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Layer 2 Switching: Von 0 auf 100

Das Fundament der lokalen Netzwerke: Wie Switches Daten lenken und Netze strukturieren.

Schritt 1: Was ist ein Switch?

Ein Switch arbeitet auf dem Data Link Layer (Layer 2) des OSI-Modells. Seine Hauptaufgabe ist es, Datenpakete – die auf dieser Schicht Frames genannt werden – im lokalen Netzwerk (LAN) zielgerichtet weiterzuleiten. Er wertet dafür ausschließlich physikalische MAC-Adressen (48 Bit) aus. Im Gegensatz zu Routern interessieren ihn IP-Adressen überhaupt nicht.

Schritt 2: Kollisions- vs. Broadcastdomänen

Veraltete Hubs senden eingehende elektrische Signale einfach stumpf an alle anderen Ports heraus (Layer 1). Dadurch entsteht eine einzige große Kollisionsdomäne, in der sich Daten überschneiden können.

Switches brechen Kollisionsdomänen auf! Jeder einzelne Port eines Switches stellt eine eigene, isolierte Kollisionsdomäne dar. Das ermöglicht Vollduplex-Übertragung ohne Konflikte.

Aber: Ein Switch leitet Broadcasts (z.B. ARP-Anfragen) an alle Ports weiter. Ein Switch trennt standardmäßig keine Broadcastdomänen (es sei denn, man nutzt VLANs).

Schritt 3: Die CAM-Tabelle (MAC-Adress-Tabelle)

Der Switch baut dynamisch eine Tabelle (Content Addressable Memory) auf, in der er speichert, welche MAC-Adresse an welchem physikalischen Port angeschlossen ist. Er nutzt dabei drei Grundfunktionen:

1. Learning	Der Switch wertet bei jedem eingehenden Frame die Quell-MAC-Adresse aus und speichert sie zusammen mit dem Eingangsport in der CAM-Tabelle ab.
2. Forwarding	Ist die Ziel-MAC-Adresse des Frames in der Tabelle bekannt, leitet der Switch den Frame ausschließlich an diesen dedizierten Port weiter.
3. Flooding	Ist die Ziel-MAC unbekannt (oder handelt es sich um einen Broadcast FF:FF:FF:FF:FF:FF), flutet der Switch den Frame an alle aktiven Ports – mit Ausnahme des Eingangsports.

Schritt 4: VLANs & Trunking (802.1Q)

VLANs (Virtual LANs) zerteilen einen physischen Switch logisch in mehrere isolierte Switches. Ein Port in VLAN 10 kann nicht mehr mit einem Port in VLAN 20 kommunizieren, ohne dass ein Layer-3-Router dazwischengeschaltet ist. VLANs trennen Broadcastdomänen!

Trunking (IEEE 802.1Q): Wenn VLANs über mehrere Switches hinweg existieren sollen, benötigt die Verbindungsleitung (Trunk) eine Möglichkeit zu erkennen, zu welchem VLAN ein Frame gehört. Der 802.1Q-Standard fügt dem Ethernet-Frame dazu ein 4-Byte-VLAN-Tag hinzu.

Schritt 5: STP (Spanning Tree Protocol)

Redundanz (Ersatzkabel) ist wichtig, aber auf Layer 2 tödlich. Da Ethernet keinen "Time to Live" (TTL)-Zähler hat, kreisen Broadcasts in redundanten Umgebungen endlos – es entsteht ein Broadcast Storm, der das Netz lahmlegt.

Das Spanning Tree Protocol (IEEE 802.1D) erkennt diese Schleifen und blockiert logisch redundante Ports (Status: Blocking). Fällt der Hauptlink aus, reaktiviert STP den blockierten Pfad automatisch.

🔥 Insider-Tipps für die IHK-Abschlussprüfung

1. Native VLAN: Der Traffic des Native VLANs auf einem Trunk (standardmäßig VLAN 1) wird untagged (ohne 802.1Q-Tag) übertragen. Sehr beliebte IHK-Falle!

2. Port-Security: Ein Layer-2-Sicherheitsfeature. Es begrenzt die Anzahl der erlernbaren MAC-Adressen pro Port und schützt so effektiv vor MAC-Flooding-Attacken.

3. CSMA/CD: "Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection" kam früher bei Hubs zum Einsatz. Bei modernen Full-Duplex Switches ist CSMA/CD deaktiviert, da keine Kollisionen mehr auftreten können.

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Ordne die Begriffe blitzschnell den korrekten Netzwerk-Definitionen zu.

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Zugehörige OSI-Schicht (Zahl 1-7):

Zugehörige PDU (z.B. Frame, Paket):

Adressierungs-Typ (z.B. MAC, IP):

Standard für Erweiterung (z.B. 802.1Q, 802.1D):

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Was fehlt oder ist falsch konfiguriert? (z.B. STP, Trunk, Native VLAN):

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Frame-Generator

Quell-MAC (z.B. AA:AA):

Ziel-MAC (z.B. BB:BB oder FF:FF):

Eingangs-Port (Switch):

Switch ist betriebsbereit. Warte auf Frames...

Gelernte MAC-Adresse	Zugewiesener Port

Deep Dive: STP & VLAN Architektur

Architekturwissen für komplexe IHK-Planungsaufgaben.

STP: Root Bridge Wahl

Um Layer-2-Loops zu vermeiden, müssen alle Switches im Netz sich auf einen zentralen Ausgangspunkt einigen: die Root Bridge.

Das Auswahlkriterium ist die Bridge ID (BID). Sie besteht aus zwei Teilen:

Bridge Priority (2 Byte): Standardwert ist 32768. Administratoren können diesen Wert verringern (in 4096er-Schritten), um eine Root Bridge manuell zu erzwingen.
MAC-Adresse (6 Byte): Gibt es bei der Priority einen Gleichstand, gewinnt der Switch mit der niedrigsten MAC-Adresse.

Die STP-Portzustände

Bevor ein Port am Switch nach dem Einstecken des Kabels produktiven Traffic weiterleitet, durchläuft er zur Sicherheit verschiedene Phasen:

1. Blocking	Sendet keine Daten, hört aber BPDUs ab, um Loops zu erkennen (Max Age: 20 Sek).
2. Listening	Bereitet das Forwarding vor. Sendet und empfängt BPDUs (15 Sek).
3. Learning	Lernt erste MAC-Adressen, leitet aber noch keinen Traffic weiter (15 Sek).
4. Forwarding	Der Port ist aktiv, lernt MACs und leitet Benutzerdaten weiter.