Rechnernetze I. Rechnernetze I. 6 Routing SS Universität Siegen Tel.: 0271/ , Büro: H-B 8404 SS 2016

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1 Rechnernetze I SS 206 Universität Siegen rolanda.dwismuellera@duni-siegena.de Tel.: 027/ , üro: H Stand: 7. Juli 206 etriebssysteme / verteilte Systeme Rechnernetze I (/3) i Rechnernetze I SS Routing etriebssysteme / verteilte Systeme Rechnernetze I (8/3) 7

2 6 Routing... OSI: 3 Inhalt Einführung Routing innerhalb einer Domain Distance Vector Routing (RIP, EIGRP) Link State Routing (OSPF) Interdomain-Routing order Gateway Protocol (GP) Peterson, Kap etriebssysteme / verteilte Systeme Rechnernetze I (8/3) Einführung Heutige Struktur des Internet Transit S Peering point ISP Großes Unternehmen ackbone Service Provider Multihome S (leitet keinen Verkehr weiter) ISP Peering point Großes Unternehmen ISP Kleines Unternehmen utonomes System (S) ISP: Internet Service Provider etriebssysteme / verteilte Systeme Rechnernetze I (8/3) 73

3 6. Einführung... Routing im Internet Heute ca autonome Systeme (S) ackbones, Provider, Endbenutzer Netzwerk-dressen werden an S zugewiesen Probleme: Skalierbarkeit, heterogene dministration Hierarchischer nsatz: Routing Domains Routing innerhalb eines administrativen ereichs (z.. Campus, Unternehmen, Provider) Interior Gateway Protocols (IGP) z.. RIP, OSPF, EIGRP (Cisco) Interdomain Routing (zwischen Teilnetzen des Internet) Exterior Gateway Protocols (EGP) z.. GP (order Gateway Protocol) etriebssysteme / verteilte Systeme Rechnernetze I (8/3) Routing innerhalb eines ereichs OSI: 3 Routing als Graph-Problem Knoten: Router Hosts Netzwerke Kanten: Verbindungen C mit Kosten (Metrik) (symmetrisch oder asymmetrisch) E D 6 2 F ufgabe des Routings: finde Pfade mit geringsten Kosten zwischen allen Paaren von Knoten etriebssysteme / verteilte Systeme Rechnernetze I (8/3) 75

4 nmerkungen zu Folie 75: Im Graphen werden üblicherweise nur die Router mit den Verbindungen (d.h. Netzen) zwischen ihnen modelliert. n vielen Router sind i.d.r. natürlich noch ein oder mehrere lokale Netze angeschlossen, die im Graphen aber nicht dargestellt sind. Zur estimmung der Kosten einer Verbindung können typischerweise die andbreite, die Latenz und die uslastung der Verbindung herangezogen werden. Man hat durch Erfahrung gelernt, daß der Wertebereich dabei relativ eng sein muß, damit der billigste Link nicht völlig überlastet wird. Die andbreite ist dabei wichtiger als die Latenz, die uslastung sollte nur bei mittlerer bis hoher Last in die Kosten eingehen. Im einfachsten Fall können die Kosten auch für jede Verbindung gleich gewählt werden (i.d.r. als ) Routing innerhalb eines ereichs... Statisches Routing Pfade werden manuell bestimmt und in Tabellen eingetragen Probleme: usfall von Knoten / Verbindungen neue Knoten / Verbindungen dynamische Änderung der Verbindungskosten (Last) Dynamisches Routing Verteilte lgorithmen zum ufbau der Tabellen nforderungen: schnelle Konvergenz / Skalierbarkeit einfache dministration etriebssysteme / verteilte Systeme Rechnernetze I (8/3) 76

5 6.2. Distance Vector Routing Router kennen nur Distanz und Richtung (Next Hop) zum Ziel nur diese Informationen werden (mit Nachbarn) ausgetauscht Verteilter lgorithmus zur Erstellung der Routing-Tabellen typisch: ellman-ford-lgorithmus eispiel: C E D Vereinfachung: alle Link Kosten seien F G etriebssysteme / verteilte Systeme Rechnernetze I (8/3) Distance Vector Routing... eispiel:... Initial besitzen die Router Information über die folgenden Distanzvektoren (verteilt!) Distanz zu Knoten F E C D G Information bei C D E F G etriebssysteme / verteilte Systeme Rechnernetze I (8/3) C D E F G

6 6.2. Distance Vector Routing... eispiel:... Initiale Routing-Tabelle von : kennt nur seine direkten Nachbarn Ziel C D E F G Kosten NextHop C E F etriebssysteme / verteilte Systeme Rechnernetze I (8/3) Distance Vector Routing... Vorgehensweise Nachrichtenaustausch zur Erstellung der Routing-Tabellen: Router senden ihren Distanzvektor an alle direkten Nachbarn bessere Routen werden in den eigenen Distanzvektor (und die Routing-Tabelle) übernommen aber auch schlechtere vom Next Hop Nach mehreren Runden des Nachrichtenaustauschs konvergieren die Distanzvektoren... jedenfalls meistens!! Der Nachrichtenaustausch erfolgt periodisch (typ. alle 30 s) bei Änderung des Distanzvektors eines Knotens z.. usfall einer Verbindung, neue Verbindung auf nfrage (z.. bei Neustart eines Routers) etriebssysteme / verteilte Systeme Rechnernetze I (8/3) 80

7 6.2. Distance Vector Routing... eispiel... Distanzvektoren nach dem Konvergieren des Verfahrens: Distanz zu Knoten E C D Information bei C 0 C D E F G F G D E F G etriebssysteme / verteilte Systeme Rechnernetze I (8/3) Distance Vector Routing... (nimierte Folie) Problem des lgorithmus: Count-to-Infinity eispiel: erkennt usfall der Verbindung zu E C Zeitliche Entwicklung der Distanz Vektoren zu E: : (, ) (4,) E D : (2,) (, ) (3,C) (6,C) F G C: (2,) (, ) (5,) Distanz zu E Next Hop Zeit Keine wirklich gute, allgemeine Lösung des Problems pragmatisch: beschränke auf den Wert 6 etriebssysteme / verteilte Systeme Rechnernetze I (8/3) 82

8 nmerkungen zu Folie 82: Neben dem Count-to-Infinity-Problem können beim Distanzvektor-Routing auch Routing-Schleifen entstehen. Im eispiel entsteht während des Hochzählens eine Routing-Schleife (C C), in der Pakete kreisen, bis sie wegen TTL=0 verworfen werden. Weitere Maßnahmen, um die genannten Probleme zu verhindern, sind: Split Horizon: Information, die über eine bestimmte Schnittstelle gelernt wurde, wird nicht wieder an dieselbe Schnittstelle weitergegeben. Dies kann Routing-Schleifen verhindern, sofern das Netzwerk zyklenfrei ist (was im eispiel nicht der Fall ist). Route Poisoning: Nicht mehr verfügbare Routen werden im Distanzvektor nicht gelöscht, sondern mit einer Metrik von 6 (d.h. ) weitergegeben. Im eispiel auf der Folie wird dies bereits so gemacht, kann in diesem Fall das Problem aber nicht verhindern. Holddown-Timer: wenn eine Route ausfällt, wird diese zunächst nur markiert. is der Timer abläuft (typ. 80s), werden empfangene ktualisierungen für die Route ignoriert, die die gleiche oder eine schlechtere Metrik haben wie die Metrik vor dem usfall. Im eispiel würde die falsche ktualisierung von C ignorieren, wenn sie vor blauf des Timers eintrifft Distance Vector Routing... RIP (Routing Information Protocol) Einfaches Distance Vector Routing Protokoll Internet-Standard lle Link-Kosten sind, d.h. Distanz = Hop Count Drei Versionen: RIPv: leitet keine Präfixlänge weiter Subnetting nur möglich, wenn alle Subnetze des klassenbehafteten Netzes dieselbe Größe haben d.h. Subnetzmaske ist global RIPv2: ermöglicht klassenloses Routing RIPng: unterstützt IPv6 etriebssysteme / verteilte Systeme Rechnernetze I (8/3) 83

9 nmerkungen zu Folie 83: RIP-Pakete werden mittels UDP übertragen (in RIPv als roadcast, in späteren Versionen als Multicast). RIPv ist im Detail im RFC 058 spezifiziert, RIPv2 im RFC 2453, RIPng im RFC Distance Vector Routing... EIGRP (Enhanced Interior Gateway Routing Protocol) Erweitertes Distance Vector Routing Protokoll CISCO-proprietär, seit 203 offener Internet-Standard Link-Kosten berücksichtigen andbreite und Latenz Unterstützt IPv4, IPv6 und andere Schicht-3-Protokolle Updates nur bei Änderungen, kein Count-to-Infinity ehält alle Routen, nicht nur die beste este Route zu X: über R2, Distanz 7 Mögliche Route zu X: über R3, Distanz: 9 R X: 2 X: 5 Kosten: 5 Kosten: 4 etriebssysteme / verteilte Systeme Rechnernetze I (8/3) 84 R2 R3 Distanz: 2 Distanz: 5 X

10 nmerkungen zu Folie 84: Im Gegensatz zu RIP behält EIGRP von den eingehenden Distanzvektoren nicht nur den besten, der zum kürzesten Weg zum Ziel gehört, sonden alle, die zu garantiert zyklenfreien Wegen zum Ziel gehören. Um die Zyklenfreiheit zu garantieren, vergleicht EIGRP beim Empfang eines Distanzvektor in einem Router R die darin gemeldete Distanz des Senders S zum Ziel mit der (aktuell bekannten) eigenen Distanz zum Ziel. Hat S eine kleinere Distanz, kann sein bester Weg nicht über R gehen, da die Link-Kosten nicht negativ werden können. Wenn im gezeichneten eispiel R den Distanzvektor von R2 erhält (rote Nachricht mit eschriftung X: 2 ), trägt er als beste Route zu X die über R2 ein, mit einer Distanz von 2+5=7. eim Erhalt des Distanzvektors von R3 ( X: 5 ) stellt R fest, daß die von R3 gemeldete Distanz 5 kleiner als seine eigene (7) ist, und der Weg von R3 nach X daher nicht über R führen kann. R3 ist damit ein möglicher Nachfolger (feasible successor) von R auf dem Weg zu X. ei usfall der Verbindung zwischen R und R2 kann R daher die Route in der Weiterleitungstabelle sofort so abändern, daß R3 der Next Hop wird. Er muß dazu nicht auf Routing-Nachrichten anderer Route warten. Um den usfall von Verbindungen zu erkennen, sendet EIGRP regelmäßige Hello-Pakete an alle Nachbarn. EIGRP-Pakete werden über ein eigenes, zuverlässiges Transportprotokoll (Reliable Transport Protocol, RTP) übertragen, das auf IP aufsetzt. 84- Den Informational RFC zu EIGRP finden Sie unter der URL

11 6.2.2 Link State Routing Grund problem beim Distance Vector Routing: Router haben ausschließlich lokale Information Link State Routing: Router erhalten Information über die Struktur des gesamten Netzwerks Vorgehensweise: Kennenlernen der direkten Nachbarn einschließlich der Link-Kosten Versenden von Link State Paketen an alle anderen Router (Reliable Flooding) erechnung der kürzesten Wege mit Dijkstra-lgorithmus etriebssysteme / verteilte Systeme Rechnernetze I (8/3) Link State Routing... Link State Pakete Inhalt eines Link State Pakets: ID des erzeugenden Routers Liste der direkten Nachbarn mit Link-Kosten Sequenznummer Paket nur weitergeleitet, wenn die Sequenznummer größer als die des letzten weitergeleiteten Pakets ist Time-to-Live (TTL) jeder Router dekrementiert TTL bei TTL = 0 wird das Paket gelöscht Versenden der Link State Pakete Periodisch ( Stunden) oder bei Topologie-Änderungen etriebssysteme / verteilte Systeme Rechnernetze I (8/3) 86

12 6.2.2 Link State Routing... Reliable Flooding Flooding mit CK und ggf. wiederholter Übertragung () X erzeugt Paket (2) X sendet an und C X X C D C D Sequenznum mer verhindert, daß Paket zweimal an D sendet (3) und C senden an (4) sendet an D X X C D C D etriebssysteme / verteilte Systeme Rechnernetze I (8/3) Link State Routing... Dijkstra-lgorithmus zur estimmung kürzester Wege Eingabe: N: Knotenmenge, l(i, j): Link-Kosten, s: Startknoten usgabe: C(n): Pfad-Kosten von s zu n lgorithmus: M = {s} Für alle n N {s} : C(n) = l(s,n) Solange M N : Wähle w N M so, daß C(w) minimal ist M = M {w} Für alle n N M : C(n) = min(c(n), C(w) +l(w,n)) etriebssysteme / verteilte Systeme Rechnernetze I (8/3) 88

13 6.2.2 Link State Routing... eispiel C D 2 Schritt w M C() C(C) C(D) Initial {} 5 0 {,} C {,,C} D {,,C,D} etriebssysteme / verteilte Systeme Rechnernetze I (8/3) 89 nmerkungen zu Folie 89: Um neben der kürzesten Entfernung auch den nächsten Knoten auf dem Weg zum Ziel (Next Hop) zu erhalten, kann der Dijkstra-lgorithmus einfach erweitert werden. Die notwendige Erweiterung ist hier nicht dargestellt, sondern bleibt Ihnen als Übung überlassen. 89-

14 6.2.2 Link State Routing... OSPF (Open Shortest Path First) Weit verbreitetes Link State Routing Protokoll Internet-Standard Link Metrik nicht spezifiziert, in der Praxis: andbreite Versionen: OSPFv2 für IPv4, OSPFv3 für IPv6 esonderheit in Mehrfachzugriffsnetzen: Router wählen einen designierten Router (DR) und einen ackup DR (DR) bei usfall DR: DR wird neuer DR, Neuwahl DR Link State Pakete werden nur an diese gesendet und vom DR an alle weiterverteilt verhindert exzessives Flooding im Netz etriebssysteme / verteilte Systeme Rechnernetze I (8/3) 90 nmerkungen zu Folie 90: OSPF besitzt fünf verschiedene Pakettypen, die in ein IP-Paket gekapselt und per Multicast versendet werden:. Hello-Pakete dienen dazu, die Verbindung zu benachbarten Routern zu testen und in Mehrfachzugriffsnetzen den DR/DR zu wählen. 2. Database Description-Pakete werden verwendet, um den OSPF-Datenbestand eines Routers mit seinem Nachbarn zu synchronisieren, wenn die Verbindung zu diesem Nachbarn hergestellt wird. 3. Link State Request-Pakete dienen zur expliziten nforderung von Link State Information. 4. Link State Update-Pakete enthalten ein oder mehrere Link State dvertisements (LS). Ein LS beschreibt dabei eine Verbindung zwischen zwei Routern. 5. Link State cknowledgements dienen zur estätigung beim Reliable Flooding. OSPFv2 ist im Detail im RFC 2328 spezifiziert, OSPFv3 im RFC

15 Rechnernetze I SS Universität Siegen rolanda.dwismuellera@duni-siegena.de Tel.: 027/ , üro: H Stand: 7. Juli 206 etriebssysteme / verteilte Systeme Rechnernetze I (9/3) ix Link State Routing... Multi-rea OSPF Für große Routing-Domains: OSPF erlaubt Einführung einer weiteren Hierarchieebene: Routing-ereiche (reas) eispiel: R9 ereich ereich 0 ereich 3 (ackbone) R8 R7 R R2 R3 R4 R, R3: rea order Router R6 R5 ereich 2 etriebssysteme / verteilte Systeme Rechnernetze I (9/3) 9

16 6.2.2 Link State Routing... Multi-rea OSPF... Innerhalb jedes ereichs: Flooding von Link-State-Paketen rea order Router (R) geben diese nicht weiter Stattdessen: R sendet zusammengefaßte Information nur ein Link-State-Paket für den gesamten ereich R spiegelt vor, daß alle Hosts in seinem ereich direkt mit ihm verbunden sind Pakete zwischen ereichen immer über R geleitet bei mehreren R: automatische uswahl über die Link-Kosten Damit: bessere Skalierbarkeit kleinere Graphen in den einzelnen Routing-ereichen weniger Neuberechnungen der kürzesten Wege evtl. aber suboptimale Routen etriebssysteme / verteilte Systeme Rechnernetze I (9/3) 92 nmerkungen zu Folie 92: OSPF verwendet fünf verschiedene rten von Link State dvertisements: Typ : enthält Information zu allen Router-Schnittstellen eines ereichs, wird nur innerhalb des ereichs weitergegeben. Typ 2: wird vom DR an alle Router eines Mehrfachzugriffsnetzes gesendet, Weitergabe nur innerhalb eines ereichts. Typ 3: Zusammengefasste Information zur Erreichbarkeit von Netzen aus anderem ereich. Typ 4: Information zur Erreichbarkeit des S oundary Routers. Typ 5: Information zur Erreichbarkeit von Netzen ausserhalb des S (vom S oundary Router erzeugt). Suboptimale Routen entstehen zum einen durch die von Multi-rea OSPF erzwungene Topologie mit einem zentralen ackbone-ereich, zum anderen durch die Implementierung des OSPF Protokolls. Details dazu finden Sie im Internet- Draft 92-

17 6.2.2 Link State Routing... Routing-Hierarchie mit Multi-rea OSPF GP verbindet autonome Systeme ackbone ereich ackbone Router rea order Router ereich S oundary Router (order Gateway) S OSPF S 2 OSPF Interner Router etriebssysteme / verteilte Systeme Rechnernetze I (9/3) Interdomain Routing Routing innerhalb und außerhalb von Domains Innerhalb einer Domain: RIP, OSPF estimmung optimaler Routen Zwischen Domains: order Gateway Protocol (GP) utonome Systeme keine gemeinsame Metrik Routen werden politisch bestimmt benutze Provider für dressen xyz benutze Pfad über möglichst wenige S Wichtigstes Ziel: Erreichbarkeit gute Routen sind sekundär etriebssysteme / verteilte Systeme Rechnernetze I (9/3) 94

18 6.3 Interdomain Routing... Routing mit GP Jedes utonome System (S) hat ein oder mehrere order Router Verbindung zu anderen S einen GP Sprecher, der bekanntgibt: lokales Netzwerk über dieses S erreichbare Netzwerke (nur, wenn das S Pakete an andere S weiterleitet) ekanntgegeben werden vollständige Pfade zur Vermeidung von zyklischen Routen etriebssysteme / verteilte Systeme Rechnernetze I (9/3) Interdomain Routing... eispiel ackbone Netzwerk (S ) Regionaler Provider (S 2) Regionaler Provider (S 3) Kunde P (S 4) Kunde Q (S 5) Kunde R (S 6) Kunde S (S 7) / / / / / / /24 S 2 gibt (u.a.) bekannt: ich kann S 4, S 5 direkt erreichen Netze /6, /24, /24, /24 S gibt (u.a.) bekannt: ich kann S 4, S 5 über S 2 erreichen etriebssysteme / verteilte Systeme Rechnernetze I (9/3) 96

19 6.4 Zusammenfassung Routing im kleinen (innerhalb einer Domain): Suche optimale Pfade Distance Vector Routing (nur mit lokaler Information) Link State Routing (globale Information, reliable Flooding) Routing im großen (zwischen Domains) order Gateway Protocol ekanntgabe der Erreichbarkeit Routenwahl ist politische Entscheidung Nächste Lektion: Ende-zu-Ende Prokotolle: UDP, TCP etriebssysteme / verteilte Systeme Rechnernetze I (9/3) 97