Definition Was ist ein Layer-3-Switch?

Ein Layer-3-Switch ist ein Netzwerkgerät, das sowohl Switching als auch Routing beherrscht. Es kann Ethernet-Frames auf Basis der Layer-2-Adressen switchen und Datenpakete auf Basis der Layer-3-Adressen (IP-Adressen) routen. Layer-3-Switches besitzen eine größere Anzahl an Ethernet-Ports, die sich verschiedenen Netzwerksegmenten oder VLANs zuordnen lassen. Innerhalb des gleichen Netzwerksegments oder VLANs wird geswitcht, zwischen verschiedenen Netzwerksegmenten oder VLANs geroutet.

Die Bezeichnung Layer-3-Switch wird für Netzwerkgeräte verwendet, die die Funktion eines Switches und eines Routers in einem einzigen Gerät vereinen. Abgeleitet ist der Name von der Layer-Einteilung des ISO/OSI-Schichtenmodells. Dort ist die Schicht 3 als Netzwerkschicht (Network Layer) definiert. Router arbeiten auf dieser Schicht. Herkömmliche Standard-Switches arbeiten auf der Schicht 2 (Datenverbindungsschicht; Data Link Layer). Aufgrund ihrer kombinierten Layer-2- und Layer-3-Funktionalität werden Layer-3-Switches manchmal auch als Multilayer-Switches bezeichnet.

Aufgabe eines Layer-3-Switches ist es, Ethernet-Frames auf Basis ihrer Layer-2-Adressen zu switchen und Datenpakete auf Basis ihrer Layer-3-Adressen zu routen. Layer-3-Switches sind in der Regel mit einer größeren Zahl an Ethernet-Ports ausgestattet. Diese Ports lassen sich verschiedenen Netzwerksegmenten oder VLANs (Broadcast-Domänen) zuordnen. Für Datenframes, die innerhalb des gleichen Netzwerksegments oder VLANs zugestellt werden müssen, verhält sich der Layer-3-Switch wie ein gewöhnlicher Standard-Layer-2-Switch. Gleichzeitig kann er aber auch Datenpakete zwischen verschiedenen Netzwerksegmenten oder VLANs weiterleiten und macht mit dieser Routing-Fähigkeit die Nutzung eines externen Routers überflüssig.

Typische Einsatzbereiche von Layer-3-Switches sind große LAN-Installationen, in denen hoher Datendurchsatz gefragt ist. Bei den Geräten selbst handelt es sich meist um Hochleistungsswitches, deren Funktionalität um Routing-Fähigkeiten erweitert wurde. Es gibt aber auch Geräte, die ursprünglich als Router konzipiert waren und zusätzlich mit Switching-Funktionen, Ethernet-Ports und spezieller Switching-Hardware ausgestattet wurden.

Grundlagen zum Routing und Switching

Um die Arbeitsweise eines Layer-3-Switches besser zu verstehen, ist es zunächst notwendig, die grundlegende Funktionsweise des Routings und Switchings zu kennen. Routing und Switching sind wichtige Funktionen in Netzwerken. Sie sind Voraussetzung dafür, die Daten eines Senders dem beabsichtigten Empfänger zuzustellen. Routing und Switching sind im ISO/OSI-Referenzmodell auf unterschiedlichen Layern (Schichten) angesiedelt und unterscheiden sich hinsichtlich ihrer Aufgaben und Funktionsweisen.

Switching arbeitet auf dem Layer 2. Datenframes werden auf Basis ihrer Layer-2-Adressen (MAC-Adressen mit 48 Bit Länge) zugestellt. Die Zustellung ist nur innerhalb des gleichen Netzwerksegments (Broadcast-Domäne) möglich und erfolgt über dynamisch gelernte MAC-Adressen-Zuordnungstabellen. Datenframes mit unbekannten Zieladressen werden als Broadcasts an alle Teilnehmer einer Broadcast-Domäne weitergeleitet.

Um Datenpakete über die Grenzen eines Netzwerksegments hinweg zuzustellen, ist Routing notwendig. Routing arbeitet auf dem Layer-3 des OSI-Modells und wertet die Layer-3-Adressen (IP-Adressen) der Datenpakete aus. Für die Wegfindung und Weiterleitung verwendet das Routing statisch konfigurierte oder dynamisch über ein Routing-Protokoll wie OSPF, RIP oder BGP und andere Protokolle gelernte Routing-Einträge einer Routing-Tabelle.

Arbeitsweise eines Layer-3-Switches

Die Switching-Funktion eines Layer-3-Switches basiert, wie für einen Switch üblich, auf Zuordnungstabellen, in denen MAC-Adressen den einzelnen Ports des Switches zugeordnet sind. Der Layer-3-Switch wertet die Sender- und Empfänger-MAC-Adressen eines an einem bestimmten Switch-Port empfangenen Datenframes aus, erstellt Zuordnungstabellen und leitet die Frames gemäß den Tabelleneinträgen an den Zielport weiter.

Broadcasts gehen an alle Ports eines Netzwerksegments. Um Schleifen zu vermeiden, die zu Broadcast-Stürmen oder endlos kreisenden Datenframes führen können, kommen Protokolle wie das Spanning Tree Protocol (STP) zum Einsatz.

Bis zu dieser Stelle verhält sich ein Layer-3-Switch wie ein gewöhnlicher Switch. Das Besondere ist seine zusätzliche Layer-3-Funktionalität. Ohne diese Routing-Funktion ist es nicht möglich, Daten über Netzwerksegmente oder VLANs hinweg zuzustellen. Hierfür wäre ein externer Router notwendig. Der Layer-3-Switch integriert diese Routing-Fähigkeit. Er ist in der Lage, Datenpakete anhand ihrer IP-Adressen in ein anderes Netzwerksegment oder VLAN weiterzuleiten. Für die Wegfindung und Weiterleitung verwendet er wie ein Standard-Router statisch oder dynamisch gelernte Einträge seiner Routing-Tabelle. Er unterstützt Routing-Protokolle, ist aber im Vergleich zu einem vollwertigen Router hinsichtlich der Routing-Funktionalitäten und unterstützen Schnittstellen in der Regel deutlich eingeschränkt.

Als Schnittstellen besitzt er üblicherweise nur LAN-Ports (Ethernet-Ports) und keine WAN-Schnittstellen. Für einen hohen Datendurchsatz sind die Funktionen zur Weiterleitung von Datenpaketen mithilfe spezieller Hardwarebausteine, so genannter ASICs (Application-Specific Integrated Circuit), realisiert. Grundsätzlich ist es aber auch möglich, diese Funktionen über Software abzubilden, was die Performance der Geräte aber deutlich einschränkt.

Vor- und Nachteile von Layer-3-Switches

Die zusätzliche Routing-Funktionalität eines Layer-3-Switches bietet unter anderem diese Vorteile:

• kein zusätzliches Gerät mit Routing-Funktionalität (Router) notwendig, um Daten zwischen Netzwerksegmenten oder VLANs weiterzuleiten

• hoher Datendurchsatz durch Abbildung von Layer-3-Funktionalitäten in Hardware

• Reduzierung der Verzögerungszeiten durch Einsparung zusätzlicher Übertragungsabschnitte

• durchgängige Implementierung von QoS-Konzepten (Quality of Service) möglich

• Beseitigung der üblichen Engpässe zwischen Standard-Switches und Routern

• reduzierter Management- und Konfigurationsaufwand durch geringere Anzahl an Netzwerkgeräten

• für große und performante LAN-Installationen geeignet

• flexible Einsatzmöglichkeiten der Multilayer-Switches

• unter Umständen geringere Anschaffungskosten im Vergleich zur Anschaffung von Standard-Switches und -Routern als Einzelgeräte

Neben diesen Vorteilen kann die Verwendung von Layer-3-Switches aber auch einige Nachteile mit sich bringen:

• höhere Kosten im Vergleich zu einem reinen Layer-2-Switch (höhere Komplexität, mehr Rechen- und Speicherleistung)

• höherer Konfigurationsaufwand als bei einem reinen Layer-2-Switch

• weniger Routing-Funktionen und Features im Vergleich zu einem vollwertigen Router

• fehlende Unterstützung von WAN-Protokollen und -Schnittstellen

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