LAN-Switching in modernen LANs (Local Area Networks)

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Grundlegende Konstruktionsprinzipien

Ein Switch ist ein Gerät, welches nach außen eine Reihe von Ports anbietet. Kommt an einem dieser Ports ein Datenpaket an, ist es Aufgabe des Switches, dieses Datenpaket so schnell wie möglich an denjenigen seiner Ports weiterzuleiten, an dem der Empfänger angeschlossen ist.

Ganz einfach ist diese Aufgabe dann, wenn man an jeden Port nur ein Gerät anschließt und die z.B. physikalische Adresse dieses Gerätes in eine passende Tabelle einträgt. Kommt ein Paket an, so sieht der Switch in der Tabelle nach, an welchen Port das Paket geliefert werden muss. Eine Erweiterung dieser Funktionsweise entsteht, wenn man zulässt, dass an die einzelnen Switch-Ports ganze Segmente angeschlossen werden, die ihrerseits mehrere Endgeräte umfassen. Dann werden zwar die Tabellen umfangreicher und die Suchvorgänge dauern länger, das Prinzip bleibt jedoch bestehen: der Switch muss in einer Tabelle nachsehen, hinter welchem Port das Gerät mit der gesuchten Zieladresse zu finden ist. Insofern arbeitet der Switch wie eine Multiportbridge.

Um einen Switch zu realisieren gibt es folgende Möglichkeiten:

• Software-Switch mit Shared Memory Interface
• Switch mit High Speed Backbone
• Switch mit High Speed Backplane in der Art eines großen Hubs
• Switch mit High Speed Crossbar.

Die erste Alternative ist für kleinere und preiswertere Modelle geeignet, da eine allgemeine Rechnerarchitektur dazu benutzt wird, die Verbindungen zwischen den einzelnen Ports zu realisieren. Die heutigen, modernen Systembusse wie PCI bieten hierfür im Zusammenhang mit Busmastering eine vernünftige Leistung in der Größenordnung von ungefähr 100 Mbit/s an. Eine Software-Steuerung kann schnell in Hinblick auf neue Protokolle geändert und optimiert werden.

Allerdings ist die Leistung insgesamt klar durch die Rechnerarchitektur begrenzt. Außerdem muss man mit einer insgesamt höheren Durchlaufverzögerung (Latenz) rechnen als bei rein hardwarebasierten Systemen. Ein Vorteil ist allerdings die Fähigkeit dieser Design-Alternative, mit Überlastsituationen via Zwischenspeicherung besser fertig zu werden als Geräte anderer Bauart.

Eigentlich waren die softwarebasierten Switches wegen ihrer geringen Leistung schon fast ausgestorben, aber mit der neuen Virtualisierungstechnik bei Großrechnern erleben sie im Moment sogar ihren zweiten Frühling: die virtuellen Maschinen, die auf einem Rechner gebildet werden, kommunizieren untereinander mittels virtueller Hochleistungs-Switches!

Switch mit High Speed Backbone

3Com hat gezeigt, wie man ein High Speed Backbone in einen Kasten packt: drei interne FDDI-Ringe sorgen für den Verkehr. So geschickt das auch aussieht, im Test war diese Konstruktion die schlechteste unter den hardwarebasierten Vermittlungen, allerdings deutlich leistungsfähiger als typische Software-Switches.

Die meisten anderen klassischen Hersteller setzten zu Beginn der Entwicklung jedoch lieber auf die Backplane-Technik. Hierbei ist ausschlaggebend, wie breit der interne Backplane-Bus ist. Die Latenz und deren Varianz hängen ganz davon ab, inwieweit der Switching-Verkehr mit anderen Verkehrsströmen im Hub konkurrieren muss und wie stark diese Ströme sind.

Gesamtleistungen im Gbit/s-Bereich sind durchaus zu erzielen. Mittlerweile werden in Kombination mit der Backplane Technik der Hubs allerdings auch hier ASICs nach der nächsten Konstruktionsmethode verwendet.

Wenn ich persönlich einen Switch bauen müsste, würde ich die letzte Alternative, den Kreuzschienenverteiler mit ASICs wählen. Hier kann man die Leistung soweit steigern, wie man möchte und völlig blockierungsfreie Schaltvorgänge äußerst geringer Latenz und äußerst geringer Varianz der Latenzen erzielen, da der Kreuzschienenverteiler mit seiner Technologie im Grunde genommen genau zum Problem passt.

In der Terminologie der Topologien gesprochen, ist der Kreuzschienenverteiler das vollständig vermaschte Netz mit allen Vorteilen, jedoch wegen der Konzentration im Switch ohne den Nachteil der Notwendigkeit einer aufwendigen Verkabelung zwischen den Stationen.

Gesamtleistungen bis in den Multi-Terabit-Bereich und völlig skalierbare Systeme sind bei dieser konstruktiven Alternative möglich. In den Tests hat sich diese Bauweise als mit Abstand leistungsfähigste erwiesen, sodass heute praktisch alle wichtigen Hersteller Produkte mit Switching ASICs anbieten.

weiter mit: Merkmale moderner Switches

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