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17.04.1998 - 

Die Funktionsweise des Layer-4-Switching

Vorfahrt für Applikationen auf der Ebene vier

Das Layer-4-Switching setzt eine Anfang der 90er Jahre begonnene Reihe fort. Der Netz-Anbieter Kalpana, 1994 von Cisco geschluckt, sorgte damals mit dem Layer-2-Switching für Furore. Dieses Verfahren sollte Bandbreitenengpässe beseitigen, indem es Frames auf Basis der MAC-Adresse (MAC=Media Access Control) weiterleitet. Die MAC-Adresse findet sich im ISO-OSI-Schichtenmodell (ISO/OSI=International Organization for Standardization/Open Systems Interconnection) auf Ebene zwei wieder.Im Grunde ist diese Lösung klassisches Bridging, allerdings mit dem Unterschied, daß die Vermittlungsentscheidung in Silicon gegossen ist und somit schneller als herkömmliche Bridges arbeitet.

Einige Zeit später kamen die ersten Switches auf den Markt, die Layer-3-Switching beherrschten.Trotz unterschiedlicher Bezeichnungen (etwa Tag-Switching, Label-Switching, Multilayer-Switching oder Routing-Switches) arbeiten sie im Grunde nach ein und demselben Verfahren.Layer-3-Switches sollen in der Netzhierarchie an den Knotenpunkten ihren Dienst versehen, an denen ursprünglich Router standen.Daher müssen sie in der Lage sein, Pakete und Frames anhand der IP- oder IPX-Adresse weiterzuleiten.Sie tun dies nach dem Prinzip "Route once, switch many".Dabei analysieren sie das erste Paket eines Datenstroms anhand der Layer-3-Adresse, also der IP-Adresse, und vermitteln es nach herkömmlicher Routing-Manier durch das vermaschte Netz.Alle weiteren Frames werden durch diesen vorbereiteten Weg geschleust, ohne daß eine nähere Analyse des Layer-3-Headers stattfindet.

Das nun eingeführte Verfahren des Layer-4-Switchings läßt bereits anhand der Bezeichnung vermuten, nach welchem Prinzip es arbeitet.Auf das Internet Protocol (IP), das im Schichtenmodell auf Ebene drei angesiedelt ist, setzten das Transport Control Protocol (TCP) und das User Datagram Protocol (UDP) auf. Beides sind Layer-4-Protokolle und somit für die Ende-zu-Ende-Kommunikation verantwortlich.Als Implementierung der ISO/ OSI-Transportschicht koordinieren sie die Verbindung zwischen Quelle und Ziel.

TCP verwendet dazu eine verbindungsorientierte Kommunikation.Es prüft, ob die Empfangsstation vorhanden ist und die Übertragung vollständig sowie fehlerfrei abläuft.UDP arbeitet dagegen verbindungslos.Datenpakete werden in das Netz geschickt, ohne daß sich UDP um die komplette und fehlerfreie Zustellung kümmert.Damit ist UDP wesentlich schneller als TCP, aber auch fehleranfälliger.Standardanwendungen wie Telnet, das File Transfer Protocol (FTP) und das Simple Mail Transfer Protocol (SMTP) nutzen die TCP-Übertragung. Dagegen greifen etwa das Trivial File Transfer Protocol (TFTP), das Network File System (NFS) und das Simple Network Management Protocol (SNMP) auf UDP zurück.

Das Layer-4-Switching macht sich eine Gemeinsamkeit der beiden Transportprotokolle zunutze.Sowohl TCP als auch UDP übertragen mit der Nutzlast auch sogenannte Port-Nummern, die die Art der Applikation definieren. Diese 2 Byte lange Kennungen wurden von der Internet Assigned Numbers Authority (IANA), zuständig für die Vergabe von Kennungen im Internet, festgelegt und in dem Papier Request For Comments (RFC) 1700 aufgelistet.So trägt Telnet etwa die Port-Nummer 23, SMTP die Port-Nummer 25, und HTTP wurde die 80 zugewiesen.

Die Zahlen von 1 bis 255 werden auch als "Well known Ports" bezeichnet, da sie in allen TCP/ IP-Stack-Implementierungen identisch sind.Der Nummernbereich zwischen 256 und 1024 umschreibt Standarddienste der Unix-Umgebung.Schließlich gibt es Applikationskennungen oberhalb von 1024, die kundenspezifisch verwendet werden können.Die Softwaretreiber auf Rechnersystemen, die die Verbindung zwischen Netzwerkkarte und Applikation herstellen, erkennen und interpretieren diese Port-Nummern.

Für Anwender ergeben sich mit diesem Verfahren neue Perspektiven.Während das Layer-2- und Layer-3-Switching Adressen verwendet, die entweder geräte- oder personenspezifisch sind, lassen sich mit dem neuen Verfahren und den Port-Nummern Netzstrukturen einrichten, die die Nutzung und Zugangsberechtigung bestimmter Applikationen widerspiegeln.Das Ziel, die Geschäftsabläufe auf die Netzumgebung abzubilden, erfaßt nunmehr die genutzen und oben beschriebenen Applikationen, aber auch betriebswirtschaftliche Standardanwendungen und deren Module.

Auswirkung hat das Layer-4-Switching zudem auf die effektive Ausnutzung der vorhandenen Bandbreite.Das neue Verfahren verleiht dem Netzwerk eine intelligente Note, denn Pakete lassen sich zielgerichtet durch das Netzwerk schleusen und wichtige Applikationen bevorzugt behandeln.Ein nicht zu unterschätzender Nebeneffekt ist somit die Performance-Steigerung und die bessere Ressourcen- und Bandbreitenverwaltung in den mehr und mehr ausgelasteten Umgebungen.