenz eines Routers ermoeglicht es dabei, den besten Transportweg zu waehlen. Dazu gehoeren: Anzahl der Spruenge (Hops), die unterstuetzte Geschwindigkeit, die Uebertragungskosten, Verzoegerungen und Auslastung des Datenverkehrs. Diese hoehere Intelligenz kann auch zu einer verbesserten Datensicherheit, zu einer effektiveren Nutzung der Bandbreite und einer leichteren Kontrolle der Netzwerkvorgaenge fuehren. Der Nachteil des Routers gegenueber dem Switch liegt in seiner verringerten Leistung durch die aufwendigeren Verarbeitungsablaeufe.

Die Leistungsfaehigkeit eines Netzwerks wird letzlich aber daran gemessen, wie gut die Kommunikation zwischen Clients und Servern ablaeuft. Der schnelle und verlaessliche Datenverkehr ist fuer den Benutzer in der Regel jedenfalls ein wichtigeres Kriterium als Verbesserungen, die am unternehmensweiten Backbone oder an der WAN-Infrastruktur vorgenommen wurden.

Gerade der Switch ist eine Komponente, die geradezu dafuer praedestiniert ist, Leistungsschwaechen im LAN zu beheben, die sich aus unzureichender Bandbreite und Netzwerkengpaessen ergeben.

Switches loesen diese Probleme, indem sie zu extrem geringen Kosten je Port insgesamt eine grosse Bandbreite bieten und einen grossen Paketdurchsatz sowie minimale Verzoegerungen gewaehrleisten. Auf detaillierte Kontrolle ueber das Netzwerk sind sie jedoch nicht angelegt. Deshalb sollte man Switches hauptsaechlich als Bandbreitenlieferanten betrachten.

Hinter dem steigenden Bedarf an zusaetzlicher Bandbreite stehen Faktoren wie die wachsende Anzahl von Netzwerkknoten, die Entwicklung schnellerer und leistungsfaehigerer Prozessoren fuer Workstations und Server, die Entwicklung einer neuen Generation von Client-Server-Anwendungen mit grossem Bandbreitenbedarf sowie der Trend zur Installation zentraler Server-Farmen, um den Verwaltungsaufwand und auch die Gesamtzahl der Server zu reduzieren.

Die herkoemmliche 80:20-Regel beim Design von Netzwerken, wonach 80 Prozent des LAN-Verkehrs lokal bleiben sollen, wird beim Switching ins Gegenteil verkehrt. Der Hauptteil des Datenverkehrs laeuft hier ueber ein oder mehrere Internetworking-Komponenten. Switches loesen den kritischen Bandbreitenmangel, indem sie in einem LAN mit Repeater einen Kollisionsbereich (Collision domain) in mehrere kleinere Abschnitte aufteilen. Diese Segmentierung reduziert beziehungsweise eliminiert nahezu die Konkurrenz der Arbeitsplaetze um den Medienzugriff und bietet jedem Anwender einen groesseren Anteil verfuegbarer Bandbreite.

Router hingegen sind Mehrzweckgeraete, die vor allem fuer folgende Funktionen angelegt sind: Segmentierung eines Netzwerks in einzelne Broadcast-Bereiche, intelligente Paketweiterleitung, Bereitstellung eines preisguenstigen WAN-Zugriffs sowie Unterstuetzung der Redundanz an Netzwerkpfaden. Im Gegensatz zu einem Switch, der spezifisch dafuer ausgelegt ist, zusaetzliche Bandbreitenkapazitaet zu schaffen, sind Router also dazu gedacht, ein gewisses Mass an Sicherheit und Standardisierung in der Verarbeitung und Netzwerkverwaltung zur Verfuegung zu stellen.

Eine der Hauptfunktionen des Routers liegt dabei darin, den Verkehr zu isolieren, um Netzwerkprobleme besser diagnostizieren zu koennen. Nachdem jeder Anschluss eines Routers quasi ein eigenes Subnetz darstellt, wird ueber den Router kein Broadcast-Verkehr uebertragen. Die klarere Definition von Grenzen erleichtert es, das Netzwerk mit Redundanz abzusichern und Probleme zu isolieren, die sich aus Broadcast-Stuermen, Fehlkonfigurationen, unnoetigem Datenfluss vom Host und Hardwarefehlern ergeben. Mit Routern lassen sich hingegen diese Vorfaelle begrenzen und ihre Verbreitung ueber das gesamte Netzwerk verhindern.

Router sind uebrigens auch die einzigen Internetworking- Komponenten, die einen kostenguenstigen WAN-Zugriff ermoeglichen. Im Vergleich zu LAN-Umgebungen ist Bandbreite in den WANs bekanntlich immer noch Mangelware und demzufolge sehr teuer. Mit Routern verschafft man sich hingegen Zugriff auf eine breite Vielfalt von WAN-Technologien. Da Router keinen Broadcast-Verkehr zulassen, tragen sie auch zur Kontrolle des Netzverkehrs bei kleinen WAN- Verbindungen bei. Die in Routern verfuegbaren Techniken wie Datenkompression, Prioritaetenvergabe und "Packet-Spoofing" helfen bei der Nutzung der bestehenden Bandbreite im WAN.

Ein weiterer signifikanter Vorteil von Routern ist ihre Faehigkeit, maschenartige Netzwerktopologien zu unterstuetzen, die eine aktive Pfadredundanz bieten. Im Gegensatz zu Switches, die eine Loop- freie Umgebung voraussetzen, ist man bei Routern diesbezueglich nicht eingeschraenkt. Router gewaehrleisten vielmehr, dass die verfuegbare Bandbreite beim Spanning-Tree-Algorithmus (STA) nie auf "Standby" kommt.

Weitere wichtige Faehigkeiten von Routern sind;

-Sicherheit durch ausgereifte Paketfilter in WAN- und LAN- Umgebungen;

-Integration traditioneller IBM-Mainframes in PC-Netze durch Data- Link-Switching,

-die Konzeption hierarchischer Netzwerke durch Delegieren von Autoritaet, um die lokale Verwaltung voneinander getrennter Regionen des jeweiligen Enterprise Network zu foerdern sowie

-die flexible Integration unterschiedlicher Topologien beziehungsweise Uebertragungstechniken wie Ethernet, Fast Ethernet, Token Ring, FDDI und ATM.

Der Bereich beziehungsweise das Anwendungsszenario, in dem noch grosse Unklarheit ueber Vor- und Nachteile des Einsatzes von Switches und/oder Routern besteht, ist die Faehigkeit, Netzwerke zu segmentieren. Nachdem Switches und Router auf unterschiedlichen Ebenen des OSI-Referenzmodells arbeiten, segmentieren jede der beiden Internetworking-Komponenten auf eine andere Art und Weise beziehungsweise fuer die Anforderungen unterschiedlicher Anwendungen. Ein Switch segmentiert beispielsweise ein LAN mit der spezifischen Zielsetzung, zusaetzliche Bandbreite zu schaffen. Die Aufgaben eines Routers sind hingegen eher allgemeiner Art: Er segmentiert ein Netzwerk, um beispielsweise den Broadcast- Netzverkehr einzuschraenken, Sicherheit und Kontrolle zu gewaehrleisten sowie Redundanzen zu vermeiden.

Unter diesem Gesichtspunkt muss man ein LAN als einen Bereich betrachten, in dem sich Kollisionen staendig wiederholen. Die Aufgabe eines Switches ist es, den Kollisionsbereich eines LANs in mehrere kleinere Kollisionsbereiche aufzuteilen. Diese Vorgehensweise fuehrt zwangslaeufig zu einer verbesserten Netzwerkleistung. Da die Segmentierung auf der ISO-Ebene 2 erfolgt, wird die Anzahl der Stationen, die miteinander um Zugriff auf das Netzwerk konkurrieren, verringert.

Die Abbildung zeigt, wie ein Switch einen Kollisionsbereich in mehrere kleinere zerlegt. Jede davon erhaelt dabei eine eigene 10- Mbit/s-Bandbreite. Bevor der Switch installiert wurde, mussten sich alle Arbeitsplaetze innerhalb des LAN-Kollisionsbereichs diese 10 Mbit/s an Bandbreite teilen. Der Switch verbessert die Leistung des Netzwerks um das Sechsfache, den Anwendern stehen nun somit insgesamt 60 Mbit/s an Bandbreite zur Verfuegung.

Die Tatsache, dass ein Router, der auf der ISO-Ebene 3 arbeitet, auch Switching-Funktionen auf ISO-Ebene 2 ausfuehren kann, stiftet unter Umstaenden weitere Verwirrung. Die Segmentierung auf Ebene 3 schafft nicht nur getrennte Kollisionsbereiche, sondern auch einen eigenen an jeder Router-Schnittstelle. Das bedeutet, dass man zur Segmentierung eines LANs - und um zusaetzliche Bandbreite zu schaffen - entweder einen Switch oder einen Router einsetzen kann.

Wenn nun sowohl ein Switch als auch ein Router diese Aufgabe erfuellen kann, stellt sich die Frage: Was ist bei der Konzeption eines Netzwerks die richtige Wahl? Wenn die Anwendung die Unterstuetzung redundanter Pfade, intelligenter Paketweiterleitung oder WAN-Zugriff erfordert, muss ein Router gewaehlt werden. Benoetigt die Anwendung jedoch lediglich mehr Bandbreite, um Engpaesse zu beheben, wird es besser sein, sich fuer einen Switch zu entscheiden. Der Switch gewaehrleistet letztendlich den Pakettransport zu geringeren Kosten pro Port als ein Router.

Das angestrebte Preis-Leistungs-Verhaeltnis stellt bekanntlich das Hauptkriterium fuer die Entscheidung dar, ob in eine Workgroup- Umgebung ein Switch oder ein Router installiert werden soll. Wer heute ein Netzwerk neu konzipiert, muss entscheiden, ob ueber die Bandbreite hinaus zusaetzliche Anforderungen bestehen, beispielsweise bezueglich Redundanz, Sicherheit oder der Notwendigkeit, Broadcast-Verkehr einzuschraenken. Zusaetzliche Kosten und gestiegene Komplexitaet innerhalb einer Workgroup- Umgebung im Zusammenhang mit dem Einsatz eines Routers muessen dabei in Kauf genommen werden.

Verbesserte ASIC-Technologie, rationelle Herstellung und effizienter Vertrieb werden aller Voraussicht nach dazu beitragen, dass der Preis von Switching-Komponenten weiter sinkt. Nachdem sich die Kosten je Switching-Port denen der Repeating-Hubs zusehends annaehern, duerften sich daher immer mehr Betreiber sowohl kleinerer als auch unternehmensweiter Netzwerke fuer Switches entscheiden.

Die zunehmende Verbreitung und Verfuegbarkeit preiswerter Switching-Technik wird Konsequenzen haben: Der Bedarf an Backbone- Switches mit hoher Konzentration und an Hochgeschwindigkeits-Ports zur Verbindung einzelner Workgroups wird ansteigen. Viele Arbeitsplaetze werden jeweils an dedizierten 10-Mbit/s-Ethernet- Verbindungen angeschlossen sein; die meisten Server werden ueber Switches mit Hochgeschwindigkeits-Anschluessen verbunden, und in gebaeude- oder unternehmensweiten Backbones wird ATM installiert sein.

Was ist, last, but not least, zur Zukunft von Routing zu sagen. Es ist und bleibt der Schluessel zur Entwicklung erfolgreicher netzwerkverbindender Loesungen. Die schwierige Aufgabe dabei wird allerdings in Zukunft darin bestehen, in der richtigen Kombination von Switching und Routing fuer eine systemgerechte Konzeption des betreffenden Netzwerks zu sorgen.

Zunaechst duerften Switches viele Anforderungen der jeweiligen Anwender hinsichtlich Bandbreite und Skalierbarkeit erfuellen. In dem Masse jedoch, wie die Komplexitaet eines Netzwerks zunimmt, werden die Netzwerk-Manager nicht umhin koennen, ihre neue Switching-Umgebungen beispielsweise ueber Segmentierung, Redundanz, Firewalls und andere Sicherheitsmassnahmen zu kontrollieren, um Stoerungen zu vermeiden und die Zuverlaessigkeit zu erhoehen. Ab diesem Zeitpunkt duerfte es dann fuer den Ausbau umfangreicher Switching-Netzwerke auch noetig sein, Routing-Systeme neuester technischer Entwicklung zur Verfuegung zu haben.

Zudem duerfte die Geschwindigkeit von ASIC-gestuetzten Routern der von der Verkabelung ermoeglichten Geschwindigkeit immer naeher kommen und dadurch den Leistungsunterschied zwischen Routern und Switches zunehmend verringern. Bei der zu erwartenden Expansion des Router-Markts werden die Anwender dann auch fordern, dass die Hersteller die Handhabung ihrer Produkte in bezug auf Installation, Konfiguration, Einbindung von beispielsweise traditionellen IBM-Netzwerken sowie Fernzugriffsmoeglichkeiten vereinfachen.

Markt fuer WAN-Zugriffe geht in zwei Richtungen

Im allgemeinen geht der Trend beim Routing in Gebaeudenetzwerken hin zu wenigen Hochleistungs-Schnittstellen, die eine Verbindung von Switches mit hoher Portdichte zum Router herstellen. Dennoch wird der Router mit hoher Port-Konzentration nicht verschwinden, da viele grosse Unternehmen ihre umfangreichen Router-Netzwerke beibehalten, fuer die hohe Port-Dichte eine Voraussetzung ist.

Mit sinkender Zahl von LAN-Schnittstellen entwickelt sich der Markt fuer WAN-Zugriffe bei zentralen Routern in zwei Richtungen. Manche Anwender werden zur Verbindung ihrer verschiedenen Standorte ueber Stand- und Waehlleitungen eine groessere Anzahl von WAN-Schnittstellen niedriger Geschwindigkeit brauchen. Andere hingegen werden weniger Bedarf an physischen Schnittstellen haben, nachdem die sogenannten "Cloud"-Techniken wie Frame-Relay und ISDN die Leistung wesentlich preiswerter anbieten als dedizierte Standleitungen.

Welches Fazit bleibt zu ziehen? Man muss erkennen, dass es zwischen Switching und Routing kein Entweder-Oder gibt. Beim Designen von Netzwerken ist vielmehr das Verstaendnis dafuer notwendig, wie sich mit einer Kombination beider Technologien skalierbare Hochleistungsnetzwerke aufbauen lassen. Netzwerk-Manager sollten daher tunlichst keinem Anbieter trauen, der behauptet, man koenne eine Hochleistungsloesung kreieren, indem man ausschliesslich Switching oder nur Routing anwendet. Beide Techniken ergaenzen sich vielmehr und ermoeglichen gemeinsam das Wachstum von Netzwerken weit ueber den Umfang hinaus, der durch eine dieser Technologien allein erreichbar waere.

Kurz & buendig

Switching vs. Routing: Zumindest, wenn es um die Migration zu ATM geht, ist die Frage nach Meinung des Autors klar zugunsten letzterem beantwortet. Orientieren kann man sich hoechstens an den Switch-Architekturen einzelner Hersteller und deren Moeglichkeiten, sich langsam der ATM-Technik zu naehern. Doch wer moechte schon ad hoc in eine laengst noch nicht vollendete Technik einsteigen? Immer noch fehlende Standards beziehungsweise Protokolle wie PNNI tun dazu ihr uebriges.

*Chuck Semeria ist Marketing Engineer bei der 3Com Corporation in Santa Clara/USA.