Die Unterschiede zwischen Layer-2- und Layer-3-Switches verstehen: Ein umfassender Leitfaden

Moderne Netzwerke werden immer komplexer, und die Auswahl geeigneter Netzwerkgeräte ist entscheidend. Eine der grundlegendsten Entscheidungen für Netzwerkingenieure ist die Entscheidung, ob Layer-2- oder Layer-3-Switches implementiert werden sollen. Jeder Switch-Typ bietet seine Vorteile, technischen Möglichkeiten und Anwendungen, die auf bestimmte Netzwerkumgebungen zugeschnitten sind. Der vorliegende Leitfaden erläutert diese Unterschiede, damit Sie fundierte Entscheidungen für Ihre Netzwerkanforderungen treffen können. Dieser Artikel soll Klarheit darüber schaffen, welcher Switch-Typ für unterschiedliche Konfigurationen am besten geeignet ist. Das Verständnis der Unterschiede zwischen Layer-2- und Layer-3-Switches ist entscheidend für die Optimierung eines kleinen Unternehmensnetzwerks oder einer umfangreichen Unternehmensinfrastruktur. Diese Unterschiede gewährleisten die Effizienz, Skalierbarkeit und Leistung des Netzwerks.

Non-Profit Layer 2 Switch und wie funktioniert es?

Ein Layer-2-Switch arbeitet auf der Datenverbindungsebene des OSI-Modells und ist für die Weiterleitung von Daten innerhalb eines lokalen Netzwerks (LAN) zuständig. Layer-2-Switches verwenden MAC-Adressen (Media Access Control), um das Ziel von Datenpaketen zu identifizieren und sicherzustellen, dass diese an das richtige Gerät weitergeleitet werden. Layer-2-Switches erstellen eine MAC-Adress- und Portzuordnungstabelle, die es ihnen ermöglicht, den Datenverkehr zu steuern, ohne Informationen an jedes angeschlossene Gerät weitergeben zu müssen. Diese Methode reduziert die Netzwerklast und verbessert dessen Gesamtleistung. Layer-2-Switches eignen sich ideal für die Kommunikation zwischen Geräten im selben Netzwerksegment und bilden somit die Grundlage für lokale Netzwerke.

Wie ein Layer 2 Switch Arbeitet in einem Netzwerk

Ein Layer-2-Switch nutzt die MAC-Adresse von Geräten, um Daten innerhalb eines lokalen Netzwerks zu routen. Er verfolgt eingehende Frames, speichert deren Quell-MAC-Adresse in seiner MAC-Adresstabelle und ordnet diese dem entsprechenden Port zu. Beim Weiterleiten der Daten prüft der Switch den entsprechenden Port für die Ziel-MAC-Adresse. So kann er die Daten ohne unnötigen Datenverkehr direkt an den Empfänger senden. Dieser Prozess reduziert unerwünschten Datenfluss und gewährleistet eine effektive Kommunikation zwischen zwei oder mehr Geräten innerhalb eines lokalen Netzwerksegments.

Die Rolle von MAC-Adresse in einem Layer 2 Switch

Der Teil des Layer-2-Switches, der als Netzwerkschnittstellen-Controller (NIC) während der Vermittlung von Datenrahmen fungiert und Netzwerk-Kommunikation sind MAC-Adressen, die eng mit der MAC-Adresse verknüpft sind und sich bis weit in die Sicherungsschicht des OSI-Diagramms hinein vermischen. Jede MAC-Adresse dient als ID für ein Netzwerkgerät und pro Schnittstellenkarte. Im Layer-2-Switch bildet die MAC-Adresse die Grundlage für die Erstellung der MAC-Adresstabelle. Diese Tabelle fungiert als dynamische Suchmaschine, über die mehrere MAC-Adressen abgerufen werden können. Ein Switch erhält einen Datenrahmen, die Tabelle, wenn er ein Datagramm empfängt, und es wird erwartet, dass diese Tabellen verwendet werden, um MAC-Adressen zu Ports zurückzuverfolgen und so das Routing innerhalb des lokalen Netzwerks zu optimieren. ___________ Moderne Layer-2-Switches mit MAC-Adressierung können Tausende von MAC-Adressen unterstützen, was die Flexibilität und Skalierbarkeit erhöht. Beispielsweise verfügen einige Enterprise-Switches mit dichter Geräteverteilung über etwa 3200 MAC-Adressen. Darüber hinaus können Switches eine Alterungszeit implementieren oder vorsehen, in der MAC-Adressen in der Tabelle, die für eine gewisse Zeit nicht verwendet wurden, gelöscht werden. Auf diese Weise wird das Risiko eines Speicherüberlaufs und des Effizienzverlusts vermieden.

Die VLAN-Segmentierung (Virtual Local Area Network) ist eine weitere Aktivität im Zusammenhang mit MAC-Adressen. MAC-basierte Filterung und VLAN-Tagging ermöglichen Layer-2-Switches die Steuerung des Datenverkehrs in virtualisierten Netzwerksegmenten, was zu einer Verbesserung von Sicherheit und Leistung führt. Diese Funktionen zeigen, dass MAC-Adressen über die bloße Datenweiterleitung hinausgehen und aktiv an der Verwaltung von Verkehr und Kommunikation in einem hochkomplexen Netzwerksystem beteiligt sind.

Layer-2-Switches nutzen die MAC-Adressierungstechnologie, um den Netzwerkzugriff zu verbessern, das Übertragungsvolumen zu begrenzen und den Informationsfluss zu optimieren. Daher spielen die Switches in modernen Netzwerksystemen eine entscheidende Rolle.

Vorteile und Grenzen von Layer 2-Schalter

Vorteile von Layer-2-Switches

Verbesserte Netzwerkeffizienz

Layer-2-Switches nutzen Hardware-Switching über MAC-Adressschemata und setzen zeiteffiziente Techniken zur Weiterleitung von Datenpaketen ein, im Gegensatz zu softwarebasierten Routing-Techniken. Dies verringert die Netzwerkverzögerung und verbessert die Leistung in den optimierten lokalen Umgebungen. 

Minimierter Netzwerkverkehr

Layer-2-Switches erstellen mehrere Kollisionsdomänen und erzwingen eine effiziente Netzwerksegmentierung, die die Kommunikation mit Geräten in derselben Broadcast-Domäne erleichtert, um den Datenverkehr freier auszutauschen und so die Überlastung zu reduzieren.

Preiswert

Layer-2-Switches sind im Vergleich zu Layer-3-Switches oder Routern günstiger. Daher eignen sie sich für kleine und mittlere Unternehmen, die effektive und kostengünstige Netzwerkgeräte suchen.

Reduzierte Komplexität bei Installation und Konfiguration

Normalerweise sind für die Funktion von Layer-2-Switches nur grundlegende Konfigurationen erforderlich. Dadurch ist es für Netzwerkmanager einfacher, Geräte im Vergleich zu anderen Switches höherer Schichten zu installieren.

VLAN-Unterstützungsfunktionen

Layer-2-Switches unterstützen häufig virtuelle lokale Netzwerke (VLANs). Dies erleichtert die Netzwerksegmentierung und ermöglicht eine bessere Verwaltung logischer Gruppierungen in einer physischen Netzwerkinfrastruktur, was deren Wartung vereinfacht. 

Verbesserte Skalierbarkeit für LANs

Layer-2-Switches ermöglichen es IT-Abteilungen, ihre lokalen Netzwerke ohne größere Neukonfiguration zu erweitern, sodass Unternehmen eine Synchronisierung mit dem Geschäftswachstum vornehmen können.

Herausforderungen von Layer-2-Switches

Eingeschränkter Support für Inter-VLAN-Kommunikation

Layer-2-Switches sind auf Datenverbindungsaktivitäten beschränkt und können kein Inter-VLAN-Routing durchführen. Daher wird für die VLAN-Kommunikation ein Router oder Layer-3-Switch benötigt.

Erhöhter Broadcast-Verkehr

Innerhalb ihrer Broadcast-Domäne übertragen Layer-2-Switches bidirektionalen Datenverkehr. Diese Aktivität verbraucht Bandbreite und verringert die Leistung in größeren Netzwerken mit vielen Geräten, was zu einem höheren Overhead führt.

Die Verwendung von Switches als Verbindungspunkte in einem Netzwerk stellt aufgrund von Schwachstellen wie der Anfälligkeit für externe Angriffe ein erhebliches Sicherheitsrisiko dar, wenn die Layer-2-MAC-Adresse nicht geschützt ist.

Layer-2-Switches verbleiben in einer einzigen Broadcast-Domäne, wodurch sie anfällig für externe Angriffe wie ARP-Spoofing und MAC-Flooding sind und somit die Netzwerkintegrität und -sicherheit gefährden.

Fehlen ausgefeilter Routing-Optionen

Layer-3-Geräte unterstützen im Gegensatz zu Layer-2-Switches dynamische Routing-Protokolle (wie OSPF und BGP), die für komplexe Netzwerktopologien unerlässlich sind. Daher werden erweiterte Rerouting-Optionen nicht von einem Layer-2-Switch verwaltet.

Gilt nicht für Weitverkehrsnetze

Für kleine bis mittelgroße Netzwerke ist der Betrieb auf Layer 2 eine sinnvolle Option. Aufgrund der Einschränkungen bei der netzwerkübergreifenden Kommunikation oder beim Routing sind für große Netzwerke jedoch fortschrittliche Geräte erforderlich, weshalb diese Switches ungeeignet sind.

Durch die Berücksichtigung dieser Vor- und Nachteile können Netzwerkdesigner Layer-2-Switches strategisch in ihrer Infrastruktur platzieren und gleichzeitig die Anforderungen an Leistung, Skalierbarkeit und Sicherheit erfüllen.

Wie funktioniert ein Layer 3 Switch Unterscheiden sich von einem Layer 2 Switch?

UNSERE Layer-3-Routing Unser

Der entscheidende Unterschied zwischen einem Layer-3-Switch und einem Layer-2-Switch ist die Fähigkeit des Layer-3-Switches, Routing-Funktionen auszuführen. Layer-2-Switches arbeiten ausschließlich innerhalb eines Netzwerks, indem sie Daten an relevante MAC-Adressen der entsprechenden Domäne weiterleiten, während Layer-3-Switches den Verkehr zwischen verschiedenen Netzwerken mithilfe von IP-Adressen routen können. Die Routing-Fähigkeit ermöglicht verbesserte Entscheidungsfindung, insbesondere hinsichtlich Netzwerksegmentierung und -effizienz. Ein Layer-3-Switch ist ein Gerät, das sowohl die Switching-Funktion eines Layer-2-Geräts als auch die Routing-Funktion eines gewöhnlichen Routers übernimmt. Dadurch ist ein Layer-3-Switch vielseitiger als ein Standardrouter. Diese Eigenschaften machen den Layer-3-Switch zu einem idealen Gerät in Unternehmensumgebungen mit intensiver Intra- und Inter-Network-Kommunikation.

Vergleich Schicht 2 vs. Schicht 3 in Netzwerk Kennzahlen

Im Hinblick auf die Netzwerkleistung in Layer 2 und Layer 3 ist es von größter Bedeutung, ihre spezifischen Funktionen und Anwendungen zu verstehen. Beispielsweise befinden sich Standard-Switches, die Layer-2-Geräte sind, innerhalb der Sicherungsschicht und leiten Frames mithilfe von MAC-Adressen innerhalb eines lokalen Netzwerks oder VLANs weiter. Diese Geräte zeichnen sich durch ihre Schnelligkeit und geringe Latenz aus, da sie an netzwerkinternen Aktivitäten wie der Telekommunikation innerhalb eines Subnetzes beteiligt sind, was die Verarbeitung der Zieladresse verbessert. Layer 2 weist jedoch erhebliche Defizite bei der Verwaltung des Datenverkehrs in verschiedenen Netzwerken oder Subnetzen auf, da es keine Routing-Funktionen bietet.

Layer-3-Geräte, darunter Router und Layer-3-Switches, arbeiten jedoch auf der Netzwerkebene und verwenden ein IP-Adressschema mit Paketweiterleitung. Layer-3-Switches sind schneller und effizienter, da sie die Hardwaregeschwindigkeit von Layer-2-Switching mit IP-Routing kombinieren. wodurch sie in der Lage sind, Inter-Network- Kommunikation. Dies ermöglicht die Erstellung von Netzwerksegmenten, die Implementierung dynamischen Routings, die Priorisierung des Datenverkehrs und eine höhere Gesamtleistung für Unternehmen mit komplexen Multi-Subnetz-Umgebungen, die verwaltet werden müssen.

Bei Broadcast-Stürmen oder suboptimalem Verkehrsmanagement bei groß angelegten Rollouts kann die Leistung von Layer-2-Netzwerken beeinträchtigt sein. Subnetting hingegen ermöglicht eine logische Segmentierung, die den Verkehr für Layer-3-Geräte isoliert. Es hat sich gezeigt, dass die Implementierung von Layer-3-Switches die Netzwerküberlastung in großen Umgebungen durch verbesserte Paketzustellung und Verkehrsmanagement um bis zu 30 % reduziert.

Latenz und Durchsatz sind zwar beides wichtige Leistungsindikatoren, unterscheiden sich aber je nach Ebene. Layer-2-Lösungen sind im singulären Broadcast-Bereich mit Latenzen im Mikrosekundenbereich insgesamt effizienter. Wenn das Netzwerk jedoch wächst und Routing erforderlich ist, können Layer-3-Geräte Subnetze deutlich effizienter miteinander verbinden als ihre Gegenstücke. Dies geschieht mit minimaler zusätzlicher Latenz. Die Höhe der zusätzlichen Latenz wird oft in Millisekunden gemessen und anhand der Hardwarespezifikationen und der Weiterleitungsrate geschätzt.

Die Zuverlässigkeit von Layer-3- und Layer-2-Geräten hängt von den spezifischen Anforderungen des Netzwerks ab. Für die grundlegende lokale Kommunikation sind Layer-2-Lösungen praktisch und schneller zu implementieren. Für komplexere, größere, vernetzte oder dynamischere Netzwerke ermöglicht Layer 3 mehr Skalierbarkeit und Kontrolle sowie eine verbesserte Leistung.

Wann ist ein zu verwenden? Layer 3 Switch in deiner Netzwerk

Wo Hochgeschwindigkeitsdatenübertragung und erweitertes Routing auf Netzwerkebene erforderlich sind, ist ein Layer-3-Switch die effektivste Lösung. Dieser Switch-Typ vereint die Funktionen von Layer-2- (Sicherungsschicht) und Layer-3-Geräten (Netzwerkschicht). Dadurch können komplexe Netzwerke mit geringer Latenz verwaltet werden. Sie eignen sich optimal für Unternehmensnetzwerke, stark frequentierte Rechenzentren und Situationen, in denen eine nahtlose Informationsübertragung zwischen VLANs (Virtual Local Area Networks) erforderlich ist.

Große Unternehmen oder Campusse mit verschiedenen Subnetzen können von Layer-3-Switches erheblich profitieren, da sie durch Inter-VLAN-Routing eine Verkehrssteuerung auf Hardwareebene ermöglichen und so Engpässe, die typischerweise durch übermäßigen Datenfluss entstehen, beseitigen. Darüber hinaus verbessert der Wegfall dedizierter Router die Gesamtleistung. Berichten zufolge kann Layer-3-Switching je nach Gerätekapazität Durchsätze von 1 bis 100 Gbit/s erreichen. Dies ist ideal für bandbreitenintensive Anwendungen wie VoIP und Videostreaming sowie für große Datenübertragungen.

Ebenso wichtig ist, dass Layer-3-Switches typischerweise über zusätzliche Funktionen wie Quality of Service (QoS), Access Control Lists (ACLs) und Traffic Shaping verfügen, die den Datenfluss im Netzwerk präzise sichern, priorisieren und steuern. Solche Maßnahmen sind für Unternehmen mit höheren Anforderungen an die Netzwerkzuverlässigkeit unerlässlich, beispielsweise für Finanzinstitute oder spezialisierte Gesundheitseinrichtungen, die mit hochsensiblen, lebenswichtigen Daten arbeiten.

Das Kosten-Nutzen-Verhältnis ist ein wichtiger Aspekt, da moderne Layer-3-Switches skalierbare Implementierungsoptionen in preisgünstigen Paketen mit erweiterten Funktionen bieten. Zwar sind die Anschaffungskosten im Vergleich zu einem typischen Layer-2-Switch höher, doch die Betriebseffizienz, die geringere Latenz und der reduzierte Hardwareumfang gleichen die Kosten im Laufe der Zeit oft aus.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass Bereiche, die dichte und flexible Netzwerke mit Hochgeschwindigkeits-Datenverarbeitung und -Routing benötigen, einen Layer-3-Switch in ihre Infrastruktur integrieren sollten. Die Netzwerkleistung, Sicherheit und Verwaltbarkeit dieser Switches bilden zweifellos das Kernelement moderner Netzwerkarchitekturen.

So erreichen Konfigurieren eines Layer-2-Switches für optimale Leistung

Wichtige Schritte zu Layer konfigurieren 2-Einstellungen

Ersteinrichtung des Switches

Verbinden Sie sich zunächst über die Management-IP mit dem Switch. Dies kann je nach Gerätehersteller über Konsolenzugriff oder SSH erfolgen. Wie bereits erwähnt, ist es wichtig, die statische IP-Adresse und die Subnetzmaske der Switch-Management-Schnittstelle korrekt einzustellen. Für die Fernverwaltung empfiehlt es sich, das Management-VLAN auf VLAN 1 192.168.1.2/24 einzustellen. 

Erstellen und Zuweisen von VLANs

VLANs dienen der Segmentierung und Verkehrstrennung auf Schicht 2. Melden Sie sich in der Befehlszeilenschnittstelle (CLI) an, erstellen Sie die VLANs nach Bedarf und weisen Sie ihnen Ports zu. Für hypothetische Anwendungsfälle können Sie VLAN 10 „Accounting“ für die Ports 1–10 erstellen, während VLAN 20 „Sales“ die Ports 11–20 belegt. Diese Segmentierung erhöht die Sicherheit und optimiert den Datenverkehr.

Spanning Tree Protocol (STP) aktivieren

Die Aktivierung von STP verhindert Schleifen im Netzwerk. Angesichts der Anzahl der Switches ist das RIspr-SPanning Tree Protocol (RSTP) bei den meisten Switches standardmäßig aktiviert. Überprüfen Sie den Status und legen Sie die gewünschte Priorität für die Root Bridge fest. Bei wichtigen Switches empfiehlt es sich, niedrigere Prioritätswerte für die Root Bridge-Auswahl festzulegen. Dies reduziert Ausfallzeiten und gewährleistet gleichzeitig Redundanz.

Konfigurieren der Portsicherheit  

Nutzen Sie Portsicherheit, um den Netzwerkzugriff zu kontrollieren und die Netzwerkdisziplin zu verbessern. Legen Sie die maximale Anzahl von MAC-Adressen pro Port fest und definieren Sie zulässige Adressen. Konfigurieren Sie beispielsweise Port 5 so, dass nur eine bestimmte MAC-Adresse zulässig ist, und beschränken Sie so den Zugriff potenziell invasiver Geräte.  

Ändern der Quality of Service (QoS)-Parameter  

Aktivieren und richten Sie QoS ein, um kritischem Netzwerkverkehr wie Sprache und Video im Vergleich zu regulären Datenpaketen eine höhere Priorität zuzuweisen. Verwenden Sie DSCP-Werte (Differented Services Code Point), um Echtzeitprotokollen eine höhere Priorität zuzuweisen. Dies garantiert den zuverlässigen Betrieb auch bei komplexen Projekten.  

Setup bestätigen und beibehalten  

Bestätigen Sie alle Konfigurationen mit den Befehlen „show vlan“, „show spanning-tree“ und „show running-config“ und überprüfen Sie sie sorgfältig. Wenn alles korrekt eingestellt ist, müssen die Änderungen gespeichert werden, um sicherzustellen, dass alle Konfigurationen nach dem Herunterfahren des Geräts erhalten bleiben. Dies geschieht üblicherweise mit den Befehlen „write memory“ oder „copy running-config startup-config“.  

Ziel ist es, die Verwaltung eines Layer-2-Switches zu optimieren, seine Leistung zu steigern und die Zuverlässigkeit, Skalierbarkeit, Segmentierung und Sicherheit des Switch-basierten Netzwerks für zukünftige Anforderungen zu verbessern. Die Integration von Konfigurationsänderungen und Leistungsbewertungen in die täglichen Verwaltungsabläufe sollte zur Standardpraxis werden.

Verwendung VLAN und Hafen Verwaltungsfunktionen

VLANs (Virtual Local Area Networks) und Funktionen zur Portverwaltung sind einige der Werkzeuge zur Verbesserung der Netzwerkoptimierung, -effizienz und -sicherheit. Netzwerkadministratoren können den Datenverkehr logisch segmentieren, um den Broadcast-Verkehr mit VLANs zu reduzieren. Sensible und kritische Daten können nun isoliert werden, was das Risiko eines potenziellen Datenmissbrauchs verringert und gleichzeitig die Gesamtleistung verbessert. Die Portverwaltung verbessert die Kontrolle über die Durchführung spezifischer Aktionen an jedem Switch-Port. Port-Sicherheitseinstellungen, Geschwindigkeit und Duplexmodus sind nur einige der Parameter, die für eine bessere Konnektivität angepasst werden können. Zusammen ermöglichen all diese Funktionen eine optimierte Ressourcenverwaltung, mehr Flexibilität und fördern die Skalierbarkeit in fortschrittlichen Netzwerkinfrastrukturen.

Sicherheitsfunktionen und Zugangskontrolle in einem Verwalteter Layer 2-Switch

VLANs (Virtual Local Area Networks) und Portmanagement-Techniken sind einige der Methoden, die die Optimierung, Effizienz und Sicherheit eines Netzwerks verbessern. Mit VLANs können Netzwerkmanager den Datenverkehr logisch segmentieren, um Broadcast-Domänen zu reduzieren. Dadurch können sensible Daten isoliert werden, was das Risiko eines potenziellen Datenmissbrauchs verringert und gleichzeitig die Leistung steigert. Verbesserte Kontrolle durch gezielte Maßnahmen an jedem Switch-Port wird als Portmanagement bezeichnet. Eine bessere Konnektivität lässt sich durch die Anpassung von Parametern wie Port-Sicherheitseinstellungen, Geschwindigkeit und Duplexmodus erreichen. Zusammen ermöglichen diese Funktionen eine optimierte Ressourcennutzung, Flexibilität und erweiterte Infrastrukturen für die Netzwerkskalierung.

Das richtige wählen Switch für Ihr Netzwerk: Schicht 2 und Schicht 3

Zu berücksichtigende Faktoren bei der Auswahl eines Switch für Ihr Netzwerk

Bei der Auswahl eines Netzwerk-Switches achte ich auf dessen Leistungsfähigkeit und Effizienz hinsichtlich der Erweiterungsplanung. Zunächst berücksichtige ich Umfang und Größe des Netzwerks, um festzustellen, ob ein Layer-2- oder ein Layer-3-Switch für meine Zwecke besser geeignet ist. Anschließend stelle ich sicher, dass der Switch über die erforderliche Anzahl an Ports für aktuelle Geräte und einige für zukünftige Erweiterungen verfügt. Darüber hinaus prüfe ich, ob Durchsatz und Bandbreite des Switches dem prognostizierten Wachstum des Netzwerkverkehrs gerecht werden. Weitere wichtige Überlegungen betreffen PoE-Funktionen, Sicherheitsrichtlinien und Verwaltungsfunktionen, die mit der Gesamtstrategie für Netzwerkressourcen harmonieren müssen. Ein letzter Punkt ist die Planung kontrollierbarer Ausgaben; in diesem Fall stelle ich sicher, dass der ausgewählte Switch keine unnötigen Kosten verursacht.

Vorteile der Managed Switch vs Unmanaged Switches

Managed Switches bieten im Vergleich zu Unmanaged Switches verbesserte Kontrolle, Flexibilität und Skalierbarkeit. Sie bieten Konfigurations- und Überwachungsfunktionen für Netzwerkeinstellungen sowie die Implementierung von Sicherheits- und Verkehrspriorisierungsrichtlinien und eignen sich daher für komplexe oder wachsende Netzwerke. Unmanaged Switches hingegen sind einfacher und kostengünstiger und eignen sich daher für kleine statische Netzwerke, die keine erweiterten Funktionen benötigen. Ihnen fehlen außerdem grundlegende Managed-Switch-Funktionen wie Leistungsoptimierung und verbesserte Zuverlässigkeit durch Verkehrsmanagement und detaillierte Diagnose. Unmanaged Switches sind jedoch aufgrund des minimalen Einrichtungs- und Wartungsaufwands für einfache Benutzer attraktiv.

Die Rolle von Port-Gigabit-Switch in der Netzwerkeffizienz

Gigabit-Switches mit 24-Port-Anschluss tragen entscheidend zur Verbesserung der Netzwerkleistung bei, indem sie schnelle Datenübertragung gewährleisten, Latenzzeiten reduzieren und die Leistung des gesamten Netzwerks steigern. So ermöglichen diese Switches die Interaktion mehrerer Geräte mit Gigabit-Geschwindigkeit und ermöglichen so datenintensive Vorgänge wie Video-Streaming, Cloud Computing und andere große Dateiübertragungen. Darüber hinaus eignen sich diese Switches auch hervorragend für die Weiterentwicklung der Netzwerkinfrastruktur moderner Unternehmen sowie für Privatanwender und gewährleisten zuverlässigen Hochgeschwindigkeitszugriff.

Exploring the Unterschied zwischen Schicht 2 und Layer-3-Switches in Netzwerken

Wie Switching und Routing Auswirkungen auf den Netzwerkverkehr

Switching und Routing erfüllen unterschiedliche Funktionen mit unterschiedlicher Komplexität und interagieren bei der Verwaltung des Netzwerkverkehrs miteinander. Switching findet auf Schicht zwei (2) des OSI-Modells statt – auch als MAC-Bridges bekannt. Switching konzentriert sich auf die Bewegung von Datenpaketen innerhalb eines lokalen Netzwerks und verwendet MAC-Adressen zur Adressierung. Diese Betriebsebene stellt sicher, dass Geräte innerhalb eines bestimmten Netzwerksegments miteinander kommunizieren können und anfängliche Kollisionen durch den Datenaustausch minimiert werden.

Routing hingegen arbeitet auf Schicht drei (3) und ist für die Datenübertragung von einem Netzwerk zu einem anderen mithilfe einer IP-Adresse zuständig. Anders ausgedrückt: Routing ermöglicht die Kommunikation und den Informationsaustausch zwischen Geräten in großen Netzwerken, beispielsweise die globale Anbindung eines lokalen Netzwerks an das Internet. All dies ist möglich, weil optimale Routen und Netzwerke für Daten und Informationen festgelegt sind.

Im Wesentlichen arbeiten Switching und Routing zusammen, da Switching die interne Effizienz eines Netzwerks gewährleistet, während Routing verschiedene Netzwerke integriert. Somit stellen beide Funktionen unterschiedliche, aber sich ergänzende Anforderungen an die Vernetzung dar.

Die Wichtigkeit von MAC-Adressentabelle in Ebene 2 Einkauf & Prozesse

Eine MAC-Adresstabelle ist für den Betrieb der zweiten Netzwerkschicht von entscheidender Bedeutung. Diese Tabelle wird von Ethernet-Switches geführt, die die MAC-Adressen der angeschlossenen Geräte bestimmten Switch-Ports zuordnen, sodass Datenpakete innerhalb eines lokalen Netzwerks (LAN) an das richtige Gerät gesendet werden können. Einfacher ausgedrückt: Wenn ein Switch einen Frame empfängt, prüft er zunächst die MAC-Adresstabelle, um zu entscheiden, an welchen Port er gesendet werden soll. Dadurch werden Frames nicht an jeden Port gesendet, was wiederum das Netzwerk verbessert und die Netzwerklast reduziert.

Die meisten modernen Switches für Unternehmen sind heute in der Lage, Hunderte oder Tausende von MAC-Adressen in ihren Tabellen zu speichern. Moderne Switches verfügen beispielsweise über Hardwaretabellen mit über 32,000 MAC-Adressen. Dies gewährleistet die Skalierbarkeit und den reibungslosen Netzwerkbetrieb. Die Möglichkeit, die MAC-Adresstabelle mit den Adressen der angeschlossenen Geräte zu aktualisieren, wird als dynamisches Lernen bezeichnet und ist in vielen modernen Switches verfügbar. Dadurch können die Switches die an das Netzwerk angeschlossenen Geräte verfolgen, ohne das Gerät neu konfigurieren zu müssen, um Daten an alle Ports zu senden.

Ohne ordnungsgemäße Verwaltung der MAC-Adresstabelle kann übermäßiger Broadcast-Verkehr aufgrund vermehrter Kollisionsdomänen die Netzwerkleistung beeinträchtigen. Dies gilt insbesondere für Echtzeitanwendungen wie VoIP und Videostreaming. Unzulängliche Frame-Weiterleitungsmechanismen können zu inakzeptablen Verzögerungen führen, die das Benutzererlebnis beeinträchtigen können. Daher ist die ordnungsgemäße Verwendung von MAC-Adresstabellen entscheidend für die Aufrechterhaltung der Systembalance, die Minimierung von Latenzen und die Verbesserung der Betriebseffizienz auf Layer 2 in modernen Netzwerken.

UNSERE Frames wechseln und Datenfluss

Wie in jedem Computernetzwerk oder jeder Gruppe von Switching-Frames werden automatische Aktionen zum Empfangen, Bearbeiten und Senden von Datenpaketen – im eher physischen Sinne – über einen Switch auf Schicht zwei des OSI-Modells ausgeführt. Diese Schicht dient als Mittelweg und teilt das System in zwei Teile: die obere, weniger hardwareabhängige und die untere, stärker hardwareabhängige Schicht. Auf Schicht 2 enthält der Frame einen Header mit Informationen über die physikalische Einheit des Frames, der die Schicht erreicht oder verlässt. Ein weiterer wichtiger Punkt ist, dass jeder Switch eine MAC-Adresstabelle enthält. Diese Tabelle entscheidet, ob der Zugriff auf einen Adressraum basierend auf den Weiterleitungsentscheidungen erlaubt oder blockiert wird. 

Der Prozess beginnt mit dem Empfang des Frames am Switch-Port. Jeder Frame ist mit einer MAC-Adresse versehen, und ein Switch gilt als intuitives Gerät, da er die MAC-Adresse abfragen und ihr einen Slot zuweisen kann. Ist an einem der Slots ein Port ohne Adresse verfügbar, führt der Switch eine Aktion aus, die andere Ports benötigt. Er sendet den Frame über alle Schnittstellen außer der ursprünglichen und hofft, dass mindestens einer der Ports, die ihn hinzugefügt haben, eine Ziel-MAC hat. Damit ist die erste Phase der Lernphase abgeschlossen, in der Adressen zur MAC-Tabelle hinzugefügt werden können.

Technologische Verbesserungen haben die Switching-Kapazitäten deutlich verbessert. Moderne Switches verfügen beispielsweise über ASIC-basierte (Application-Specific Integrated Circuit) Hardware-Switches, die Frames mit einer Geschwindigkeit von Millionen pro Sekunde verarbeiten können. Diese Geräte ermöglichen Reaktionszeiten im mehrstelligen Mikrosekundenbereich und unterbrechungsfreies Datenstreaming in Bereichen, in denen die Kommunikationslatenz extrem gering sein muss, beispielsweise bei Finanztransaktionen oder HD-Content-Streaming. Tools zur Überwachung der Netzwerkleistung zeigen zudem, dass Switches mit erweiterten Paketpufferfunktionen Burst-Traffic-Management ermöglichen, was zu weniger Frame-Drops bei Spitzenlast führt.

Für moderne Anwendungen mit hoher Bandbreite sind VLAN-Segmentierung und QoS-bezogene Verkehrspriorisierungstechniken unverzichtbar. VLANs helfen einerseits bei der Organisation und Isolierung des eingehenden Datenverkehrs und reduzieren so das Problem unerwünschter Dateninterferenzen. Andererseits ermöglicht QoS die Priorisierung kritischer Datenströme wie VoIP gegenüber weniger dringlichen Datenströmen. All diese Faktoren tragen dazu bei, das Design und die Robustheit moderner Netzwerkarchitekturen hinsichtlich Leistung, Skalierbarkeit und Zuverlässigkeit zu verbessern.

Häufig gestellte Fragen (FAQs)

F: Was ist der Hauptunterschied zwischen einem Router und einem Layer-3-Switch?

A: Layer-3-Router und -Switches unterscheiden sich in Funktionalität, Design und Anwendung. Die Hauptfunktion eines Routers besteht darin, verschiedene Netzwerke zu verbinden und Routing-Aktionen durchzuführen, im Gegensatz zu einem Switch, der als routeroptimierter Hochgeschwindigkeits-Switch konzipiert ist. Router verfügen in der Regel über erweiterte Routing-Protokolle und WAN-Funktionen, während Layer-3-Switches die FSW eines Layer-2-Switches mit einigen IP-Routing-Funktionen umfassen. Beide Geräte nutzen Routing-Tabellen und treffen Weiterleitungsentscheidungen basierend auf IP-Adressen. Layer-3-Switches sind jedoch aufgrund ihres hardwarebasierten Routings im Vergleich zu softwarebasiertem Routing für die Paketverarbeitung in LAN-Umgebungen bekanntermaßen besser geeignet.

F: Was ist der Unterschied zwischen einem Cisco Layer 3- und einem Layer 2-Ethernet-Switch?

A: Ein Cisco Ethernet Layer-2-Switch konzentriert sich ausschließlich auf die Funktionen der Sicherungsschicht. Ein Layer-2-Switch kann einen Frame innerhalb eines Switches basierend auf der darin enthaltenen MAC-Adresse weiterleiten. Ein Layer-2-Switch erstellt Segmente im Netzwerk und kann VLANs innerhalb einer Broadcast-Domäne verwalten. Im Vergleich dazu erfüllen Cisco Layer-3-Switches alle Funktionen eines Layer-2-Switches und zusätzlich die eines Routers. Dadurch können sie Weiterleitungsentscheidungen basierend auf IP-Adressen treffen, zwischen VLANs routen und Routing-Protokolle wie OSPF und EIGRP nutzen. Cisco Layer-3-Modelle werden häufiger in Unternehmenskern- und Verteilungsschichten eingesetzt, da sie tendenziell eine bessere QoS-Leistung, bessere Sicherheitsfunktionen und eine höhere Portdichte bieten.

F: Was ist der Funktionsunterschied zwischen den Schichten 2 und 3 bei Ethernet-Switches?

A: Ein Ethernet-Switch prüft die Ziel-MAC-Adresse eingehender Frames und leitet diese mithilfe seiner Layer-2-MAC-Adresstabelle an den entsprechenden Switch-Port weiter. Als Layer-2-Geräte können Switches ohne die Hilfe eines externen Routers nicht zwischen Netzwerken oder VLANs routen. Das bedeutet, dass sie nur auf der Sicherungsschicht des Open Systems Interconnection-Modells (OSI) funktionieren. Im Gegensatz zu Layer-2-Switches prüfen Layer-3-Switches zusätzlich zur Ausführung aller Layer-2-Funktionen auch die Ziel-IP-Adresse des Pakets. Dadurch können Layer-3-Switches zwischen verschiedenen Netzwerken oder VLANs routen, Zugriffslisten anhand der IP-Informationen steuern und Routing-Protokolle nutzen. Anders ausgedrückt: Layer-3-Switches vereinen die Funktionalität eines Switches und eines Routers in einem einzigen Netzwerkgerät.

F: Welches Ethernet-Switch-Modell sollte ich für mein Netzwerk verwenden, Layer 2 oder Layer 3?

A: Ein Layer-2-Ethernet-Switch ist besonders nützlich, wenn eine Verbindung innerhalb eines Netzwerksegments mit Speed-Frame-Forwarding sowie bei einfachen Netzwerkanforderungen und geringer Inter-VLAN-Kommunikation aufrechterhalten werden muss. Ein einfacher Switch ist ausreichend für kleine Büros, Edge-Netzwerke oder wenn ein separater Router die Switching-Funktionen übernimmt. Ein Layer-3-Switch ermöglicht Inter-VLAN-Routing ohne zusätzliches Gerät, für Hochleistungs-Routing innerhalb eines LANs, komplexe Netzwerksegmentierung oder anspruchsvolles Verkehrsmanagement. Layer-3-Switches werden bevorzugt im Netzwerkkern, in der Verteilungsebene oder im Campus-Netzwerk großer Organisationen mit hohem Bandbreitenbedarf eingesetzt, wenn der Datenverkehr mehrerer VLANs geroutet werden muss.

F: Was ist der Unterschied zwischen der Verwaltung von Routing-Tabellen durch Layer-3-Switches und herkömmliche Router? 

A: Layer-3-Switches verwalten die Routing-Tabellen ihrer Netzwerke genauso komplex wie herkömmliche Router, einschließlich der Verfolgung von Netzwerkzielen und Hops. Obwohl Layer-3-Switches über Routing-Tabellen wie herkömmliche Router verfügen, führen sie die Routing-Funktionen mithilfe von Hardware (ASICs) aus, was im Vergleich zu softwarebasierten Routern deutlich schneller ist. Sie unterstützen Standard-Routing-Protokolle wie OSPF, EIGRP und RIP, verfügen jedoch möglicherweise nicht über komplexere Routing-Funktionen als primäre Router. Darüber hinaus bieten Layer-3-Switches gute Leistungen beim Inter-VLAN-Routing im lokalen Netzwerk (LAN), während sie bei WAN-Verbindungen und komplexen Routing-Aufgaben unterdurchschnittlich abschneiden können. Ihre Routing-Tabellen sind für ein schnelleres Funktionieren im lokalen Netzwerk (LAN) optimiert, nicht für ein Weitverkehrsnetz (WAN).

F: Welche Unterschiede gibt es bei der Behandlung von Datenpaketen zwischen einem verwalteten Layer-3-Switch und einem Layer-2-Switch?

Ein verwalteter Layer-3-Switch kann Datenpakete tiefer verarbeiten als ein Layer-2-Switch, da er die Daten anhand der Zieladresse analysieren kann. Sowohl verwaltete als auch nicht verwaltete Switches untersuchen Frame-Header. Layer-2-Switches können jedoch nur die als Ziel verwendeten MAC-Adressen analysieren. Im Gegensatz zu Layer-2-Switches kann ein verwalteter Layer-3-Switch Routing durchführen, was durch die zusätzliche Fähigkeit ermöglicht wird, tiefer in den IP-Header einzudringen. Dadurch kann der Switch den Datenverkehr zwischen verschiedenen VLANs oder Subnetzen ohne die Hilfe eines externen Routers routen. Verwaltete Layer-3-Switches unterstützen ARP, das Adressauflösungsprotokolle verwendet, um eine IP-Adresse mit einer MAC-Adresse zu verknüpfen. QoS-Richtlinien und Zugriffskontrolle können ebenfalls auf Layer 3 bereitgestellt werden, was die Verwaltung des Netzwerkverkehrs auf Layer 3 flexibler und komplexer macht als auf Layer 2.

F: Welchen Zweck hat ein Layer-3-Switch in einem Netzwerk, das bereits über einen Router verfügt? 

A: Es gibt mehrere Gründe, warum Sie trotz eines vorhandenen Routers möglicherweise dennoch einen Layer-3-Switch benötigen. Erstens bietet ein Layer-3-Switch in der Regel einen deutlich höheren Durchsatz für Inter-VLAN-Routing als ein herkömmlicher Router, wodurch Netzwerkstagnation vermieden wird. Zweitens verbessern sie die Geschwindigkeit des Netzwerks oder der Leitung, indem sie das Routing per Hardware statt per Software durchführen. Drittens verbessert ein Layer-3-Switch das gesamte Netzwerkdesign, indem er Switching und Routing in einem Gerät vereint und den Bedarf an einem Layer-2-Switch reduziert, wenn ein Layer-3-Switch verfügbar ist. In großen Netzwerken mit zahlreichen VLANs trägt die Auslagerung des Intradomain-Routings auf Layer-3-Switches dazu bei, die Last auf den Router zu verteilen und dessen Überlastung zu vermeiden. Schließlich sind Layer-3-Router für ihre hohe Switched-Port-Leistung bekannt, die eine höhere Verbindungsdichte und gleichzeitig ein besseres Routing ermöglicht.

F: Inwiefern trägt ein Layer-3-Gigabit-Ethernet-Switch zu schnelleren Netzwerkvorgängen bei?

A: Die Netzwerkleistungssteigerungen durch einen Layer-3-fähigen Ethernet-Gigabit-Switch sind vielfältig. Diese Switches kombinieren zudem High-Speed-Switching im Gigabit-Bereich oder höher mit Routing-Funktionen und eliminieren so die veraltete Verzögerung, die durch die Weiterleitung des Datenverkehrs über einen separaten, meist deutlich langsameren Router entsteht. Layer-3-Switches nutzen Hardware (ASICs) für die Routing-Entscheidungen anstelle von Software. Dies ermöglicht einen deutlich höheren Durchsatz und geringere Latenzzeiten für den gerouteten Datenverkehr. Sie ermöglichen direktes Routing zwischen VLANs mit Leitungsgeschwindigkeit, was sich positiv auf die Leistung der Inter-VLAN-Kommunikation auswirkt. Darüber hinaus können diese Switches erweiterte Verkehrsmanagementfunktionen wie QoS für kritische Anwendungen implementieren. Im Vergleich zu herkömmlichen Routern verfügen die Switches zudem über eine höhere Portdichte, sodass mehr Geräte mit Gigabit-Geschwindigkeit angeschlossen werden können und von geräteinternem Paket-Switching und -Routing profitieren.

F: Welche Faktoren sind am wichtigsten, um zu bestimmen, ob ein Layer-2-Switch die Netzwerkanforderungen meiner Organisation erfüllt? 

A: Um festzustellen, ob ein Layer-2-Switch ausreicht, ist es wichtig, die Komplexität, Größe und zukünftige Erweiterung Ihres Netzwerks zu analysieren. Ein Layer-2-Switch ist wahrscheinlich ausreichend, wenn das Netzwerk nur ein Subnetz oder wenige VLANs umfasst, wenig Intra-VLAN-Verkehr herrscht, bereits ein Router für Routing-Funktionen vorhanden ist, die Bandbreitennutzung zwischen den Netzwerken gering ist und der Schwerpunkt auf einem guten Preis-Leistungs-Verhältnis statt auf erweiterten Funktionen liegt. Stellen Sie außerdem fest, ob grundlegende QoS- und Sicherheitsanforderungen erfüllt werden, da Layer-2-Switches im Vergleich zu Layer-3-Switches nur eingeschränkte Funktionen bieten. Ist Ihr Unternehmen klein und hat einfache Konnektivitätsanforderungen, die keine Netzwerksegmentierung erfordern, reichen Layer-2-Switches aus. Erwarten Sie hingegen mehr Benutzer und ein komplexeres Netzwerkdesign, empfiehlt sich die Investition in einen Layer-3-Switch.

Referenzquellen

1. Ein neuartiger Ansatz zur Lösung des Layer-2-Loop-Problems in Software Defined Networks (SDNs)

• Hauptautor: Esmaeil Amiri Zweiter Autor: R. Javidan
• Veröffentlichungsjahr: 2019
• Veröffentlichung: Telekommunikationssysteme
• ZITATIONSTOKEN: (Amiri und Javidan, 2019, S. 47–57)

ZUSAMMENFASSUNG

• In diesem Artikel schlagen die Autoren eine neue Technik zur Vermeidung von Schleifen in Layer-2-Netzwerken von Software Defined Networking (SDN) vor. Ihr Ansatz wird mit dem Spanning Tree Protocol (STP) verglichen. Sie behaupten, dass ihre Methode bessere Ergebnisse hinsichtlich der Blockierung von Switch-Ports und der Auslastung der Switch-Kapazität liefert. Die Methodik umfasst Theorien und Simulationen, um die Wirksamkeit des vorgeschlagenen Schleifenschutz-Designs zu belegen.

2. Ein hybrider SDN-Switch basierend auf Standard-P4-Code

• Autoren: J. Alvarez-Horcajo et al.
• Erscheinungsjahr: 2021
• Tagebuch: IEEE-Kommunikationsbriefe
• Zitationstoken: (J. Alvarez-Horcajo et al., 2021, S. 1482–1485)

Zusammenfassung:

• Diese Forschung schlägt einen neuen hybriden Software-Defined Networking (SDN) Layer-2-Switch unter Verwendung der Programmierbaren Protokollunabhängigen Paketprozessoren (P4) vor. Das Verhalten des Switches wird mit P4Runtime spezifiziert, wodurch programmierbare Datenebenenfunktionen möglich sind. Die Autoren behaupten, dass der Switch eine bessere Leistung als andere P4-Vorschläge erzielt und betonen die Fähigkeit des Switches, seine Weiterleitungsfunktionen selbst zu konfigurieren. Die Methodik besteht aus Leistungsvergleichen mit anderen Implementierungen.

3. P4VBox: Implementierung der Virtualisierung in P4-kompatiblen Switches

• Autor (en): Mateus Saquetti et al.
• Veröffentlichungsjahr: 2020
• Quelle: IEEE-Kommunikationsbriefe
• Zitierungsinformationen: (Saquetti et al., 2020, S. 146–149)

Überblick:

• In diesem Artikel stellen wir P4VBox vor, ein Framework zur Virtualisierung von P4-Switches. Die Autoren validieren die Möglichkeit der parallelen Ausführung mehrerer virtueller Switch-Instanzen, was zu mehr Benutzerfreundlichkeit und Effizienz im Netzwerkmanagement führt. Die Forschung zeigt, dass bis zu 13 virtuelle Switches gleichzeitig ausgeführt werden können, was die Bandbreite deutlich erhöht und die Latenz reduziert. Der Ansatz basiert auf der tatsächlichen Implementierung auf einem NetFPGA-SUME-Board.

4. Computernetzwerk

5. Routing

6. Netzwerkschalter