Routing

Routing ist ein fundamentaler Prozess in Netzwerken, der entscheidet, auf welchem Weg Datenpakete von ihrem Ursprungsort zu ihrem Zielort transportiert werden.

Stell dir vor, du möchtest einen Brief an einen Freund in einer anderen Stadt schicken. Du weißt, wo er wohnt, aber du kennst nicht den genauen Weg dorthin. Also gibst du den Brief bei der Post ab, und die Post kümmert sich darum, den besten Weg zu finden, damit der Brief sein Ziel erreicht.

Im Kontext der Netzwerktechnik übernehmen Router diese Rolle: Sie leiten Datenpakete anhand von Informationen in ihren Routingtabellen zum Ziel.

Unterschied zwischen Routing und Forwarding

Obwohl die Begriffe oft synonym verwendet werden, bezeichnen Routing und Forwarding zwei unterschiedliche, aber miteinander verbundene Vorgänge in der Netzwerktechnik.

• Routing bezieht sich auf den Prozess der Entscheidungsfindung, welchen Weg oder welche Route Datenpakete durch ein Netzwerk nehmen sollen. Diese Entscheidung basiert auf verschiedenen Faktoren wie der Anzahl der Hops (Sprünge von einem Netzwerkgerät zum nächsten), der Bandbreite, Verzögerungen auf der Strecke und weiteren Netzwerkmetriken. Router nutzen Routing-Protokolle, um ihre Routingtabellen zu bauen und zu aktualisieren, welche die Informationen über die verfügbaren Wege und Netzwerktopologie enthalten.

• Forwarding hingegen ist der Akt der Übermittlung der Datenpakete durch ein Netzwerkgerät (Router) basierend auf den Entscheidungen, die beim Routing getroffen wurden. Wenn ein Paket ankommt, schaut der Router in seine Forwarding-Tabelle (manchmal auch als Switching-Tabelle bezeichnet), um herauszufinden, über welches Interface (Schnittstelle) das Paket weitergeleitet werden soll.

Die Rolle des Routers im Routingprozess

Router sind die Postämter des Internets. Sie verbinden verschiedene Netzwerke miteinander und entscheiden, wie Pakete durch das vermaschte Netzwerk des Internets versendet werden. Jeder Router hat eine Routing-Tabelle, die Informationen darüber enthält, über welches Interface und zu welchem nächsten Router oder Zielnetzwerk Datenpakete weitergeleitet werden sollen. Diese Tabellen können entweder manuell konfiguriert werden – was in der Praxis selten und nur in speziellen Fällen sinnvoll ist – oder dynamisch durch den Einsatz von Routing-Protokollen wie OSPF (Open Shortest Path First) oder BGP (Border Gateway Protocol) erstellt und aktualisiert werden.

Stell dir vor, ein Router sei wie ein Kreisverkehr mit mehreren Abfahrten. Jede Abfahrt führt zu einem anderen Stadtteil oder einer anderen Stadt. Wenn ein Auto (Datenpaket) in den Kreisverkehr einfährt, muss entschieden werden, welche Abfahrt das Auto nehmen sollte, um sein Ziel so schnell und effizient wie möglich zu erreichen. Der Router macht genau das für Datenpakete – er schaut in seine Routing-Tabelle, um zu entscheiden, über welches Netzwerkinterface das Paket weitergeleitet werden soll, damit es letztlich sein Endziel erreicht.

Durch die Kombination dieser Prozesse ermöglichen Router die Kommunikation zwischen Geräten in unterschiedlichsten Netzwerken – vom kleinen Heimnetzwerk bis zum riesigen Netzwerk eines globalen Unternehmens oder des Internets selbst. Ohne Routing und die Arbeit der Router wäre das moderne Internet, wie wir es kennen, nicht möglich.

Statisches vs. dynamisches Routing

Beim statischen Routing legt ein Netzwerkadministrator manuell die Routen fest, die Datenpakete innerhalb eines Netzwerks nehmen sollen. Diese Routen ändern sich nicht, es sei denn, der Administrator passt sie an. Der Hauptvorteil liegt in der Kontrolle und der Sicherheit, da exakt festgelegt wird, wie die Kommunikation erfolgt. Allerdings ist dies in großen oder sich dynamisch verändernden Netzwerken kaum effizient und flexibel genug.

Dynamisches Routing, auf der anderen Seite, verwendet Algorithmen und Protokolle, um automatisch die effizienteste Route für Datenpakete zu finden. Diese Methodik ist flexibel und passt sich Veränderungen im Netzwerk, wie zum Beispiel Ausfälle oder Engpässe, automatisch an. Beispiele für dynamische Routing-Protokolle sind OSPF (Open Shortest Path First) und BGP (Border Gateway Protocol).

Intradomain- und Interdomain-Routing

Intradomain-Routing bezieht sich auf das Routing innerhalb eines einzigen autonomen Systems (AS), also eines Netzwerks unter der Kontrolle einer einzigen Organisation. Das Ziel ist, den Datenverkehr effizient durch das eigene Netzwerk zu leiten. OSPF und RIP (Routing Information Protocol) sind gängige Protokolle, die für Intradomain-Routing genutzt werden.

Interdomain-Routing findet zwischen verschiedenen autonomen Systemen statt, also über die Grenzen von Netzwerken hinweg. Hier ist BGP das dominante Protokoll. Es ermöglicht es verschiedenen Netzwerken (zum Beispiel Internet Service Providern) miteinander zu kommunizieren und Routing-Informationen auszutauschen. Dadurch wird sichergestellt, dass Datenpakete auch dann ihr Ziel erreichen, wenn sie mehrere Netzwerke durchqueren müssen.

Wichtige Routing-Protokolle und ihre Anwendungsbereiche

• RIP (Routing Information Protocol): Eines der ältesten Routing-Protokolle, das aufgrund seiner Einfachheit und leichten Implementierbarkeit beliebt ist. Es eignet sich für kleinere bis mittelgroße Netzwerke, wird jedoch durch seine Begrenzung der Hop-Anzahl von maximal 15 und seiner langsameren Anpassung an Netzwerkveränderungen in großen Netzwerken weniger effizient.
• OSPF (Open Shortest Path First): Ein wesentlich fortschrittlicheres Protokoll, das in komplexen Netzwerkumgebungen eine dynamische Routenberechnung ermöglicht. OSPF teilt ein Netzwerk in Regionen (Areas) ein, was die Netzwerkleistung und -organisation verbessert und es ideal für große Unternehmensnetzwerke macht.
• BGP (Border Gateway Protocol): Das de facto Routing-Protokoll des Internets, das zwischen verschiedenen autonomen Systemen (AS) eingesetzt wird. BGP ist maßgeblich für die Wegfindung über das Internet verantwortlich und ermöglicht es Netzwerken, Informationen über erreichbare Systeme und die optimalen Pfade zu diesen auszutauschen.

Ein gutes Verständnis dieser Protokolle und der Unterschiede zwischen statischem und dynamischem Routing sowie Intradomain- und Interdomain-Routing ist essentiell für Netzwerkadministratoren. Es ermöglicht die effiziente Planung und Verwaltung der Netzwerkinfrastruktur und stellt sicher, dass Daten effizient und sicher zu ihrem Ziel geleitet werden.

Aufbau und Funktionsweise einer Routing-Tabelle

Jedes netzwerkfähige Gerät, das für das Routing zuständig ist, wie Router oder manchmal auch Switche, verwendet Routing-Tabellen. Eine Routing-Tabelle kann man sich vorstellen wie eine Art Adressbuch des Internets. Sie enthält Informationen darüber, welchen Weg Datenpakete nehmen sollen, um ihr Ziel zu erreichen. Doch was genau findet sich in einer solchen Tabelle?

• Zieladresse/IP-Adressbereich: Hier ist vermerkt, für welches Zielnetz bzw. welche Ziel-IP der Eintrag gilt.
• Nächster Hop / Gateway: Diese Information gibt an, über welches Zwischenziel (meist der nächste Router auf dem Weg zum Ziel) die Datenpakete geschickt werden müssen.
• Interface: Dieses zeigt an, über welche physische oder logische Schnittstelle das Paket versendet wird.
• Metrik: Die Metrik bestimmt, wie "gut" oder "schlecht" eine Route ist, oft basierend auf der Anzahl der Zwischenstationen (Hops) oder der geschätzten Zeit.

Der Prozess der Wegesuche und Entscheidungsfindung

Routing funktioniert nicht einfach durch willkürliches Senden von Datenpaketen. Es folgt einem sehr spezifischen Prozess der Wegesuche und Entscheidungsfindung. Dieser Prozess beginnt, wenn ein Datenpaket an einem Router ankommt, und besteht im Wesentlichen aus drei Schritten:

1. Zielanalyse: Zuerst schaut sich der Router die Zieladresse des Pakets an und vergleicht diese mit den Einträgen in seiner Routing-Tabelle.
2. Routenauswahl: Unter Berücksichtigung der Metrik wählt der Router die beste Route aus. Wenn mehrere Routen zur Verfügung stehen, wählt er die mit der niedrigsten Metrik.
3. Weiterleitung: Das Datenpaket wird über das entsprechende Interface zum nächsten Hop auf seiner Route zum Ziel gesendet.

Beispiel eines Routing-Vorgangs im Netzwerk

Stellen wir uns vor, ein Datenpaket soll von Berlin nach München gesendet werden, und zwischen den beiden Städten liegen mehrere Router. Der Prozess könnte so aussehen:

• Schritt 1: Der Router in Berlin erhält das Paket. Er schaut in seiner Routing-Tabelle nach und entscheidet, das Paket über Leipzig zu senden, da dies laut seiner Tabelle der schnellste Weg ist.
• Schritt 2: In Leipzig angekommen, schaut der nächste Router nach, welcher Weg nach München führt. Er entscheidet sich, das Paket direkt nach München zu senden, da eine direkte Verbindung besteht.
• Schritt 3: Das Paket erreicht München und wird zum Zielcomputer gesendet.

An diesem Beispiel siehst du, wie entscheidend die Routing-Tabelle und die darin enthaltenen Metriken für den Weg sind, den ein Datenpaket nimmt. Selbst eine geringfügige Änderung in der Routing-Tabelle (z.B. durch einen Ausfall eines Routers) kann den gesamten Pfad, den das Paket nimmt, ändern.

Routing-Metriken und ihre Bedeutung

Routing-Metriken sind essenzielle Kriterien, die von Routing-Algorithmen verwendet werden, um den besten Pfad für die Datenübertragung über ein Netzwerk zu bestimmen. Diese Metriken können verschiedene Aspekte wie Bandbreite, Verzögerungszeit (Latenz), Hop Count (Anzahl der Zwischenstationen), Pfadkosten, und Auslastung beinhalten. Der Hauptzweck einer Routing-Metrik ist es, die Effizienz und Effektivität des Datenverkehrs im Netzwerk zu optimieren.

• Bandbreite: Bezieht sich auf die maximale Rate der Datenübertragung durch das Netzwerk oder den spezifischen Link.
• Verzögerungszeit (Latenz): Die Zeit, die ein Datenpaket benötigt, um vom Sender zum Empfänger zu gelangen.
• Hop Count: Die Anzahl der Zwischenstationen (Router), die ein Paket auf seinem Weg vom Quell- zum Zielgerät passiert.
• Pfadkosten: Eine generelle Bewertung des Pfades, die auf verschiedenen Faktoren wie Bandbreite, Latenz oder sogar monetären Kosten basieren kann.
• Auslastung: Gibt an, wie stark ein Netzwerklink oder Pfad bereits mit Datenverkehr belastet ist.

Ein Beispiel, um die Bedeutung von Metriken zu veranschaulichen: Angenommen, du hast zwei Wege, um deine Daten von Punkt A nach Punkt B zu senden. Der eine Weg hat eine höhere Bandbreite, aber auch eine höhere Latenz und mehr Hops. Der andere Weg ist kürzer mit weniger Hops und niedrigerer Latenz, hat aber eine geringere Bandbreite. Je nachdem, ob für deine Anwendung die Geschwindigkeit oder die Bandbreite wichtiger ist, wirst du die entsprechenden Metriken heranziehen, um den optimalen Pfad zu wählen.

Source Routing und Ad-hoc-Routing

Source Routing ist eine Methode im Routing, bei der der gesamte Pfad, den ein Datenpaket nehmen soll, im Paketkopf vom Absender festgelegt wird. Diese Technik ermöglicht es, spezifische Wege durch das Netzwerk zu definieren, was in bestimmten Szenarien wie Fehlerdiagnose oder Netzwerk-Testing nützlich sein kann. Ein Nachteil hierbei kann jedoch die erhöhte Paketgröße und die starre Routendefinition sein, die keine dynamische Anpassung an Netzwerkänderungen erlaubt.

Ad-hoc-Routing wird vor allem in Ad-hoc-Netzwerken angewendet, die dynamisch ohne feste Infrastruktur wie Router oder Access Points aufgebaut werden. In einem solchen Netzwerk müssen die Geräte selbstständig entscheiden, wie Pakete weitergeleitet werden. Bekannte Ad-hoc-Routing-Protokolle umfassen unter anderem das Ad-hoc On-demand Distance Vector (AODV) und das Optimized Link State Routing (OLSR) Protokoll. Diese Protokolle ermöglichen es den Endgeräten, sich gegenseitig zu entdecken und effizient Daten zu übertragen, selbst wenn sich die Netzwerktopologie häufig ändert.

Routing-Algorithmen und ihre Anwendungsgebiete

Routing-Algorithmen sind die Schlüsselkomponenten, die bestimmen, wie Daten durch ein Netzwerk geleitet werden. Es gibt verschiedene Arten von Routing-Algorithmen, die auf spezifische Netzwerkanforderungen ausgerichtet sind.

• Dijkstra-Algorithmus: Wird in Link-State-Routing-Protokollen wie OSPF verwendet. Er berechnet den kürzesten Weg zwischen zwei Punkten in einem Netzwerk und berücksichtigt dabei die unterschiedlichen Kosten jedes Links.
• Bellman-Ford-Algorithmus: Grundlage für Distance-Vector-Routing-Protokolle wie RIP. Er ist einfacher als der Dijkstra-Algorithmus und kann Pfade berechnen, ohne die gesamte Netzwerktopologie zu kennen.
• Path-Vector-Protokoll: Verwendet im Border Gateway Protocol (BGP), dem Standard für das Routing zwischen autonomen Systemen im Internet. BGP konzentriert sich auf die Erstellung stabiler und effizienter Routen zwischen den großen Netzwerken, die das Internet bilden.

Beispiel: Angenommen, du verwendest OSPF in deinem internen Firmennetzwerk und BGP für die Verbindung zum Internet. OSPF hilft dir dabei, dynamisch auf Veränderungen innerhalb deines Netzwerks zu reagieren und effiziente Pfade zu finden, während BGP gewährleistet, dass deine Daten den effizientesten Weg durch das globale Internet nehmen.

Routing-Algorithmen und -Protokolle sind essentiell, um Datenverkehr im Internet und in Netzwerken allgemein zu managen. Ihre sorgfältige Auswahl und Konfiguration ist entscheidend für die Netzwerkperformance und -zuverlässigkeit.