4.1 Übersicht Network Layer

Schicht 3 zwischen lokalem Link und Ende-zu-Ende-Transport

Die Protokolldateneinheit der Vermittlungsschicht wird Paket beziehungsweise bei IP auch Datagramm genannt. Sie enthält unter anderem logische Quell- und Zieladressen. Anders als eine MAC-Adresse gilt eine IP-Adresse nicht nur auf einem einzelnen Ethernet-Link, sondern ermöglicht die hierarchische Einordnung in Netze und Präfixe.

Ein Endsystem erzeugt und empfängt IP-Pakete. Ein Router leitet Pakete zwischen Netzen weiter. Dabei bleibt das eigentliche IP-Ziel grundsätzlich gleich, während sich die lokale Layer-2-Kapselung an jedem Link ändert. Transportprotokolle wie TCP und UDP liegen oberhalb von IP und werden in Kapitel 5 behandelt.

Kernaufgaben der Vermittlungsschicht

Schicht 3 schafft eine gemeinsame, medienunabhängige Adressierungs- und Weiterleitungsebene. Ein IP-Paket kann nacheinander über Ethernet, WLAN, Glasfaser- oder Provider-Links transportiert werden, ohne dass IP jedes physische Medium selbst beschreiben muss.

Ein IP-Paket über mehrere Netze

Der sendende Host vergleicht die Zieladresse mit seinem eigenen Netzpräfix. Befindet sich das Ziel nicht im direkt angeschlossenen Netz, sendet er den Frame an den auf diesem Link erreichbaren Next Hop - gewöhnlich das Default Gateway. Das IP-Paket bleibt als Nutzlast im Frame erhalten.

Der Router entfernt die empfangene Link-Layer-Kapselung, prüft den IP-Header und sucht den nächsten Weg. Vor dem Weiterleiten vermindert er TTL beziehungsweise Hop Limit. Danach ermittelt er die für den Ausgangslink benötigte lokale Zieladresse und erzeugt einen neuen Frame. Ein Router übersetzt dabei nicht allgemein ein Protokoll in ein anderes; Funktionen wie NAT oder Tunnel sind zusätzliche, getrennt zu betrachtende Mechanismen.

• IP-Quell- und Zieladresse beschreiben die Ende-zu-Ende-Kommunikation und bleiben bei normalem Routing erhalten.
• MAC- oder andere Link-Layer-Adressen gelten nur für den jeweiligen Übertragungsabschnitt.
• TTL beziehungsweise Hop Limit verhindert, dass ein Paket bei einer Routing-Schleife unbegrenzt weiterläuft.
• Jeder Link kann eine andere MTU und eine andere Sicherungsschicht verwenden.

Forwarding und Routing sind nicht dasselbe

Forwarding bezeichnet die unmittelbare Entscheidung für ein empfangenes Paket. Der Router vergleicht die Zieladresse mit seinen Präfixeinträgen und verwendet normalerweise den spezifischsten passenden Eintrag - den Longest Prefix Match. Fehlt ein genauerer Weg, kann eine Default Route verwendet werden. Ohne passenden Eintrag wird das Paket verworfen und gegebenenfalls eine ICMP-Meldung erzeugt.

Routing bezeichnet dagegen das Ermitteln und Verwalten von Wegen. Direkt angeschlossene Netze entstehen durch die Interface-Konfiguration. Statische Routen werden administrativ festgelegt. Dynamische Routingprotokolle tauschen Erreichbarkeitsinformationen aus und können auf Topologieänderungen reagieren. Die Auswahl zwischen mehreren angebotenen Wegen hängt von Protokoll, Metrik und administrativer Richtlinie ab; eine ausführliche Behandlung folgt in 4.7.

IP arbeitet verbindungslos und nach dem Best-Effort-Prinzip

IPv4 und IPv6 bauen vor dem Senden gewöhnlicher Pakete keine virtuelle Verbindung durch alle Router auf. Jedes Paket wird anhand des aktuell verfügbaren Zustands weitergeleitet. Aufeinanderfolgende Pakete können deshalb grundsätzlich unterschiedliche Wege nehmen.

Best Effort bedeutet, dass IP keine Garantie für Zustellung, Reihenfolge, Verzögerung oder Bandbreite gibt. Pakete können bei Fehlern, fehlenden Routen, abgelaufener Lebensdauer, Filterregeln oder Überlastung verworfen werden. Zuverlässigkeit, Wiederholung und Ende-zu-Ende-Flusskontrolle werden bei Bedarf von höheren Schichten oder der Anwendung bereitgestellt.

MTU, Fragmentierung und Path MTU Discovery

Die Maximum Transmission Unit, MTU, begrenzt die Größe des IP-Pakets, das ein Link ohne Zerlegung transportieren kann. Ist ein Paket für den nächsten Link zu groß, muss es kleiner gesendet, fragmentiert oder verworfen werden. Fragmentierung erhöht Aufwand und Fehleranfälligkeit, weil der Verlust eines Fragments das gesamte ursprüngliche Paket unbrauchbar machen kann.

Bei IPv4 kann ein Router ein Paket fragmentieren, sofern das Don't-Fragment-Bit dies nicht verbietet. Ist DF gesetzt, verwirft der Router das Paket und sollte eine passende ICMP-Meldung senden. Bei IPv6 fragmentieren Router grundsätzlich nicht; sie senden ICMPv6 Packet Too Big zurück. Nur der IPv6-Quellknoten darf bei Bedarf einen Fragment-Header verwenden. Path MTU Discovery beziehungsweise Packetization Layer PMTUD hilft dem Sender, eine geeignete Größe zu bestimmen.

Protokolle und Hilfsfunktionen einordnen

Fehlersuche auf Schicht 3

Die Prüfung beginnt beim betroffenen Host und folgt dem tatsächlichen Paketweg. Ein erfolgreicher Linktest beweist nur die lokale physische Verbindung. Umgekehrt ist ein fehlgeschlagener Ping kein eindeutiger Beweis für fehlende Erreichbarkeit, weil ICMP gefiltert oder am Ziel deaktiviert sein kann.

• Hilfsmittel abhängig vom Betriebssystem: Adress- und Routentabelle anzeigen, Nachbartabelle prüfen, ping, traceroute beziehungsweise tracert sowie Paketmitschnitt.
• Messpunkt und Richtung dokumentieren: Ein Paket kann den Hinweg passieren und am Rückweg scheitern.
• ICMP-Meldungen, Interface-Zähler und Routingzustand gemeinsam auswerten.