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Hub vs. Switch vs. Router: OSI-Schicht, Adressen, Weiterleitung und Domänen

Alle drei verbinden Geräte und leiten Daten weiter, unterscheiden sich aber darin, die Informationen welcher Schicht sie dafür nutzen. Ein Hub (Repeater-Hub) ist ein Gerät der Schicht 1 (Bitübertragungsschicht), das ein eingehendes Signal unverändert an alle Ports ausgibt. Ein Switch (L2-Switch) ist ein Gerät der Schicht 2 (Sicherungsschicht), das die Ziel-MAC-Adresse eines Frames liest und ihn nur an den Port weiterleitet, an dem dieses Ziel angeschlossen ist. Ein Router ist ein Gerät der Schicht 3 (Vermittlungsschicht), das Pakete anhand der Ziel-IP-Adresse und seiner Routingtabelle zwischen verschiedenen Netzwerken weiterleitet. Hubs und Switches verbinden Geräte innerhalb eines Netzwerks, Router verbinden Netzwerke miteinander.

MerkmalHubSwitch (L2-Switch)Router
SchichtSchicht 1 (Bitübertragungsschicht)Schicht 2 (Sicherungsschicht)Schicht 3 (Vermittlungsschicht)
Verwendete AdresseKeine; das Signal wird einfach wiederholtMAC-AdresseIP-Adresse
DateneinheitBits (elektrische Signale)FramesPakete
WeiterleitungsverfahrenSendet an alle Ports außer dem EingangsportLernt in einer MAC-Adresstabelle, welche Quell-MAC-Adresse an welchem Port liegt, und sendet nur an den Port des Ziels; unbekannte Ziele und Broadcasts gehen an alle Ports außer dem Eingangsport (Flooding)Wählt in der Routingtabelle den Eintrag mit der längsten Übereinstimmung mit der Ziel-IP-Adresse und sendet an den nächsten Router oder das Ziel; dabei werden die MAC-Adressen des Frames neu geschrieben und die TTL um 1 verringert
KollisionsdomäneEine für alle Ports; Halbduplex, daher kollidieren gleichzeitige SendungenGetrennt für jeden Port; im Vollduplexbetrieb keine KollisionenGetrennt für jede Schnittstelle
Broadcast-DomäneEine für alle PortsEine für alle Ports oder eine je VLAN, wenn per VLAN unterteiltGetrennt für jede Schnittstelle (jedes Netzwerk); Broadcasts werden nicht weitergeleitet
Verbindung verschiedener NetzwerkeNeinNein; verbindet Geräte innerhalb eines Netzwerks (Subnetzes)Ja; viele bieten zusätzlich NAT und Paketfilterung
Typische PlatzierungKleine, alte Netzwerke; heute fast vollständig durch Switches ersetztAnbindung von PCs, Servern, WLAN-Access-Points usw. an dasselbe LANAn der Grenze zwischen LAN und Internet sowie zwischen Segmenten (Subnetzen) eines internen Netzwerks

Die Zahlenwerte sind typische Größenordnungen und variieren je nach Prozessgeneration und Produkt.

Wann welche Variante?

Hub
Heute durch Switches ersetzt und für neue Installationen kaum noch gewählt. Als Vergleichspunkt zum Verständnis der Funktionsweise eines Switches weiterhin nützlich.
Switch (L2-Switch)
Wenn viele Geräte innerhalb eines Netzwerks verbunden werden. Modelle mit VLAN-Unterstützung können ein Netzwerk zudem mit einem einzigen Gerät logisch unterteilen.
Router
Wenn verschiedene Netzwerke verbunden werden. Er sitzt an der Grenze zwischen LAN und Internet oder zwischen Subnetzen und übernimmt Wegewahl, NAT, Paketfilterung und ähnliche Aufgaben.

Häufige Fragen

Wie unterscheidet sich ein L3-Switch von einem Router?

Ein L3-Switch ist ein Switch mit zusätzlichen Routerfunktionen (Weiterleitung auf Schicht 3) und kann Verkehr zwischen VLANs schnell in Hardware weiterleiten. Er wird vor allem innerhalb eines LAN genutzt, um Subnetze und VLANs zu verbinden. Ein Router bietet typischerweise einen breiteren Satz an Funktionen, die an Netzwerkgrenzen nötig sind, etwa die Anbindung an Leitungen zum Internet oder zu anderen Standorten, NAT und VPNs. Je nach Produkt überschneidet sich der Funktionsumfang allerdings.

Was davon ist ein Breitbandrouter für zu Hause?

Er vereint Router, Switch, WLAN-Access-Point und mehr in einem Gerät. Die LAN-seitigen Ports sind wie bei einem Switch miteinander verbunden, während der Verkehr zwischen LAN und Internet wie bei einem Router weitergeleitet wird, wobei über NAPT eine globale Adresse geteilt wird. Viele arbeiten zudem als DHCP-Server.

Verringert ein Switch die Broadcasts?

Nein. Ein Switch sendet Broadcast-Frames an alle Ports außer dem Eingangsport, daher erreichen sie jedes angeschlossene Gerät. Was ein Switch unterteilt, ist die Kollisionsdomäne. Um die Reichweite von Broadcasts zu begrenzen, unterteilt man das Netzwerk mit VLANs oder mit einem Router.

Warum werden Hubs nicht mehr verwendet?

Bei einem Hub teilen sich alle Ports einen Kanal, daher gibt es umso mehr Kollisionen, je mehr Geräte angeschlossen sind, und auch die Bandbreite wird geteilt. Zudem fließt der gesamte Verkehr an alle Ports, sodass Geräte Verkehr empfangen können, der an andere gerichtet ist. Ein Switch leitet nur an den Zielport weiter und kann an jedem Port im Vollduplex kommunizieren, sodass Verkehr zwischen verschiedenen Portpaaren gleichzeitig stattfinden kann.

Verständnis prüfen

Welche Schicht des OSI-Referenzmodells verwendet logische Adressen wie IP-Adressen, um Pakete zwischen verschiedenen Netzwerken bis zum Ziel weiterzuleiten?

  1. ASicherungsschicht (Schicht 2)
  2. BVermittlungsschicht (Schicht 3)
  3. CTransportschicht (Schicht 4)
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Antwort: B. Vermittlungsschicht (Schicht 3)

Das OSI-Referenzmodell gliedert die Kommunikationsfunktionen in sieben Schichten, von der Bitübertragungsschicht bis zur Anwendungsschicht. Die Vermittlungsschicht (Schicht 3, Network Layer) wählt anhand logischer Adressen wie IP-Adressen einen Weg über mehrere Netzwerke hinweg bis zum Ziel und leitet die Pakete weiter. Die darunterliegende Sicherungsschicht (Data Link Layer) stellt Frames nur innerhalb desselben Netzwerks mithilfe von MAC-Adressen an das benachbarte Gerät zu. Die Transportschicht behandelt die Kommunikation zwischen den Anwendungen auf den Endgeräten; TCP übernimmt dort zum Beispiel Wiederholung und Reihenfolge. Bei den Geräten arbeiten Router auf Schicht 3 und L2-Switches auf Schicht 2.

Welche Beschreibung der Arbeitsweise eines L2-Switches im Vergleich zu einem Hub (Repeater-Hub) ist richtig?

  1. AEr liest IP-Adressen und leitet Pakete zwischen verschiedenen Netzwerken weiter
  2. BEr liest die Ziel-MAC-Adresse eines Frames und leitet ihn nur an den Port weiter, an dem das Zielgerät angeschlossen ist
  3. CEr sendet jeden Frame stets an alle Ports, und nur das Zielgerät nimmt ihn an
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Antwort: B. Er liest die Ziel-MAC-Adresse eines Frames und leitet ihn nur an den Port weiter, an dem das Zielgerät angeschlossen ist

Ein Hub ist ein Gerät der Schicht 1, das ein an einem Port ankommendes Signal unverändert an alle Ports weitergibt. Alle angeschlossenen Geräte teilen sich daher einen Übertragungskanal, und gleichzeitiges Senden führt zu Kollisionen. Ein L2-Switch ist ein Gerät der Schicht 2: Er merkt sich in einer Tabelle (MAC-Adresstabelle), welche Quell-MAC-Adresse an welchem Port eingetroffen ist, und leitet Frames nur an den Port weiter, an dem die Ziel-MAC-Adresse angeschlossen ist. Frames an Ziele, die noch nicht in der Tabelle stehen, und Broadcast-Frames sendet er an alle Ports außer dem Eingangsport (Flooding). Da der Verkehr nach Ports getrennt ist, können verschiedene Portpaare gleichzeitig kommunizieren. Die Weiterleitung zwischen verschiedenen Netzwerken anhand von IP-Adressen ist Aufgabe des Routers auf Schicht 3.

Auf einem L2-Switch werden VLANs so eingerichtet, dass die Ports 1–4 zu VLAN 10 und die Ports 5–8 zu VLAN 20 gehören. Welche Aussage über das Verhalten ist richtig?

  1. ADa VLAN 10 und VLAN 20 am selben Switch hängen, können sie ohne Router direkt miteinander kommunizieren
  2. BDurch die Aufteilung in zwei VLANs halbiert sich die Geschwindigkeit jedes Ports
  3. CBroadcasts von Geräten in VLAN 10 erreichen die Ports von VLAN 20 nicht, und für Verkehr zwischen VLAN 10 und VLAN 20 ist ein Router (oder L3-Switch) nötig
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Antwort: C. Broadcasts von Geräten in VLAN 10 erreichen die Ports von VLAN 20 nicht, und für Verkehr zwischen VLAN 10 und VLAN 20 ist ein Router (oder L3-Switch) nötig

Ein VLAN (virtuelles LAN) bildet auf derselben physischen Hardware logisch getrennte Netzwerke, typischerweise portweise. Jedes VLAN hat seinen eigenen Bereich, den ein Broadcast erreicht (Broadcast-Domäne), und der Switch leitet Frames nur zwischen Ports desselben VLANs weiter. Verkehr zwischen verschiedenen VLANs, wie hier zwischen VLAN 10 und VLAN 20, muss daher über einen Router oder L3-Switch laufen, der auf Schicht 3 weiterleitet. Erstrecken sich VLANs über mehrere Switches, wird ein in IEEE 802.1Q festgelegtes Tag (VLAN-ID) in die Frames eingefügt, das angibt, zu welchem VLAN ein Frame gehört. VLANs dienen etwa dazu, Netzwerke nach Abteilungen zu trennen oder ein Gäste-WLAN vom internen Netzwerk abzuschotten.

  1. Ein Endgerät (192.168.1.10/24, Standardgateway 192.168.1.1) sendet ein Paket an den Server 203.0.113.80 in einem anderen Netzwerk. Wessen MAC-Adresse ermittelt das Endgerät per ARP, wenn der ARP-Cache leer ist?
  2. Die Routingtabelle eines Routers enthält vier Routen: 0.0.0.0/0 (nächster Hop Router A), 10.0.0.0/8 (Router B), 10.1.0.0/16 (Router C) und 10.1.2.0/24 (Router D). An welchen Router wird ein Paket mit dem Ziel 10.1.5.9 gesendet?
  3. Welche Beschreibung des dynamischen Routings ist richtig?

Übungsfragen zu Grundlagen der Computernetzwerke

Wichtige Begriffe erklärt

OSI-Referenzmodell
Modell, das die Kommunikationsfunktionen in sieben Schichten gliedert: Bitübertragungsschicht, Sicherungsschicht, Vermittlungsschicht, Transportschicht, Sitzungsschicht, Darstellungsschicht und Anwendungsschicht. Es dient als gemeinsame Sprache, um die Aufgaben der einzelnen Schichten getrennt zu betrachten.
MAC-Adresse
48-Bit-Adresse, die bei Ethernet und WLAN Geräte innerhalb desselben Netzwerks bezeichnet. Die oberen 24 Bit kennzeichnen den Hersteller, und sie wird bei der Herstellung jeder Schnittstelle zugewiesen.
VLAN (virtuelles LAN)
Funktion, die auf derselben physischen Hardware logisch getrennte Netzwerke (Broadcast-Domänen) bildet, typischerweise je Switch-Port. Zwischen Switches werden VLANs durch Tags nach IEEE 802.1Q unterschieden.
ARP (Address Resolution Protocol)
Protokoll, das anhand der IP-Adresse die MAC-Adresse eines Geräts im selben Netzwerk ermittelt. Die Anfrage wird per Broadcast gesendet, und das passende Gerät antwortet.
Standardgateway (Default Gateway)
Router, dem ein Endgerät Pakete an Ziele in anderen Netzwerken übergibt. Das Endgerät entscheidet anhand seiner Subnetzmaske, ob ein Ziel im selben Netzwerk liegt, und sendet andernfalls an diesen Router.
NAT (Network Address Translation)
Technik, die die IP-Adressen von Paketen umschreibt, die einen Router passieren. Die Variante, die auch Portnummern umschreibt, sodass viele Geräte eine globale Adresse teilen können, heißt NAPT (IP-Masquerading).
Subnetzmaske (Subnet Mask)
32-Bit-Wert, der angibt, wie viele obere Bits einer IP-Adresse das Netzwerk bezeichnen (Netzanteil). Geschrieben etwa als 255.255.255.0, was /24 in CIDR-Notation entspricht.

Verwandte Vergleiche