2.3 Routing im Internet

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1 2.3 Routing im Internet Carsten Köhn Protokolle: TCP/IP Application Layer umfasst Dienste, die als Prozesse des Betriebssystems ausgeführt werden SMTP, FTP, HTTP, MIME Transport Layer regelt die Kommunikation zwischen zwei Prozessen auf den durch IP adressierten Rechnern TCP, UDP Internet Layer sorgt für die Verbindung zwischen einzelnen Hosts im Netz Routing, Adressierung Network Layer stellt das Übertragungsmedium dar, das genutzt wird, um zum nächsten IP-Knoten zu gelangen LAN, WAN, Telefon/Modem Application Layer Transport Layer Internet Layer Network Layer 1

2 TCP/IP-Architektur Internetworking Ein Internet ist ein Netz, das aus Subnetzen (Teilnetzen) besteht, die untereinander vernetzt sind. Die Verbindung zwischen den Subnetzen wird durch Zwischensysteme (intermediate system) hergestellt. Die in den Subnetzen vorhandenen Systeme werden hingegen als Endsysteme bezeichnet, sie bieten Dienst für Netzwerknutzer an. 2

3 Verbindungsarten Der Begriff Punkt-zu-Punkt-Verbindung wird bei der Klassifikation von Methoden der Netzwerkkommunikation verwendet. Grundsätzlich spricht man bei allen direkten Verbindungen zwischen zwei Netzwerkteilnehmern von Punkt-zu-Punkt-Verbindungen. Der Begriff wird jedoch in zwei verschiedenen Zusammenhängen gebraucht: Punkt-zu-Punkt vs. Ende-zu-Ende Punkt-zu-Punkt-Verbindungen sind Verbindungen ohne vermittelnde Zwischenstation. Darunter fällt die Kommunikation in den unteren Netzwerkschichten (1-3 im OSI-Modell). Damit grenzen sich solche Verbindungen von den so genannten "Ende-zu-Ende-Verbindungen" auf den höheren Netzwerkschichten (4-7 im OSI-Modell) ab. Bei der Ende-zu-Ende- Kommunikation wird die Weitervermittlung durch Zwischenstation genutzt. Man spricht dabei auch von Multihop-Kommmunikation. Punkt-zu-Punkt (Unicast) vs. Broadcast (bzw. Multicast) Punkt-zu-Punkt-Verbindungen sind Verbindungen, an denen genau zwei Kommunikationspartner beteiligt sind. Beim Broadcast hingegen wird eine Nachricht an alle Teilnehmer gesendet, beim Multicast nur an eine bestimmte Menge von Teilnehmern. Zwischensysteme Repeater / Hub Bridge (Brücke) / Switch Router Gateway 3

4 Einordnung in das OSI-Modell Endsystem Zwischensystem Funktion eines Repeaters C1 C2 Cn Abschlusswiderstand Segment 1 Segment 2 Repeater 4

5 Vorteile von Repeatern Repeater verbinden Segmente (z.b. Ethernet) Vergrößerung und Ausdehnung von NW Repeater können nicht filtern, hoher Traffic möglich Repeater senden transparent auf der Bitebene Ausprägung Hub Hub Zentrales Element eines Netzwerks Zweck ist die Neugenerierung und Neutaktung von Netzwerksignalen auf Bitebene Einsatz als Netzwerkkonzentrationspunkt Fungiert wie ein Multiport Repeater Aktive / Passive Hubs / Intelligente Hubs Keine Filterung von Netzwerkdaten Keine optimale Pfadbestimmung 5

6 Funktion einer Bridge LAN 1 LAN 2 C1 Cn faseroptisches Modem C2 Cn Glasfaser LAN 1 LAN 2 C1 Cn C2 Cn schmalbandige Leitung Funktionen Bridge Verbindung von Segmenten zu Netzwerken Logische Trennung, Brücken filtern Adressen Analyse von eingehenden Frames und Weiterleitung (Remote Bridges) Paketsammlung und Weiterleitung zwischen zwei Segmenten Flaschenhals wenn der Traffic zu hoch ist Einsatz primär zum Verkehrsmanagement Vergleichbar ist der Switch 6

7 Funktionen Switch Multiport-Bridge Funktionen wie Hub, nur mit intelligenter Verteilung Analyse von eingehenden Frames und Weiterleitung Nächste Stufe ist der Router Funktion Router Router Router Subnetz 2 Host z.b. 160 Netzwerk Internet 7

8 Funktionen Router Übergang zur OSI-Schicht 3 Router verbinden Netze, die dadurch zu Subnetzen werden Entscheidungen werden nicht auf Basis der MAC-Adresse, sondern auf Basis der Netzwerkadresse getroffen Primäre Funktion im Internet: Pfadauswahl und Versand der Pakete über die optimale Route Funktion Gateways Gateways verbinden Netzwerke zu einem System Ermöglichen Kommunikation zwischen Anwendungsprogrammen auf unterschiedlichen Endsystemen Übersetzen Anwendungsprogramme ineinander, damit abhängig vom Anwendungsprogramm 8

9 Einsatz der Geräte in ISO / OSI 7 Application Layer Anwendungsschicht 6 Presentation Layer Darstellungsschicht 5 4 Session Layer Transport Layer Sitzungsschicht Gateways 5-7 Transportschicht Network Layer Data Link Layer Physical Layer Netzwerk- /Verbindungsschicht Router Verbindungssicherungsschicht Bridge / Switch Physikalische Schicht Repeater / Hub Routing Das Routing (Wegewahl, Leitweglenkung) ermittelt Wege (Pfade, Routes) von einem Quellen- zu einem Zielsystem. Zwischen Quellen- und Zielsystem liegen (in der Regel mehrere) Router (Vermittlungsrechner). Die Router ermitteln einen Weg (Route) auf Basis der Adresse des Zielsystems oder der Adresse eines Subnetzes, in dem sich das gesuchte Zielsystem befindet. 9

10 Routing Unterscheidung von Wegewahl (route discovery) und Weitergabe von Paketen (forwarding) forwarding heißt die Anwendung einer R- Tabelle route discovery ist die Erstellung dieser Tabellen (das eigentliche Routing) Erstellung manuell (eher selten) oder mittels Routing-Protokoll Einsatz Routing-Verfahren Routing-Verfahren für die 1:1 Kommunikation (Unicast) Routing-Verfahren für die 1:n Kommunikation Multicast (z.b. Video-Konferenz, Video- Server) Broadcast: Nachricht an alle im Netz befindlichen Rechner. Sonderfall des Multicast. 10

11 Einteilung Routing (R) Alogrithmen (A) globale R-A (link state A.) / dezentrale R-A (distance vector A.) statische / dynamische R-A load sensitive (ARPAnet 1980) / load intensive (BGP, RIP, ) load sensitive Kosten einer Route variieren in Abhängigkeit ihrer Auslastung Beispielsystem A B R1 R5 R4 R2 R6 R3 X Y 11

12 Beispiel Routingtabelle Ziel Routing Tabelle für R1 R2 R3 R4 R5 R6 A A R1 R5 R1 R1 R2 B R4 R5 R4 B R4 R3 X R2 X R6 R5 R2 R2 Y R5 R6 Y R3 R3 R3 Routing Verfahren statisches Verfahren einmalige Tabellen-Erstellung (unflexibel) adaptives Verfahren regelmäßige Anpassung über Routing-Metriken häufig in der Praxis vorzufinden isoliertes Routing Knoten wählen Weg über lokale Information zentrales Routing 12

13 Statisches Routing Routing-Tabelle wird einmalig erstellt und dann nicht mehr verändert Ermittelt aufgrund festgelegter Routing- Metriken Nutzen begrenzt, da keine Reaktion auf Änderung im Netz Adaptive (dynamische) Routing-Verfahren Routing-Tabellen werden regelmäßig oder bei Bedarf angepasst Einsatz von Routing-Metriken 13

14 Isolierte Routing-Verfahren Jeder Knoten nutzt nur die ihm verfügbare, lokale Information für seine Routing- Entscheidung Zentrale Routing-Verfahren Zentrale Stelle zur Route-Ermittlung Qualitativ hochwertige Entscheidung Reaktionsgeschwindigkeit bei Ausfall von Knoten ist gering Ausfall des zentralen Routers ungünstig Ausfallsichere Plattform notwendig 14

15 Verteiltes Routing-Verfahren Jeder Router trifft eigenständig seine Entscheidung über die Route In Praxis wird häufig die Kombination dieses und des dynamischen Verfahrens eingesetzt Einteilung der Routing-Verfahren Routing- Verfahren statische Verfahren adaptive Verfahren zentrale Verfahren verteilte Verfahren Distanz-Vektor- Verfahren Link-State- Verfahren 15

16 Ergänzende Routing-Verfahren Fluten isoliertes Verfahren nicht adaptiv Hot Potato isoliertes Verfahren lastabhängig Routing-Algorithmen Distanz-Vektor-Verfahren Kürzester Weg kleinstmögliche Anzahl von Hops Link-State-Verfahren jede Teilstrecke (link) hat ein Gewicht nach einer festgelegten Metrik (Kosten, Distanz, Bandbreite, Auslastung, ) Summe der Gewichte ist minimal 16

17 Beispielsystem Routing-Verfahren A X R1 R4 2 R R2 R6 R Y B Distanz-Vektor-Verfahren Weg von B nach X über R4, R5, R2 insgesamt 4 Teilstrecken bzw. 3 Zwischensysteme optimal Weg über R4, R1, R2 insgesamt 4 Teilstrecken bzw. 3 Zwischensysteme optimal Weg über R4, R3, R6, R2 4 Zwischensysteme nicht optimal 17

18 Link-State-Verfahren Weg von B nach X über R4, R1, R2 Kosten = Summe der Metriken =6 optimal Weg über R4, R3, R6, R2 Kosten 8 ungünstig Weg über R4, R5, R6, R2 Kosten 11 nicht optimal Distanz-Vektor-Algorithmus Bellmann-Ford-Algorithmus jeder Knoten berechnet seine R-Tabelle Adresse + Distanz > Tupel Austausch mit anderen Routern (Konvergenzdauer Sekunden) Wird alle paar Sekunden wiederholt, Ausfälle werden sehr schnell erkannt und umgangen 18

19 Link-State-Routing Shortest Path First (SPF)-Routing Ebenfalls verteilte Berechnung von Tabellen Jeder Router bildet ein LSP (Link State Packet) mit den Namen seiner Nachbarn und den Gewichten der zugehörigen Links Broadcast an alle anderen Router (Ermittlung der Netztopologie) Speicherung der LSP und Berechnung der optimalen Route auf jedem Router Zusatzhinweise Router verändern nicht die Quell- oder Zieladresse im IP-Datagramm Nächster Hop wird beim Übergang auf die physikalische Schicht mitgegeben Router verändert (IPv4), wenn nötig, die Größe der Datagramme Router verwerfen Pakete, wenn Sie kein auffindbares Ziel haben oder fehlgeleitet sind 19

20 Routing im Internet Intra-Autonomous System Routing RIP (Routing Information Protocol) ehemals XNS (Xerox Network Systems) verbreitet durch BSD (Berkeley Software Distribution) RFC 1508 Distance vector Protocol (benutzt hop counts als Metrik, jeder Link ist 1) Aktualisierung der Nachbarrouter alle 30 Sekunden über RIP response message Kurzübung netstat rn auf einem Unix ausführen 20