Mobile-Menu

Grundlagen moderner Netzwerktechnologien im Überblick – Teil 33 Routing in Wide Area Networks (WANs)

Autor / Redakteur: Dr. Franz-Joachim Kauffels / Dipl.-Ing. (FH) Andreas Donner

Nachrichten in WANs müssen ggf. lange Wege zurücklegen. Dabei laufen sie innerhalb der Struktur von Knoten zu Knoten. Das machen sie aber nicht nach Lust und Laune, sondern gemäß eines vorher festgelegten Wegs. Die Festlegung eines Wegs durch ein verzweigtes Netz nennt man auch Routing. Über Routing und Routing-Verfahren kann man dicke Bücher schreiben. Wir beschränken uns hier auf das Wesentliche.

Firmen zum Thema

Das Routing bestimmt den Weg im WAN; Bild: Dr. Franz-Joachim Kauffels
Das Routing bestimmt den Weg im WAN; Bild: Dr. Franz-Joachim Kauffels
( Archiv: Vogel Business Media )

Bei Teilstreckennetzen, also Netzwerken mit indirekter Übersendung der Nachricht von einer Quelle zu einem Ziel, wie einem WAN, muss man generell unter diversen Randbedingungen eine in verschiedener Hinsicht optimale Wegwahl treffen.

Das Routing-Problem kann wie folgt charakterisiert werden:

Bildergalerie

Wie lässt sich die vom Knoten i nach Knoten j zum Zeitpunkt t zu transportierende Nachrichtenmenge w unter Verwendung der Ressourcen des Netzes und gemessen an einem oder mehreren Kriterien optimal transportieren?

Basierend auf dieser Fragestellung kann man die Routing-Verfahren zunächst grob in folgende Klassen einteilen:

  • Zentralisierte bzw. verteilte Techniken: Eine zentralisierte Technik benutzt eine Zentralstation, die über die zur Wegwahl notwendigen Informationen verfügt, diese aufbereitet und dann die Wegwahlentscheidung trifft. Den Rechnern an den Zwischenknoten wird diese Entscheidung zur Ausführung übermittelt. Bei dezentralen Techniken treffen die Zwischenknoten ihre Entscheidung selbst.
  • Statische bzw. dynamische Verfahren: Rein statische Verfahren berechnen die Wegwahl ein für allemal aus a-priori-Vorgaben für die Randbedingungen des Netzes, wie Verkehrsaufkommen, Kapazität der Leitungen, Kapazität der Knoten und Kosten. Dies ist nur in wenigen Fällen zweckmäßig, da eine Änderung der Vorgaben z.B. durch Ausfall von Leitungen jederzeit später eintreten kann und dann keine Berücksichtigung mehr findet. Dynamische Verfahren heißen auch adaptiv, weil sie die Wegwahlentscheidung aufgrund aktueller Zustandsparameter des Netzwerkes treffen.
  • Lokale bzw. globale Verfahren: Lokale Verfahren berücksichtigen nur den Netzwerkzustand in einer unmittelbaren Umgebung. Dabei können sie leicht zu Fehlschlüssen gelangen. Globale Verfahren berücksichtigen den gesamten Netzzustand, was jedoch wiederum sehr aufwendig werden kann.
  • Deterministische bzw. stochastische Verfahren: Erstere Verfahren benutzen deterministische Entscheidungsregeln, letztere stochastische zur Bestimmung der Ausgangsleitung, über die eine Nachricht vom Zwischenknoten aus weitergesandt wird.

weiter mit: Routing-Basics

Routing-Basics

Das Gerät, welches das Routing ausführt, heißt Router. Früher bildeten Router ggf. das ganze Kernnetz, indem sie über geeignete Schnittstellen zusammengeschaltet wurden. Durch das Switching und die optischen Netze hat sich das geändert. Auch WANs baut man heute mit WAN-Switches, die man sich prinzipiell wie LAN-Switches, aber mit anderen technischen Schnittstellen vorstellen kann. Sie besitzen neben vielen anderen Komponenten auch einen Router.

In der OSI-Terminologie wird ein Router auch als Intermediate System „IS“ bezeichnet. Ein Gesamtnetz ist in Subnetze unterteilt. Der Dienst, den der Router erbringt, ist der entsprechende Subnetzdienst für die Endsysteme. Eine Routing-Domain ist dabei eine Menge von Endsystemen, die das gleiche Routing-Protokoll benutzen. Ein Hop ist der Durchlauf eines Paketes durch ein IS auf dem Weg von der Sende- zur Empfangsstation.

Die „Routing-Protokolle“, die hierzu notwendig sind, wurden meist in Verbindung mit den Netzwerk-Protokollen entwickelt und sind in der Regel auf diese Netzwerk-Protokolle abgestimmt. Das bedeutet, dass nahezu jeder Protokollstack mit einem Schicht-3-Protokoll über ein oder mehrere Routing-Protokolle verfügt.

Ein ES-IS-Protokoll (End-System – Intermediate System) ist ein Protokoll, mit dem sich die Endgeräte den Routern mitteilen können und umgekehrt. Diese Protokolle bezeichnen wir auch als Netzwerk(schicht)protokolle.

Eine IS-IS-Protokoll (Intermediate System – Intermediate System) ist ein Protokoll, das Router untereinander benutzen, um Routing-Informationen, Fehlermeldungen u.ä. auszutauschen. Diese Protokolle bezeichnen wir auch als Routing-Protokolle.

Für die Vermittlungsfunktionen eines Routers gibt es zwischen dem protokollgemäßen Dienst der Vermittlungssicht und den Verbindungs- bzw. Routing-Funktionen einen so genannte Network Internal Layer Service Schnittstelle (NILS).

Netzwerk-Protokolle wie das IP (Internet Protocol), das Novell IPX (Internet Packet Exchange) und viele andere arbeiten schon seit Jahren für die transparente Weiterleitung von Paketen über physische Grenzen eines Netzes hinweg.

Das Netzwerk-Protokoll ermöglicht durch den Einsatz geeigneter Adressen das Routing. Es wird dabei vom eigentlichen Routing-Protokoll unterstützt. Man muss also zwischen diesen Protokollen unterscheiden, was oft unterbleibt und zu Missverständnissen führt. Im Rahmen der TCP/IP-Protokollfamilie ist das IP das Netzwerkprotokoll; zugehörige Routing-Protokolle wären RIP (Routing Information Protocol) oder das OSPF (Open Shortest Path First).

Im OSI-Universum ist z.B. ISO 8473 CLNP (Connectionless Network Protocol) das Netzwerk-Protokoll, und ES-IS (End System – Intermediate System) das Routing-Protokoll zwischen Endsystem und Router, IS-IS das Protokoll zwischen Routern untereinander und IDRP (Inter Domain Routing Protocol) die Vereinbarung zwischen großen Subnetzen zur Komplexitätssenkung.

Ein weiteres wichtiges Routing-Protokoll ist APPN (Advanced Peer-to-Peer Networking) von IBM für modernisierte SNA-Netze. Leider gibt es heute auch noch eine Reihe herstellerspezifischer Router-Router-Protokolle, die eine heterogene Router-Umgebung unterdrücken, bspw. Cisco IGRP, Vitalink TransPath, RND REB und RTB.

weiter mit: Die wichtigsten Routing-Protokolle im Überblick

Die wichtigsten Routing-Protokolle im Überblick – RIP

Beim dynamischen Routing werden die Tabellen zunächst von den Routern gelernt und danach angelegt. Im laufenden Betrieb müssen die Tabellen permanent ergänzt werden.

Das RIP (Routing Information Protocol) wurde auf Basis der Xerox Netzwerk-Protokolle entwickelt, und kam danach ins Berkeley-Unix, weshalb es heute in TCP/IP-Umgebungen und im Internet so häufig zu finden ist. Die Router schicken bei RIP in Intervallen ihre eigenen Routing-Tabellen als Broadcast zu allen anderen Routern.

Die Entfernung zu anderen Netzwerken wird dabei aus der Perspektive der eigenen Routing-Tabelle angegeben. Auf der Grundlage der in den Tabellen enthaltenen Information berechnen die Router die kürzesten im Rahmen der Übermittlung bekanntgewordenen Entfernungen zu jedem Zielnetz und nehmen den Nachbar-Router, der die kürzeste Entfernung angegeben hat, als Ziel-Router zur Weiterleitung. Maximal dürfen auf dem Weg von der Quelle zum Ziel 14 (weitere) Router liegen. Ist der Weg länger, gilt das Ziel als nicht erreichbar.

Ein Nachteil des RIP-Protokolls ist das bei den Betreibern großer Netze gefürchtete Broadcasten, was mehr oder minder in Form einer Welle über das Netz schwappt, wenn ein Router einmal damit anfängt. Mit einem Broadcast sind bei großen Netzen immer auch relativ große Datenmengen verbunden, die für sich gesehen das Netz schon gut beschäftigen können.

OSPF, Open Shortest Path First

Das Protokoll OSPF (Open Shortest Path First) ist das Protokoll, welches RIP im TCP/IP-Universum mittelfristig ablöst. Es ist im RFC 1131 spezifiziert und basiert im Gegensatz zu RIP auf einer hierarchischen Strukturierung, die mehrere Ebenen von Netzstrukturen unterschiedlicher Granularität zulässt.

Stellen Sie sich dies wie im richtigen Leben vor: wenn Sie von Köln, Hohe Straße 19, 3. Etage, Flur links nach München, Marienplatz 21, 4. Etage, Flur rechts möchten, werden Sie ihre Route nicht so entwerfen, dass Sie alle möglichen Landstraßen, Wege und Etagen solange hintereinander reihen, bis das Ziel erreicht ist.

Vielmehr versuchen Sie, in Köln vom Parkhaus aus zunächst eine Zubringerstraße und dann die Autobahn zu erreichen, auf der es dann z.B. vorbei an Koblenz, Hockenheim, Karlsruhe und Stuttgart nach München geht. In München wählen Sie von der Autobahn einen geeigneten Ring und stoßen langsam Richtung Marienplatz vor, wo man aber nicht parken darf.

Ein Link-State Algorithmus stellt in OSPF nicht nur fest, dass es eine Route gibt, sondern auch, wie es ihr gerade geht. Und das ist eigentlich nicht unwichtig. Schließlich lassen sich mit OSPF auch größere Entfernungen als über 14 Zwischensysteme überwinden.

IS-IS-Protokoll

Das IS-IS-Protokoll ist, wie der Name schon sagt, ein Router-Protokoll im OSI-Umfeld. Es arbeitet ähnlich wie OSPF mit einer Hierarchie und einem LinkState Algorithmus, ist aber für die OSI-Adressierung ausgelegt. Insgesamt ist es weitläufiger als OSPF – wie ja OSI-Protokolle insgesamt meist weitläufiger sind als die entsprechenden Elemente der TCP/IP-Protokollfamilie.

IS-IS basiert auf einem Domänen-Konzept, d.h. die Menge der vernetzten Zwischensysteme wird in Gruppen eingeteilt. Jedes Endgerät ist üblicherweise genau einer Gruppe zugeordnet. Sowohl in diesem Zusammenhang, als auch bei SNA und DECnet bezeichnet man die Menge der in einer Gruppe zusammengefassten Endgeräte, Zwischenrechner und gegebenenfalls Leitungen als Domäne.

Mit dem Domänenkonzept unmittelbar verwoben ist eine Reduzierung der Komplexität des Routingverfahrens, da man eigentlich nur noch zwischen den Domänen vermitteln muss. Im IS-IS ist eine flexible, gegebenenfalls hierarchische Domänenbildung vorgesehen.

Weiterhin lässt sich eine Domäne zusätzlich in Subdomains untergliedern. Beim OSI-Routing soll die Anzahl der Hierarchieebenen allerdings auf zwei beschränkt bleiben. Der dynamische Routing-Algorithmus des OSI IS-IS entspricht dem von DECnet Phase V. Der Algorithmus kann bis zu 10.000 Router und bis zu 100.000 Endknoten verarbeiten. Dies hört sich gigantisch an, ist aber in der Praxis gar nicht so viel. Sogar in Deutschland gibt es eine Reihe von Netzen, die mehr Teilnehmer haben.

IS-IS unterstützt verschiedene so genannte Metriken. Diese sind Maße entlang eines bestimmten Optimalitätskriteriums. Mögliche Kriterien sind: Leitungskapazität, Verarbeitungszeit, Kosten und Fehlerrate der Verbindung. Es können beliebige Mischungen dieser Metriken unterstützt werden. Jede Metrik benötigt einen eigenen Baum und berechnet aus ihm eigene Routing-Tafeln. Bevor man eine Verbindung wählt, sollte man sich natürlich für ein Optimierungskriterium entscheiden.

Integrated IS-IS

Dieses Protokoll soll OSI IS-IS und OSPF integrieren. Es wurde von DEC erarbeitet und im RFC 1195 niedergelegt. Der IS-IS-Frame wird um einige Informationen erweitert, um IP-Kommunikation durchführen zu können. Diese Integration geht jedoch zu Lasten einiger Möglichkeiten im OSPF.