Grundlagen zu Routing und Subnetzbildung, Teil 2

Routing fungiert als hierarchisches Organisationssystem. Es ermöglicht die Zusammenfassung einzelner Adressen zu Gruppen und deren Behandlung als Einheit, bis die tatsächliche Endadresse für die Auslieferung der Daten an den eigentlichen Empfänger benötigt wird. Unter dem Begriff „Routing“ versteht man die Ermittlung des effizientesten Pfades von einem Gerät zum anderen. Das Hauptgerät, das diesen Vorgang durchführt, bezeichnet man als Router.

Routing-Protokolle ermöglichen Routern die Kommunikation mit anderen Routern zum Zweck der Aktualisierung der Tabellen. Im ersten Teil der dreiteiligen Artikelserie „Grundlagen zu Routing und Subnetzbildung“ haben wir Sie über die generellen Aufgaben des Routings und von Protokollen informiert. Im zweiten Teil erläutern wir, wie die Pfadermittlung zwischen Routern mit Hilfe der Routing-Protokolle funktioniert.

Die Artikelserie „Grundlagen zu Routing und Subnetzbildung“ basiert auf dem Kapitel 10 des Standardwerks „Cisco Networking Acadamy Program, 1. und 2. Semester“ von Cisco Systems aus dem Markt+Technik Verlag. Sie können dieses über 1000 Seiten starke Buch auch in unserem Buchshop bestellen oder als eBook herunterladen.

Grundlagen zu Routing und Subnetzbildung

Teil 1	Routing und Protokolle
Teil 2	IP-Routing-Protokolle
Teil 3	Subnetzbildung

Hauptfunktionen von Routern

Router haben im Prinzip zwei Hauptfunktionen. Sie müssen zum einen Routing-Tabellen führen und sicherstellen, dass andere Router von Änderungen in der Netzwerktopologie erfahren. Diese Funktion wird mithilfe eines Routing-Protokolls realisiert, das Änderungen anderen Routern mitteilt.

Wenn Pakete an der Schnittstelle eintreffen, muss der Router zum anderen anhand der Routing-Tabelle bestimmen, wohin diese weitergeleitet werden müssen. Er überträgt sie dann an die passende Schnittstelle, ergänzt das hierfür notwendige Framing und sendet den Frame.

Ein Router ist ein Gerät der Vermittlungsschicht, das eine oder mehrere Routing-Metriken zur Bestimmung des optimalen Pfades verwendet, über den die Netzwerkdaten weitergeleitet werden sollen. Unter der Metrik versteht man einen Wert, der angibt, wie wünschenswert die Übertragung über eine bestimmte Schnittstelle ist. Routing-Protokolle verwenden verschiedene Kombinationen von Kriterien, um die Metrik zu ermitteln.

Metriken wie die Anzahl der Hops, Bandbreite, Verzögerung, Zuverlässigkeit, Last und Kosten werden in unterschiedlichen Kombinationen berechnet, um den besten Pfad durch einen Netzwerkverbund zu bestimmen. Router verbinden Netzwerksegmente oder ganze Netzwerke miteinander. Sie leiten Daten-Frames basierend auf den Informationen der Schicht 3 zwischen Netzwerken weiter.

Kapselung von Paketen

Router treffen hinsichtlich des besten Transportpfades für Daten in einem Netzwerkverbund logische Entscheidungen und führen die Weiterleitung der Pakete zu den geeigneten Ausgangsports durch, wo sie dann für die Übertragung gekapselt werden.

Bei der Kapselung wird der Datenstrom in Segmente unterteilt, die passenden Header und Trailer werden hinzugefügt, und dann werden die Daten gesendet. Bei der Entkapselung geschieht das Umgekehrte, d.h., die Header und Trailer werden entfernt, und dann werden die Daten wieder zu einem kontinuierlichen Datenstrom zusammengefügt. Router akzeptieren Frames von LAN-Geräten (zum Beispiel Workstations) und leiten diese basierend auf der Schicht-3-Information weiter durch das Netzwerk.

Es ist wichtig zu wissen, dass es auch andere geroutete Protokolle gibt, so etwa IPX/SPX und AppleTalk. IP und die anderen gerouteten Protokolle bieten Unterstützung für die Schicht 3 und sind insofern routbare Protokolle. Es gibt auch andere Protokolle, welche die Vermittlungsschicht nicht unterstützen; diese heißen „nicht geroutete“ Protokolle. Das gängigste Beispiel für solche Protokolle ist NetBEUI (NetBIOS Extended User Interface. Hierbei handelt es sich um ein kleines, schnelles und effizient arbeitendes Protokoll, dessen Einsatz aus genau diesen Gründen auf ein Segment beschränkt ist.

Routing und Switching im Vergleich

Routing wird oft dem Switching in Schicht 2 gegenübergestellt und mag dem flüchtigen Beobachter als mehr oder weniger identische Funktionalität erscheinen. Der wesentliche Unterschied zwischen den beiden Funktionen besteht darin, dass das Switching in Schicht 2 (Sicherungsschicht) des OSI-Modells stattfindet, das Routing hingegen in Schicht 3. Dieser Unterschied bedeutet, dass Routing und Switching bei der Weiterleitung von Daten von einem Absender an einen Empfänger unterschiedliche Informationen verwenden.

Die Beziehung zwischen Switching und Routing ähnelt dem zwischen einem Orts- und einem Ferngespräch beim Telefonieren. Wenn ein Anruf bei einem anderen örtlichen Teilnehmer (das heißt einem Teilnehmer mit identischer Ortsvorwahl) gemacht wird, dann wird dieser über einen lokalen Switch vermittelt. Dieser Switch kann sich jedoch nicht alle Telefonnummer in der ganzen Welt merken, sondern nur die lokalen Nummern speichern. Empfängt er dann einen Anruf für einen Teilnehmer außerhalb des lokalen Bereichs, dann leitet er diesen an einen anderen Switch weiter, der auf einer höheren Ebene agiert und Ortsvorwahlen kennt. Dieser übergeordnete Switch schaltet den Anruf dann so, dass er letzten Endes über den lokalen Switch geführt wird, dessen Ortsbereich die gewählte Ortskennzahl zugeordnet ist.

Router arbeitet in höherer Schicht

Der Router hat eine Funktion, die der des übergeordneten Switchs im Telefonnetz ähnelt. Das Schicht-2-Switching findet innerhalb des LAN (Broadcast-Domäne) statt, während das Routing in Schicht 3 Daten zwischen Broadcast-Domänen weiterleitet. Dies macht ein hierarchisches Adressierungssystem notwendig, und ein solches System wird in Schicht 3 über das IP-Protokoll bereitgestellt. Der Schicht-2-Switch kann nur lokale MAC-Adressen, nicht jedoch die IP-Adressen der Schicht 3 verarbeiten. Wenn ein Host Daten an eine nicht lokale IP-Adresse übertragen will, dann sendet er den Frame an sein Default-Gateway, den Router, indem er dazu die MAC-Adresse des Routers als Empfänger verwendet.

Ein Schicht-2-Switch verbindet Segmente miteinander, die dem gleichen logischen Netzwerk oder Subnetz angehören. Wenn ein Host X einen Frame an einen Host in einem anderen Netzwerk oder Subnetz übertragen will, dann schickt er den Frame an den Router, der auch mit dem Switch verbunden ist. Host X kennt die IP-Adresse des Routers, weil die IP-Konfiguration des Hosts auch die IP-Adresse des Default-Gateways enthält; die MAC-Adresse des Routers hingegen kennt er (noch) nicht. Diese erfährt er mithilfe einer ARP-Anfrage, die für eine IP-Adresse die MAC-Adresse liefert.

Der Switch leitet den Frame aufgrund der gespeicherten Empfänger-MAC-Adresse an den Router weiter. Der Router untersucht nun die Empfängeradresse des Pakets in Schicht 3, um eine Entscheidung zur Weiterleitung zu treffen. Das Default-Gateway ist die Schnittstelle des Routers, die an das gleiche Netzwerk oder Subnetz angeschlossen ist wie Host X.

ARP- und Routing-Tabelle

Ähnlich, wie ein Switch eine Tabelle bekannter MAC-Adressen führt, arbeitet auch ein Router mit einer Tabelle, welche die IP-Adressen der ihm bekannten Netzwerke enthält. Eine solche Tabelle heißt Routing-Tabelle. Jede Ethernet-Schnittstelle an einem Computer oder Router führt eine ARP-Tabelle für die Kommunikation in Schicht 2. Die ARP-Tabelle ist allerdings nur für die Broadcast-Domäne gültig, an die das betreffende Gerät angeschlossen ist.

Der Router hat zudem eine Routing-Tabelle, mit deren Hilfe er Daten aus der Broadcast-Domäne heraus routen kann. Jede ARP-Tabelle enthält das betreffende Paar aus IP- und MAC-Adresse. Die Routing-Tabellen enthalten Angaben dazu, wie die Route im jeweiligen Fall erlernt wurde (C steht für eine direkte Verbindung, R für ein Erlernen durch das RIP-Protokoll), welche Netzwerkadresse das jeweilige Netzwerk hat, wie viele Hops bis zu diesem Netzwerk zurückzulegen sind und über welchen Port die Daten gesendet werden müssen, um zum Empfängernetzwerk zu gelangen.

Der Unterschied zwischen den beiden Adresstypen besteht darin, dass MAC-Adressen auf keine besondere Weise organisiert sind. Das ist auch sinnvoll, weil jedes einzelne Netzwerksegment keine große Zahl von Hosts hat, also durchaus leicht zu verwalten ist. Würden allerdings IP-Netzwerkadressen auf die gleiche Weise behandelt, dann würde das Internet nicht funktionieren. Es gäbe keine Möglichkeit, all die Adressen und Pfade zu diesen Adressen zu organisieren – sei es hierarchisch oder auf eine andere Weise.

Die Organisation der IP-Adressen erlaubt jedoch die Gruppierung der Adressen, um diese als Einheit zu behandeln; erst wenn ein bestimmter Host in einem Netzwerk identifiziert werden muss, muss diese Gruppierung aufgelöst werden. Stellen Sie sich diesen Sachverhalt wie eine Bücherei vor, in der Millionen einzelner Buchseiten auf einem großen Haufen aufgeschichtet sind. All dieses Material ist nutzlos, weil es unmöglich ist, ein einzelnes Dokument ausfindig zu machen. Wenn die Seiten allerdings zu Büchern zusammengefasst würden und jede Seite eindeutig markiert wäre und wenn die Bücher dann noch in einem Bibliothekskatalog aufgelistet wären, dann wäre es wesentlich einfacher, Daten zu finden und zu verwenden.

Router bieten mehr Sicherheit

Ein weiterer Unterschied zwischen geswitchten und gerouteten Netzwerken besteht darin, dass geswitchte Schicht-2-Netzwerke Schicht-3-Broadcasts nicht blockieren. Daraus ergibt sich jedoch, dass solche Netzwerke Broadcast-Stürmen zum Opfer fallen können. Router hingegen blockieren Broadcasts normalerweise, sodass ein Broadcast-Sturm nur die Domäne beein­trächtigen kann, aus der er stammt. Router bieten zudem, weil sie Broadcasts blockieren, mehr Sicherheit und bessere Bandbreitenkontrolle als Schicht-2-Switches.

Router und Switches im Vergleich

Funktion	Router	Switch
Geschwindigkeit	langsamer	schneller
OSI-Schicht	Schicht 3	Schicht 2
Adressierungssystem	IP	MAC
Broadcasts	werden blockiert	werden weitergeleitet
Sicherheit	höher	niedriger
Netzwerksegmentierung	segmentiert Broadcast-Domänen	segmentiert Kollisionsdomänen

Geroutete und Routing-Protokolle im Vergleich

In der Vermittlungsschicht werden hier zwei Protokollkategorien verglichen, nämlich geroutete Protokolle und Routing-Protokolle. Geroutete Protokolle transportieren Daten durch ein Netzwerk, während es Routing-Protokolle Routern ermöglichen, Daten optimal von einem Standort zu einem anderen weiterzuleiten.

Protokolle, die Daten von einem Host über einen Router zu einem anderen Host übertragen, sind geroutete Protokolle (oder auch „routbare“ Protokolle):

• Es geht um eine beliebige Netzwerkprotokollfamilie, die genug Informationen in der Vermittlungsschicht enthält, um es einem Router zu ermöglichen, das Paket an das nächste Gerät auf dem Weg zu seinem Empfänger weiterzuleiten.

• Es definiert Format und Verwendung der Felder in einem Paket. Pakete werden normalerweise von Endsystem zu Endsystem befördert.

IP und IPX sind geroutete Protokolle. Weitere Beispiele sind DECnet, Apple­Talk, Banyan VINES und XNS (Xerox Network Systems).

Im Gegensatz zu gerouteten Protokollen verwenden Router Routing-Protokolle, um Routing-Tabellen auszutauschen und Routing-Informationen gemeinsam zu verwenden. Mit anderen Worten: Routing-Protokolle erlauben Routern das Routing gerouteter Protokolle, nachdem ein optimaler Pfad ermittelt wurde. Ein Routing-Protokoll hat folgende Funktion:

• Es stellt Prozesse zur gemeinsamen Nutzung von Informationen bereit.

• Es ermöglicht Routern die Kommunikation mit anderen Routern zwecks Aktualisierung und Wartung der Routing-Tabellen.

Zu den Routing-Protokollen, die mit IP geroutete Protokolle unterstützen, gehören RIP, IGRP, OSPF, BGP (Border Gateway Protocol) und EIGRP.

Pfadermittlung

Die Pfadermittlung erfolgt in der Schicht3 (Vermittlungsschicht). Sie erlaubt einem Router, die möglichen Pfade zu einem Ziel zu bewerten und die bevorzugte Verarbeitungsmethode für ein Paket festzulegen. Routing-Dienste verwenden Netzwerktopologiedaten zur Bestimmung der Netzwerkpfade. Die Pfadsuche ist der Vorgang, bei dem ein Router den nächsten Hop auf dem Weg zum Bestimmungsort eines Pakets ermittelt. Man sagt auch, dass ein Paket geroutet wird.

Die Pfadsuche für ein Paket kann mit einem Autofahrer verglichen werden, der von einer Seite der Stadt zur anderen fährt. Der Fahrer hat eine Karte, die ihm zeigt, über welche Straßen er zum Ziel gelangt. Die Fahrt von einer Kreuzung zu einer anderen kann man als Hop betrachten. Auch ein Router verwendet eine Karte, welche die vorhandenen Wege zu einem Zielort darstellt. Router können ihre Entscheidungen zudem auf der Basis der Datendichte und der Geschwindigkeit einer Verbindung (Bandbreite) treffen, so wie der Fahrer vielleicht eine gut ausgebaute Straße den schmalen Gassen durch Wohngebiete vorziehen würde, auch wenn die Verwendung letzterer von der Entfernung her vielleicht geeigneter wäre.

Ähnlich treffen Router ihre Entscheidungen basierend auf der Last, der Bandbreite, der Latenz, den Kosten und der Zuverlässigkeit einer Netzwerkleitung. Der folgende Vorgang beschreibt, wie der Pfad für jedes einzelne Paket ermittelt wird:

• Aus dem Paket wird die Empfängeradresse ausgelesen.

• Die Maske des ersten Eintrags in der Routing-Tabelle wird auf die Empfängeradresse angewendet. Dann werden die maskierte Empfängeradresse und der Eintrag der Routing-Tabelle miteinander verglichen: Liegt eine Übereinstimmung vor, dann wird das Paket an den Port weitergeleitet, der mit diesem Tabelleneintrag verknüpft ist. Liegt keine Übereinstimmung vor, dann wird der nächste Tabelleneintrag geprüft.

• Kann das Paket keinem Eintrag in der Tabelle zugeordnet werden, dann prüft der Router, ob eine Default-Route vorhanden ist (eine Default-Route ist eine Route, die vom Netzwerkadministrator konfiguriert wird und über die alle Pakete gesendet werden, für die kein Eintrag in der Routing-Tabelle gefunden werden kann): Ist dies der Fall, dann wird das Paket an den entsprechenden Port weitergeleitet. Ist keine Default-Route vorhanden, dann wird das Paket verworfen. Häufig wird in diesem Fall an das sendende Gerät eine Meldung geschickt, dass der Empfänger nicht erreichbar ist.

Adressierung in der Vermittlungsschicht

Die Netzadresse hilft dem Router bei der Bestimmung eines Pfades in der Netzwerkwolke und bietet zudem hierarchische oder Subnetzinformationen. Der Router ermittelt anhand dieser Adresse das Empfängernetzwerk eines Pakets innerhalb eines Netzwerkverbundes. Zusätzlich zur Netzadresse verwenden Netzwerkprotokolle aber auch eine Hostadresse (oder Netzknotenadresse).

Für einige Protokolle der Vermittlungsschicht muss der Netzwerkadministrator Hostadressen entsprechend der Vorgabe eines Netzadressierungsschemas zuweisen. Bei anderen Protokollen wiederum erfolgt diese Hostadresszuweisung teilweise oder vollständig automatisch oder dynamisch.

Die logische Adressierung findet in der Vermittlungsschicht statt. Wenn wir uns die Analogie zum Telefonnetz noch einmal ins Gedächtnis rufen, dann entspricht der Netzanteil der IP-Adresse der Vorwahl, während die Anschlussnummer den Geräten des Netzbetreibers mitteilt, an welchen Anschluss innerhalb eines Ortsbereichs der Anruf weiterzuleiten ist. Insofern ähnelt die Anschlussnummer dem Hostanteil einer IP-Adresse, denn dieser Hostanteil teilt dem Router mit, an welches Gerät das Paket auszuliefern ist.

Ohne Adressierung in der Vermittlungsschicht kann das Routing nicht durchgeführt werden. Router benötigen die Netzadressen, um die Pakete korrekt ausliefern zu können. Erst eine hierarchische Adressierungsstruktur ermöglicht die Übertragung von Paketen zwischen den Netzwerken. Schließlich wäre ohne hierarchische Strukturen bei Telefonnummern, Postadressen und Transportsystemen eine moderne Kommunikation und Logistik auch nicht denkbar.

Eine MAC-Adresse kann in diesem Zusammenhang mit dem Namen einer Person verglichen werden, während die Adresse in der Vermittlungsschicht (Netzwerk- und Hostadresse) der Postadresse entspräche. Wenn Sie beispielsweise in eine andere Stadt ziehen, dann würde Ihr Name sich nicht ändern – anders als die Postadresse, die Ihren neuen Standort repräsentieren würde. Netzwerkgeräte (Router wie auch einzelne Computer) haben sowohl eine MAC-Adresse als auch eine Protokolladresse (Adresse in der Vermittlungsschicht). Wenn Sie einen Computer in einem anderen Netzwerk anschließen, dann bleibt seine MAC-Adresse gleich, aber er benötigt eine neue Vermittlungsschichtadresse.

Der Kommunikationspfad

Sinn und Zweck der Vermittlungsschicht ist es, den besten Pfad durch das Netzwerk zu finden. Damit dies aber möglich ist, muss ein Netzwerk alle Pfade zwischen den Routern kennen. So besitzt jede Verbindung zwischen Routern eine Nummer, welche die Router als Netzadresse benutzen. Diese Adressen enthalten Informationen, die durch den Routing-Prozess zur Übermittlung von Paketen von einem Absender an einen Empfänger verwendet werden.

Mit diesen Adressen kann die Vermittlungsschicht eine Verbindung zwischen unabhängigen Netzwerken herstellen. Die Zusammenfassung von Schicht-3-Adressen in einem Router-Segment optimiert außerdem die Bandbreitennutzung, denn sie verhindert unnötige Broadcasts. Broadcasts verbrauchen Prozess- und Netzwerkkapazitäten, die anderweitig besser eingesetzt werden könnten, und belasten überdies Geräte und Verbindungen, die den jeweiligen Broadcast überhaupt nicht empfangen bzw. übertragen müssen. Wenn man eine konsistente Ende-zu-Ende-Adressierung benutzt, dann kann die Vermittlungsschicht einen Pfad zum Empfänger ermitteln, ohne die Geräte oder Verbindungen im Netzwerk unnötig mit Broadcasts zu belasten.

Routing-Tabellen

Um den Vorgang der Pfadermittlung zu unterstützen, erstellen und führen Routing-Protokolle Routing-Tabellen, die Routendaten enthalten. Je nachdem, welches Routing-Protokoll verwendet wird, können die Routing-Informationen variieren. Routing-Protokolle tragen eine Vielzahl von Informationen in die Tabellen ein.

Router halten eine Reihe wichtiger Informationen in den Routing-Tabellen auf dem aktuellen Stand. Zu diesen Informationen gehören die folgenden:

• Protokolltyp. Der Typ des Routing-Protokolls, das den Eintrag in der Routing-Tabelle erstellt hat.

• Verknüpfungen zwischen Empfängern und dem nächsten Hop. Diese Information sagt einem Router, dass ein bestimmter Empfänger entweder direkt an den Router angeschlossen ist, oder gibt einen anderen Router – den nächsten „Hop“ – an, über den der Empfänger erreichbar ist. Wenn ein Router ein Paket erhält, überprüft er die Empfängeradresse und versucht, einen passenden Eintrag in der Routing-Tabelle zu finden.

• Routing-Metriken. Verschiedene Routing-Protokolle verwenden unterschiedliche Metriken. Diese Metriken erlauben, die Eignung einer Route festzulegen. Das RIP-Protokoll beispielsweise verwendet die Anzahl der Hops als Routing-Metrik, IGRP hingegen bildet aus Bandbreite, Last, Verzögerung und Zuverlässigkeit einen Metrikgesamtwert. In „CCNA 2“ werden wir dieses Thema genauer behandeln.

• Ausgangsport. Dies ist der Port, über den die Daten gesendet werden müssen, um zum gewünschten Empfänger zu gelangen.

Router kommunizieren miteinander, um ihre Routing-Tabellen auf einem aktuellen Stand zu halten, indem sie Routing-Updates austauschen. Je nach Routing-Protokoll werden diese Updates regelmäßig oder aber nur dann gesendet, wenn eine Änderung in der Netzwerktopologie stattgefunden hat. Das Routing-Protokoll bestimmt zudem, ob nur die geänderten Routen oder aber die gesamte Routing-Tabelle als Update gesendet wird. Durch Analyse der Routing-Updates, die von den benachbarten Routern kommen, kann ein Router seine eigene Routing-Tabelle erstellen und pflegen.

Routing-Algorithmen

Routing-Protokolle verfolgen häufig eines oder mehrere der folgenden Ziele:

• Optimierung. Dieser Begriff beschreibt die Fähigkeit eines Routing-Protokolls oder Algorithmus, unter Berücksichtigung von Metriken und ihrer Gewichtung die beste Route auszuwählen. Ein Algorithmus könnte etwa die Anzahl der Hops und die Verzögerung für die Metrik verwenden, der Verzögerung bei der Berechnung aber einen höheren Stellenwert zuweisen.

• Einfachheit und geringe Belastung. Im Idealfall wird die effiziente Funktionalität eines Routing-Algorithmus bei minimaler Belastung von Prozessor und Speicher erreicht. Dies ist wichtig, damit sich das Netzwerk auch in hohem Maße skalierbar bleibt (zum Beispiel das Internet).

• Robustheit und Stabilität. Ein Routing-Algorithmus sollte auch unter ungewöhnlichen oder nicht vorhersehbaren Umständen (Hardwareausfall, hohe Auslastung, Implementierungsfehler) einwandfrei funktionieren.

• Schnelle Konvergenz. Unter der Konvergenz versteht man einen Zustand, bei dem alle Router die gleichen (korrekten) Informationen zu allen Routen verwenden. Wenn ein Netzereignis Änderungen bei der Verfügbarkeit der Router hervorruft, werden Neuberechnungen notwendig, um die Verfügbarkeit der Netzwerkkonnektivität wiederherzustellen. Routing-Algorithmen, die langsam konvergieren, können einen Verlust von Daten verursachen.

• Flexibilität. Ein Routing-Algorithmus sollte sich schnell an eine Vielzahl von Änderungen im Netzwerk anpassen können. Zu diesen änderbaren Faktoren gehören die Verfügbarkeit der Router, geänderte Bandbreiten, Warteschlangenlänge und Verzögerungen im Netzwerk.

• Skalierbarkeit. Einige Routing-Protokolle sind besser für die Skalierung von Netzwerken geeignet als andere. Wenn Sie bereits von Anfang an wissen, dass ein Netzwerk wachsen wird (oder diese Möglichkeit in Betracht ziehen), dann sollten Sie beispielsweise eher EIGRP als Routing-Protokoll verwenden als RIP.

Metriken

Wenn ein Routing-Algorithmus eine Routing-Tabelle aktualisiert, dann besteht sein primäres Ziel darin, die Pfadinformationen zu ermitteln, die für die Routing-Tabelle am geeignetsten sind. Dabei interpretiert jeder Routing-Algorithmus auf seine Weise, was als „das Geeignetste“ zu betrachten ist. Für jeden Pfad durch das Netzwerk generiert der Algorithmus einen Wert, die so genannte Metrik. Anspruchsvolle Routing-Algorithmen können ihre Routenauswahl auf mehrere Metriken beziehen, aus denen sie eine einzige, zusammengesetzte Metrik bilden. Dabei ist ein Pfad umso besser, je geringer seine Metrik ist.

Metriken lassen sich sowohl auf der Basis eines einzelnen Merkmals als auch basierend auf mehreren Eigenschaften des Pfades errechnen. Zu den Metriken, die Routing-Protokolle am häufigsten verwenden, gehören die folgenden:

• Bandbreite. Die Datenkapazität einer Verbindung. Beispielsweise ist eine Ethernet-Leitung mit 10 Mbit/s einer ISDN-Verbindung mit 64 Kbit/s vorzuziehen.

• Verzögerung. Die Zeit, die benötigt wird, um ein Paket über die jeweiligen Verbindungen vom Absender zum Empfänger zu übermitteln. Die Verzögerung hängt von der Bandbreite der Zwischenverbindungen, den Port-Warteschlangen der einzelnen Router, der Netzwerkbelastung und der physischen Entfernung ab.

• Last. Umfang der Aktivitäten an einer Netzwerkressource (zum Beispiel an einem Router oder auf einer Leitung).

• Zuverlässigkeit. Bezeichnet in der Regel die Fehlerrate der Netzwerkverbindung.

• Anzahl der Hops. Anzahl der Router, die ein Paket auf seinem Weg passieren muss, bevor es zum Empfänger gelangt. Wann immer Daten durch einen Router bewegt werden, spricht man von einem Hop. Wenn man von einem Pfad sagt, dass er vier Hops aufweise, dann müssen die Daten vom Absender kommend vier Router passieren, bevor sie beim Empfänger ankommen. Gibt es mehrere Pfade, dann wählt der Router den Pfad mit der geringsten Anzahl an Hops.

• Kosten. Ein frei einstellbarer Wert, der normalerweise auf der Bandbreite, finanziellen Aufwendungen und Ähnlichem basiert und vom Netzwerkadministrator zugewiesen wird.

Interne und externe Routing-Protokolle

Router benutzen Routing-Protokolle, um Routing-Informationen auszutauschen, das heißt, Routing-Protokolle bestimmen, wie geroutete Protokolle zu routen sind.

Ein autonomes System ist ein Netzwerk oder ein Netzwerkverbund, der sich unter der administrativen Kontrolle einer einzelnen Instanz befindet (zum Beispiel die Domäne cisco.com). Autonome Systeme bestehen aus Routern, die nach außen eine konsistente Routing-Ansicht zeigen. Die IANA weist regionalen Registrierstellen Nummern zur Vergabe an autonome Systeme zu. Diese Registrierstellen sind die ARIN für Nord- und Südamerika sowie Afrika (Kontakt: hostmaster@arin.net), die RIPE-NCC in Europa (ncc@ripe.net) und die AP-NIC für den asiatischen und pazifischen Raum (admin@apnic.net). Bei den Nummern handelt es sich um 16-Bit-Zahlen. Ein Routing-Protokoll wie etwa BGP setzt voraus, dass Sie diese eindeutige, zugewiesene Nummer in Ihrer Konfiguration eintragen.

IGP-Protokolle routen Daten innerhalb autonomer Systeme. Zu dieser Protokollfamilie gehören die folgenden Protokolle:

• RIP und RIPv2

• IGRP

• EIGRP

• OSPF

• ISIS (Intermediate System-to-Intermediate System)

EGP-Protokolle routen Daten zwischen autonomen Systemen. Der am weitesten verbreitete Vertreter der EGP-Protokolle ist BGP (Border Gateway Protocol).

Distanzvektor-Protokolle

Routing-Protokolle lassen sich auf viele unterschiedliche Arten – etwa als IGPs und EGPs – klassifizieren. Eine weitere Möglichkeit der Kategorisierung stellt die Unterscheidung in Distanzvektorprotokolle und Link-State-Protokolle dar. Während IGP und EGP die physischen Beziehungen von Routern beschreiben, zeigt die Klassifizierung in Distanzvektor- und Link-State-Protokolle, wie Router bezüglich Ihrer Routing-Updates miteinander kommunizieren.

Beim Distanzvektor-Routing werden für jede Verbindung im Netzwerkverbund eine Richtung (Vektor) und eine Distanz bestimmt. Distanzvektoralgorithmen senden regelmäßig (etwa alle 30 Sekunden) die Routing-Tabelle teilweise oder vollständig an ihre benachbarten Router. Router, die ein Distanzvektorprotokoll ausführen, senden diese regelmäßigen Updates auch dann, wenn keine Änderungen im Netzwerk aufgetreten sind. Wenn ein Router die Routing-Tabelle seines Nachbarn empfängt, kann er alle bekannten Routen überprüfen und bei Bedarf in der lokalen Routing-Tabelle Änderungen entsprechend den aktualisierten Informationen des benachbarten Routers vornehmen. Diesen Vorgang bezeichnet man als Routing by Rumor („gerüchtebasiertes Routing“), denn die Sichtweise eines Routers auf das Netzwerk basiert auf Perspektive, die sein Nachbar von der Netzwerktopologie hat. Distanzvektorprotokolle verwenden zur Ermittlung der optimalen Pfade den Bellman-Ford-Algorithmus.

Die folgenden Protokolle gehören zu den Distanzvektorprotokollen:

• RIP (Routing Information Protocol). RIP ist das älteste und verbreiteste IGP im Netzwerk und verwendet die Anzahl der Hops als Metrik.

• IGRP (Interior Gateway Routing Protocol). Dieses IGP wurde von Cisco entwickelt, um Probleme in Zusammenhang mit dem Routing in größeren, heterogenen Netzwerken zu lösen.

• EIGRP (Enhanced Interior Gateway Routing Protocol). Hierbei handelt es sich um eine erweiterte Version von IGRP, die ebenfalls von Cisco entwickelt wurde. EIGRP bietet herausragende Konvergenzeigenschaften und ermöglicht einen effizienten Betrieb, indem es die Vorzüge von Link-State- und Distanzvektorprotokollen vereinigt.

Link-State-Protokolle

Link-State-Protokolle wurden entwickelt, um die durch Distanzvektorprotokolle auferlegten Beschränkungen zu umgehen. Sie reagieren schnell auf Änderungen im Netzwerk, senden Trigger-Updates nur dann, wenn die Netzwerktopologie tatsächlich geändert wurde, und periodische Updates – so genannte Refreshs – in langen Zeitabständen (alle 30 Minuten).

Wenn eine Verbindung ihren Status ändert, erstellt das Gerät, das diese Änderung erkannt hat, ein LSA (Link-State-Advertisement, Anzeige des Routenstatus) zu einer Route, und dieses LSA wird dann an alle benachbarten Geräte übermittelt. Jedes Routing-Gerät aktualisiert anhand des LSA die Topologiedatenbank und leitet es danach seinerseits an alle Nachbarn weiter. Dieses Fluten des LSA ist notwendig, um sicherzustellen, dass alle Routing-Geräte ihre Datenbanken aktualisieren, bevor sie eine aktuelle Routing-Tabelle erstellen, welche die neue Topologie berücksichtigt.

Die Link-State-Datenbank dient als Grundlage zur Berechnung der optimalen Pfade durch das Netzwerk. Link-State-Router finden diese Pfade durch Anwendung des SPF-Algorithmus (Shortest Path First) auf die Link-State-Datenbank, um so einen SPF-Baum zu erstellen. Die besten (kürzesten) Pfade werden dann aus dem SPF-Baum ausgewählt und in der Routing-Tabelle abgelegt. Zu den Link-State-Protokollen gehören OSPF und IS-IS.

Eigenschaften von Routing-Protokollen

Die nachfolgend beschriebenen meistverwendeten Routing-Protokolle unterscheiden sich in den Metriken, Einsatzbereiche und anderen wichtige Merkmalen.

RIP (Routing Information Protocol)

RIP verwendet die Anzahl der Hops zur Ermittlung von Richtung und Länge der Verbindungen im Netzwerk. Wenn mehrere Pfade zum Ziel vorhanden sind, wählt RIP denjenigen mit den wenigsten Hops. Da allerdings die Anzahl der Hops die einzige von RIP verwendete Metrik ist, wird hierbei nicht unbedingt der schnellste Pfad zum Empfänger gewählt. RIPv1 verwendet nur klassenorientiertes Routing, d.h., alle Geräte im Netzwerk müssen die gleiche Subnetzmaske benutzen, weil RIPv1 keine Subnetzinformationen mit dem Routing-Update übermittelt. RIPv2 hingegen bietet so genanntes Präfix-Routing und sendet Subnetzdaten mit den Routing-Updates, unterstützt also die Verwendung klassenlosen Routings. Bei klassenlosen Routing-Protokollen können unterschiedliche Subnetze innerhalb eines Netzwerks auch unterschiedliche Subnetzmasken haben. Die Verwendung verschiedener Subnetzmasken innerhalb eines einzigen Netzwerks nennt man VLSM (Variable Length Subnet Masking).

IGRP (Interior Gateway Routing Protocol)

IGRP ist ein Distanzvektorprotokoll, das von Cisco entwickelt wurde, um Probleme in Zusammenhang mit dem Routing in größeren Netzwerken zu lösen, die andere Protokolle wie etwa RIP überfordern. IGRP wählt den schnellsten Pfad basierend auf der Verzögerung, der Bandbreite, der Last und der Zuverlässigkeit. Standardmäßig verwendet IGRP nur die Bandbreite und die Verzögerung als 24-Bit-Metriken. Ferner hat IGRP eine wesentlich höhere Obergrenze für die Anzahl der Hops als RIP, erlaubt also eine bessere Skalierung des Netzwerks. IGRP verwendet nur klassenorientiertes Routing.

EIGRP (Enhanced Interior Gateway Routing Protocol)

Wie IGRP ist auch EIGRP ein proprietäres Cisco-Protokoll. Es handelt sich hierbei um eine fortgeschrittene IGRP-Version mit 32-Bit-Metrik. Im Wesentlichen bietet EIGRP ein überlegenes Betriebsverhalten durch schnellere Konvergenz und einen geringeren Bandbreitenbedarf für Steuerdaten. EIGRP ist ein fortschrittliches Distanzvektorprotokoll und verwendet auch einige Funktionen, die man von Link-State-Protokollen kennt. Insofern wird EIGRP auch als Hybridprotokoll bezeichnet.

Routing-Protokolle: Fortsetzung

Neben den Routing-Protokollen RIP, IGRP und EIGRP gibt es die Varianten OSPF, IS-IS und BGP:

OSPF (Open Shortest Path First)

OSPF ist ein Link-State-Protokoll, das von der IETF (Internet Engineering Task Force) im Jahre 1988 entwickelt wurde, um die Anforderungen sehr großer, skalierbarer Netzwerke zu erfüllen, die RIP überforderten. Die aktuelle Version OSPFv2 wird in RFC 2328 beschrieben. OSPF ist ein IGP, das heißt, es verbreitet Routing-Informationen unter Routern, die zum gleichen autonomen System gehören.

IS-IS (Intermediate System-to-Intermediate System)

IS-IS ist das dynamische Link-State-Protokoll für den OSI-Protokollstapel. Als solches verteilt es Informationen für das Routing von CLNP-Daten (Connectionless Network Protocol) in ISO-kompatiblen CLNS-Umgebungen (Connectionless Network Service).

Integriertes IS-IS ist eine Implementierung dieses Protokolls für das gemeinsame Routing mehrerer Netzwerkprotokolle. Diese Variante kann CLNP-Routen mit Informationen zu IP-Netzwerken und Subnetzen kennzeichnen und stellt in der IP-Welt eine Alternative zu OSPF dar, weil es gemischtes CLNS- und IP-Routing innerhalb eines Protokolls ermöglicht: Integriertes IS-IS kann sowohl für reines IP-Routing als auch für reines ISO-Routing oder eine Mischung der beiden verwendet werden.

BGP (Border Gateway Protocol)

BGP ist ein EGP-Protokoll. Es tauscht Routing-Informationen zwischen autonomen Systemen aus und garantiert gleichzeitig eine schleifenfreie Pfadauswahl. BGP ist das von großen Firmen und Internetprovidern meistverwendete Protokoll zur Bekanntgabe von Routen im Internet. BGP4 ist die erste BGP-Version, die CIDR (Classless Interdomain Routing, klassenloses domänenübergreifendes Routing) und Routen-Aggregation (Zusammenfassung mehrerer Routen) unterstützt. Anders als andere IGPs wie RIP, OSPF und EIGRP verwendet BGP keine Metriken wie Anzahl der Hops, Bandbreite oder Verzögerung, sondern trifft seine Entscheidungen basierend auf Richtlinien oder Regeln im Netzwerk, wobei verschiedene BGP-Pfadattribute zum Einsatz kommen.

Ausblick

Der dritte Teil der Artikelserie „Grundlagen zu Routing und Subnetzbildung“ beschäftigt sich detailliert mit der Subnetzbildung. Die Subnetzbildung verringert die Größe von Broadcast-Domänen, ermöglicht LAN-Segmenten an verschiedenen geografischen Standorten die Kommunikation über Router und bietet mehr Sicherheit und Trennung der einzelnen LAN-Segmente. (cvi)