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Routing-Protokolle im Detail

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Routing-Protokolle im Detail

In dieser interaktiven Lerneinheit tauchst du tief in die Funktionsweise verschiedener Routing-Protokolle ein, mit besonderem Fokus auf das Routing Information Protocol (RIP). Du lernst die technischen Grundlagen von Distance-Vector Protokollen kennen und verstehst deren Einsatz in autonomen Systemen. Durch praktische Beispiele erfährst du, wie Routing-Protokolle in realen Netzwerkumgebungen konfiguriert und optimiert werden.

Einführung

Du bist im IT-Team eines Unternehmens. Plötzlich fällt eine wichtige Verbindung im Firmennetz aus – E-Mails kommen verspätet an, Zugriffe auf Server brechen ab und einige Kollegen können nicht mehr arbeiten. Nach kurzer Zeit läuft alles wieder – ganz automatisch, ohne dass jemand eingreifen muss.

Netzwerk ohne intelligentes Routing vs. mit Routing-Protokollen: Ausfall und automatische Umleitung
Routing-Protokolle ermöglichen automatische Umleitung bei Netzwerkausfällen — Bildrechte: Ausbildung-in-der-IT.de (KI-unterstützt)

Wie ist das möglich?

Dahinter steckt eine präzise abgestimmte Steuerung durch Routing-Protokolle: Sie sorgen dafür, dass Datenpakete selbst bei Ausfällen sofort einen alternativen Weg finden und der Geschäftsbetrieb weiterläuft.

Routing-Protokolle sind für die Ausfallsicherheit und Leistungsfähigkeit moderner Netzwerke unverzichtbar. Sie regeln, wie Router untereinander kommunizieren, ihre Tabellen aktuell halten und im Fehlerfall reagieren. Für verschiedene Netzwerkgrößen und -anforderungen stehen unterschiedliche Protokolle bereit.

Lernziele

Nach dieser Lerneinheit kannst du:

  1. Die Grundprinzipien und Unterschiede der Routing-Protokolle RIP, OSPF, IS-IS und BGP erklären.
    Du erkennst, für welche Netzwerkanforderungen und -umgebungen sich die jeweiligen Protokolle eignen.

  2. Die Funktionsweise und Metriken der Protokolle praxisnah analysieren.
    Du kannst die wichtigsten Arbeitsweisen und Auswahlkriterien (z. B. Hops, Link-State, Pfadattribute) verständlich beschreiben und anhand von Beispielen zuordnen.

  3. Typische Konfigurationsbeispiele und Netzwerkstrukturen für interne und externe Routing-Protokolle erstellen und bewerten.
    Du bist in der Lage, Konfigurationen von RIP, OSPF, IS-IS und BGP nachzuvollziehen und für vorgegebene Szenarien passende Protokolle auszuwählen.

  4. Risiken und Herausforderungen beim Routing in großen Netzwerken benennen sowie aktuelle Schutzmaßnahmen einordnen.
    Du kennst typische Fehlerquellen wie Route Hijacking, Leaking oder Konvergenzprobleme und kannst erklären, wie Protokollmechanismen und Sicherheitsfeatures dagegen wirken.

Überleitung

Wir steigen mit einem klassischen Vertreter ein: Das Routing Information Protocol (RIP). Dieses Protokoll wurde speziell für einfache, überschaubare Netzwerke entwickelt und setzt auf ein unkompliziertes Prinzip, das du schnell verstehen wirst – aber auch die Grenzen dieses Ansatzes werden klar.

Was ist das Routing Information Protocol (RIP)?

Das Routing Information Protocol (RIP) ist eines der ältesten Distance-Vector Routing-Protokolle für IP-Netze. Es kommt primär in kleinen bis mittelgroßen Netzwerken (innerhalb Autonomer Systeme, AS) zum Einsatz und nutzt den Bellman-Ford-Algorithmus zur Pfadberechnung.

Wie funktioniert RIP?

RIP bestimmt den besten Pfad zu einem Zielnetzwerk anhand der Anzahl der Hops (Zwischenrouter). Die maximale Anzahl an Hops ist auf 15 begrenzt, wodurch Netzwerke mit mehr als 15 Hops als unerreichbar gelten. Hinweis: Neben der 15-Hop-Grenze verwendet RIP auch Maßnahmen wie Split-Horizon und Poison Reverse, um die Count-to-Infinity-Problematik weiter einzudämmen.

Routing Information Protocol (RIP)

Nachrichtentypen

RIP tauscht Routing-Informationen mittels zweier Nachrichtentypen aus:

  • Request: Ein Router fordert gezielt Routing-Informationen von Nachbarn an und erhält daraufhin unmittelbar eine Antwort.
  • Response: Ein Router sendet periodisch (alle 30 Sekunden) seine vollständige Routing-Tabelle an alle RIP-Nachbarn – unabhängig von Requests.

Versionen von RIP

RIPv1RIPv2
- Keine Unterstützung für CIDR (Classless Inter-Domain Routing)- Unterstützung für CIDR und VLSM
- Keine Authentifizierungsmöglichkeit- Unterstützung für “Plain-Text” und “MD5-Authentifizierung”
- Updates via Broadcast- Updates via Multicast (224.0.0.9)

Konfigurationsbeispiel (Cisco)

router rip
 version 2
 network 192.168.1.0
 network 192.168.2.0
 no auto-summary  ! Deaktiviert die automatische Zusammenfassung, um CIDR-Routen korrekt zu übertragen

Vor- und Nachteile von RIP

VorteileNachteile
Einfach zu konfigurieren und zu verstehenBegrenzte Skalierbarkeit (max. 15 Hops)
Gute Wahl für kleinere NetzwerkeLangsame Konvergenz im Vergleich zu OSPF/EIGRP
Berücksichtigt nur Hop-Anzahl, nicht Bandbreite o.ä.

RIP im Vergleich zu anderen Routing-Protokollen

Im Vergleich zu OSPF oder EIGRP bietet RIP weniger Flexibilität und Skalierbarkeit. Für große, sich häufig ändernde Netzwerke oder Umgebungen mit unterschiedlicher Bandbreite ist RIP nicht geeignet. Seine Stärke liegt in der Einfachheit, weshalb es in stabilen, kleinen Netzwerken weiterhin eingesetzt wird.

Überleitung

OSPF ist ein Link-State-Routing-Protokoll, das in großen, dynamischen Netzwerken verwendet wird. Es nutzt den Dijkstra-Algorithmus, um den kürzesten Weg zu jedem Ziel zu berechnen, und arbeitet mit einer detaillierten Link-State-Datenbank (LSDB).

Grundprinzipien

  • Link-State-Advertisements (LSA): Jeder Router informiert Nachbarn über seine direkten Verbindungen.
  • LSDB: Alle Router in einem Bereich bauen aus den LSAs eine identische Topologie-Datenbank auf.
  • Dijkstra-Algorithmus: Aus der LSDB berechnet jeder Router lokal die optimale Routing-Tabelle.

OSPF-Areas

  • Area 0 (Backbone Area): Zentrale Vermittlung zwischen allen Areas.
  • Internal Router: Arbeitet nur in einer (nicht-Backbone-)Area.
  • Backbone Router: Arbeitet ausschließlich in Area 0.
  • Area Border Router (ABR): Verbindet verschiedene Areas miteinander.
  • Autonomous System Boundary Router (ASBR): Verbindet OSPF mit anderen Routing-Protokollen (z. B. BGP).

OSPF-Operationen

  • Wahl von DR/BDR: In Broadcast-Netzen wird ein Designated Router (DR) und ein Backup DR (BDR) gewählt, um LSA-Fluten zu minimieren.
  • Flooding von LSAs: Änderungen in der Netzwerktopologie werden netzweit über LSAs kommuniziert.
  • Berechnung der Routing-Tabelle: Mit Hilfe des Dijkstra-Algorithmus aus der LSDB.

OSPF-Versionen & Nachrichtentypen

VersionZweck
OSPFv2Für IPv4-Netze (RFC 2328)
OSPFv3Für IPv6-Netze (RFC 5340)
NachrichtentypBeschreibung
HelloNachbarerkennung, DR/BDR-Wahl
DBDZusammenfassung der LSDB
LSRAnforderung detaillierter LSA-Informationen
LSUVersand aktueller LSAs
LSAckBestätigung für erhaltene LSUs

Konfigurationsbeispiel (Cisco)

router ospf 1
 network 10.0.0.0 0.255.255.255 area 0
 network 192.168.1.0 0.0.0.255 area 1

Dieses Beispiel konfiguriert OSPF für ein Netzwerk in Area 0 (Backbone) und eines in Area 1.

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Was ist IS-IS?

Das Intermediate System to Intermediate System (IS-IS) ist ein Link-State-Routingprotokoll, das speziell für große Netzwerke wie Internet Service Provider (ISPs) und Data Center entwickelt wurde. Es verteilt Routinginformationen innerhalb eines autonomen Systems (AS) und ist damit vergleichbar mit OSPF, arbeitet aber direkt auf Layer 2 und ist somit nicht an ein bestimmtes Netzwerkprotokoll gebunden.

Grundkonzepte

  • Intermediate System (IS): Bezeichnung für Router im IS-IS-Kontext.
  • Link-State-Protokoll: Jeder Router sammelt Informationen über den Zustand seiner Verbindungen und erstellt daraus sogenannte Link-State-Pakete (LSPs). Diese Pakete werden im gesamten Netz verteilt, damit jeder Router ein vollständiges Bild der Netzwerktopologie erhält.
  • Bereiche (Areas) und Levels: IS-IS unterstützt die Unterteilung eines Netzwerks in Areas. Diese werden in Level 1 (Routing innerhalb einer Area) und Level 2 (Routing zwischen Areas) unterschieden.

Hierarchische Struktur: Levels und Areas

  • Level 1 IS: Router, die ausschließlich innerhalb einer Area routen.
  • Level 2 IS: Router, die für das Routing zwischen Areas und das sogenannte Backbone-Routing zuständig sind.
  • Dual Level IS: Router, die sowohl Level 1 als auch Level 2 unterstützen und so die Verbindung zwischen Areas und Backbone ermöglichen.

Diese Hierarchie verbessert die Skalierbarkeit und sorgt für eine effiziente Organisation auch in sehr großen Netzen.

IS-IS Paket-Typen

  • Hello-Pakete (Level 1 und Level 2): Zur Nachbarschaftserkennung und Bildung stabiler Nachbarschaften.
  • Link-State-Pakete (LSP): Enthalten Topologieinformationen, um die Netzwerksicht aktuell zu halten.
  • Sequenznummern-Pakete (SNP): Dienen der Datenbanksynchronisation zwischen Routern.
    • Complete Sequence Number Packets (CSNP): Übermitteln eine vollständige Liste aller bekannten LSPs.
    • Partial Sequence Number Packets (PSNP): Übertragen nur eine Teilmenge der LSPs, um gezielt Synchronisierungen durchzuführen.

Vergleich: IS-IS vs. OSPF

AspektIS-ISOSPF
DesignFokus auf schnelle Konvergenz, einfache SynchronisationFlexibles Topologiedesign, detaillierte Pfadmetriken
KapselungArbeitet auf Layer 2, unabhängig vom NetzwerkprotokollArbeitet auf Layer 3, stark an IP gebunden
SkalierbarkeitSehr skalierbar, vor allem für große Provider-NetzeGut für viele Topologien, kann in sehr großen Netzen komplex werden

Schlüsselfaktoren für die IS-IS-Implementierung

  • Netzwerktopologie: Effiziente Planung von Areas und Levels ist entscheidend für Skalierbarkeit.
  • Nachbarschaftsmanagement: Hello-Pakete korrekt konfigurieren, um stabile Nachbarschaften zu gewährleisten.
  • Link-State-Verbreitung: LSPs müssen korrekt generiert und verteilt werden, damit alle Router konsistente Informationen haben.

Was ist das Border Gateway Protocol (BGP)?

Das Border Gateway Protocol (BGP) ist das wichtigste Routingprotokoll für den Datenaustausch zwischen autonomen Systemen (AS) im Internet. Es ist ein Path-Vector-Protokoll und sorgt für die Auswahl des besten Pfades zwischen den Netzen verschiedener Organisationen – also für das sogenannte Inter-Domain-Routing.

Wie funktioniert BGP?

BGP-Router (BGP Speaker) bauen Peer-to-Peer-Sitzungen auf, sogenannte BGP-Sessions, die über TCP-Port 179 laufen. Dabei gibt es:

  • EBGP (External BGP): Routing zwischen verschiedenen autonomen Systemen.
  • IBGP (Internal BGP): Routing innerhalb desselben autonomen Systems.

Ein Ausfall einer BGP-Session kann zur Unterbrechung der Internetkonnektivität führen, da Routinginformationen verloren gehen.

Routing-Informationen und Pfadattributen

BGP-Router tauschen umfangreiche Pfadattributen aus, um die optimale Route zu wählen:

  • AS_PATH: Liste aller AS, die eine Route durchläuft.
  • NEXT_HOP: IP-Adresse des nächsten Routers.
  • ORIGIN: Ursprung der Routinginformation.
  • MULTI_EXIT_DISC (MED): Präferenz bei mehreren Übergängen zwischen zwei AS.

Die Auswahl des besten Pfades basiert auf einer priorisierten Liste von Attributen.

BGP-Prioritäten bei der Pfadwahl (vereinfacht)

  1. Local Preference: Bevorzugt Pfad mit höchster lokalen Präferenz.
  2. Selbst angekündigt: Wählt Pfade, die vom eigenen Router stammen.
  3. Kürzester AS_PATH: Kürzeste AS-Liste bevorzugt.
  4. Niedrigster Origin-Typ: Am wenigsten “exotischer” Ursprung gewinnt.
  5. Niedrigster MED: Niedrigster Wert wird bevorzugt.
  6. EBGP vor IBGP: Externe Pfade werden internen vorgezogen.
  7. Niedrigste IGP-Kosten zum NEXT_HOP: Günstigster interner Pfad.
  8. Älteste EBGP-Route: Bei Gleichstand zählt das Alter der Route.
  9. Niedrigste BGP-Router-ID: Bei vollständigem Gleichstand gewinnt der Router mit der kleineren ID.

Hinweis: Das Attribut Weight ist nur bei Cisco verbreitet und kein Standard nach RFC.

BGP in der Praxis

Mit BGP steuerst du das Routing im Internet gezielt, verwaltest Netzwerkzugänge und steuerst Verkehrsflüsse. Über Policies und gezielte Attributmanipulation lässt sich beeinflussen, wie Datenpakete durch das Internet geleitet werden.

Herausforderungen & Sicherheit bei BGP

  • Route Leaking: Ungewolltes Bekanntgeben von Routen an fremde AS.
  • Route Hijacking: Unberechtigtes Umleiten von Verkehrsströmen.
  • Schutzmaßnahmen: Einsatz von BGPsec und RPKI zur Sicherstellung der Routenintegrität und Authentizität.
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Zusammenfassung

Zusammenfassung:

Distance-Vector- und Link-State-Protokolle

RIP (Routing Information Protocol)

  • RIP ist eines der ältesten Distance-Vector-Routingprotokolle. Es berechnet den besten Weg zum Ziel allein auf Basis der Anzahl an Hops (Zwischenroutern).
  • Die maximale Hop-Anzahl ist auf 15 begrenzt, wodurch RIP für große Netzwerke ungeeignet ist.
  • RIP ist einfach zu konfigurieren und eignet sich für kleine, stabile Netzwerke. Nachteile sind die langsame Konvergenz und fehlende Berücksichtigung von Bandbreite oder Auslastung.
  • Es gibt zwei Versionen: RIPv1 (nur Klassenrouting, keine Authentifizierung) und RIPv2 (unterstützt CIDR/VLSM und Authentifizierung).

OSPF (Open Shortest Path First)

  • OSPF ist ein modernes Link-State-Routingprotokoll und wird in mittleren bis großen Unternehmensnetzwerken eingesetzt.
  • Es nutzt den Dijkstra-Algorithmus und baut aus allen Link-State-Informationen eine vollständige Topologiedatenbank auf (LSDB).
  • OSPF unterstützt die Unterteilung in Areas für eine bessere Skalierbarkeit und bietet schnelle Konvergenz bei Topologieänderungen.
  • Zu den Besonderheiten zählen die Wahl von Designated Routers (DR/BDR) in Broadcast-Netzen und die Möglichkeit, komplexe Netzstrukturen effizient abzubilden.

Provider- und Backbone-Protokolle

IS-IS (Intermediate System to Intermediate System)

  • IS-IS ist ein Link-State-Protokoll, das besonders in großen Providernetzen und Data Centern eingesetzt wird.
  • Es arbeitet unabhängig vom IP-Protokoll direkt auf Layer 2 und nutzt eine hierarchische Struktur mit Areas (Bereichen) und Levels.
  • Level 1 Router routen innerhalb einer Area, Level 2 Router übernehmen das Routing zwischen den Areas. Router können auch beide Rollen übernehmen.
  • Der Informationsaustausch erfolgt über Link-State-Pakete (LSPs), ergänzt durch Hello- und Sequenznummern-Pakete für Nachbarschaft und Datenbanksynchronisation.
  • IS-IS ist bekannt für hohe Skalierbarkeit, schnelle Konvergenz und wird häufig als robuste OSPF-Alternative im Backbone-Bereich genutzt.

BGP (Border Gateway Protocol)

  • BGP ist das wichtigste Routingprotokoll für das Internet und verbindet autonome Systeme (AS) weltweit.
  • Als Path-Vector-Protokoll basiert BGP auf dem Austausch von Routen und Pfadattributen (z. B. AS_PATH, NEXT_HOP, LOCAL_PREF, MED), um den optimalen Pfad zwischen Netzen zu bestimmen.
  • BGP arbeitet über Peer-to-Peer-Sitzungen auf TCP-Basis und unterscheidet zwischen externem (EBGP) und internem (IBGP) Routing.
  • Es erlaubt eine feingranulare Steuerung und Policy-basiertes Routing, ist aber komplex in der Konfiguration und anfällig für Angriffe wie Route Hijacking oder Leaking.
  • Sicherheitsmechanismen wie BGPsec und RPKI helfen, die Integrität und Authentizität des Routings zu erhöhen.

Wesentliche Unterschiede und Gemeinsamkeiten

  • RIP und OSPF werden typischerweise für das interne Routing innerhalb eines AS verwendet. IS-IS wird ebenfalls intern, aber meist in sehr großen oder heterogenen Netzwerken eingesetzt.
  • BGP ist für das Routing zwischen autonomen Systemen (Inter-Domain-Routing) zuständig und ermöglicht die Kontrolle und Optimierung des weltweiten Datenverkehrs.
  • Link-State-Protokolle (OSPF, IS-IS) verteilen vollständige Topologieinformationen, was zu höherer Effizienz und Ausfallsicherheit führt. Distance-Vector-Protokolle wie RIP sind einfacher, aber limitiert in Skalierbarkeit und Funktion.
  • BGP bietet maximale Kontrolle über Routing-Policies, ist aber auf korrekte Filter und Sicherheitsmaßnahmen angewiesen, um Missbrauch zu verhindern.

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