Routing - Clip2Net

Routing
Sebastian Sickert
Was ist ein Router?
• Ein Router ermöglicht es mehrere Netzwerke mit
unterschiedlichen Protokollen und Architekturen zu verbinden.
• -> Arbeitet auf der Vermittlungsschicht
• Router finden sich häufig an den Außengrenzen eines
Netzwerkes, um es mit dem Internet oder einem anderen
Netzwerk zu verbinden.
• Ein Router besteht aus Software, Hardware und
Speicher für die Routing-Tabelle
• Über die Routing-Tabelle entscheidet ein Router, welchen Weg
ein Datenpaket nimmt. Es handelt sich dabei um ein
dynamisches Verfahren, das Ausfälle und Engpässe ohne den
Eingriff eines Administrators berücksichtigen kann.
Routing Einführung
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1.
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Ist die Wegfindung zum Ziel anhand einer oder
mehrere Kriterien (metric) die diesen Weg
bestimmen. Je mehr Kriterien berücksichtigt werden
müssen, desto genauer und gezielter ist der Weg zum
Ziel, desto (zeit-)aufwendiger ist die Bestimmung
oder Berechnung des Weges.
Routing kann mittels dynamischer oder statisches
Verfahren realisiert werden.
Ermittlung der verfügbaren Routen
Auswahl der geeignetsten Route
Routing-Tabelle
• Enthält alle bekannten Routen durch das Netz
• Erstellung Statisch oder Dynamisch
Die Routing-Tabelle enthält folgende Angaben:
1. alle bekannten Netzwerkadressen
2. Verbindungsarten in andere Netzwerke
3. Weginformationen zu anderen Routern
4. Verbindungskosten
Dijkstra
• Der Algorithmus von Dijkstra (nach seinem
Erfinder Edsger W. Dijkstra 1959) dient der
Berechnung eines kürzesten Pfades zwischen
zwei Punkten.
• Kantengewichtung der Graphen mit Metriken.
Metrik
• Ein Router vergleicht alle Tabellen, die er erhält
und bestimmt daraus nach dem Algorithmus den
optimalen Weg.
• Es werden Metriken festgelegt, anhand von:
Entfernung, Datendurchsatz, Verfügbarkeit usw.
• Diese Spiegeln sich in den Streckenwerten
wieder.
• Unterschiedliche Routingprotokolle verwenden
verschiedene Metriken
Skizze Routin-Tabelle
Netzstruktur
•Graphtenknoten
•Graphenkanten
Routingtabellen
Stuttgart -> Leipzig
1)S->H =52
2)H->N=167
H->W=107
3)W->Sc=48
N->H=135
4)Sc->E=156
H->Hermsdorf=80
5)E->Hermsdorf=70
6)Hermsdorf->L=86
Var(a)=520Km
Var(b)=519Km
Statisches (nicht adaptives)
Routingverhalten
• feste Wegvergabe zwischen zwei Endsystemen
(durch Admin).
• bei absolut stabiler Netzwerkkonfiguration
(Unflexibel)
• bei extremen Sicherheitsauflagen (sehr sicher)
Dynamisches (adaptives) Routing:
• Die Routing Tabellen in allen Routern können sich im Verlauf
der Zeit ändern. Dafür gibt es entsprechende Protokolle.
• Router kann sozusagen die Wegwahl mit Hilfe von Algorithmen
neu bestimmen.
Vorteile:
• Neue Router können bei laufenden Betrieb hinzugefügt werden
• Das Netz reagiert selbstständig bei Ausfall von Leitungen und
Netzknoten
• Die Netzauslastung wird vom Netz selbst geregelt.
• Nachteil:
• Austausch von Kontrollinformationen zw.
Routern (Multicasting
• Router senden einander ihre Adresstabellen ->
zusätzliche Netzbelastung
• ->Dieser sog. Overhead steigt proportional
(quadratisch) zur Zahl der Subnetze
DVA(Distance Vector Algorithm):
• Auch bekannt als Bellman-Ford-Routing oder
Ford-Fulkerson-Routing
• Wegfindung nach Anzahl der Hubs(Router)
• Jede Route wird anhand einiger Kriterien klassifiziert
• einfache Struktur, leichte Implementierbarkeit und
geringen Speicherbedarf
• DVR-Protokolle (siehe RIP)
• Versenden (von Teilen) der Routing-Tabelle (Distance
Vector Table) an die Nachbar-Router
• keine vollständige Topologie-Information in den
beteiligten Routern
RIP-Verfahren
(Routing Information Protocol)
• Auf Basis des Distance Vector Algorithmus
• Es dient der dynamischen Erstellung der Routing-Tabelle von
Routern.
• Speichert Netzwerkadresse, abgehende Schnittstellen und Anzahl
der Knotenpunkte
• Hubeintrag von 16= unendlich (unmöglich) <16 = IGP (Interior
Gateway Protocol) verwendet
• wird nur in lokalen Netzwerken eingesetzt, wo die
Netzwerkstruktur weitestgehend unverändert bleibt.
• Routine-Tabellen aller 30Sek an Benachbarte Router ausgetauscht.
• =Broad (multi)-cast -> Langer Informationsweg bei Routerausfall.
Das prinzipielle Vorgehen eines
Distanzvektorprotokolls
1. Erzeuge eine Kostenmatrix, welche Router über welche
Nachbarn und zu welchen Kosten erreichbar sind. - Diese
Matrix enthält anfangs nur die (bekannten) Kosten zu
direkten Nachbarn.
2. Erzeuge eine Aufstellung mit Informationen, welche
Router wir zu welchen Kosten am besten erreichen
können und schicke sie an alle Nachbarn.
3. Warte auf Aufstellungen dieser Art von anderen Routern,
rechne diese dann in die eigene Kostenmatrix ein.
4. Ändern sich dadurch die minimalen Kosten, zu denen wir
einen Router erreichen können: fahre mit Schritt 2 fort,
sonst mit Schritt 3.
LSA- (Link State Algorithmus):
• Beispiele: OSPF (Open shortest Path First), IS-IS, OSI,
• Hierbei sind Informationen über die
Netzwerkhierarchie und über die Entfernungen zu
anderen Routern notwendig. Es wird hierarchisch nach
Area-Routern(Ebene 1) und Backbone-RouterHierarchie(Ebene 2) unterschieden. -> hoher
Speicherbedarf.
• Beim Link-Status-Routing (LSR) werden die
Änderungen in der Routing-Tabelle per Multicast
zwischen den Routern ausgetauscht. In der RoutingTabelle ist deshalb die gesamte Netzstruktur abgebildet
LSR (Link State Routing)
• 1.Nachbarn finden
• 2.Entfernung zu den Nachbarn messen
• 3.Gesammelte Informationen in einem Paket
zusammenstellen
• 4.Paket an alle anderen Router senden
• 5.Weg berechnen
LSR (Link State Routing)
Schritt 1 -Nachbarn finden :
• Senden von speziellen HALLO Paketen an alle
Ausgangsleitungen des Routers
• Nachbarn geben sich zu erkennen und identifizieren
sich mit einem global eindeutigen Namen
Schritt 2 -Entfernung zu den Nachbarn messen :
• Senden von speziellen ECHO Paketen an die Nachbarn
• Nachbarn antworten unmittelbar
• Entfernung ergibt sich aus der Verzögerung
• Evtl. Warteschlangenlänge einbeziehen
LSR (Link State Routing)
Schritt 3 - Link State Paket erstellen :
• Enthalten Identität des Routers, einer Folgenummer,
dem Alter, eine Liste mit allen Nachbarn und den
entsprechenden Entfernungen
• Pakete können periodisch erstellt werden aber auch nur
bei bestimmten wichtigen Ereignissen (Ausfall einer
Verbindung, …)
Schritt 4 – Link State Paket verteilen :
• Pakete werden verteilt und von den Routern gesammelt
Schritt 5 -Neue Routen berechnen :
• Aufbau eines Graphen des Netzes
Routing-Tabelle
Graphentheorie:
• Graphenknoten sind
Router
• Graphenkanten sind
physikalische Links
• Länge der Kanten sind
Router sind nicht protokolltransparent wie
Bridges.
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TCP/IP Protokollfamilie
RIP (Routing Information Protocol) -> DVA,
OSPF (Open Shortest Path First) -> LSA
OSI Familie
CLNP (Connectionless Network Protocol),
ES-IS (End System to System Intermediate)
IS-IS (Protocol between Routers)
ISRP (Inter Domain Routing Protocol)
Übertragungsvereinbarung zwischen großen Subnetzen.
Protokollfamilien
SNA Netzen
• APPN (Advanced Peer To Peer Networking)
--> Über Router verbundene Netze müssen den
gleichen Protokollstapel (z.B. OSI model)
besitzen (auch gleichen globalen Namens- und
Adressierungskonventionen unterliegen)
Ende oder Zusatz
Zusatz
Routing-Protokolle für dynamisches Routing
• BGP - Border Gateway Protocol
• EGP - Exterior Gateway Protocol
• IGP - Interior Gateway Protocol
• OSPF - Open Shortest Path First
• RIP - Routing Information Protocol
• DRP - DECnet Routing Protocol
• IGRP - Interior Gateway Routing Protocol
• EIGRP - Enhanced Interior Gateway Routing Protocol
BGP
• Das Border Gateway Protocol ist ein
Routingprotokoll. Es beschreibt, wie Router
untereinander die Verfügbarkeit von
Verbindungswegen zwischen den Netzen
autonomer Systeme („AS“) propagieren.
Autonomes System
• Ein Autonomes System (AS) ist eine Ansammlung von
IP-Netzen, welche als Einheit verwaltet werden und
über ein gemeinsames (oder auch mehrere) internes
Routing-Protokoll (IGPs) verbunden sind. Dieses Netz
wiederum kann sich aus Teilnetzen zusammensetzen.
Ein AS steht unter einer gemeinsamen administrativen
Verwaltung, typischerweise von einem Internet Service
Provider (ISP), einer internationalen Firma oder einer
Universität. Autonome Systeme sind untereinander
verbunden und bilden so das Internet.
IS-IS
•
IS-IS (Intermediate System to Intermediate System Protocol) ist ein Link-State Interior
Gateway Protocol (ähnlich OSPF), welches durch die ISO-Norm 10589 spezifiziert ist.
Ursprünglich wurde IS-IS für die Verwendung mit dem verbindungslosen Protokoll CLNP
entworfen, die Unterstützung für den Einsatz mit IP wurde durch Erweiterungen möglich.
•
IS-IS kennt vier Message Typen:
1. Hello (Intermediate System to Intermediate System Hello): Dient der Funktion Capability
Announcement und Neighbor Discovery
2. LSP (Link State PDU (Protocol Data Unit)): Transportiert Netzwerktopologische
Informationen sowie IP-, CLNP- und IPv6-Adressen
3. PSNP (Partial Sequence Number PDU): Zum Senden von Acknowledgements (ACK)
sowie Anfragen an den Nachbar-Router nach vollständigen Informationen zu einer Route.
Der Router weiß, wenn ihm Informationen fehlen durch CSNP-Nachrichten.
4. CSNP (Complete Sequence Number PDU): Eine CSNP enthält eine Zusammenfassung aller
LSPs, die in Form der Link State Database (LSDB) auf den Router/IS gespeichert sind. In
Broadcast-Netzen wird die CSNP alle 10 Sekunden vom Designated IS (DIS) gesendet. Bei
P2P-Links wird diese nur einmal gesendet, sobald der Link aktiv ist. Alle Nachbar-IS
erhalten auf diese Weise zusätzlich zu den LSPs Informationen über stattgefundene
Änderungen. Des Weiteren ist so sichergestellt, dass alle IS über die gleichen Informationen
verfügen. Bemerkt ein Router, dass die Informationen einer empfangenen CSNP von denen
in seiner LSDB abweichen, so fragt dieser durch Senden einer PSNP die vollständigen
Informationen zum betreffenden Eintrag an. Im Broadcast-Netz sendet ihm der DIS
daraufhin per LSP die angeforderten Informationen zu. Bei der P2P-Verbindung antwortet
das entsprechende Nachbar-IS.
IS-IS
Erstaunlicherweise erlebt IS-IS seit Mitte der 90er Jahre eine Renaissance bei
amerikanischen und europäischen Netzbetreibern.
Der Grund hierfür ist in der sehr minimalistischen und dadurch sehr einfach zu
implementierenden Protokollarchitektur zu sehen.
Darüberhinaus war die erste IS-IS-Implementierung vom Hersteller Cisco (einem
der Pioniere unter den IP-Routerherstellern)
wesentlich robuster als z. B. die OSPF-Implementierung, was viele Netzbetreiber
bewegt hat, das IS-IS-Protokoll einzusetzen.
IGP & EGP
• Als Interior Gateway Protocol (IGP) werden
Routingprotokolle bezeichnet, die innerhalb von
Autonomen Systemen eingesetzt werden.
• Im Gegensatz zu Exterior Gateway Protokollen (EGP)
zeichnen sie sich durch besondere Fähigkeiten im
Umgang mit komplizierten Netzwerktopologien aus.
Auch Funktionen zu Traffic Engineering wie z.B.
OSPF-TE sind anzutreffen.
OSPF- Open Shortest Path First
• OSPF ist ein dynamisches Routing-Protokoll innerhalb eines
autonomen Systems. Es hat das Routing Information Protocol
(RIP) als Standard-Interior Gateway Protocol (IGP) abgelöst,
insbesondere bei großen Netzen. OSPF verwendet die Kosten
eines Pfades als Metrik und kann bei gleichen Kosten lastverteilt
arbeiten. Kosten werden bei OSPF standardmäßig aus der
verfügbaren Bandbreite berechnet. Zur Berechnung der Kosten
wird folgende Formel verwendet: 10^8/Bandbreite. Die Kosten
addieren sich für jedes ausgehende Interface eines OSPF
Routers. Im Gegensatz zu RIP ist OSPF ein Link-StateProtokoll.
zu RIP
•
Das Routing Information Protocol (RIP) ist das am weitesten verbreitete IGPProtokoll. Bei RIP schicken alle Router ihre Routingtabellen als Broadcast an ihre
Nachbarn. Dabei geben sie die Entfernung zu anderen Netzen oder Routern aus der
Sicht der eigenen Tabelle an. Beim RIP ist der entscheidende Parameter für eine
Wegwahl der so genannte Hop. Auf Basis der von anderen Komponenten
empfangenen Pakete berechnen sie mithilfe einer Metrik die kürzesten Entfernungen
zu anderen Netzen beziehungsweise Knoten. Diese Vorgehensweise ist auch als
Distance Vector Algorithmus (DVA) bekannt. Außerdem benennen sie den
Nachbarrouter, der diese Entfernung bekannt gegeben hat, als Zielrouter zur
Weiterleitung. Ändern sich die Parameter, zum Beispiel weil ein Nachbar ausfällt oder
eine Verbindung unterbrochen ist, erneuern die Geräte ihre Tabellen selbstständig.
Auch Verzögerung oder Bandbreite sind als Metrik-Parameter möglich, jedoch in der
Praxis kaum vorzufinden. Das Protokoll gibt es in zwei Versionen: RIP 1 versendet
Routinginformationen als Broadcast, RIP 2 unterstützt Multicast-Übertragungen.
Zusätzlich zur Benennung dedizierter Ziele lässt sich mit dem Protokoll eine DefaultRoute festlegen. So kann ein Unternehmen RIP dazu verwenden, um auf den DefaultRouten den Verkehr zum Provider zu transportieren. RIP nützt für alle
Nachrichtenübertragungen UDP (User Datagram Protocol).
ATM u Zeitmultiplexing
• Asynchronous Transfer Mode (ATM) ist eine
Technik der Datenübertragung, bei der der
Datenverkehr in kleine Pakete (auch Zellen oder Slots
genannt) mit fester Länge codiert und über asynchrones
• Zeitmultiplexing(In Zeitmultiplex-Systemen wird die
Bandbreite auf dem Übertragungsmedium zeitlich
eingeteilt. In so genannten Kanälen bekommen die
Datenströme eine bestimmte Zeit eine bestimmte
Bandbreite zur Verfügung)
Multiplexer/ Demultiplexer
• Bei leitungsgebundener Übertragung werden die Signale aus
mehreren Quellen durch einen so genannten Multiplexer
gebündelt und gemeinsam über einen statt über mehrere
parallele Wege übertragen. Der Demultiplexer entbündelt die
Signale dann wieder. Ziel hierbei ist es, die Kosten für die
Übertragungsstrecke möglichst niedrig zu halten. Die
Funktechnik eignet sich besonders, um mehrere Teilnehmer, die
meist auch räumlich verteilt sind, gleichzeitig mit einer zentralen
Funkstation verbinden zu können. Beim Richtfunk gibt es
ebenfalls Multiplextechniken. Hier wird das Medium Luft
gemeinsam für eine Vielzahl von Datenströmen benutzt.
Quellen
• http://www.wirtschaftslexikon24.net/d/dijkstra
-algorithmus/dijkstra-algorithmus.htm
• http://de.wikipedia.org/wiki/Algorithmus_von
_Ford_und_Fulkerson
• Friedrich Tabellenbuch: Informations- und
Kommunikationstechnik, Prof. Dr. Antonius
Lipsmeier, 10.Aufl.
• Tabellenbuch Komputertechnik, Dr.-Ing.
Gregor Häberle,