Netzwerk-Grundlagen: Funktionsweise eines 5-Port-Gigabit-Switches

Diese Dokumentation beschreibt die Funktionsweise, Datenverteilung und Geschwindigkeitscharakteristika eines Standard 5-Port-Gigabit-Switches im lokalen Netzwerk (LAN).

Moderne Switches arbeiten auf Layer 2 (Sicherungsschicht) des OSI-Modells. Im Gegensatz zu veralteten Hubs, die eingehende Pakete per Broadcast an alle Ports kopieren, arbeitet ein Switch zielgerichtet über eine interne MAC-Adresstabelle (CAM-Table).

• Lernphase: Sobald ein Gerät ein Paket sendet, registriert der Switch dessen Quell-MAC-Adresse und den dazugehörigen physischen Port.
• Zielgerichtetes Forwarding: Bei bekannten Ziel-MAC-Adressen wird das Paket exklusiv an den korrespondierenden Port weitergeleitet.
• Kollisionsdomänen: Jeder Port stellt eine eigene Kollisionsdomäne dar. Datenströme zwischen unterschiedlichen Ports beeinflussen sich nicht gegenseitig.

Die folgende schematische Darstellung zeigt, wie zwei separate Datenströme parallel und ohne gegenseitige Beeinflussung über die interne Vermittlungsstruktur (Backplane) verarbeitet werden.

       +---------------------------------------------------------+
       |                  5-PORT GIGABIT SWITCH                  |
       |                                                         |
       |    [Port 1]      [Port 2]      [Port 3]      [Port 4]   |
       |       |             ^             |             ^       |
       |   +---|-------------|-------------|-------------|---+   |
       |   |   |             |             |             |   |   |
       |   |   +---> [A] ----+             |             |   |   |
       |   |     (1 Gbit/s Vollduplex)     |             |   |   |
       |   |                               |             |   |   |
       |   |                               +---> [B] ----+   |   |
       |   |                             (1 Gbit/s Vollduplex)   |
       |   |                                                 |   |
       |   +-------------------------------------------------+   |
       |        ^                                                |
       |        | (Backplane-Kapazität: 10 Gbit/s non-blocking)  |
       +--------|------------------------------------------------+
                |
             [Port 5] (Frei / Uplink zum Router)

• Datenstrom [A]: Port 1 sendet exklusiv an Port 2 (z. B. PC an NAS) → 1 Gbit/s
• Datenstrom [B]: Port 3 sendet exklusiv an Port 4 (z. B. Backup-Lauf an Server) → 1 Gbit/s
• Ergebnis: Beide Verbindungen laufen simultan mit voller Leitungsgeschwindigkeit.

Die nominale Datenrate beträgt 1 Gbit/s (Gigabit pro Sekunde).

• In der Praxis entspricht dies einer Netto-Übertragungsrate von ca. 110 bis 125 MB/s (Megabyte pro Sekunde) nach Abzug des Protokoll-Overheads (Ethernet, IP, TCP).

Alle modernen Ports unterstützen Vollduplex. Ein Port kann gleichzeitig mit 1 Gbit/s senden und mit 1 Gbit/s empfangen. Die aggregierte Bandbreite pro Port beträgt somit theoretisch 2 Gbit/s.

Ein voll-blockierungsfreier (non-blocking) 5-Port-Switch verfügt über eine interne Bandbreite von 10 Gbit/s.

Dank dieser Dimensionierung kann der Switch alle Ports gleichzeitig unter Maximallast bedienen, ohne dass interne Verzögerungen auftreten.

Ein Einbruch der Transferrate tritt dann auf, wenn die Datenströme konvergieren (mehrere Quellen wollen zum selben Ziel).

       +---------------------------------------------------------+
       |                  5-PORT GIGABIT SWITCH                  |
       |                                                         |
       |    [Port 1]      [Port 2]                    [Port 5]   |
       |     (PC 1)        (PC 2)                      (NAS)     |
       |       |             |                           ^       |
       |       | 1 Gbit/s    | 1 Gbit/s                  |       |
       |       v             v                           |       |
       |   +---------------------------------------------|---+   |
       |   |   |             |                           |   |   |
       |   |   +======>>=====+==== FLASCHENHALS ===>>>===+   |   |
       |   |                      Max. 1 Gbit/s Gesamt       |   |
       |   +-------------------------------------------------+   |
       +---------------------------------------------------------+

Erklärung: Wenn PC 1 (Port 1) und PC 2 (Port 2) gleichzeitig mit maximaler Geschwindigkeit Daten auf das NAS (Port 5) schreiben, limitiert die physikalische Bandbreite des Ziel-Ports (1 Gbit/s). Die Datenrate teilt sich im Switch auf (z. B. jeweils ca. 500 Mbit/s bzw. ~60 MB/s pro PC).