4.6 Routing

Routing und Forwarding unterscheiden

Routing bezeichnet das Ermitteln, Austauschen und Auswählen von Wegen zu IP-Netzen. Forwarding ist die eigentliche Weiterleitung eines einzelnen Pakets anhand der daraus entstandenen Weiterleitungstabelle. Ein Router arbeitet dabei an jeder seiner Schnittstellen in einem eigenen Layer-2-Netz und verbindet diese Netze auf Layer 3.

Auch ein PC besitzt eine Routingtabelle. Liegt das Ziel im direkt angeschlossenen Netz, sendet er das Paket unmittelbar an das Ziel. Liegt es außerhalb, übergibt er es an einen passenden Router - häufig an das Standardgateway. Die lokale MAC-Adresse des nächsten Hops wird anschließend über ARP beziehungsweise IPv6 Neighbor Discovery ermittelt.

Router trennen IP-Subnetze und damit auch Broadcast-Domänen. Kollisionsdomänen werden in heutigen Ethernet-Netzen dagegen vor allem durch Switch-Ports getrennt; ihre Verkleinerung ist nicht der eigentliche Zweck des Routings.

So wird ein IP-Paket weitergeleitet

Nach dem Empfang prüft ein Gerät zuerst, ob die Zieladresse zu ihm selbst gehört. Ein Router sucht für andere Ziele in seiner Routingtabelle. Das konkrete Ziel muss dabei nicht als einzelne Hostroute vorhanden sein: Meist genügt ein passender Netzpräfix, beispielsweise 10.20.0.0/16.

Vor der Weiterleitung vermindert ein IPv4-Router die TTL beziehungsweise ein IPv6-Router das Hop Limit. Er ersetzt die lokale Layer-2-Kapselung für den nächsten Link. Ist keine passende Route vorhanden, wird das Paket verworfen; sofern zulässig, informiert ICMP beziehungsweise ICMPv6 den Absender über die Nichterreichbarkeit.

Die längste Präfixübereinstimmung gewinnt

Eine Zieladresse kann zu mehreren Einträgen passen. Dann gilt Longest Prefix Match: Der Eintrag mit der größten Präfixlänge ist am spezifischsten und wird bevorzugt. Diese Regel wird vor einem Vergleich von Metriken angewendet.

Die Default-Route 0.0.0.0/0 beziehungsweise ::/0 besitzt die Präfixlänge 0 und passt zu jeder Zieladresse. Sie wird deshalb nur verwendet, wenn kein spezifischerer Eintrag passt. Eine Hostroute /32 bei IPv4 oder /128 bei IPv6 ist dagegen maximal spezifisch.

Bestandteile einer Route

Die Darstellung unterscheidet sich zwischen Betriebssystemen und Netzwerkgeräten. Inhaltlich benötigt eine Route mindestens ein Zielpräfix und eine Information zur Weiterleitung. Bei einem direkt angeschlossenen Netz genügt oft die Ausgangsschnittstelle; bei einem entfernten Netz wird gewöhnlich zusätzlich ein Next Hop angegeben.

Eine Metrik bewertet Routen innerhalb eines bestimmten Verfahrens. Ihre Bedeutung ist nicht universell: RIP zählt Hops, OSPF addiert Linkkosten, und Betriebssysteme können eigene Schnittstellen- oder Routenmetriken verwenden. Werte verschiedener Routingprotokolle dürfen daher nicht ohne die jeweilige Auswahlregel des Geräts direkt verglichen werden.

Beispiel einer Routenauswahl

Der PC 192.168.10.25/24 erreicht 192.168.10.0/24 direkt. Für 10.20.30.40 passt keine spezifische lokale Route, deshalb sendet der PC das Paket an sein Standardgateway 192.168.10.1. Der Router sucht erneut - unabhängig von der Entscheidung des PCs - und verwendet seine Route 10.20.30.0/24 über den Next Hop 172.16.0.2.

Auf jedem Link werden neue lokale MAC-Adressen verwendet. Die IP-Quell- und Zieladresse bleiben bei gewöhnlicher Weiterleitung erhalten; NAT auf der nächsten Lernseite ist ein zusätzlicher Vorgang und nicht Bestandteil des Routings selbst.

Statisches und dynamisches Routing

Statische Routen werden administrativ eingetragen und ändern sich nicht selbstständig, wenn sich die Topologie ändert. Sie sind übersichtlich, erzeugen keinen Austausch von Routinginformationen und eignen sich beispielsweise für kleine, stabile Netze, Stub-Netze oder eine definierte Default-Route. Ausweichwege müssen jedoch bewusst geplant und gepflegt werden.

Dynamische Routingprotokolle tauschen Erreichbarkeitsinformationen zwischen Routern aus. Sie können neue oder ausgefallene Wege erkennen und die Routingtabellen neu berechnen. Dies erhöht Skalierbarkeit und Ausfallsicherheit, benötigt aber Konfiguration, Ressourcen und Schutz vor falschen Routinginformationen.

Distance Vector und Link State

Bei klassischen Distance-Vector-Verfahren kennt ein Router vor allem die von Nachbarn gemeldete Entfernung und Richtung zu Zielen. RIP verwendet dafür den Bellman-Ford-Ansatz und die Hop-Anzahl. Schutzmechanismen wie Split Horizon und Route Poisoning begrenzen typische Schleifenprobleme, beseitigen aber nicht jede Konvergenzverzögerung.

Link-State-Protokolle verteilen Link-State-Informationen innerhalb ihres Bereichs. Jeder Router bildet daraus eine Link-State-Datenbank und berechnet mit einem Shortest-Path-First-Verfahren die besten Wege. OSPF und IS-IS gehören in diese Familie. Auch hier können Fehlkonfigurationen oder ein noch nicht konvergierter Zustand vorübergehend zu Problemen führen; „schleifenfrei“ ist daher keine pauschale Garantie.

EIGRP wird häufig als Advanced Distance Vector bezeichnet. Es ist deshalb fachlich sauberer, EIGRP nicht einfach mit klassischem RIP gleichzusetzen. Für Netzwerkgrundlagen genügt die Einordnung, dass unterschiedliche Protokolle verschiedene Algorithmen und Metriken verwenden.

Weitere Strategien historisch und fachlich einordnen

Bei einem zentralisierten Ansatz sammelt eine zentrale Instanz Zustandsinformationen und berechnet daraus Wege. Die ältere Bezeichnung Routing Control Center ist im heutigen IP-Unterricht unüblich, die Grundidee lebt aber in Software-Defined Networking und zentralen Controllern weiter. Die tatsächlich weiterleitenden Geräte benötigen dennoch lokale Regeln und einen sinnvollen Umgang mit dem Ausfall der Steuerung.

Isoliertes Routing trifft Entscheidungen nur aus lokal verfügbaren Informationen, ohne eine vollständige Topologiesicht mit anderen Routern abzugleichen. Die in älteren Darstellungen genannten Verfahren sind keine gleichwertigen heutigen Routingprotokollfamilien, beschreiben aber besondere Entscheidungsprinzipien.

Konvergenz, Redundanz und Equal-Cost-Pfade

Konvergenz bezeichnet den Zustand, in dem die beteiligten Router nach einer Änderung wieder eine konsistente Sicht auf die erreichbaren Wege besitzen. Während der Übergangszeit können Pakete verworfen, über Umwege gesendet oder in einer Schleife weitergeleitet werden. Deshalb sind schnelle Fehlererkennung, korrektes Protokolldesign und ausreichende Redundanz wichtig.

Existieren mehrere gleichwertige Wege zum selben Präfix, können viele Router Equal-Cost Multi-Path nutzen. Die Last wird dabei typischerweise anhand eines Hashes über Merkmale eines Datenstroms verteilt, damit zusammengehörige Pakete möglichst denselben Pfad verwenden. ECMP bedeutet nicht, dass jedes einzelne Paket abwechselnd über einen anderen Weg gesendet werden muss.

Routingtabellen praktisch lesen

Windows, Linux und Netzwerkbetriebssysteme zeigen Routinginformationen unterschiedlich an. Entscheidend ist, Zielpräfix, Next Hop, Ausgangsschnittstelle, Metrik und Herkunft der Route zu erkennen. Änderungen sollten nur mit administrativen Rechten und einem klaren Rückweg vorgenommen werden - besonders auf entfernten Systemen.

Fehlersuche in sinnvoller Reihenfolge