Routingprotokolle Internet / Intranet. Helmut Wünsch RRZE-Kolloquium Vorlesung Grundzüge der Datenkommunikation 18. Januar 2012

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1 Routingprotokolle Internet / Intranet Helmut Wünsch RRZE-Kolloquium Vorlesung Grundzüge der Datenkommunikation 18. Januar 2012

2 Gliederung Routing allgemein Statisches Routing Dynamisches Routing AS und Internet Routingprotokolle distance vector (Bsp. RIP) link state (Bsp. OSPF) path vector (Bsp. BGP) Routingprotokolle 2

3 Routing Was ist Routing? direkte Kommunikation der Rechner nur im lokalen Subnetz Router als Übergänge (Gateways) zwischen diesen Subnetzen Router verwaltet Routing Tabelle Router entscheiden anhand der Ziel-IP-Adresse im ankommenden Paket, wie dieses Paket weitervermittelt werden soll. Routingprotokolle 3

4 Routing (1), (2) (3) (5) (4) Host A Router Host B (1) Host A stellt (über Netzmaske) fest, dass Host B nicht im selben Netz ist (2) Host A ermittelt next-hop über seine Routing-Tabelle (3) Host A schickt Paket an next-hop, also an den Router (4) Router stellt fest, dass er Host B direkt erreichen kann, ansonsten würde der Router bei (2) fortfahren (5) Router liefert Paket an Host B aus Routingprotokolle 4

5 Routing Schichtenmodell Host A Host B Application Anwendungsprotokoll ftp Transport Transportschichtprotokoll Router TCP Network IP - Protokoll Network IP - Protokoll IP Link Link - Protokoll Interface Link - Protokoll Ethernet - Treiber Netzwerk 1 Netzwerk 2 (Ethernet) Routingprotokolle 5

6 Routing Warum Routing? Logische (effiziente) Trennung von Subnetzen Sicherheitsaspekt Stabilität (Forwarding vs. Flooding) Optimierung der Netzwerkleistung durch automatische Leitungswahl (redundante Anbindung) Wie wird geroutet? Statisches Routing: Routing-Einträge werden auf jedem Router vom Administrator von Hand erstellt und verwaltet Dynamisches Routing: Die Router tauschen Routing-Informationen über Routingprotokolle aus. Routingprotokolle 6

7 Statisches Routing (I) Statisches Routing Bsp: DSL-Router Kleiner DSL-Router für Zuhause (z.b. Fritzbox ) Kennt i.d.r. nur zwei Netze: Lokales Hausnetz und Internet Routingtabelle meist fest Konfiguriert: Hausnetzwerk auf Port A, Internet/DSL-Modem auf Port B Bsp: Router für kleines Firmen-Intranet Z.B. jeweils ein Interface für Usernetz Servernetz Internet zugehörige statische Routingtabelle: /24 Internet /24 Destination Gateway Genmask Flags Metric Ref Use Iface U eth U eth U ppp0 Routingprotokolle 7

8 Statisches Routing (II) Grenzen von statischen Routing: Mehrere Router mit mehreren Wegen Netz A Netz C Netz B Netz D Hoher Aufwand bei Anlegen, Löschen, Umzug,.. eines Netzes: Routinginformationen müssen auf jeden Router manuell nachgetragen werden Bei mehreren vermaschten Routern wird statisches Routing sehr schnell unhandhabbar! Routingprotokolle 8

9 Dynamisches Routing: Sinn und Zweck Durch dynamisches Routing sollen Router Routinginformationen selbständig untereinander austauschen selbständig die Netztopologie lernen selbständig versuchen, den jeweils besten Weg zu jedem Ziel zu errechnen schnell und selbständig auf Veränderungen in der Topologie reagieren gut wie möglich Fehler vermeiden (z.b. Schleifen) Routingprotokolle 9

10 Statisches vs. Dynamisches Routing Gegenüberstellung Dynamisches Routing kann durch falsche Informationen gestört werden Dynamisches Routing erzeugt Netzlast Statisches Routing nur bei einfachen Netztopologien handhabbar Keine Backup-Pfade bei statischem Routing Statisches Routing mit mehr als einem Router ist arbeitsintensiv bei Änderungen und fehleranfällig Routingprotokolle 10

11 Bsp. Dynamisches Routing (I) Bsp: Uni-Backbone Uni-Backbone aufgebaut mit ca. 30 Routern Statisches Routing auf jeden Router indiskutabel Änderung des Netzes an beliebiger Stelle lässt Backbone automatisch reorganisieren Derzeit ca. 650 verschiedene Subnetze in den Routingtabellen! Routingprotokolle 11

12 Bsp. Dynamisches Routing (II) Bsp: Das Internet 1969 als ARPANET entstanden Durch die ARPA als Forschungsprojekt initiiert Gründungsmythos: Kommunikationsnetz, robust gegen nuklearen Zerstörung Tatsächlich: Projekt, um einzelne Uni- und Forschungsnetze im Land dezentral und effizient (über Telefonleitungen) zusammenzuschalten Grundprinzip geblieben bis heute: Internet nach wie vor aufgebaut aus einzelnen, unabhängig voneinander verwalteten Netzwerken von Provider/Uni/Regierung, Einzelnetzwerke im Internet auch bezeichnet als AS (Autonome Systeme) Routingprotokolle 12

13 Historik Internet Arpanet im Frühstadium September 1969: 1 Knoten Uni Kalifornien Routingprotokolle 13

14 Historik Internet Arpanet im Frühstadium (2) Dezember 1969: 4 Knotenpunkte - Kalifornien - Utah - Stanford - Santa Barbara Routingprotokolle 14

15 Historik Internet Arpanet im Frühstadium (3) Routingprotokolle 15

16 Historik Weiterer Werdegang: Abspaltung des Milnet aus dem Arpnet Arpnet -> NSFNet (Abschaltung Arpnet 1989) NSFNet -> Internet (90er) Routingprotokolle 16

17 Routing im Internet Aufbau Internet Bis heute besteht Internet aus einzelnen autonomen Teilnetzwerken (!= IP-Netze) Einzelnetzwerke im Internet auch bezeichnet als AS (Autonome Systeme) AS sind die Einzelbausteine des Internets Routingprotokolle 17

18 Vom AS zum Internet (I) AS? Autonomes System Mehr oder weniger großes IP-Netzwerk unter einer eigenen Administration Tritt zur Öffentlichkeit hin eigenverwaltet auf Bsp: Providernetz, Uni-Netz, Firmennetz, AS 2 (z.b. DFN) AS 1 (z.b. T-Com) AS 3 (z.b. NefKom) Routingprotokolle 18

19 Vom AS zum Internet (II) Vom AS zum Internet Internet: Verbund von vielen einzelnen AS Existenz mind. eines Border-Router pro AS, der mit einen oder mehreren Border-Routern anderer AS verbunden ist Welche AS sich miteinander verbinden, ist allein deren Sache und (oft schwierige) Verhandlungssache ( DeCIX als Plattform) Alle Border-Router bilden gemeinsam den Backbone des Internet DFN T-Com NefKom Das Internet Routingprotokolle 19

20 Vom AS zum Internet (III) Autonome System in der Praxis Für die Teilnahme am Internet braucht ein AS: eine öffentliche AS-Nummer vom IANA bzw. RIPE (Bereich , seit Neuestem auch 32-Bit) Peering/Routingvereinbarung mit mind. 2 anderen AS Bsp: T-COM (AS3320), DFN (AS680), MNet/Nefkom (AS8767) AS680 (DFN) AS 3320 (T-Com) AS 8767 (NefKom) Das Internet Routingprotokolle 20

21 Vom AS zum Internet (IV) Dynamisches Routing im Internet Jeder einzelne Border-Router eines jeden AS muss ständig jeweils alle ca Routen zu allen IP-Subnetzen rund um die Welt vorrätig und aktuell halten (Tendenz steigend) Internet in dessen Form nur möglich durch Verwendung skalierbarer dynamischer Routingprotokolle Routingprotokoll des Internet: BGP (Border Gateway Protokoll) AS680 (DFN) AS 3320 (T-Com) AS 8767 (NefKom) Das Internet Routingprotokolle 21

22 Internet heute Quelle: Routingprotokolle 22

23 Vom AS zum Internet (V) Autonome Systeme vs. anarchische Strukturen Große Verantwortung der AS-Betreiber Jeder kann prinzipiell große Teile des Internet Fehlkonfiguration/Sabotage stören manchmal passieren Unfälle Routingprotokolle 23

24 IGP/EGP Unterscheidung dynamisches Routing Internal Gateway Protocol (IGP) Für dynamisches Routing innerhalb eines AS (z.b. Uni Campusnetz) RIP: Routing Information Protocol OSPF: Open Shortest Path First IGRP: Interior Gateway Protocol (Cisco proprietär) External Gateway Protocol (EGP) Für dynamisches Routing zwischen verschiedenen AS ( Inter-net ) BGP: Border Gateway Protocol (Einziges bisher praktisch eingesetzte EGP) Routingprotokolle 24

25 Internetrouting Zusammenspiel von IGPs und EGP im Internet AS 1 AS 2 IGP (z.b. OSPF) EGP (d.h. BGP) Internet IGP (z.b. OSPF) AS 3 IGP (z.b. RIP) Routingprotokolle 25

26 Wie funktionieren Routingprotokolle? 3 Klassen von Routingprotokollen distance vector z.b. RIP (IGP) link state z.b. OSPF (IGP) path vector z.b. BGP (EGP) Routingprotokolle 26

27 Distance-Vector-Protokolle auch Minimum-Hop Protokolle genannt relativ einfach, leicht zu installieren Arbeitsprinzip jeder Router hält Tabelle mit besten (d.h. kürzesten) Pfad zu jedem bekannten Ziel periodische Weitergabe dieser Tabellen jeweils an jeden direkt angeschlossenen Nachbarrouter Nachbarrouter überarbeiten mit diesen Daten ihre Tabellen, geben sie wiederum an ihre Nachbarn weiter. Problem: langsame Konvergenz bei Routingänderungen Routingprotokolle 27

28 RIP (I) RIP Eigenschaften RIP - Routing Information Protocol IGP-Einsatz, d.h. nur innerhalb von AS bzw. Intranets verwendet entwickelt von Ford und Fulkerson, daher auch Ford-Fulkerson Algorithmus definiert in RFC 1058, viele Erweiterungen relativ einfaches distance-vector basiertes Protokoll Hop-Count als einzige Metrik, d.h. keine explizite Angabe von Pfadkosten möglich Routingprotokolle 28

29 RIP (II) Prinzipien verbreitet Netze mit Hop-Count als einziger Metrik (d.h. einzig die Anzahl der Router zum Ziel spielt eine Rolle) maximaler Hop-Count: 16 (=unendlich) ( RIP nur für kleine Netze geeignet) Verbreitung der Routen alle 30 sek. via Broadcast nach 180 Sek. ohne neues Update Route als unbrauchbar markiert nach 240 Sek. ohne Update Route wird gelöscht Routingprotokolle 29

30 RIP: Beispiel A a b R1 D Initialfall: Router kennen nur ihre direkten Nachbarn R1 R2 R3 Ziel Intf. Hops Ziel Intf. Hops Ziel Intf. Hops B C a d b R2 c a b R3 A a 1 R2 b 1 B a 1 C d 1 R1 b 1 R3 c 1 D b 1 R2 a 1 1. Update: Nachbarrouter tauschen ihre Routingtabellen aus R2 lernt dabei Routen zum Ziel A und D, R1 und R3 wiederum zu den Zielen B,C,R3 bzw. B,C,R1 R1 R2 R3 Ziel Intf. Hops Ziel Intf. Hops Ziel Intf. Hops A a 1 B b 2 C b 2 R2 b 1 R3 b 2 A b 2 B a 1 C d 1 D c 2 R1 b 1 R3 c 1 B a 2 C a 2 D b 1 R1 a 2 R2 a 1 Routingprotokolle 30

31 RIP: Beispiel A a b R1 D Ausgangspunkt nach 1. Update R1 R2 R3 Ziel Intf. Hops Ziel Intf. Hops Ziel Intf. Hops B C a d b R2 c a b R3 A a 1 B b 2 C b 2 R2 b 1 A b 2 B a 1 C d 1 D c 2 B a 2 C a 2 D b 1 R1 a 2 R3 b 2 R1 b 1 R3 c 1 R2 a 1 2. Update: Nachbarrouter tauschen wieder ihre Routingtabellen aus und updaten die Ihrige. Für R2 ergeben sich keine neuen Informationen, er hält seinen Zustand stabil. R1 und R3 lernen von R2 noch das Netz D bzw. A. R1 R2 [ stabil ] R3 Ziel Intf. Hops Ziel Intf. Hops Ziel Intf. Hops A a 1 B b 2 C b 2 D b 3 R2 b 1 A b 2 B a 1 C d 1 D c 2 R1 b 1 A a 3 B a 2 C a 2 D b 1 R1 a 2 R3 b 2 R3 c 1 R2 a 1 Routingprotokolle 31

32 RIP: Beispiel A a b R1 D Ausgangspunkt nach 2. Update: R1 R2 [stabil] R3 Ziel Intf. Hops Ziel Intf. Hops Ziel Intf. Hops B C a d b R2 c a b R3 A a 1 B b 2 C b 2 D b 3 A b 2 B a 1 C d 1 D c 2 A a 3 B a 2 C a 2 D b 1 R2 b 1 R1 b 1 R1 a 2 R3 b 2 R3 c 1 R2 a 1 3. Update: Ein erneuter Austausch der Routingtabellen bringt keinem Router mehr eine Änderung. Nach diesem Durchgang sind die Routingtabellen auf alle Routern stabil R1 [stabil] R2 [stabil] R3 [stabil] Ziel Intf. Hops Ziel Intf. Hops Ziel Intf. Hops A a 1 B b 2 C b 2 D b 3 R2 b 1 R3 b 2 A b 2 B a 1 C d 1 D c 2 R1 b 1 R3 c 1 A a 3 B a 2 C a 2 D b 1 R1 a 2 R2 a 1 Routingprotokolle 32

33 RIP: Probleme: Wenn der Bagger. Routingschleifen: Counting to Infinity Szenario: Router R1 hat Route zu Netz A mit Distanz=1 (direkt angeschlossen) Router R2 hat ebenfalls Route zu Netz A mit Distanz=2 (d.h. via R1) Router senden periodisch ihre Tabellen an Nachbarn (ca. alle 30sek) Fehlerfall: Verbindung zu Netz A geht verloren R1 wird beim nächsten periodischen Update den kaputten Link mit Metrik=16 in der Routingtabelle für ungültig erklären Schafft es R1 sein Routingupdate vor R2 zu verschicken, gibt es kein Problem Aber: Falls R2 vor R1 sein Routingupdate verschickt, wird R1 eine Route für A von R2 lernen (mit Distanz =3). Diese Route wird R1 wieder an R2 verbreiten, R2 aktualisiert dann seine Route für A mit Distanz=4 usw A R1 R2 Routingprotokolle 33

34 RIP: Erweiterung RIP, Ansätze zur Problemlösung Split Horizon Grundidee: es macht keinen Sinn, Routen in die Richtung weiterzugeben, aus der man sie bekommen hat Split Horizon with Poison Reverse Grundidee: sende Routinginformationen in die Richtung, aus der sie gekommen sind mit Metrik 16 (unendlich) zurück Holddown Grundidee: akzeptiere keine Routinginformationen zu einem Ziel, für welches man selbst eben Informationen verbeitet hat, für eine gewisse Zeit Routingprotokolle 34

35 Link-State-Protokolle Hauptnachteile von RIP/Distanzvektorprotokollen Relativ langsame Konvergenz (Minutenbereich) Nur HopCount als Metrik Nur für kleinere Netze geeignet Für größere lokale Netze mit erweiterten Anforderungen: Link-State-Protokolle Routingprotokolle 35

36 Link-State-Protokolle Link-State Routingprotokolle Prinzip: Verbreiten des Status und individueller Kosten der Iokalen Interfaces eines Routers an alle anderen Router Jeder Router baut dadurch eine Datenbank mit der kompletten Topologie des Netzwerks auf Updates eines Routers (z.b. wenn ein Netz down geht) werden bei Bedarf und inkrementell an alle anderen Router gesendet (schnell!) Jeder Router ermittelt durch SPF-Algorithmus (Shortest Path First, Spannbaumalgorithmus) zu jedem Start und Zielpunkt den jeweils kürzesten/schnellsten/billigsten Pfad Aufbau einer effizienten Routingtabelle ohne Routingschleifen auf allen Routern (Spannbaumprinzip) Routingprotokolle 36

37 Link-State-Protokolle Link-State : Jeder Router baut eine Verbindung zu seinen unmittelbaren Nachbarn auf, und bei jeder Änderung in seinen Routingtabellen gibt er sofort seine Routinginformationen an die Nachbarn weiter ( full update oder inkrementell). - Austausch von LSAs: (Link State Advertisements) R1 B R2 R4 A R3 C D Routingprotokolle 37

38 OSPF: Arbeitsweise (I) Austausch von LSAs (Routinginformationen): Flooding R2 R4 R1 R3 R5 R6 Bsp:. Ein Router (z.b. R3) fährt hoch und sendet als Erstes seine Routinginformationen an alle angeschlossenen Nachbarn Routingprotokolle 38

39 OSPF: Arbeitsweise (II) Weitergabe der Routinginformationen durch das Netz R2 R4 R1 R3 R5 R6 Die Nachbarn aktualisieren augenblicklich ihre Datenbasis und kontaktieren daraufhin ebenfalls ihre Nachbarn: Die Topologie wird durch das gesamte Netz geflutet Routingprotokolle 39

40 OSPF: Arbeitsweise (III) Bestätigung von Routinginformationen R2 R4 R1 R3 R5 LSAs werden grundsätzlich mit einer Ack -Botschaft quittiert R6 Routingprotokolle 40

41 Link-State-Protokolle Nach kurzer Zeit hält jeder Router danach eine stets aktuelle Sicht des kompletten Netzwerks vorrätig A R1 B C R2 R3 D R4 R2 A R1 B C R2 R3 D R4 R1 R4 B A R3 A R1 B R2 R3 R4 A R1 B C R2 R3 D R4 C D C D Routingprotokolle 41

42 Link-State-Protokolle: SPF(I) Danach: Jeder Router wendet SPF (Shortest Path First) Algorithmus an Grundbestandteil eines link-state Routingprotokolls auch: optimum path Algorithmus: Findet den kürzesten Weg in einem vermaschten Graphen Somit kann jeder Router eine optimale Routingtabelle zu allen Zielen aufbauen Sobald ein Router eine Status-Änderung eines seiner Interfaces meldet, passen sämtliche Router im Netz sofort ihre Topologiedatenbank an und berechnen via SPF eine neue optimierte Routingtabelle Konvergenzgeschwindigkeit von nur wenigen Sekunden (im Vergleich zu Minuten bei RIP) bekanntester SPF-Algorithmus: Dijkstra Routingprotokolle 42

43 Link-State-Protokolle: SPF (II) Berechnung der Routingtabelle individuell auf jeden Router mittels SPF-Algorithmus (inkl. Kostenmaß!) A R1 B C R2 R3 D R4 SPF Ziel via Kosten A R3.. B R2.. C R3.. D R3.. R4 Routingprotokolle 43

44 Link-State-Protokolle: SPF(III) SPF (Shortest Path First) Prinzip Algorithmus least-cost Gewichtung für jeden Pfad alle Nodes mit least-cost Kriterium an bekanntem Pfad beschriftet, wenn Pfad unbekannt, dann mit beschriftet jede Node wird im Verhältnis zu benachbarten Nodes untersucht, wonach die Source-Node mit den Kosten seiner Nachbarn initialisiert wird die Node, die zur aktuellen am nächsten ist (geringste Kosten) wird als neue working node bestimmt, der Algorithmus wird iterativ fortgesetzt Routingprotokolle 44

45 Link-State-Protokolle: SPF(IV) SPF (Shortest Path First) Algorithmus 1. Let D(v)=sum of link weights on a given path 2. Let c(i,j)=the cost between node i and j 3. Set n={1} 4. For each node (v) not in N, set D(v)=c(1,v) 5. For each step, find a node w not in N for which D(w) is a minimum; add w to set N 6. Update D(v) for all nodes still not in N by: D(v) min[d(v), D(w)+c(w,v)] 7. Repeat steps (4) through (6) until all nodes are in set N Routingprotokolle 45

46 Linkstate Protokoll: Praktische Implementierung OSPF - Open Shortest Path First Das am meisten verbreitete LinkState Routingprotokoll entwickelt von J. Moy OSPFv1, v2 oder v3 (IPv6) IGP-Einsatz, d.h. nur innerhalb von AS verwendet Routingprotokolle 46

47 OSPF Vorteile Kryptographisch abgesichert (MD5 Checksum) flexible Metriken für Routingentscheidungen (z.b. Distance, Hop-Count, $$) Wertebereich für Metrik von 1 bis Skalierbarkeit Unterstützung von mehreren Wegen (equal path load sharing, unequal path load sharing) Routingprotokolle 47

48 OSPF: Eigenschaften Unterstützung von unterschiedlichen Metriken für Hin- und Rückrichtung Router A A s link cost = 4 Router B B s link cost = 1 Routingprotokolle 48

49 OSPF: Besonderheiten OSPF Areas Anzahl der LSAs für den Austausch von Routinginformationen ist sehr groß Splitten eines Backbone in sog. Areas Designated Router Oftmals stehen in einem (Broadcast-)Netz mehrere Router LSA-Flooding zwischen diesen Routern würde das LAN unnötig hoch belasten Wahl eines DR (Designated Router) pro LAN bzw. Broadcast- Netz, der für die LSA-Verteilung zuständig ist Routingprotokolle 49

50 Pfad-Vektor Protokolle Situation Sowohl RIP als auch OSPF sind IGP-Protokolle (d.h. nur für Routing innerhalb eines AS / Intranets gedacht) Für Routing zwischen Autonomen Systemen ( Internet) sind diese Protokolle nicht geeignet: Linkstate-Protokolle sind im Internet praktisch nicht durchführbar Distanz-Vektor Protokolle weisen bei größeren Netzen zu gravierende Nachteile auf (z.b. Hang zur Schleifenbildung) Entwurf eines neuen Protokokolls fuer inter-as ( Inter-net ) Routing: Pfad-Vektor Protokolle Routingprotokolle 50

51 BGP (I) Pfad-Vektor Protokolle Einsatz für Routing zwischen verschiedenen AS Prinzip wie Distanz-Vektor Protokoll Distanz-Vektor: Routing-Update enthält Ziel und zugehöriger Hopcount Pfad-Vektor: Routing-Update enthält Ziel und zugehöriger Pfad der zu durchlaufenen AS (Länge des Pfades als Metrik) Vermeidung von Routing-Schleifen Updates wird verworfen, wenn eigenes AS innerhalb der Pfadliste des Updates einer Route auftaucht. Einziger praktischer Vertreter: BGP Routingprotokolle 51

52 BGP (II) Bsp.: Prinzip BGP Routingupdate (ausgehend von BGP-Router AS60055) Quelle: oreilly.com Routingprotokolle 52

53 BGP (III) Prinzipielle Nachteile von BGP: Keine Möglichkeit der Lastverteilung nur eine Route pro Netz wird ausgewählt Auswahl nur nach Anzahl AS, nicht jedoch nach Hops Anzahl der Hops innerhalb eines AS unklar! keine Berücksichtigung der Link-Geschwindigkeiten Sicherheitsaspekte (Spoofing) Problem von Route-Flaps und Update-Bursts Routingprotokolle 53

54 Danke! Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Routingprotokolle 54