Kommunikationsnetze. Praxis Internet. Version 4.0. Kommunikationsnetze M.Rotert SS2015 Teil4: IPv4 Routing

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1 Kommunikationsnetze Praxis Internet Michael Rotert Version 4.0 Kommunikationsnetze M.Rotert SS2015 Teil4: IPv4 Routing 1

2 Inhalt Einführung (Teil 1) Lokale Netze (LAN) Topologie, Komponenten Ethernet Punkt-zu-Punkt über Ethernet Virtuelle LANs Internet Ebene 3 Protokolle (Teil 2) Definition, Geschichte Architektur, Protokolle IPv4 (Teil3) IPv4 Header Fragmentierung IPv4 Adressierung IPv4 Routing (Teil 4) Autonome Systeme Routing Protokolle Internet Exchanges Zusatzprotokolle (Teil 5) ARP / RARP ICMP (ping und traceroute) DHCP und NAT IPv6 (Teil 6) Entwicklung, Geschichte IPv6 Header IPv6 Adressierung IPv6 Zusatzprotokolle (Teil 7) Konfiguration, Autokonfiguration Fragmentierung DHCP, ICMP Drahtlose und mobile Netze (Teil 8) Eigenschaften Adressierung/Routing mobiler Benutzer Mobilität in IPv4 Netzen WLAN/Wifi Transportschicht (Teil 9) TCP und UDP Anwendungsschicht (Teil 10) Grundlagen, Architekuren DNS Electronic Mail (SMTP, POP3, IMAP) P2P-Anwendungen Kommunikationsnetze M.Rotert SS2015 Teil4 2

3 Routing Endsystem Endsystem Endsystem LAN 1 LAN 2 LAN 3 Router 1 Router 2 WAN 1 WAN 2 Router 3 Kommunikationsnetze M.Rotert SS2015 Teil4: IPv4 Routing 3

4 Routing Wegewahl aufgrund der IP-Netzadressen Default-Route, Metriken statisches Routing (zentralisiert) dynamisches Routing (verteilt) Interior Routing ( IGP = Interior Gateway Protocol ) Exterior Routing ( EGP = Exterior Gateway Protocol ) Kommunikationsnetze M.Rotert SS2015 Teil4: IPv4 Routing 4

5 Routing Allgemein gilt für das Routing! eine Distanz wird zugeordnet ( Metrik )! die Metriken sind nicht vergleichbar! erfolgt die Redistribution entweder für alles oder kontrolliert! werden einzelne Nachbarn oder ganze Netze definiert ist eine in/out Filterung möglich Die Metriken (Gewichtung) der einzelnen Verbindungen werden positiv oder negativ verändert. Das war lange Zeit die einzige Möglichkeit Routingentscheidungen zu steuern. Da diese Manipulation pro Router erfolgt, ist das Verfahren äußerst aufwendig Kommunikationsnetze M.Rotert SS2015 Teil4: IPv4 Routing 5

6 Routing Router haben die Aufgabe für Datenpakete anhand ihrer Zieladressen die Route an das Ziel zu bestimmen und es an den nächsten zuständigen Router weiterzuleiten. Zu diesem Zweck führt der Router intern sehr umfangreiche Tabellen von bekannten Zielnetzen und den zuständigen Routern. Der Router muss für jedes eingehende Datenpaket die Tabellen durchlaufen und die Route heraussuchen, die am besten geeignet ist. Nicht immer ist die erstbeste Route geeignet. Deshalb werden die Tabellen jedes Mal komplett abgearbeitet. Erschwerend ist, dass nicht jeder Router einen Überblick über das gesamte Routing hat. Dies wäre auch weniger sinnvoll. Da sich Routen ändern können, wäre ein aufwendiger Abgleichvorgang zwischen allen Routern notwendig. Kommunikationsnetze M.Rotert SS2015 Teil4: IPv4 Routing 6

7 Übersicht: Routerarchitektur Zwei wichtige Aufgaben eines Routers:! Ausführen von Routing-Algorithmen und -Protokollen RIP, OSPF, BGP! Weiterleiten von Datagrammen von einem eingehenden zu einem ausgehenden Link Kommunikationsnetze M.Rotert SS2015 Teil4: IPv4 Routing 7

8 Verarbeitung im Eingangsport! Leitungsabschluss: physikalische Schicht, Bits empfangen! Sicherungsschicht: z.b. Ethernet (s. Kapitel 5)! Nachschlagen, Weiterleiten, Queuing: Suche nach einem geeigneten Ausgangsport Dezentral, Kopie der Routing-Tabelle (oder Teile davon) notwendig Ziel: Behandlung der Pakete mit line speed, also mit der Geschwindigkeit der Eingangsleitung des Ports Puffern von Paketen, wenn die Switching Fabric belegt ist Kommunikationsnetze M.Rotert SS2015 Teil4: IPv4 Routing 8

9 Verarbeitung im Ausgangsport! Prinzipiell: analog zum Eingangsport!! Einfacher, da die Entscheidung über die Weiterleitung schon getroffen ist Kommunikationsnetze M.Rotert SS2015 Teil4: IPv4 Routing 9

10 Routing mehrere Gateways auf dem Weg: a) Weg wird vorgegeben: Loose source routing: Wegevorwahl mit der Erlaubnis zwischendurch andere Wege zu nehmen. Strict source routing: Es dürfen nur die angegebenen Router (=Gateways) benutzt werden. b) Es wird nur der erste Gateway vorgegeben Wegewahl liegt durch Tabellen der Gateways fest. Der übliche Fall im Netz ist b). Kommunikationsnetze M.Rotert SS2015 Teil4: IPv4 Routing 10

11 Klassifikation von Routing-Algorithmen! Globale oder dezentrale Informationen? Globale Informationen: - Alle Router kennen die vollständige Topologie des Graphen (alle Knoten, alle Kanten, alle Kosten) - Link-State (LS) Routing Dezentrale Informationen: - Router kennt die Kanten und Kosten zu seinen direkten Nachbarn - Router tauschen iterativ Informationen mit ihren Nachbarn aus - Distance-Vector (DV) - Routing! Statisch oder dynamisch? Statisch: - Routen ändern sich langsam/ selten - Einmaliges Ausführen des Algorithmus hinreichend - Manuelle Konfiguration (manchmal) hinreichend Dynamisch: - Routen ändern sich schnell/ ständig - Periodisches Ausführen des Algorithmus notwendig - Als Reaktion auf Änderungen von Links - Manuelle Konfiguration nicht möglich Kommunikationsnetze M.Rotert SS2015 Teil4: IPv4 Routing 11

12 Routing Aufbau einer Routingtabelle: Routingtabelle Router A: B 1 C 5 D 3 bzw. 1 und 2 sowie 5 und 4 Routingtabelle Router C: A 5 D 4 B 4 und 2 bzw. 5 und 1 Routingtabelle für Router A besagt, dass Router A seinen gegenüberliegenden Router B über Verbindung 1, Router C über Verbindung 5 und Router D über Verbindung 3 erreichen kann. Für diese Wegewahl spielen die Qualität und die Zeitdauer der Übertragung eine Rolle. Ist beispielsweise die Verbindung zwischen Router A und über Leitung 3 sehr langsam, kann Router A auch die Verbindung über 1 und 2 oder 5 und 4 nutzen. Kommunikationsnetze M.Rotert SS2015 Teil4: IPv4 Routing 12

13 Routingtabellen im Internet: Routing " 2005 gab es Einträge Einträge (IST: , neu/woche!) " (Hochrechnung aus 2007: Einträge in 2012 Hauptgrund: Multihoming (BGP)! " Einträge bei mehreren Providern # mehr extra Einträge! " IPV6: Anzahl der Routen verdoppelt sich und mehr Speicher! Kommunikationsnetze M.Rotert SS2015 Teil4: IPv4 Routing 13

14 Routing Netz Netz IP-Router/Gateway Eintrag in Routing Tabelle Rechner 1 entweder: (1) (Netz ist erreichbar über Rechner 3) oder: (1) (Rechner ist erreichbar über Rechner 3) Eintrag in Routing Tabelle Rechner 2 entweder: (1) oder: (1) Hop-Count default: (Rechner 1) ( Unix Beispiel: /etc/route add ) Kommunikationsnetze M.Rotert SS2015 Teil4: IPv4 Routing 14

15 Routing (Konfigurationsbeispiele) Remote Router Kommunikationsnetze M.Rotert SS2015 Teil4: IPv4 Routing 15

16 Hierarchisches Routing! Router werden zu Regionen zusammengefasst, ( AS ) diese nennt man Autonome Systeme! Router innerhalb eines AS verwenden ein Routing-Protokoll Intra-AS -Routing-Protokoll Router in verschiedenen AS können verschiedene Intra-AS-Routing-Protokolle verwenden! Manchmal gilt: Eine Organisation = ein AS Es gibt aber auch Organisationen (z.b. einige ISPs), die aus mehreren AS bestehen! Gateway-Router: Ein Router in einem AS, der eine Verbindung zu einem Router in einem anderen AS hat! Problem: Routing zwischen AS Inter-AS -Routing-Protokoll Kommunikationsnetze M.Rotert SS2015 Teil4: IPv4 Routing 4-16

17 Verbundene Autonome Systeme! Routing-Tabelle wird durch Intra-AS- und Inter-AS-Routing-Algorithmen gefüllt Intra-AS-Einträge für interne Ziele Inter-AS- & Intra-AS-Einträge für externe Ziele Kommunikationsnetze M.Rotert SS2015 Teil4: IPv4 Routing 17

18 Inter-AS-Routing Auch Exterior Gateway Protocol (EGP) Das Border Gateway Protocol (BGP), Version 4, ist der De-facto-Standard für Inter-AS-Routing im Internet Spezifiziert in RFC 4271 BGP erlaubt es einem AS: Informationen über die Erreichbarkeit von Netzen von seinen benachbarten Autonomen Systemen zu erhalten Diese Informationen an die Router im Inneren des eigenen AS weiterzuleiten Gute Routen zu einem gewünschten Zielnetzwerk zu bestimmen, wobei die Qualität einer Route von den Informationen über die Erreichbarkeit und Politiken abhängig ist Außerdem ermöglicht BGP es einem AS, sein eigenes Netzwerk anzukündigen und so dessen Erreichbarkeit den anderen Autonomen Systemen im Internet mitzuteilen Kommunikationsnetze M.Rotert SS2015 Teil4: IPv4 Routing 18

19 Aufgaben des Inter-AS-Routing! Wenn ein Router in AS1 ein Paket für ein Ziel außerhalb von AS1 erhält: Router sollte das Paket zu einem der Gateway-Router in AS1 weiterleiten Aber zu welchem?! AS1 muss mit Hilfe von Inter-AS-Routing folgendes tun:! Lernen, welche Ziele über die Autonomen Systeme AS2 und AS3 erreichbar sind! Verteilen dieser Informationen an alle Router in AS1 Kommunikationsnetze M.Rotert SS2015 Teil4: IPv4 Routing 19

20 Intra-AS-Routing! Auch Interior Gateway Protocol (IGP)! Die bekanntesten Intra-AS-Routing-Protokolle: RIP: Routing Information Protocol OSPF: Open Shortest Path First IGRP: Interior Gateway Routing Protocol (Proprietär: Cisco) Kommunikationsnetze M.Rotert SS2015 Teil4: IPv4 Routing 20

21 Warum verschiedene Protokolle für Intra-ASund Inter-AS-Routing?! Politiken: Inter-AS: Eine Organisation möchten kontrollieren, wie (und ob) der Verkehr anderer Organisationen durch das eigene Netzwerk geleitet wird Intra-AS: eigener Verkehr, eigene Administration, hier sind keine Politiken nötig! Größenordnung: Hierarchisches Routing reduziert die Größe der Routing-Tabellen und reduziert den Netzwerkverkehr für Routing-Updates Dringend notwendig für Inter-AS-Routing, nicht wichtig in Intra-AS-Routing! Performance: Intra-AS: kann sich auf Performance konzentrieren Inter-AS: Politiken können wichtiger sein als Performance Kommunikationsnetze M.Rotert SS2015 Teil4: IPv4 Routing 21

22 IGP Es existiert kein verpflichtender Standard für ein Interior Gateway Protocol, sondern nur Empfehlungen Heute eingesetzte Protokolle RIP Routing Information Protocol (auch unter routed von Berkeley bekannt) HELLO Protocol (mittlerweile RFC) Kommunikationsnetze M.Rotert SS2015 Teil4: IPv4 Routing 22

23 RIP (Routing Information Protocol) Kommunikation über UDP Update alle 30 Sekunden falls 180 sec kein Update Route nicht nutzbar falls 240 sec kein Update Route wird entfernt Metric = Hop Count direct connected Metric = 0 unreachable Metric = 16 RIP gehört zur Gruppe der IGP Kommunikationsnetze M.Rotert SS2015 Teil4: IPv4 Routing 23

24 OSPF (Open Shortest Path First) Versendet nur Routing Updates; ausgefeilte Bestimmung der Verbindungsgüte über Zahl der Hops, Verzögerung, Auslastung und Bandbreite; gute Lastverteilung zwischen verschiedenen Wegen; schnelle Anpassung bei Verbindungsausfall, aber komplex aufzusetzen; wird im Netz eines ISP oder in großen Unternehmen eingesetzt.! Link state! nur Updates werden gesendet ( sehr schnell )! Classless! Metric = Linkspeed OSPF gehört zur Gruppe der IGP Kommunikationsnetze M.Rotert SS2015 Teil4: IPv4 Routing 24

25 BGP ( Border Gateway Protocol ) Gute Kontrolle über eine große Anzahl von Routen (derzeit ); keine Aussage über deren Güte; Routing Protokoll zwischen den Backbones verschiedener ISPs; Lastverteilung nur unter aktiver und kontinuierlicher Beteiligung der ISP- Administratoren möglich.! Routing zwischen Autonomen Systemen! RFC 1163 und 1267 BGP gehört zur Gruppe der EGP und gibt lediglich die Informationen weiter, welches Netz in welcher Area/Domain zu finden ist, mehr nicht!. Kommunikationsnetze M.Rotert SS2015 Teil4: IPv4 Routing 25

26 BGP-Grundlagen! Paare von Routern (BGP-Peers) tauschen Routing-Informationen über semi-permanente TCP-Verbindungen aus: BGP-Sitzung (engl. BGP session) ( ibgp ) Wenn beide Router im selben AS sind: interne BGP-Sitzung ( ebgp ) Wenn beide Router in verschiedenen AS sind: externe BGP-Sitzung Wichtig: BGP-Sitzungen entsprechen nicht notwendigerweise physikalischen Links! Wenn AS2 einen Präfix an AS1 meldet (z.b /16), dann verspricht AS2, dass es alle Datagramme weiterleitet, deren Zieladressen zu diesem Präfix passen AS2 kann Präfixe in seinen Ankündigungen aggregieren Kommunikationsnetze M.Rotert SS2015 Teil4: IPv4 Routing 26

27 Routing Zusammenfassung EGP-Protokolle (inter domain routing) BGP ebgp für Routing zwischen Autonomen Systemen IGP-Protokolle (intra domain routing) RIP Hello OSPF Autonomes System (AS) Ist ein Verbund von Routern und Netzwerken, die einer einzigen administrativen Instanz unterstehen. Sie gehören alle zu einer Organisation oder einem Unternehmen Kommunikationsnetze M.Rotert SS2015 Teil4: IPv4 Routing 27

28 Multi Protocol Label Switching: Hintergrund! Nachteile beim Weiterleiten von Paketen mit IP: Alle Router entscheiden unabhängig voneinander, wie jedes einzelne Paket zu handhaben ist Ein IP-Router schlägt für jedes IP-Paket in der Routing-Tabelle die Zieladresse nach und bestimmt anhand der Zieladresse, ( wird wie das Paket zu handhaben ist (z.b. wohin es weitergeleitet - Dies ist zeitaufwändig (Longest Prefix Matching) Ein IP-Router hat über ein IP-Paket nur die Informationen, die mit dem Paket mitgeschickt werden - Insbesondere kann ein Router im Netz nicht mehr feststellen, auf welchem Pfad das IP-Paket zu ihm gelangt ist Daher ist es für ISPs sehr schwer, den Netzwerkverkehr zu einem Präfix auf Basis von IP zu steuern - Im Wesentlichen werden bei IP alle Pakete für ein Präfix gleich behandelt Kommunikationsnetze M.Rotert SS2015 Teil4: IPv4 Routing 28

29 Multi Protocol Label Switching : Idee! Verwende virtuelle Verbindungen für Datagramm-Netzwerke!! Vorgehen: MPLS-fähige Teilnetzwerke halten virtuelle Verbindungen zwischen den Routern am Rand des MPLS-fähigen Teilnetzwerkes vor Wenn ein IP-Paket am Rand eines MPLS-fähigen Teilnetzwerkes ankommt: - Verwende alle Informationen (woher kommt das Paket, IP-Header, Verträge, Politiken etc.), um dieses Paket einer virtuellen Verbindung zum Ausgang des MPLS-fähigen Teilnetzwerkes zuzuweisen - Die Kennung der virtuellen Verbindung wird in das Paket zwischen dem Header für die Sicherungsschicht und dem Header der Netzwerkschicht eingetragen Die Kennung der virtuellen Verbindung wird bei MPLS Label genannt Im Inneren eines MPLS-fähigen Teilnetzwerkes: - Leite das Paket auf der virtuellen Verbindung zum Ausgang des Teilnetzwerkes weiter, ohne den IP-Header zu beachten - Verfahren: Wie für virtuelle Verbindungen besprochen Kommunikationsnetze M.Rotert SS2015 Teil4: IPv4 Routing 29

30 Routing MPLS Multi-Protocol Label Switching vereint unterschiedliche Protokolle in einem Router und kombiniert die Vorteile von Switching mit Routing. MPLS arbeitet zwischen den Schichten 2 und 3 des OSI- Schichtenmodells. Es baut sich also als Zwischenschicht ein. Statt nun jedesmal in jedem Router die Route neu zu ermitteln, wird pro Route ein Label vergeben. Kommt also ein Datenpaket mit MPLS-Header, nimmt sich der Router das Label aus dem MPLS-Header und vergleicht es mit seiner Label-Tabelle. Dort steht drin, welcher Ausgang genommen werden muss. Gleichzeitig wird dem Datenpaket ein neues Label übergeben und dann an den nächsten Router übermittelt. Hat ein Datenpaket keinen MPLS-Header wird der zuständige Router ermittelt und von diesem ein Label für die Ziel-IP des Paketes angefordert. Kommunikationsnetze M.Rotert SS2015 Teil4: IPv4 Routing 30

31 Routing MPLS Wo sind MPLS-Router im Einsatz? Die sogenannte Routing-Performance von Routern ist nur bei extrem hohen Bandbreiten mit z. B. Mulit-Gigabit-Glasfaserleitungen der Carrier ein Problem. Hier bringt MPLS einen direkt sichtbaren Vorteil, der Geschwindigkeitsengpässe ein paar Jahre weiter in die Ferne verschiebt. Im Endkunden-Bereich mit typischen Dialup- Geräten über die analoge Telefonleitung oder ISDN spielt MPLS jetzt und in Zukunft keine Rolle. Aber wenn sich Breitband-Internet- Zugänge ohne Ausnahmen auf der ganzen Linie durchsetzen, dann ist MPLS-Routing im Gegensatz zum IP-Routing eine vorteilhafte Alternative. Kommunikationsnetze M.Rotert SS2015 Teil4: IPv4 Routing 31

32 MPLS! Wie werden die Labels verteilt? Statisch per fester Konfiguration Dynamisch mithilfe geeigneter Protokolle - z.b. über RSVP-TE (RFC 3209)! Warum ist MPLS bei ISPs sehr erfolgreich und beliebt? Mehr Kontrolle über den Netzwerkverkehr! - Dies nennt man Traffic Engineering - MPLS Traffic Engineering wird in RFC 3346 diskutiert Schnelle Routenänderungen bei Link-Brüchen Realisierung von Virtual Private Networks (VPN) - Verbinden von Netzwerken in zwei oder mehr räumlich getrennten Niederlassungen eines Kunden über das Internet - Als wäre es ein eigenständiges, privates, vom Internet unabhängiges Netzwerk - Bei Verwendung von MPLS kann der ISP einfach eine virtuelle Verbindung für den Verkehr des VPNs aufsetzen Kommunikationsnetze M.Rotert SS2015 Teil4: IPv4 Routing 32

33 Global Internet Exchanges Mehreren Routingzentren Europa: AMSIX, DE-CIX, LINX IX in USA deutlich kleiner (halb so groß wie DE-CIX) EuroIX ist der entspr. Verband der Exchange Betreiber Zugang zum Internet an mehreren Punkten (multihomed) - Vorr. ist autonomes System Kommunikationsnetze M.Rotert SS2015 Teil4: IPv4 Routing 33