Routing & Switching

Switching-Grundlagen

Ein Switch verbindet Endgeräte auf Schicht 2 (Sicherungsschicht) des OSI-Modells und leitet Frames anhand von MAC-Adressen weiter. Damit er das kann, führt er eine MAC-Adresstabelle (auch CAM-Tabelle genannt): Beim Empfang eines Frames trägt sich die Quell-MAC-Adresse zusammen mit dem eingehenden Port in die Tabelle ein (Lernen). Ist die Ziel-MAC-Adresse bereits bekannt, wird der Frame gezielt nur an diesen einen Port weitergeleitet (Filtern/Forwarding). Ist sie unbekannt, sendet der Switch den Frame an alle Ports außer dem Empfangsport (Fluten).

Kollisionsdomäne vs. Broadcastdomäne

• Kollisionsdomäne: Bereich, in dem sich gleichzeitig gesendete Signale gegenseitig stören können. Ein Hub bildet mit allen angeschlossenen Geräten eine einzige Kollisionsdomäne. Ein Switch trennt jeden Port in eine eigene Kollisionsdomäne, da er im Vollduplex arbeitet und Frames gezielt vermittelt.
• Broadcastdomäne: Bereich, in dem sich ein Broadcast (Ziel FF:FF:FF:FF:FF:FF) ausbreitet. Ein Switch leitet Broadcasts an alle Ports weiter und trennt Broadcastdomänen daher nicht – das kann nur ein Router (oder ein VLAN) leisten.

Switch vs. Hub

Ein Hub arbeitet auf Schicht 1, kennt keine Adressen und wiederholt jedes eingehende Signal elektrisch an alle anderen Ports – daher eine gemeinsame Kollisions- und Broadcastdomäne für alle Teilnehmer. Ein Switch arbeitet auf Schicht 2, lernt MAC-Adressen und leitet Frames gezielt weiter, wodurch die Netzlast sinkt und Vollduplex-Verbindungen möglich werden. In der Praxis sind Hubs heute nahezu vollständig durch Switches ersetzt.

VLAN-Konzept

Ein VLAN (Virtual Local Area Network) teilt ein physisches Switch-Netz logisch in mehrere getrennte Broadcastdomänen auf, ohne dass dafür zusätzliche Hardware nötig ist. Geräte in unterschiedlichen VLANs können sich nicht direkt erreichen, selbst wenn sie am selben Switch hängen – ein Router oder Layer-3-Switch muss zwischen den VLANs routen. Typische Einsatzgründe: Trennung von Abteilungen (Verwaltung, Produktion, Gäste-WLAN), Reduzierung von Broadcast-Traffic und höhere Sicherheit durch Isolation.

Trunking mit 802.1Q

Sollen mehrere VLANs über eine einzige physische Verbindung (z. B. zwischen zwei Switches) übertragen werden, kommt Trunking zum Einsatz. Der Standard IEEE 802.1Q fügt jedem Frame ein 4 Byte großes VLAN-Tag mit der VLAN-ID (1–4094) hinzu, sodass der empfangende Switch den Frame dem richtigen VLAN zuordnen kann.

Porttyp	Funktion	Beispiel
Access-Port	Gehört genau einem VLAN an, überträgt untagged Frames. Für Endgeräte gedacht.	Anschluss eines PCs im VLAN 10
Trunk-Port	Überträgt mehrere VLANs gleichzeitig, Frames werden mit 802.1Q getaggt.	Verbindung zwischen zwei Switches

Routing-Grundlagen

Ein Router arbeitet auf Schicht 3 (Vermittlungsschicht) und verbindet unterschiedliche Netze bzw. Subnetze miteinander. Anhand der Ziel-IP-Adresse und seiner Routingtabelle entscheidet er, über welche Schnittstelle (welchen nächsten Hop) ein Paket weitergeleitet wird. Damit ist Routing die Grundlage jeder Kommunikation zwischen verschiedenen Netzen – etwa zwischen einem lokalen VLAN und dem Internet.

Statisches vs. dynamisches Routing

• Statisches Routing: Routen werden manuell durch den Administrator eingetragen und ändern sich nicht automatisch. Vorteil: einfach, ressourcenschonend, vorhersehbar – gut geeignet für kleine, stabile Netze oder einzelne Standardrouten (Default Route).
• Dynamisches Routing: Router tauschen über ein Routingprotokoll automatisch Informationen über erreichbare Netze aus und passen die Routingtabelle bei Änderungen (z. B. Leitungsausfall) selbstständig an. Vorteil: skaliert für große, komplexe Netze und reagiert automatisch auf Topologieänderungen, benötigt aber mehr Rechenleistung und Konfigurationsaufwand.

Faustregel für die Praxis: In kleinen Netzen mit wenigen Routern reicht statisches Routing völlig aus; sobald Redundanz, viele Netze oder häufige Änderungen ins Spiel kommen, ist dynamisches Routing die sinnvollere Wahl.

Dynamische Routingprotokolle im Überblick

• RIP (Routing Information Protocol): einfaches Distanzvektor-Protokoll, das die Hop-Anzahl als Metrik nutzt (maximal 15 Hops). Leicht zu konfigurieren, aber langsam bei Konvergenz und für kleine Netze gedacht – in modernen Unternehmensnetzen kaum noch im Einsatz.
• OSPF (Open Shortest Path First): Link-State-Protokoll, bei dem jeder Router ein vollständiges Bild der Netztopologie aufbaut und mit dem Dijkstra-Algorithmus den kürzesten Pfad berechnet. Schnelle Konvergenz, skaliert gut durch Areas – der Standard für interne Routing-Prozesse (IGP) in Unternehmensnetzen.
• BGP (Border Gateway Protocol): Routingprotokoll zwischen autonomen Systemen (AS), also zwischen unabhängig verwalteten Netzen wie Internet-Providern. BGP ist das zentrale Routingprotokoll des Internets (EGP – Exterior Gateway Protocol) und trifft Entscheidungen nicht primär nach kürzestem Weg, sondern nach Richtlinien (Policies).

Spanning Tree Protocol (STP)

Redundante Verbindungen zwischen Switches erhöhen die Ausfallsicherheit, führen aber ohne Gegenmaßnahme zu Schleifen (Loops): Ein Frame kann im Kreis laufen und sich dabei vervielfachen, was zu einem Broadcast-Sturm und im schlimmsten Fall zum Ausfall des gesamten Netzsegments führt – begünstigt dadurch, dass Switches keine TTL wie IP-Pakete kennen.

STP (IEEE 802.1D) löst dieses Problem, indem es aus einer physisch redundanten Topologie eine logisch schleifenfreie Baumstruktur berechnet:

• Zunächst wird eine Root Bridge gewählt (der Switch mit der niedrigsten Bridge-ID wird zur Wurzel des Baums).
• Jeder andere Switch bestimmt seinen kürzesten Pfad zur Root Bridge und setzt den entsprechenden Port in den Zustand Forwarding.
• Redundante Pfade, die zu einer Schleife führen würden, werden auf den betroffenen Ports blockiert (Blocking) – die physische Leitung bleibt bestehen, überträgt aber keine Daten, solange der aktive Pfad funktioniert.
• Fällt eine aktive Verbindung aus, aktiviert STP automatisch einen zuvor blockierten Port und stellt so die Konnektivität wieder her.

Redundanz und Lastverteilung: Link Aggregation

Link Aggregation (z. B. nach IEEE 802.3ad / LACP) bündelt mehrere physische Verbindungen zwischen zwei Geräten zu einer logischen Verbindung. Das bringt zwei Vorteile gleichzeitig: eine höhere effektive Bandbreite, da der Datenverkehr auf die einzelnen Leitungen verteilt wird, und Redundanz, da bei Ausfall einer physischen Leitung die verbleibenden Leitungen die Verbindung ohne Unterbrechung aufrechterhalten. Im Gegensatz zu redundanten, aber ungebündelten Verbindungen entsteht dabei kein Schleifenproblem, da die gebündelten Ports logisch als eine einzige Verbindung behandelt werden.

Typischer Einsatzort ist die Verbindung zwischen zwei Switches oder zwischen einem Switch und einem Server, wenn die Bandbreite einer einzelnen Leitung (z. B. 1 GBit/s) nicht mehr ausreicht oder hohe Verfügbarkeit gefordert ist.

Netzwerkpläne lesen & Störungen diagnostizieren

Netzwerkpläne lesen

Ein Netzwerkplan (Topologiediagramm) stellt die physische und/oder logische Struktur eines Netzes grafisch dar. Für die Praxis und die AP2 ist es wichtig, die gängigen Symbole sicher zu erkennen: Ein Switch wird meist als Rechteck mit mehreren Pfeilen oder kleinen Portstrichen dargestellt, ein Router häufig als Kreis oder Rechteck mit Kreuz- bzw. Pfeilsymbol (steht für die Vermittlung zwischen Netzen), eine Firewall als Rechteck mit Ziegel- oder Mauersymbol, Server als Rechteck mit Festplatten-/Schrank-Symbol und Clients als einfache PC- oder Bildschirmsymbole.

Segmente und VLANs werden in Netzplänen üblicherweise durch farbige oder gestrichelte Umrandungen, unterschiedliche Linienfarben oder explizite Beschriftungen (z. B. VLAN 10 – Verwaltung) gekennzeichnet. Der Gateway eines Segments – meist die Schnittstelle eines Routers oder Layer-3-Switches – ist an der IP-Adresse zu erkennen, die am Übergang zwischen zwei Netzen eingezeichnet ist, und markiert den Punkt, über den der gesamte Verkehr aus diesem Segment in andere Netze geleitet wird.

Eine aktuelle, sorgfältig gepflegte Netzwerkdokumentation ist für Administration und Fehlersuche unverzichtbar: Nur wenn Pläne den tatsächlichen Ist-Zustand widerspiegeln, lassen sich Auswirkungen von Änderungen einschätzen, Verantwortlichkeiten klären und Störungen gezielt eingrenzen, statt im laufenden Betrieb erst mühsam die reale Verkabelung und VLAN-Zuordnung nachvollziehen zu müssen.

Systematische Störungsdiagnose mit Messdaten

Grundprinzip der Fehlersuche ist der Vergleich aktueller Messwerte (z. B. Latenz, Paketverlust, Durchsatz) mit einer bekannten Baseline – dem dokumentierten oder erfahrungsgemäß bekannten Normalzustand des Netzes. Nur wer weiß, wie eine Verbindung im Normalbetrieb aussieht, kann eine Abweichung als solche erkennen.

1. Hypothese bilden: Welche Ursache ist angesichts der Symptome am wahrscheinlichsten (z. B. defektes Kabel, überlasteter Port, fehlerhafte Route)?
2. Gezielt testen: Mit passendem Werkzeug genau den Bereich prüfen, den die Hypothese betrifft.
3. Ergebnis mit Sollwert vergleichen: Gemessene Werte der Baseline gegenüberstellen.
4. Ursache eingrenzen: Bei Bestätigung die Fehlerquelle weiter eingrenzen bzw. beheben, bei Widerlegung die nächste Hypothese testen.

Typische Werkzeuge und Kennzahlen zur Messung sind unter anderem ping zur Prüfung von Erreichbarkeit und Latenz, SNMP-Monitoring zur fortlaufenden Beobachtung von Portauslastung und Gerätezustand sowie die Paketverlustrate als Indikator für überlastete oder fehlerhafte Verbindungsstrecken.