Computernetzwerke

Eine Einführung für die praktische Ausbildung

Versionierung

Definition und Einleitung

• in den Anfängen der automatisierten Datenverarbeitung wurden (zentrale) Großrechner genutzt
• Ein- und Ausgabe erfolgte mit Lochkarten / -bändern, magnetischen Medien, Papier und Terminals
• Entwicklung der Rechentechnik ermöglicht leistungsfähige, dezentral einsetzbaren Computer
• Zusammenarbeit und Kostengründe erfordern zentral (gemeinsam) nutzbare Ressourcen
• standardisierte und transparente Zugriffsmöglichkeiten werden benötigt

Definition und Einleitung

​

​

Ein Netzwerk ist eine (standardisierte) Infrastruktur für Datenendgeräte zur Verfügung, welchen denen die Kommunikation, den Austausch von Daten und die Nutzung zentraler Ressourcen ermöglicht.

​

​

Definition und Einleitung

• Entwicklung von verschiedenen Arten von (herstellerspezifischen) Netzwerken für die Nutzung in lokalen (Unternehmens-) Netzen �🡺 Intranet
• Anforderung von unternehmensübergreifenden Zugriffen �(🡺 Internet) erfordert transparente Vernetzung von Endgeräten

Definition und Einleitung

OSI-Referenzmodell

• 1984 Einführung des OSI-Referenzmodells �(Open Systems Interconnection)
• sieben abgeschlossene Schichten (Layer) definieren die Kommunikation zwischen Endgeräten in einem Netzwerk
• ermöglicht Anpassungen (Entwicklungen) in den einzelnen Schichten ohne Einfluss auf die gesamte Kommunikation

OSI-Referenzmodell

Layer 1 - Physikalische Schicht

Layer 2 - Sicherungsschicht

Layer 3 - Netzwerkschicht

Layer 4 - Transportschicht

Layer 5 - Sitzungsschicht

Layer 6 - Darstellungsschicht

Layer 7 - Anwendungsschicht

OSI-Referenzmodell�Datenfluss

Layer 1 - Physikalische Schicht

Layer 2 - Sicherungsschicht

Layer 3 - Netzwerkschicht

Layer 4 - Transportschicht

Layer 5 - Sitzungsschicht

Layer 6 - Darstellungsschicht

Layer 7 - Anwendungsschicht

Layer 1 - Physikalische Schicht

Layer 2 - Sicherungsschicht

Layer 3 - Netzwerkschicht

Layer 4 - Transportschicht

Layer 5 - Sitzungsschicht

Layer 6 - Darstellungsschicht

Layer 7 - Anwendungsschicht

OSI-Referenzmodell

Layer 1 - Physikalische Schicht

Layer 2 - Sicherungsschicht

Layer 3 - Netzwerkschicht

Layer 4 - Transportschicht

Layer 5 - Sitzungsschicht

Layer 6 - Darstellungsschicht

Layer 7 - Anwendungsschicht

OSI-Referenzmodell

Layer 1 - Physikalische Schicht

Layer 2 - Sicherungsschicht

Layer 3 - Netzwerkschicht

Layer 4 - Transportschicht

Layer 5 - Sitzungsschicht

Layer 6 - Darstellungsschicht

Layer 7 - Anwendungsschicht

Layer 1 - Physikalische Schicht

Layer 2 - Sicherungsschicht

Layer 3 - Netzwerkschicht

Bussysteme

Chaos-WG

Chris

Kevin

Gemma

Flur

Küche

Bad

Layer 1 - Physikalische Schicht

Bussystem

PC A

PC B

Layer 1 - Physikalische Schicht

Bussystem

PC A

PC B

Layer 1 - Physikalische Schicht

Bussystem

​

Ein Bus ist ein System zur Datenübertragung zwischen mehreren Teilnehmern über einen gemeinsamen Übertragungsweg.��Findet eine momentane Datenübertragung zwischen zwei Teilnehmern statt, so müssen die übrigen Teilnehmer zur selben Zeit schweigen, da sie sonst stören würden. [Wikipedia-1]

Layer 1 - Physikalische Schicht

Zugriffssteuerung

• mehrere Teilnehmer mit unterschiedliche „Nutzungszeiten“ auf gemeinsamen Medien
• es kann immer nur ein Teilnehmer senden
• Sender muss zuerst „lauschen“, ob das Medium frei ist

Layer 1 - Physikalische Schicht

Zugriffssteuerung�- CSMA/CD -

• es wird ein Handlungsleitfaden (Protokoll) benötigt�
• Carrier Sense Multiple Access / Collision Detection (CSMA/CD)�
• Netzwerk-Adapter besitzen Sensor zur Erkennung von Kollisionen�🡺Adapter melden Kollisionen über ein spezielles Signal (Jam-Block)

​

Layer 1 - Physikalische Schicht

Zugriffssteuerung�- CSMA/CD -

• alle Stationen wissen nun, das nicht gesendet werden darf, Sender muss Daten erneut schicken�
• festgelegte Wartezeit (Timer) bevor erneut gesendet werden kann�🡺Timer wird für jeden Adapter individuell berechnet, z.B. mit Hilfe der MAC-Adresse

​

Layer 1 - Physikalische Schicht

Zugriffssteuerung�- Token Ring / Bus -

• Netzwerk in Ringstruktur

• Token-Master verwaltet Token

T

• Token wird von Gerät zu Gerät weitergereicht,�Gerät darf senden, wenn Token „leer“ ist

• Sender nimmt Token und sendet Daten

• nach Empfänger-Quittierung wird Token weitergegeben

Layer 1 - Physikalische Schicht

Zugriffssteuerung�- Token Ring / Bus -

• gleichmäßige Verteilung, Priorisierung ist möglich
• komplexes Verfahren
• langsam

Layer 1 - Physikalische Schicht

T

• Token Bus

Verkabelung

Thin-Wire

• Koaxialkabel mit BNC-Anschlüssen

​

​

• Datenübertragung mit max. 10 Mbit/s
• Segment max. 180 m lang, mit Hilfe von Repeatern (Verstärker) auf 900 m ausdehnbar
• Unterbrechungen an einer Stelle führt zu Totalausfall der Kommunikation

Layer 1 - Physikalische Schicht

Universelle Gebäudeverkabelung� - Kupferkabel -

• Einsatz von Leitungen mit 8 Adern in verschiedenen Ausprägungen
• Datenübertragung mit 10 / 100 / 1000 MBit/s und 10 Gbit/s, ….
• Segment max. 100 m lang, mit Hilfe von Repeatern ausdehnbar

​

​

Photo by CEphoto, Uwe Aranas

Layer 1 - Physikalische Schicht

Universelle Gebäudeverkabelung� - Kupferkabel -

Twisted-Pair-Kabel

• je 2 Drähte verdrillt, 4 Paare ebenfalls verdrillt
• ungeschirmt und geschirmt

Unshielded

Shieled

Twisted Pair

S/STP

S/UTP

STP

Layer 1 - Physikalische Schicht

Universelle Gebäudeverkabelung� - Kupferkabel -

Twisted-Pair-Kabel�

• Biegeradien beachten
• Quetschungen, Knicke und Beschädigungen vermeiden
• Kabellängen und Anzahl der Steckverbindungen gesamt beachten:

Patchkabel

Installations-kabel

Patchkabel

Layer 1 - Physikalische Schicht

Universelle Gebäudeverkabelung� - Kupferkabel -

• Twisted-Pair-Kabel: Kategorien (Categories)

[Wikipedia-2]

Layer 1 - Physikalische Schicht

Universelle Gebäudeverkabelung� - Kupferkabel -

• Patchkabel�vorgefertigte, steckerfertige Kabel in verschiedenen Längen�
• Installationskabel�„von der Kabeltrommel“, Stecker werden vor Ort �mit Hilfe einer Crimp-Zange montiert

Layer 1 - Physikalische Schicht

Universelle Gebäudeverkabelung� - Kupferkabel -

• Stecker�Western-Modular-Stecker, Standard RJ45 (Registered Jack),�8P8C = 8 Pins, 8 Connectable für Gigabit,�Stecker mit Metallschirmung

Layer 1 - Physikalische Schicht

Universelle Gebäudeverkabelung� - Kupferkabel -

• Anschluss der einzelnen Leitungen (Drähte)

Layer 1 - Physikalische Schicht

4 Drähte

PC A

„Verteiler“

1: TX+ 2: TX- 3: RX+ 4: RX-

Universelle Gebäudeverkabelung� - Kupferkabel -

• Anschluss der einzelnen Leitungen (Drähte)�Problem: verschiedene Patchkabel oder Anschlussbelegung notwendig
• Lösungen

Layer 1 - Physikalische Schicht

1. Uplink-Ports an Netzwerkendgeräten: für Verbindungen gleichartiger Geräte, z.B. SW - SW, Pin-Belegung bereits gekreuzt

2. Ports an „Verteilern“: Pin-Belegungen bereits „gekreuzt“

Universelle Gebäudeverkabelung� - Kupferkabel -

• Lösungen

Layer 1 - Physikalische Schicht

3. MDI-Autosensing

Medium Dependent Interface

MDI-X 🡺 Uplink-Port / Ports in Verteilern 

Auto MDI-X  

Chaos-WG

Chris

Kevin

Gemma

Flur

Küche

Bad

Layer 1 - Physikalische Schicht

Sternverkabelung - Bussystem

Layer 1 - Physikalische Schicht

kein

ein

!

?

Universelle Gebäudeverkabelung� - Glasfaserkabel -

• Einsatz von Glasfaserkabeln in verschiedenen Ausprägungen�
• als Lichtquelle werden Laser eingesetzt

Layer 1 - Physikalische Schicht

Universelle Gebäudeverkabelung� - Glasfaserkabel -

• Datenübertragung mit 10 / 100 / 1000 MBit/s und 10 Gbit/s, ….�
• Segmentlängen abhängig von technischen Faktoren - später mehr

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Layer 1 - Physikalische Schicht

Universelle Gebäudeverkabelung� - Glasfaserkabel -

Lichtwellenleiter - ein kleiner Ausflug in die Physik�

• bestehen aus einem optischen Kern, der Licht leitet („Glas“) und Kunststoff

Layer 1 - Physikalische Schicht

Schutzmantel

Gelmantel

Führungshülle

Kern

Universelle Gebäudeverkabelung� - Glasfaserkabel -

Lichtwellenleiter - ein kleiner Ausflug in die Physik�

• Faserkern besteht aus zwei Schichten mit unterschiedlicher Brechungszahlen�
• Brechung führt zu Ablenkung und damit Verlust des Strahlen

Layer 1 - Physikalische Schicht

Universelle Gebäudeverkabelung� - Glasfaserkabel -

Lichtwellenleiter - ein kleiner Ausflug in die Physik�

• bei entsprechendem Winkel erfolgt eine Reflexion des Lichtes, die sich fortsetzt

Layer 1 - Physikalische Schicht

Universelle Gebäudeverkabelung� - Glasfaserkabel -

Lichtwellenleiter - ein kleiner Ausflug in die Physik

• Licht hat beschränkte Längenausdehnung in der Faser: �Streuungen, Absorptionen, Krümmungen�
• Ausbreitung in Wellenform, unterschiedliche Eintrittswinkel der Welle zu verschiedenen Zeitpunkten 🡺 Mode�
• beschreibt Eigenschaften einer Welle zu einem bestimmten Zeitpunkt
• Welle wird dabei als Summe verschiedener Moden beschrieben

Layer 1 - Physikalische Schicht

Universelle Gebäudeverkabelung� - Glasfaserkabel -

Lichtwellenleiter - ein kleiner Ausflug in die Physik

• gleiche Ausbreitungsgeschwindigkeit aber unterschiedliche Reflexionswinkel der einzelnen Moden��🡺 unterschiedliche Laufzeiten�🡺 Signalverfälschung: steigt mit Länge des Weges�🡺 Signale fliesen ineinander: Modendispersion

Layer 1 - Physikalische Schicht

Universelle Gebäudeverkabelung� - Glasfaserkabel -

Eigenschaften der Fasern

• Durchmesser des Kerns:�62,5 µm (USA), 50 µm (EU) 🡺 Multimode�9 µm 🡺 Monomode / Singlemode
• Qualität der Fasern:�Multimode OM1, OM2, OM3, OM4, OM5�Singlemode OS1, OS2

Layer 1 - Physikalische Schicht

Universelle Gebäudeverkabelung� - Steckverbinder -

• Ziel�stabiler Kontakt, kein Eindringen von Staub
• ST (straight tip)�für alle Fasern, Bajonett-Verschluss, TX/RX problemlos tauschbar
• SC (subscriber connector)�für alle Fasern, Federkontakt, Duplex sowie Simplex und teilbare Duplex-Stecker (TX/RX tauschbar)
• LC (lucent connector)�analog SC, jedoch kleiner, Duplex und teilbare Duplex-Stecker�(TX/RX tauschbar)

Layer 1 - Physikalische Schicht

Universelle Gebäudeverkabelung� - Module -

• Funktion�wird an elektrische Schnittstelle der Netzwerk-Komponente angeschlossen und wandelt elektrisches in optisches Signal zur Übertragung um und umgekehrt
• GBIC (Gigabit Interface Converter) analog SC, jedoch kleiner, Duplex und teilbare Duplex-Stecker�(TX/RX tauschbar)
• SFP (Small Form-factor Pluggable, auch Mini-GBIC)�für alle Fasern, Bajonett-Verschluss, TX/RX problemlos tauschbar

Layer 1 - Physikalische Schicht

Universelle Gebäudeverkabelung� - Module -

Layer 1 - Physikalische Schicht

Universelle Gebäudeverkabelung� - Verlegung und Hinweise -

• Kabel nicht knicken, nicht ziehen
• Biegeradien beachten
• nicht drauf treten ;-)
• nicht direkt in Laser schauen, Kamera am Handy nutzen

​

​

Layer 1 - Physikalische Schicht

Netzwerk-Komponenten�- Hub, Bridge und Switch -

Hub

PC A

PC C

Kollisionsdomäne

Layer 1 - Physikalische Schicht

PC B

Bridge - Verbinder zwischen den Welten (Schichten)

• Kollisionsdomänen trennen 🡺Bandbreite verbessern�
• Verbindung von unterschiedlichen Geschwindigkeiten

Layer 2 - Sicherungsschicht

10 Mbit/s

100 Mbit/s

Bridge - Verbinder zwischen den Welten (Schichten)

Layer 2 - Sicherungsschicht

🡺 Pakete müssen „gespeichert“ werden

• Pakete müssen verschiedene Mediengrenzen überwinden

Medienkonverter (10 / 100 Mbit/s)

Layer 2 - Sicherungsschicht

Netzwerk-Briefkuvert�- Ethernet-II-Frame -

Layer 2 - Sicherungsschicht

Empfänger

Sender

Tag

Typ der Daten

Daten

„Füll-feld“

Prüfsumme

Ethernet-II-Frame

Layer 2 - Sicherungsschicht

Sender-�Adresse

Tag

Ethertype

Daten

Pad

CRC

MAC-Adressen

VLAN

Prüfsumme

[Wikipedia-4]

Adressen (MAC)

• Endgeräte in einem Netzwerk müssen eindeutig bestimmbar (adressiert) werden (analog Anschrift für Briefe und Pakete)

Layer 2 - Sicherungsschicht

• im Netzwerk benötigen wir physikalische (Layer 2) und �logische (Layer 3) Adressen

• physikalische Adresse ist die Medium Access Control (Adresse)

Adressen (MAC)

• physikalische Adresse wird vom jeweiligen Hersteller der Hardware „fest“ zugeordnet

Layer 2 - Sicherungsschicht

• physikalische Adresse muss weltweit eindeutig sein

• MAC-Adresse ist 6 Bytes lang und wird hexadezimal dargestellt

00:01:42:XX:XX:XX

Hersteller

„Seriennummer“

ARP�- Address Resolution Protocol -

• Problemstellung��Es sollen Daten an ein Gerät gesendet werden. Die logische Adresse ist bekannt, die physikalische derzeit jedoch unbekannt.

Layer 2 - Sicherungsschicht

ARP�- Address Resolution Protocol -

• Lösung��Senden einer Anfrage an alle Geräte im Netzsegment

Layer 2 - Sicherungsschicht

ARP-Request als Broadcast��MAC-Adresse FF:FF:FF:FF:FF:FF

ARP�- ARP-Request -

Layer 2 - Sicherungsschicht

FF:FF:FF:FF:FF:FF

00:00:0C:AE:FD:7E

ARP�- ARP-Cache -

• Zuordnungen von physikalischer zu logischer Adresse werden auf den Netzwerkknoten zwischengespeichert�
• Einträge werden nach definiertem Zeitraum gelöscht:�Änderung NW-Adapter, Änderung IP-Adressen, …

​

Layer 2 - Sicherungsschicht

ARP�- ARP-Cache -

Layer 2 - Sicherungsschicht

ARP�- ARP-Spoofing -

• Zuordnung von MAC-Adressen zur Schnittstelle können mit Hilfe von Software „manipuliert“ werden (spoof = schwindeln, täuschen)�
• nur in lokalen Netzen möglich�
• fehlende Authentifizierung auf Layer 2�
• Vorteil: Konfigurationen müssen bei HW-Tausch nicht angepasst werden

Layer 2 - Sicherungsschicht

ARP�- ARP-Spoofing -

• erlaubt es, Daten umzuleiten („mitschneiden“) und zu manipulieren�
• Netzwerkverkehr kann gestört werden�
• Angriffe können durchgeführt werden

Layer 2 - Sicherungsschicht

ARP�- ARP-Spoofing -

• Abfangen von Passwörtern, E-Mails, Logins, …�
• verschlüsselte Verbindungen könnten entschlüsselt werden

Layer 2 - Sicherungsschicht

ARP�- ARP-Spoofing -

• Nutzung von Gratuitous ARP (GARP) - �Senden eines „überflüssigen“ ARP-Paketes��dient der Aktualisierung von Arp-Caches bei Veränderungen, z.B.� - Änderung der IP-Adresse, � - neuer Host wird hinzugefügt � - bei Clustern („Shared IP“) wird ein Knoten gewechselt��kein ARP-Request, sondern ein Broadcast

Layer 2 - Sicherungsschicht

ARP�- ARP-Spoofing -

• Ablauf��Client A und Router B haben in ihrem ARP-Cache jeweils IP und MAC des anderen Hosts��Angreifer C sendet einen ARP-Request mit der Broadcast-MAC �🡺 alle aktiven Teilnehmer, hier A und B, senden ihre MAC und IP an C�🡺 A und B tragen die Daten von C jeweils in ihren ARP-Cache ein

Layer 2 - Sicherungsschicht

ARP�- ARP-Spoofing -

• Ablauf��Angreifer C sendet einen GARP mit seiner MAC-Adresse und der Quell-IP von B an A��🡺 A aktualisiert im ARP-Cache die IP-Adresse von B mit der MAC von Angreifer C

Layer 2 - Sicherungsschicht

ARP�- ARP-Spoofing -

• Ablauf��Angreifer C sendet einen GARP mit seiner MAC-Adresse und der Quell-IP von A an B��🡺 B aktualisiert im ARP-Cache die IP-Adresse von A mit der MAC von Angreifer C

Layer 2 - Sicherungsschicht

ARP�- ARP-Spoofing -

• Ablauf��als Ergebnis wird für die IP-Adressen von A und B die MAC-Adresse von C verwendet ��🡺 alle Daten zwischen A und B werden an (über) C gesendet ��🡺 Man in the Middle Attack

Layer 2 - Sicherungsschicht

ARP�- ARP-Spoofing -

• mögliche Maßnahmen zum Schutz:��Layer 2: statische Einträge in ARP-Tabellen (Nachteil ist die aufwendige Pflege dieser Tabellen)��Einsatz von Programmen / Tools zur Überwachung des Netzwerkverkehrs, wie z.B. arpwatch unter Linux 🡺 Nachteil: Logfiles müssen überwacht werden��

Layer 2 - Sicherungsschicht

ARP�- ARP-Spoofing -

• mögliche Maßnahmen zum Schutz:��Einsatz von speziellen (Server-) Diensten, wie z.B. Snort ��🡺 Network Intrusion Detection System (NIDS)��🡺 analysiert den Netzwerkstrom und wendet Regeln (Muster / Signaturen analog Virenpattern) an, um Angriff zu erkennen, kann daraufhin Alarme auslösen��

Layer 2 - Sicherungsschicht

ARP�- ARP-Spoofing -

• mögliche Maßnahmen zum Schutz:��Verwendung von stark verschlüsselten Verbindungen mit aktuellen und starken Verschlüsselungsalgorithmen��🡺 abgefangene Daten können nicht ohne Aufwand entschlüsselt und verwertet werden���

Layer 2 - Sicherungsschicht

ARP�- ARP-Spoofing -

• mögliche Maßnahmen zum Schutz:��Einsatz von IPSec (Layer 3)��🡺 nach der Authentifizierung wird eine verschlüsselte Punkt-zu- Punkt-Verbindung aufgebaut (VPN)�

Layer 2 - Sicherungsschicht

ARP�- ARP-Spoofing -

• mögliche Maßnahmen zum Schutz:��Verwendung von IPv6��🡺 IPSec ist integriert, Einsatz des Neighbor Discovery Protocol (NDP) als Ersatz von ARP��🡺 Secure Neighbor Discovery (SEND) Protocol: mit kryptografischen Methoden generierte Adressen stellen sicher, � das Adressen fest zugeordnet sind��

Layer 2 - Sicherungsschicht

Verbindungstypen�- Unicast -

Layer 2 - Sicherungsschicht

• direkte adressierte Verbindung zwischen zwei Netzwerkknoten

Verbindungstypen�- Broadcast -

Layer 2 - Sicherungsschicht

• ungerichtete Verbindungen ausgehend von einem Netzwerkknoten zu allen anderen Netzwerkknoten, z.B. ARP-Request oder DHCPDISCOVER

Gibt es hier einen DHCP-Server?

Verbindungstypen�- Broadcast -

Layer 2 - Sicherungsschicht

• werden nur innerhalb eines Netzsegments weitergeleitet�(kein Routing)�
• Weiterleitung über Unicast oder Multicast in andere Segmente möglich, z.B. bei DHCP�
• Nachricht wird entweder verarbeitet oder stillschweigend verworfen

Verbindungstypen�- Broadcast -

Layer 2 - Sicherungsschicht

• physikalische Adresse: FF:FF:FF:FF:FF:FF�
• logische Adressen:��255.255.255.255 🡺Broadcast im eigenen Netzwerksegment�172.28.144.255 🡺Broadcast in ein bestimmtes Netzwerksegment

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Verbindungstypen�- Multicast -

Layer 2 - Sicherungsschicht

• gerichtet Verbindungen ausgehend von einem Netzwerkknoten zu einer Anzahl von Netzwerkknoten, z.B. Streaming oder Router-Kommunikation

Video-Stream

Verbindungstypen�- Multicast -

Layer 2 - Sicherungsschicht

• physikalische Adressen: 01:00:5E:00:00:00 bis 01:00:5E:7F:FF:FF�
• logische Adressen: 224.0.0.0 bis 239.255.255.255

​

Verbindungstypen�- Multicast -

Layer 2 - Sicherungsschicht

Server

Adresse A

Adresse B

Adresse C

Multicast-�Adresse X

Multicast-�Adresse X

Die Multicast-Adresse lautet X

Verbindungstypen

Layer 2 - Sicherungsschicht

[Wikipedia-5]

Bridge - Verbinder zwischen den Welten (Schichten)

Layer 2 - Sicherungsschicht

🡺 Pakete müssen „zugeordnet“ werden

• Pakete werden nicht weitergeleitet, wenn sie in einem anderem Segment liegen

SAT (Source Address Table)

Layer 2 - Sicherungsschicht

PC A�Mac: AB

Port 1

Server�Mac: CD

Port 3

1

AB

Port 2

PC B�Mac: EF

20201010150310

3

CD

20201010150311

Bridge vs. Switch

• keine eindeutige fachliche Definition zur Trennung
• Switche arbeiten auf Basis von Mac-Adressen�🡺 keine Medien-Übersetzung
• Switche können umfangreichere Funktionen, Protokolle und Verfahren besitzen
• Layer-3-Switche ermöglichen Routing

Layer 2 - Sicherungsschicht

Switch�- Meister der Brücken -

Layer 2 - Sicherungsschicht

Kollisionsdomäne

Switch�- Meister der Brücken -

• volle Leitungslänge an jedem Port
• unterschiedliche Geschwindigkeiten an jedem Port möglich
• jeder Port (Bridge) muss sich nur die Adresse(n) des(r) jeweiligen angeschlossenen Geräte(s) merken
• Pakete werden nach dem ARP-Request nur noch an den zugehörigen Port geschickt (SAT) 🡺 Erhöhung der Sicherheit

Layer 2 - Sicherungsschicht

Switch�- Meister der Brücken -

• jeder Port hat eine eigene CSMA/CD-Umgebung�
• bei nur einem angeschlossenen Gerät je Port treten keine Kollisionen auf

Layer 2 - Sicherungsschicht

🡺Kollisionssensor mit dazugehöriger Leitung im Kabel ist nun frei��🡺Full-Duplex-Mode möglich (gleichzeitiges Senden und Empfangen)

Switch�- Duplexeinstellungen -

• Übertragungsrate/Duplexmodus, z.B. 100/Full oder 100/Half
• Switch-Port und Gerät müssen gleich konfiguriert werden:�beide Auto/Auto oder gleiche Geschwindigkeit/gleicher Duplexmodus�

Layer 2 - Sicherungsschicht

🡺 Autonegotiation

Linkpartner handeln korrekte Modi aus und konfigurieren sich entsprechend selbst

Geswitchte Umgebungen�- Loops -

• zur Erinnerung: Source Address Table �🡺 eine Bridge „merkt“ sich, wo welches Gerät angeschlossen ist

Layer 2 - Sicherungsschicht

• Problemstellung / Anwendungsfall�Mehrere Computer sind miteinander vernetzt. Ein Admin patcht zusätzliche Verbindungen, um Redundanz herzustellen.�Zwei Computer wollen miteinander kommunizieren.

Geswitchte Umgebungen�- Loops -

Layer 2 - Sicherungsschicht

B

B

B

B

Mac B

Mac B

Mac D

Mac A

Mac A

Mac C

PC C

PC D

Mac C

Mac A

Mac B

Mac D

Mac C

Mac A

Mac B

Mac C

Mac D

Mac D

Mac A

Mac B

Mac C

Mac D

Mac A

Mac B

Mac C

Mac D

Mac A

Mac B

Mac C

Mac D

Mac A

Mac B

Mac C

Mac D

Geswitchte Umgebungen�- Loops -

• mehrere Weg zum Ziel

Layer 2 - Sicherungsschicht

• Bridge „sieht“ die gleiche(n) MAC-Adressen mehrfach

• Pakete werden in alle Richtungen geschickt

• Pakete werden ewig weitergeleitet, Anzahl der Pakete „explodiert“

Chaos

Paket-Flut / Packet Storm

Geswitchte Umgebungen�- Loops -

Layer 2 - Sicherungsschicht

🡺Spanning-Tree-Protokoll (STP)

• Lösung�Einsatz von Mechanismen zur Verhinderung von Loops

• Standard IEEE 802.1�
• Spanning-Tree-Algorithmus

Geswitchte Umgebungen�- Spanning-Tree-Protokoll -

Layer 2 - Sicherungsschicht

• Switch in einem Netzwerk tauschen Informationen über die Netztopologie aus

• ein Switch wird zur Root-Bridge, Algorithmus berechnet Wege vom Port (Blatt) zur Root-Bridge (Wurzel) ohne Entstehung von Loops

• nicht benötige Ports werden auf Bereitschaft gestellt (Redundanz)

• bei Ausfällen werden Wege neu berechnet

Geswitchte Umgebungen�- Spanning-Tree-Protokoll -

Layer 2 - Sicherungsschicht

B

B

B

B

PC C

PC D

Spanning-Tree-Protokoll�- Bestimmung von Wegen -

Layer 2 - Sicherungsschicht

Root

Spanning-Tree-Protokoll�- Festlegen der Root-Bridge -

Layer 2 - Sicherungsschicht

• jede Bridge besitz eine sog. Bridge-ID (BID), �diese ist 8 Byte lang (2 Byte Bridge Priority, 6 Byte MAC-Adresse)�
• die Bridge mit der „niedrigsten“ Priorität wird zur Root-Bridge�
• bei gleicher Bridge Priority wird die (niedrigste) MAC-Adresse der Bridges genutzt

Spanning-Tree-Protokoll�- Bridge-Priorität -

System-ID�(12 Bits)�

Layer 2 - Sicherungsschicht

Bridge-Priorität�(4 Bits)

1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1

32768

1

Priorität = 32769

+

• Priorität: 0 bis 61440 (2¹¹ - 2¹⁵)�
• System ID: 1 bis 4095 (zugehöriges VLAN)

Spanning-Tree-Protokoll�- Festlegen der Root-Bridge -

Layer 2 - Sicherungsschicht

• bei gleicher Bridge-ID 🡺 niedrigste MAC-Adresse

• niedrigste Bridge-ID 🡺 Root-Bridge

Spanning-Tree-Protokoll�- Bestimmung nach Kosten -

Layer 2 - Sicherungsschicht

B

B

B

B

1 GBit/s

100 MBit/s

Abstand zur Root-Bridge�(Hops)

Spanning-Tree-Protokoll�- Port-Rollen -

Layer 2 - Sicherungsschicht

B

B

B

B

1 GBit/s

100 MBit/s

Kosten: 20

Kosten: 4

Kosten: 4

Kosten: 4

32768

32768

32768

32768

B

R

R

D

D

R

4 + 4 < 20 + 4

D

20 + 4 + 4 > 20 + 4

D

192.168.4.1

192.168.2.2

192.168.2.1

192.168.1.1

Spanning-Tree-Protokoll�- Konfigurationspakete -

Layer 2 - Sicherungsschicht

• Bridge Protocol Data Unit (BPDU) als Multicast-Paket�
• Konfigurationen werden für jeden Port ausgewertet und angepasst�
• Pakete auf Layer 2�
• wird im Standard aller 2 Sekunden verschickt 🡺 Netzlast

Spanning-Tree-Protokoll�- Configuration BPDU -

Layer 2 - Sicherungsschicht

Sender-�Adresse

Ziel-�Adresse

Sender-ID

Kosten

Port

Alter

Root-ID

Daten

Bridge, welche für Root-Bridge gehalten wird

Kosten für den Weg zur Bridge, welche für Root-Bridge gehalten wird

Spanning-Tree-Protokoll�- Ablauf im Detail -

Layer 2 - Sicherungsschicht

1. Einschalten von Bridges�
2. Bridges stellen ihre Ports auf „Blocked“�
3. jede Bridge nimmt an, sie sei die Root-Bridge, und sendet BPDUs (Bridge Protocol Data Unit) aus.

Spanning-Tree-Protokoll�- Ablauf im Detail -

Layer 2 - Sicherungsschicht

4. Bridge mit der kleinsten Bridge-ID wird zur Root-Bridge�
5. Root-Bridge sendet Konfigurations-BPDUs aus�
6. jede Bridge bestimmt den Port mit den kleinsten Pfadkosten zur Root-Bridge als Root-Port, bei Ports mit gleichen Kosten gewinnt die kleinere Port-ID

Spanning-Tree-Protokoll�- Ablauf im Detail -

Layer 2 - Sicherungsschicht

7. Designated Port wird festgelegt, dies ist der Port mit dem Root-Port ins LAN mit den niedrigsten Pfadkosten

Stufenweises Versenden von BPDU aller 2 Sekunden:� Root Bridge 🡺 Designated Bridges 1. Ebene � 🡺 Designated Bridges 2. Ebene …

Beim Ausbleiben von Paketen wird von einem Ausfall / Neustrukturierung ausgegangen 🡺 Neukonfiguration des ST

Spanning-Tree-Protokoll

Layer 2 - Sicherungsschicht

• bei aktivierten STP durchlaufen alle Ports auf jedem Switch die Zustände Blocking - Listening - Learning - Forwarding (Port-Rollen)�
• im Standard dauert dies ca. 50 Sekunden

Spanning-Tree-Protokoll

Layer 2 - Sicherungsschicht

• unterschiedliche Implementierungen des Protokolls�🡺 möglichst gleiche Geräte / Hersteller einsetzen�
• bei Ports mit reinen Endgeräten kann Spanning Tree deaktiviert werden

​

Geswitchte Umgebungen

Layer 2 - Sicherungsschicht

• es gibt Unmanaged und Managed Switche�
• Einsatz je nach Verwendungszweck, z.B. Büro oder Etagenverteiler�
• zentrales Monitoring, Konfigurationen und Verwaltung,�virtuelle Geräte�
• möglichst herstellerhomogen

VLAN� - Virtuelles LAN -

Layer 2 - Sicherungsschicht

• Trennung von Netzen, z.B. um Zugriffs-Szenarien, räumliche oder Sicherheits-Anforderungen umzusetzen, erfordern (zusätzliche) Geräte auf Layer 3 / 4, z.B. Router �🡺 Broadcast-Domänen�
• in großen Netzen benötigt man viele Router oder entsprechende Interfaces und zusätzliche Verkabelungen �🡺 Material-, Arbeits-, und Konfigurationsaufwand steigt

VLAN� - Virtuelles LAN -

Layer 2 - Sicherungsschicht

• geringe Flexibilität bei Änderungen in der Infrastruktur, z.B. bei Umzügen von Abteilungen / Mitarbeitern

VLAN� - Virtuelles LAN -

Layer 2 - Sicherungsschicht

• Lösung: virtuelle Netzwerke auf Layer 2 🡺 VLAN��Umsetzung durch Einführung eines Tags im Ethernet-Frame (802.3), Pakete werden mit einer Segment-Kennung versehen��Standard 802.1q, Paket wird von 1518 Bytes auf 1522 Bytes vergrößert 🡺 Netzwerkgeräte müssen dies erkennen und unterstützen, ansonsten werden Pakete verworfen

VLAN� - Virtuelles LAN -

Layer 2 - Sicherungsschicht

• Lösung: virtuelle Netzwerke auf Layer 2 🡺 VLAN��zwei Methoden, um dem Switch zu ermöglichen, Pakete zuzuordnen��1. MAC-Adressen zu VLAN zuordnen: � bei Änderungen an angeschlossenen oder neuen Hosts muss Konfiguration angepasst werden

VLAN� - Virtuelles LAN -

Layer 2 - Sicherungsschicht

• Lösung: virtuelle Netzwerke auf Layer 2 🡺 VLAN��zwei Methoden, um dem Switch zu ermöglichen, Pakete zuzuordnen��2. Switch-Ports zu VLAN zuordnen: � heute weitgehender Standard, hohe Flexibilität

VLAN

Layer 2 - Sicherungsschicht

• pro Endgeräte-Port gibt es nur ein VLAN (Cisco Default VLAN 1)�
• zwischen Switchen können Pakete mit unterschiedlichen VLAN-Tags transportiert werden 🡺 Trunk�
• Ethernet-Frames werden dafür mit dem Tag des VLAN versehen und am Switch-Port auch wieder entfernt�

​

VLAN

Layer 2 - Sicherungsschicht

VLAN

2

VLAN

2

VLAN

2

VLAN

1

VLAN

1

Trunk

VLAN

Layer 2 - Sicherungsschicht

• zwischen verschiedenen VLAN gibt es keine Verbindung (Kommunikation), da Switche (Layer 2) nicht routen können�
• ein Switch verteilt die Pakete nur aufgrund von MAC-Adresse oder Port und der Zuordnung zum Tag des Paketes an das Endgerät�
• für Router wiederum sind im Regelfall VLAN-Tags nicht relevant, er routet ausschließlich aufgrund von IP-Adressen�

​

VLAN

Layer 2 - Sicherungsschicht

VLAN

2

VLAN 1

VLAN

1

VLAN 1

VLAN 2

VLAN

Layer 2 - Sicherungsschicht

• moderne Router können über Trunks angeschlossen werden�
• aufgrund der Informationen aus Layer 3 können die Router die Pakete neu taggen und an den Switch zurückgeben�

​

VLAN

Layer 2 - Sicherungsschicht

VLAN

2

VLAN 1

Trunk

Adressverwaltung auf Layer 3

Logische Adressen�- Adressen-Verwaltung -

• verschiedenste lokale Netzwerke weltweit sollen miteinander Daten austauschen können / verbunden werden�
• Erreichbarkeit durch Verwendung weltweit eindeutiger Adressen - analog von Postadressen: Name, Straße, Ort, Land�
• Verbindungen der Netze müssen dynamisch und automatisch konfiguriert werden können: neue Verbindungen, Ausfall von Verbindungen, …

Layer 3 - Netzwerkschicht

Logische Adressen�- Adressen-Verwaltung -

Internet Assigned Numbers Authority (IANA)

Layer 3 - Netzwerkschicht

Regional Internet Registry (RIR)

Local Internet Registry (LIR )

Internet Service Provider (ISP )

Logische Adressen�- Öffentliche und private Adressen -

Layer 3 - Netzwerkschicht

Internet

Öffentliche Adressen

Öffentliche Adressen

Öffentliche Adressen

Private Adressen

Private Adressen

Private Adressen

IP-Adressen�- Aufbau -

192.168.2.100

Layer 3 - Netzwerkschicht

1 Byte.1 Byte.1 Byte.1 Byte

11000000. 10101000.00000010. 01100100

IP-Adressen�- Adressbereiche -

• 0.0.0.0 bis 255.255.255.255�
• max. 2³² Adressen (4.294.967.296) möglich, aber Trennung in private und öffentliche Adressbereiche�
• durch die IANA wurden bestimmte Adressbereiche reserviert

Layer 3 - Netzwerkschicht

IP-Adressen�- Reservierte Bereiche -

• Multicast-Adressen: 224.0.0.0 bis 239.255.255.255�
• APIPA: 169.254.0.1 bis 169.254.255.255�
• Loopback-Adressen: 127.0.0.0 bis 127.255.255.255

Layer 3 - Netzwerkschicht

IP-Adressen�- Reservierte Bereiche -

• Private Adressen:��10.0.0.0 bis 10.255.255.255 (Klasse A - Netze)��172.16.0.0 bis 172.31.0.0 (Klasse B - Netze)��192.169.0.0 bis 192.168.255.255 (Klasse C - Netze)

Layer 3 - Netzwerkschicht

IP-Adressen�- Private Adressen -

• frei und mehrfach verwendbar�
• werden (dürfen) nicht weltweit weitergleitet (geroutet) werden�
• Verwendung in privaten und Unternehmensnetzen

Layer 3 - Netzwerkschicht

IP-Adressen�- Adressklassen -

• Adressklassen ermöglichen eine unterschiedliche Anzahl an adressierbaren Endgeräten (Hosts) in einem Netzwerk�
• es gibt 5 Adressklassen (A bis E), die relevantesten sind die �Klassen A bis C�
• je nach Klasse sind ein oder mehrere Bytes der IP-Adresse fix, �der sogenannte Netzwerkteil

Layer 3 - Netzwerkschicht

IP-Adressen�- Adressklassen -

• Klasse A: ��erstes Byte ist fest, 3 Bytes sind der Hostanteil, können vom Verwalter an Hosts im Netz vergeben werden��3 Bytes entsprechen also 2²⁴ möglichen Hosts (16.777.216)���🡺 10.0.0.1

Layer 3 - Netzwerkschicht

IP-Adressen�- Adressklassen -

• Klasse B: ��die ersten 2 Bytes sind fest, 2 Bytes sind der Hostanteil, können vom Verwalter an Hosts im Netz vergeben werden��3 Bytes entsprechen also 2¹⁶ möglichen Hosts (65536)���🡺 172.16.0.1

Layer 3 - Netzwerkschicht

IP-Adressen�- Adressklassen -

• Klasse C: ��die ersten 3 Bytes sind fest, 1 Byte ist der Hostanteil, kann vom Verwalter an Hosts im Netz vergeben werden��1 Byte entspricht also 2⁸ möglichen Hosts (256)���🡺 192.168.0.1

Layer 3 - Netzwerkschicht

IP-Adressen�- Besondere Adressen -

• in Netzwerken können nicht alle verfügbaren Adressen des Hostanteils an Hosts vergeben werden�
• wir benötigen einige Adressen für spezielle Adressierungen:��192.168.2.0 ist die Bezeichnung des Netzes��192.168.2.255 ist die Broadcast-Adresse des Netzes�

Layer 3 - Netzwerkschicht

IP-Adressen�- Aufteilung von Netzen -

• hohe Anzahl an Hosts (Klasse A / B) kann zu Überlastungen führen (Broadcasts)�
• Segmentierung zur Steuerung von Zugriffen und Standorten�
• Einrichtung von sogenannten Subnetzen�
• Segmentierung mit Hilfe von sogenannten Subnetzmasken

Layer 3 - Netzwerkschicht

Segmentierung von Netzen

Layer 3 - Netzwerkschicht

PC C

Kollisions-Domäne

Broadcasts-Domäne

Segmentierung von Netzen�- Subnetzmaske -

• Problemstellung / Anwendungsfall�Paket soll von PC A zu PC D gesendet werden

Layer 3 - Netzwerkschicht

Segmentierung von Netzen�- Subnetzmaske -

ARP-Request von PC A zur Ermittlung der MAC-Adresse von PC D

Layer 3 - Netzwerkschicht

im gleichen Segment als Broadcast (also an alle)

Broadcast in andere Segmente nicht möglich

?

Segmentierung von Netzen�- Subnetzmaske -

PC A muss „ermitteln", ob sich PC D im gleichen Segment befindet!

Layer 3 - Netzwerkschicht

Die Angabe der Subnetzmaske ist zusätzlich zur IP-Adresse notwendig.

Die Subnetzmaske ermöglicht die Segmentierung von Netzklassen und die Ermittlung, ob sich ein Host im gleichen Segment befindet.

Segmentierung von Netzen�- Aufbau von Subnetzmasken -

255.255.255.0

Layer 3 - Netzwerkschicht

1 Byte.1 Byte.1 Byte.1 Byte

11111111. 11111111. 11111111. 00000000

Segmentierung von Netzen�- Subnetzmaske -

• Klasse B - Netz mit Netzwerk-Adresse 172.16.0.0 und �Subnetzmaske 255.255.255.0��Host-Adressen von 172.16.0.1 bis 172.16.255.254 gehören �zum gleichen Segment

Layer 3 - Netzwerkschicht

Segmentierung von Netzen�- Subnetzmaske -

• Klasse B - Netz mit Netzwerk-Adresse 172.16.0.0 und �Subnetzmaske 255.255.255.0��Es können 256 Klasse C - Netze mit jeweils 256 Host-Adressen gebildet werden!�
• Netze von �172.16.0.1 bis 172.16.0.255 bei 255.255.255.0� bis�172.16.255.1 bis 172.16.255.255 bei 255.255.255.0

Layer 3 - Netzwerkschicht

Segmentierung von Netzen�- Subnetzmaske -

Layer 3 - Netzwerkschicht

• Netze können auch beliebig zerlegt werden, am deutlichsten sehen wir das bei der binären Darstellung

Segmentierung von Netzen�- Netze anlegen (Subnetting) -

Layer 3 - Netzwerkschicht

• Aufgabenstellung�Ein zur Verfügung stehendes Klasse C - Netz (192.168.2.0) soll in 4 Subnetze geteilt werden.

• Zur Erinnerung:�192.168.2.0 mit einer Subnetzmaske von 255.255.255.0

192.168.0.1

Netzanteil

Hostanteil

Segmentierung von Netzen�- Netze anlegen (Subnetting) -

Layer 3 - Netzwerkschicht

• Aufgabenstellung�Ein zur Verfügung stehendes Klasse C - Netz (192.168.2.0) soll in 4 Subnetze geteilt werden.

• Zur Erinnerung:�192.168.2.0 mit einer Subnetzmaske von 255.255.255.0

255.255.255.0

Netzanteil

Hostanteil

Segmentierung von Netzen�- Netze anlegen (Subnetting) -

Layer 3 - Netzwerkschicht

• Der Netzanteil ist fix, nur den Hostanteil können wir frei verwalten.�Wir verfügen also über 1 Netz mit 256 Adressen.�
• Wir müssen also die Subnetzmaske im Netzanteil so verändern, das wir dann über 4 Netze verfügen.�
• Bei 4 Netzen sind dann jeweils 64 Adressen möglich (256 / 4 = 64).

Segmentierung von Netzen�- Netze anlegen (Subnetting) -

Layer 3 - Netzwerkschicht

• Wir verwenden hierfür die binäre Darstellung / Berechnung.

• die Subnetzmaske 255.255.255.0 in binärer Darstellung:�11111111.11111111.11111111.00000000

• verändern dürfen wir nur den Hostanteil:�11111111.11111111.11111111.00000000

Segmentierung von Netzen�- Netze anlegen (Subnetting) -

Layer 3 - Netzwerkschicht

• 11111111.11111111.11111111.00000000

• 1 Bit ergeben 2¹ = 2 Netze

• 2 Bit ergeben 2² = 4 Netze 🡺 Wir müssen den Netzanteil der Subnetzmaske um 2 Bit erhöhen. Der Netzanteil „verschiebt“ sich also um 2 Bits nach rechts und wird damit größer. der Hostanteil verringert sich entsprechend.

Segmentierung von Netzen�- Netze anlegen (Subnetting) -

Layer 3 - Netzwerkschicht

• 11111111.11111111.11111111.00000000

• 11111111.11111111.11111111.11000000

• es stehen nun noch 6 Bits (2⁶ ), also 64 Hostadressen je neuem Subnetz zur Verfügung

• davon müssen wir 1 Adresse für das Netz und 1 Adresse für das Broadcasting abziehen, es können also 62 Hosts je Subnetz adressiert werden

Segmentierung von Netzen�- Netze anlegen (Subnetting) -

Layer 3 - Netzwerkschicht

• Die Netzwerkadresse des 1. Subnetzes lautet 192.168.2.0.

• Nun müssen wir noch die Broadcastadresse des 1. Subnetzes bestimmen.

• Beim Broadcasting werden alle Bits im Hostanteil auf 1 gesetzt.

• 11111111.11111111.11111111.11000000

• 11111111.11111111.11111111.11111111�2⁵ + 2⁴ + 2³ +2² + 2¹ + 2⁰ = 32 + 16 + 8 + 4 + 2 + 1 = 63

Segmentierung von Netzen�- Netze anlegen (Subnetting) -

Layer 3 - Netzwerkschicht

• Die binäre Subnetzmaske 11111111.11111111.11111111.11000000 muss nun noch in die dezimale Darstellung umgewandelt werden.

​

• 2⁷ + 2⁶ = 128 + 64 = 192 🡺 255.255.255.192

Segmentierung von Netzen�- Netze anlegen (Subnetting) -

Layer 3 - Netzwerkschicht

• Die Daten für unser 1. Subnetz lauten also wie folgt:��Netz: 192.168.2.0�Subnetzmaske: 255.255.255.192�Broadcastadresse: 192.168.2.63

Segmentierung von Netzen�- Netze anlegen (Subnetting) -

Layer 3 - Netzwerkschicht

• Wir können jetzt alle Subnetze definieren:

• Die Subnetzmaske lautet in allen Fällen 255.255.255.192.

Subnetzmaske�- Darstellung -

• Die Subnetzmaske kann auf zwei Arten dargestellt / konfiguriert werden.��dezimal: 255.255.255.0��binär: /24

Layer 3 - Netzwerkschicht

Anzahl der „Einser-Bits aus der Binärdarstellung

11111111.11111111.11111111.00000

Subnetzmaske�- Ermittlung des eigenen Netzes -

Wir erinnern uns:�PC A muss „ermitteln", ob sich PC D im gleichen Segment befindet!

Layer 3 - Netzwerkschicht

Die Angabe der Subnetzmaske ist zusätzlich zur IP-Adresse notwendig.

Die Subnetzmaske ermöglicht die Segmentierung von Netzklassen und die Ermittlung, ob sich ein Host im gleichen Segment befindet.

Subnetzmaske�- Ermittlung des eigenen Netzes -

• Ermittlung erfolgt durch die logische (boolesche) Addition der IP-Adresse mit der Subnetzmaske

Layer 3 - Netzwerkschicht

• Logische AND-Verknüpfung

0

0

0

1

1

1

Subnetzmaske�- Ermittlung des eigenen Netzes -

• Wir wandeln als Erstes die dezimale IP-Adresse von PC A (192.168.2.15) in die binäre Darstellung um.

Layer 3 - Netzwerkschicht

• 11000000.10101000.00000010.00001111

• Dann wandeln wir die dezimale Subnetzmaske 255.255.255.192 in die binäre Darstellung um.

• 11111111.11111111.11111111.11000000

Subnetzmaske�- Ermittlung des eigenen Netzes -

• Jetzt verknüpfen wir IP-Adresse und Subnetzmaske mit dem logischen UND.

Layer 3 - Netzwerkschicht

• 11000000.10101000.00000010.00001111�11111111.11111111.11111111.11000000�^{---------------------------------------------------------------------------------------�}11000000.10101000.00000010.00000000

&

Subnetzmaske�- Ermittlung des eigenen Netzes -

• Das Ergebnis ergibt die Netzadresse des Subnetzes von PC A.

Layer 3 - Netzwerkschicht

• 11000000.10101000.00000010.00000000 🡺 192.168.2.0

​

• Nun müssen wir das herausfinden, ob sich PC D im gleichen Netz befindet. Dazu führen wir wieder die logische UND-Verknüpfung durch.

Subnetzmaske�- Ermittlung des eigenen Netzes -

• Wir wandeln als Erstes die dezimale IP-Adresse von PC D (192.168.2.222) in die binäre Darstellung um.

Layer 3 - Netzwerkschicht

• 11000000.10101000.00000010.11011110

• Die Subnetzmaske ist ja bereits umgewandelt.

• 11111111.11111111.11111111.11000000

Subnetzmaske�- Ermittlung des eigenen Netzes -

• Jetzt verknüpfen wir wieder IP-Adresse und Subnetzmaske mit dem logischen UND.

Layer 3 - Netzwerkschicht

• 11000000.10101000.00000010.11011110�11111111.11111111.11111111.11000000�^{---------------------------------------------------------------------------------------�}11000000.10101000.00000010.11000000

&

Subnetzmaske�- Ermittlung des eigenen Netzes -

• Das Ergebnis ergibt die Netzadresse des Subnetzes von PC D.

Layer 3 - Netzwerkschicht

• 11000000.10101000.00000010.11000000 🡺 192.168.2.192

​

• Beim Vergleich der Netzwerk-Adressen stellen wir fest, das PC A und�PC D sich nicht im gleichen Subnetz befinden.

Subnetzmaske�- Ermittlung des eigenen Netzes -

• Wir erinnern uns: Broadcasts werden nur im eigenen Segment weitergeleitet. Ein „normaler“ ARP-Request bringt uns also nichts.�
• Wie bekommen wir nun die MAC-Adresse von PC D heraus?

​

Layer 3 - Netzwerkschicht

Netzwerk-Komponenten�- Router -

Router�- Vermittler zwischen den Netzen -

Layer 3 - Netzwerkschicht

• Wir übergeben unsere Anfrage an eine Komponente der 3. Schicht des OSI-Modells - den sogenannten Router.

Router�- Vermittler zwischen den Netzen -

Layer 3 - Netzwerkschicht

• Dazu übergibt PC A seinen ARP-Request auf Layer 2 direkt an den Router. Der Router benötigt also ebenfalls eine physische Adresse in allen (Sub-) Netzen an die er angeschlossen ist.

• Ein Netzendgerät benötigt also eine Host-Adresse, die Subnetzmaske und die Adresse des Default Gateways, um Daten in andere Netze senden zu können.

• Die Adresse wird als Default Gateway bezeichnet.

Router�- Vermittler zwischen den Netzen -

Layer 3 - Netzwerkschicht

192.168.2.62

192.168.2.126

192.168.2.190

192.168.2.254

Praxistipp: �Gateway-Adresse ist Netzwerk-Adresse + 1�oder Broadcast-Adresse - 1

Router�- Ablauf der Gerätekommunikation -

Layer 3 - Netzwerkschicht

1. Ermittlung, ob sich PC D im gleichen Subnetz�befindet 🡺 Layer 2

2. PC D kann nicht direkt erreicht werden, die Kommunikation muss über das Gateway (Router) gesendet werden�ARP-Request zur Ermittlung der physikalischen Adresse des�Gateways 🡺 Layer 2

Router�- Ablauf der Gerätekommunikation -

Layer 3 - Netzwerkschicht

3. PC A sendet Datenpaket für PC D an den Router

4. Router prüft, ob er PC D direkt erreichen kann (Netzadresse)

5. Router ermittelt MAC-Adresse von PC D, trägt seine eigene als Absender-Adresse ein und sendet das Datenpaket an PC D

Router�- Ablauf der Gerätekommunikation -

Layer 3 - Netzwerkschicht

• Layer 3 Adressen (IP-Adresse von Sender und Empfänger) werden dabei nicht verändert�
• Router „verändern“ nur die Adressen auf Layer 2

• jedes erneute „Verpacken“ der Pakete kostet Zeit und Rechenleistung�
• jeder Übergang wird als Hop bezeichnet

Router�- Datenframe bei Ethernet -

Layer 3 - Netzwerkschicht

Ethernet-Paket

Ziel-�Adresse

Ethernet-Frame

Layer 2

Layer 3

IP-Paket

Layer 4

Router�- Datenframe bei Ethernet -

Layer 3 - Netzwerkschicht

Ziel-�Adresse

Layer 2

Layer 3

• Router tauscht MAC-Adressen aus

• IP-Adressen werden nicht verändert

Router�- mehrere Subnetze -

Layer 3 - Netzwerkschicht

PC C

S: MAC PC A�D: MAC R1

R1

R2

S: MAC R1�D: MAC R2

S: MAC R2�D: MAC PC D

S: MAC R1�D: MAC PC A

S: MAC R2�D: MAC R1

S: MAC PC D�D: MAC R2

Router�- IP-Paket -

Layer 3 - Netzwerkschicht

• zur Erinnerung: Router verändert Layer 2 Informationen�(MAC-Adressen)�
• Layer 3 Informationen bleiben unverändert�
• IP-Paket „steckt“ in Nutzlastdaten des Ethernet-Datenframe

Router�- IP-Paket -

Layer 3 - Netzwerkschicht

• IP-Paket besteht aus Kopf (Header) und Nutzdaten (Data)�
• im Datenteil befinden sich Informationen der höheren Schichten�
• IP-Paket kann max. 64 kB groß sein�
• Header ist in 32 Bit Blöcke unterteilt

Router�- IP-Paket Aufbau Header (IPv4) -

Layer 3 - Netzwerkschicht

Router�- IP-Paket TTL -

Layer 3 - Netzwerkschicht

• der Startwert beträgt in der Regel 64�
• jeder Router verringert TTL um 1 (1 Hop)�
• ist TTL gleich 0, so wird das Paket verworfen

Router�- IP-Paket Protocol -

Layer 3 - Netzwerkschicht

• Hinweis auf das verwendete Protokoll in Layer 4�
• Standardisiert

[Wikipedia-7]

Router�- IP-Paket Fragmentierung -

Layer 3 - Netzwerkschicht

• IP-Paket kann nach Standard 65.535 Byte lang sein�
• es existieren Längenbeschränkungen in den verschiedenen Netzformen 🡺 Maximum Transport Unit�
• Ethernet: Nutzlast 1500 Byte + 18 Byte Header = MTU von 1518�
• ist ein Paket größer, so muss es zerlegt (fragmentiert werden)

Router�- IP-Paket Fragmentierung -

Layer 3 - Netzwerkschicht

• es kann angegeben werden, ob ein Paket fragmentiert werden darf�🡺 ist es zu groß, dann wird es verworfen

Flags (3 Bit)

Fragmentierung

Weitere Fragmente

Router�- IP-Paket Fragmentierung -

Layer 3 - Netzwerkschicht

• folgen weitere Fragmente, so muss deren Reihenfolge angegeben werden 🡺 Offset�
• damit kann das Paket wieder korrekt zusammengesetzt werden

Router�- IP-Paket Fragmentierung -

Layer 3 - Netzwerkschicht

1

2

3

Routing von IP-Paketen

• Routing von Paketen über Subnetze und größere Entfernungen (Internet) hinweg, erfordert entsprechende Informationen

Layer 3 - Netzwerkschicht

• Informationen müssen dabei dezentral, dynamisch und redundant vorgehalten und aktualisiert werden

• Lösung: „benachbarte“ Router tauschen ihre Informationen untereinander aus und speichern / aktualisieren�Kommunikationswege für „ihre“ Netze

Routing von IP-Paketen

• Router „kennen“ die Topologie der angeschlossenen Netze und können Kommunikationsweg dynamisch anpassen

Layer 3 - Netzwerkschicht

• Routing-Informationen können statisch hinterlegt werden, z.B. „Leite alles außerhalb unseres Netzes an Router XY“

• Routing-Informationen können dynamisch angepasst werden, z.B. „Bei Ausfall von Weg X, nutze Weg Y“

Routing von IP-Paketen

• für den Informationsaustauch zwischen Routern wurden Standards definiert, die sog. Routing-Protokolle

Layer 3 - Netzwerkschicht

• Unterteilung von Routing-Protokollen in zwei Klassen:�Distance Vector und Link State Protokolle

• neben standardisierten Protokollen existieren herstellerspezifische Implementierungen und Protokolle

Routing von IP-Paketen�- Distance Vector -

• Austausch von Routing-Tabellen zwischen benachbarten (Distance) Routern

Layer 3 - Netzwerkschicht

• Entscheidung zu Wegen erfolgt nach Entfernung und Richtung (Vector) aufgrund von Kosten

• nur begrenztes „Wissen“ über Weg im Netz und relativ langsames Reagieren auf Veränderungen

Routing von IP-Paketen�- Link State -

• Austausch von Routing-Tabellen innerhalb einer definierten Routing-Domäne

Layer 3 - Netzwerkschicht

• Entscheidung zu Wegen kann nach verschiedensten Kriterien erfolgen, z.B. nach Bandbreite, Load Balancing, Failover, zeitlich abhängige Wege

• flexibles Reagieren auf Änderungen

Routing von IP-Paketen

Autonomes System

Layer 3 - Netzwerkschicht

WWW

Autonomes System

Internet

Autonome Systeme (AS)

• Anzahl von Routern, die intern einheitlich und nach außen über ein definiertes Protokoll mit anderen AS kommunizieren

Layer 3 - Netzwerkschicht

• Router stehen unter einer gemeinsamen Verwaltung, z.B. einer Firma oder Universität

• Zusammenschluss der AS bilden das Internet

Autonome Systeme (AS)

• Anzahl von Routern, die intern einheitlich und nach außen über ein definiertes Protokoll mit anderen AS kommunizieren

Layer 3 - Netzwerkschicht

• jedes AS erhält eine weltweit eindeutige Nummer - analog der Vergabe von IP-Adressen (IANA, …)

• Autonomous System Number (ASN), definiert als 32-Bit-Ganzzahl, z.B. AS3211

Autonome Systeme (AS)

Layer 3 - Netzwerkschicht

• http://www.bgplookingglass.com/list-of-autonomous-system-numbers

Autonome Systeme (AS)

• Kommunikation innerhalb AS (Intra-AS-Routing) erfolgt über sog. Interior Gateway Protokolle (IGP),�Beispiele sind das Routing Information Protocol (RIP) und das Open Shortest Path First (OSPF)

Layer 3 - Netzwerkschicht

• Kommunikation zwischen AS (Inter-AS-Routing) erfolgt über sog. Exterior-Gateway-Protokolle, aktuell wird weltweit nur das Border Gateway Protocol (BGP) eingesetzt

Routing - Grundlagen

Warum benötigen wir überhaupt Router?

Layer 3 - Netzwerkschicht

• mit wachsender Größe von Netzen (Anzahl der Geräte) wächst auch die Menge an Informationen, welche die einzelnen Bridges (Switche) vorhalten müssen

• für das STP müssen die Bridges das gesamte Netzwerk kennen, bei Neukonfigurationen wächst der Aufwand ebenfalls

Routing - Grundlagen

Warum benötigen wir überhaupt Router?

Layer 3 - Netzwerkschicht

• aus Gründen des Datenschutzes oder physikalischen Gegebenheiten müssen / sollen Endgeräte getrennt angeschlossen werden

• Netzwerk-Aufgaben werden teilweise über Broadcasts durchgeführt, bei vielen Endgeräten kann dies zu Problemen führen.

Routing - Grundlagen

Wie kann man sich so einen Routing-Ablauf vorstellen?

Layer 3 - Netzwerkschicht

1. anhand der Adresse erste Entscheidungen zur Weiterleitung, z.B. Hauspost, Behördenpost oder über Dienstleister�🡺 eigenes Subnetz?

Routing - Grundlagen

Wie kann man sich so einen Routing-Ablauf vorstellen?

Layer 3 - Netzwerkschicht

2. PLZ der Adresse�🡺 Netz des Empfängers�Straße und Name�🡺 Hostanteil des Empfängers�

Routing - Grundlagen

• aus Layer 2 Adressen kann keine Strukturierung abgeleitet werden
• Layer 3 Adressen enthalten Informationen zur Struktur des Netzes und ermöglichen, Wege für Datenpakete zu ermitteln
• die Begriffe Router und Gateway verdeutlichen die Aufgaben solcher Geräte��🡺 Wege zwischen verschiedenen Netzen ermitteln� und Pakete über Netzwerke hinweg übertragen

Layer 3 - Netzwerkschicht

Routing - Grundlagen

• aufgrund von physischen Netzwerken werden logische Übertragungswege bestimmt
• dabei werden evtl. verschiedene Medien (Layer 1) genutzt

Layer 3 - Netzwerkschicht

Ethernet

Ethernet

VDSL

LTE

Routing-Grundlagen� - Eigenschaften eines Routers -

• muss an mindestens ein weiteres Netz angeschlossen sein�
• muss Informationen über Wege (Routen) vorhalten�🡺 Routing-Tabelle�
• muss Entscheidungen über die Art der Weiterleitung auf Basis von Layer 3 treffen�🡺 standardisiert auf Basis von Routing-Protokollen

Layer 3 - Netzwerkschicht

Routing-Grundlagen�- Routing-Tabelle -

• Informationen über Kommunikationswege werden in sog. Routing-Tabellen gespeichert

​

• diese Tabellen können statisch wie auch dynamisch erstellt und aktualisiert werden�

Layer 3 - Netzwerkschicht

Routing-Grundlagen�- Routing-Tabelle -

Layer 3 - Netzwerkschicht

192.168.1.0

10.0.1.0

172.28.144.0

192.168.3.0

A0�(.1)

A1�(.1)

B1�(.2)

B2

(.1)

C3

(.2)

C4

(.1)

Routing-Tabelle von R1

R1

R3

R2

Routing-Grundlagen�- Routing-Tabelle -

• Routing-Tabellen enthalten ja nach Protokoll noch weitere Informationen�
• unter Windows kann die Routing-Tabelle z.B. mit Hilfe von route print ausgegeben werden

Layer 3 - Netzwerkschicht

Routing-Grundlagen�- Routing-Tabelle -

• Routen (Tabellen) werden statisch mit Hilfe von Befehlen konfiguriert�
• Beispiele: �route add (NW-) Ziel (NW-) Maske Gateway�route delete (NW-) Ziel (NW-) Maske Gateway�

Layer 3 - Netzwerkschicht

Routing-Grundlagen�- Statisches Routing -

• Routing-Tabelle wird bei der Bestimmung von Routen komplett durchsucht�
• die „beste“ Route wird nach folgender Reihenfolge bestimmt (beste Übereinstimmung)

Layer 3 - Netzwerkschicht

Routing-Grundlagen�- Statisches Routing -

1. Route zu Host (192.168.2.1 255.255.255.255 …)�
2. Route zu einem Subnetz (192.168.2.0 255.255.255.0 …)�
3. Route zu einer Gruppe von Subnetzen�
4. Route zu einem Netzwerk�
5. Route zu einer Gruppe von Netzwerken�
6. Default Gateway des Routers�

​

Layer 3 - Netzwerkschicht

Routing-Grundlagen� - Statisches Routing -

Layer 3 - Netzwerkschicht

R1

R2

192.168.18.1/24

192.168.17.1/24

192.168.19.1/24

10.2.0.2/16

10.2.0.1/16

192.168.1.1/24

Routing-Grundlagen�- Statisches Routing -

1. Auflistung aller bekannten Netze:��10.2.0.0 / 255.255.0.0�192.168.1.0 / 255.255.255.0�192.168.17.0 / 255.255.255.0�192.168.18.0 / 255.255.255.0�192.168.19.0 / 255.255.255.0�

​

Layer 3 - Netzwerkschicht

Routing-Grundlagen�- Statisches Routing -

2. Zuordnung der bekannten Netze zum jeweiligen Gateway (Port):��10.2.0.0 🡺 Direkt (10.2.0.1)�192.168.1.0 🡺 Direkt (192.168.1.1)�192.168.17.0 🡺 10.2.0.2�192.168.18.0 🡺 10.2.0.2�192.168.19.0 🡺 10.2.0.2

​

Layer 3 - Netzwerkschicht

Routing-Grundlagen�- Statisches Routing -

3. Erstellen der Routing-Tabelle (mit Hilfe von Befehlen)��route add 10.2.0.0 255.255.0.0 10.2.0.1�route add 192.168.1.0 255.255.255.0 192.168.1.1�route add 192.168.17.0 255.255.255.0 10.2.0.2�route add 192.168.18.0 255.255.255.0 10.2.0.2�route add 192.168.19.0 255.255.255.0 10.2.0.2���

Layer 3 - Netzwerkschicht

Routing-Grundlagen�- Statisches Routing -

• viele (Sub-) Netze erhöhen die Anzahl der Einträge in der Routing-Tabelle 🡺 Bestimmen der „besten“ Route wird aufwändiger�
• mögliche Lösung: Zusammenfassung von Routen („longest match“) durch Supernetting���

Layer 3 - Netzwerkschicht

Routing-Grundlagen�- Statisches Routing - Supernetting -

• gleichartige Netze können zusammengefasst werden, in unserem Fall sind das die Netze 192.168.17/18/19.0�
• einzelne Routen können zu einer Route zusammengefasst werden, dazu muss ein passendes Netz mit entsprechender Subnetzmaske „berechnet“ werden���

Layer 3 - Netzwerkschicht

Routing-Grundlagen�- Statisches Routing - Supernetting -

1. Umwandeln der Netze in die binäre Darstellung��192.168.17.0 11000000 10101000 00010001 00000000�192.168.18.0 11000000 10101000 00010010 00000000�192.168.19.0 11000000 10101000 00010011 00000000

Layer 3 - Netzwerkschicht

2. Von links aus wird die „Bit-Übereinstimmung“ bestimmt, die Stelle bestimmt die Subnetz-Maske 🡺 22. Bit 🡺 /22

Routing-Grundlagen�- Statisches Routing - Supernetting -

3. Umwandeln der Subnetzmaske /22 in die dezimale Darstellung, Anzahl der Einser-Bits ist in unserem Fall 22:��11111111.11111111.11111100.00000000� 255 255 252 0

Layer 3 - Netzwerkschicht

Routing-Grundlagen�- Statisches Routing - Supernetting -

4. „Auffüllen“ der fehlenden 32 Bit mit 0 ergibt nach Umwandlung in die dezimale Darstellung das Netzwerk für den Routen-Eintrag��11000000 10101000 00010000 00000000� 192 168 16 0

Layer 3 - Netzwerkschicht

5. Der Eintrag in der Routing-Tabelle erfolgt nun über:��route add 192.168.16.0 255.255.252.0 10.2.0.2

Routing-Grundlagen�- Statisches Routing - Default Route -

• Routen für alle (aktuell) bekannten Netze können nicht in Routing-Tabellen aufgenommen werden�
• der „letzte“ Router muss deshalb eine Konfiguration für Netze haben, die nicht in seiner Routing-Tabelle sind

Layer 3 - Netzwerkschicht

• Default Route, Gateway of Last Resort�
• 0.0.0.0 / 0.0.0.0

Routing-Grundlagen�- Statisches Routing - Default Route -

• wird für ein Ziel keine passende Route („longest match“) gefunden, so trifft als Route dann der Eintrag mit Null-Bits zu und die Pakete werden über das zugehörige Gateway gesendet

Layer 3 - Netzwerkschicht

Routing-Prototolle�- Dynamisches Routing -

• keine oder nur eingeschränkte Einbeziehung von Metriken�
• manuelle Erstellung und Pflege von Routen-Informationen stößt in größeren Netzen und Aktualisierungen schnell an seine Grenzen�
• dynamische Anpassungen (Änderungen in Netz-Topologien, neue Geräte) werden erschwert, die Fehleranfälligkeit steigt�
• evtl. müssen Änderung durch Dritte durchgeführt werden, z.B. beim Router des Providers

​

Layer 3 - Netzwerkschicht

Routing-Prototolle�- Dynamisches Routing -

• Lösung: Konfigurationen von Routern und Routing-Informationen dynamisch erzeugen und aktualisieren�
• (Verbund von) Router(n) tauschen Informationen „eigenständig“ und automatisch nach Vorgaben der Netzverwalter untereinander aus��🡺 Einsatz von (standardisierten) Routing-Protokollen

Layer 3 - Netzwerkschicht

Routing-Prototolle�- Dynamisches Routing -

• entfernte Netzwerke „finden“�
• Informationen (Routing-Tabelle) aktuell halten�
• beste Route bestimmen (anhand von Kriterien, den Metriken)

Layer 3 - Netzwerkschicht

Routing-Prototolle�- Dynamisches Routing -

• Unterscheidung in Internal und External Gateway Protokolle�
• Internal 🡺 Einsatz in (räumlich) abgegrenzten privaten Netzen, alle Router „sprechen“ die gleiche Sprache / das gleiche Protokoll�
• Beispiele: Open Shortest Path First (OSPF), Router Information Protocol (RIP)

​

• es können herstellerspezifische Protokolle (Geräte) eingesetzt werden, z.B. Interior Gateway Routing Protocol (IGRP) und Enhanced IGRP (EIGRP)

Layer 3 - Netzwerkschicht

Routing-Prototolle�- Dynamisches Routing -

• Unterscheidung in Internal und External Gateway Protokolle�
• External 🡺 Einsatz beim „Verbinden“ großer Netze, siehe Autonome Systeme�
• weltweit wird hier das Border Gateway Protocol (BGP) eingesetzt

Layer 3 - Netzwerkschicht

Routing-Prototolle�- Dynamisches Routing -

• Routing-Protokoll bestehen prinzipiell aus einem protokoll-spezifischem Algorithmus und Nachrichten (Pakete)�
• für die Bestimmung von Routen werden sog. Metriken genutzt, in Abhängigkeit vom Protokoll sind das z.B.�Bandbreite, Kosten, Zuverlässigkeit, Verzögerungen, Anzahl von Hops, Auslastung

Layer 3 - Netzwerkschicht

Routing-Prototolle�- Dynamisches Routing -

Der Algorithmus muss:

​

• Informationen von anderen Routern empfangen und anderen Routern zur Verfügung stellen�
• diese Informationen aus- und bewerten

​

Layer 3 - Netzwerkschicht

Routing-Prototolle�- Dynamisches Routing -

Der Algorithmus muss:

​

• aus mehreren Routen die optimale Route ermitteln�
• diese Bestimmung muss eigenständig erfolgen, aber auch durch administrative Vorgaben konfigurierbar sein

​

Layer 3 - Netzwerkschicht

Routing-Prototolle�- Dynamisches Routing -

Der Algorithmus muss:

​

• Topologie-Änderungen selbständig erkennen und mit Anpassung der Routen darauf reagieren�
• Änderungen bei Metriken von Routen selbständig erkennen und mit Anpassung der Routen darauf reagieren

​

Layer 3 - Netzwerkschicht

Routing-Prototolle�- Dynamisches Routing -

• jeder Router „kennt“ die Netzwerke, die direkt an ihn angeschlossen sind

Layer 3 - Netzwerkschicht

• Routen werden in die Routing-Tabelle eingetragen

• Routing-Informationen werden an andere Router gesendet

• Routing-Informationen werden von den anderen Routern in ihre Routing-Tabellen übernommen

Routing-Prototolle�- Dynamisches Routing -

Es bleiben Fragestellungen offen:

​

• gleiche Informationen werden mehrfach (endlos?) versendet�
• es existieren mehrere Routen zu gleichen Netzwerken, Daten dürfen z.B. nicht doppelt übertragen werden ��

Layer 3 - Netzwerkschicht

Routing-Prototolle�- Dynamisches Routing -

Die „beste“ Route wird bestimmt (je nach Protokoll):

​

• Hop Count: Anzahl der „Sprünge“ über andere Router zum Ziel�
• Bandbreite: Übertragungsgeschwindigkeit auf einer Route in Abhängigkeit vom eingesetzten Medium und Protokoll�
• Latenz: Verzögerungen bei der Übertragung, z.B. durch Anzahl von genutzten Geräten, wie z.B. Firewalls

Layer 3 - Netzwerkschicht

Routing-Prototolle�- Dynamisches Routing -

Die „beste“ Route wird bestimmt (je nach Protokoll):

​

• Zuverlässigkeit: Fehleranfälligkeit einer Route aufgrund von bekannten Ereignissen, z.B. Ausfällen�
• Last: Belastungen einer Route, z.B. aufgrund hoher Datenübertragungen

Layer 3 - Netzwerkschicht

Routing-Prototolle�- Dynamisches Routing -

Die „beste“ Route wird bestimmt (je nach Protokoll):

​

• Kosten: manuell konfiguriert, um z.B. Gebühren bei Providern monetär zu hinterlegen�
• Konvergenz: stabiler Zustand aller Pfade mit Erreichbarkeit aller Netze 🡺 Zeitspanne bis alle Router ihre Informationen ausgetauscht haben

Layer 3 - Netzwerkschicht

Routing-Prototolle�- Dynamisches Routing -

Wie wird nun der beste Pfad zu einem Ziel bestimmt?

​

• Distance Vector: Bestimmung eines Pfades aufgrund von Entfernung und Richtung (Vektor), analog der Berechnungen in einem „Navi“�
• Link State: Bestimmung eines Pfades nach dem Zustand einer Verbindung

Layer 3 - Netzwerkschicht

Routing-Prototolle� - Distance Vector -

• Bestimmung der Route zu einem Ziel durch Kombination von Entfernung (Distance) und Richtung (Vector)

Layer 3 - Netzwerkschicht

Bewertung der Route nach Metriken

Router, welcher angesprochen wird / Interface

Routing-Prototolle� - Distance Vector -

• Router R1:

Layer 3 - Netzwerkschicht

Routing-Prototolle�Distance Vector - RIP

• regelmäßiges Updates alle 30 sec. - an direkte(n) Nachbarn, �keine Updates 🡺 Einträge werden gelöscht�
• Broadcast (Version 1) / Multicast (Version 2)�
• komplette Routing-Tabelle wird übermittelt�
• Metrik ist nur Hop Count, bei > 15 Hops ist ein Netzwerk nicht mehr erreichbar 🡺 Anzahl der Router auf einem Pfad beachten

Layer 3 - Netzwerkschicht

Routing-Prototolle�- Distance Vector - RIP -

• Konvergenz-Problem��Als Konvergenz wird der (vermutlich) stabile Zustand des Netzes bezeichnet.��Die Konvergenzzeit ist die Zeit, in der ein (vermutlich) stabiler Zustand des Netzes erreicht ist.��Bei Distance Vector Protokollen kann es sehr lange dauern, bis alle Router über Änderungen informiert sind.

Layer 3 - Netzwerkschicht

Routing-Prototolle�- Konvergenzzeit verringern -

• Probleme können bei Ausfall eines Pfades auftreten:�Senden von Daten über nicht mehr existierende Pfade, �Routing-Schleifen (Count to infinity)�
• mehrere Ansätze zur Verhinderung dieser Probleme

Layer 3 - Netzwerkschicht

Routing-Prototolle�- Konvergenzzeit verringern -

1. „Meldung des gesamten Pfades“��Schleifen zu einem Ziel könne erkannt (berechnet) werden, aufwendiges Verfahren�
2. Split Horizon��Informationen zu Pfaden werden niemals an den Router gesendet, von denen der Router die Informationen erhalten hat („Ping Pong“)

Layer 3 - Netzwerkschicht

Routing-Prototolle�- Konvergenzzeit verringern -

3. Poison Reverse��Erweiterung von Split Horizon, der ausgefallene Pfad wird nicht „verschwiegen“, sondern mit einer Metrik von Unendlich gesendet�
4. Triggerd Updates��Updates werden bei Änderungen sofort versendet

Layer 3 - Netzwerkschicht

Routing-Prototolle�- RIP über (Cisco) CLI konfigurieren -

• router rip 🡺 Aktivierung von RIP
• version 2 🡺 Version 2 von RIP verwenden (Multicast)
• network Netzwerk 🡺 Netzwerke (Interfaces) zuordnen
• passive-interface Interface 🡺 kein Protokoll über Interface
• show ip protocols 🡺 Informationen anzeigen
• show ip route 🡺 Routing-Tabelle anzeigen
• (no) debug ip rip 🡺 Ausgaben anzeigen lassen

​

Layer 3 - Netzwerkschicht

Routing-Prototolle

Layer 3 - Netzwerkschicht

1 GBit/s

1 GBit/s

10MBit/s

RIP: nur 1 Hop 🡺 „beste“ Route

Routing-Prototolle� - Link State -

• Link:��Verbindung zu benachbarten Router(n)�
• State:��Info / Zustand einer Verbindung (IP-Adresse, Netz, Metriken, Nachbar-Router)

Layer 3 - Netzwerkschicht

Routing-Prototolle� - Link State -

• Alternative zur Distance Vector Protokollen mit dem Ziel, dessen „Mängel“ zu beheben�
• beteiligte Router erhalten alle Informationen und können daraus die besten Pfade zu allen Zielen ermitteln - Wissen über das gesamte Netz��🡺 OSPF: Link State Advertisements (LSA)�🡺 IS-IS: Link State Protocol Data Units (LSP)

Layer 3 - Netzwerkschicht

Routing-Prototolle� - Link State -

• „Hello-Prokoll“:��1x initial und später bei Änderungen im Netzwerk werden Updates zwischen benachbarten Router gesendet, ansonsten nur periodische Updates (Refreshs) alle 30 Minuten�
• werden keine „Hello-Pakete“ mehr empfangen, wird die Verbindung als nicht mehr verfügbar eingestuft (Keep Alive)

Layer 3 - Netzwerkschicht

Routing-Prototolle� - Link State -

Ablauf:��1. Link-State-Beziehung zu Nachbarn wird aufgebaut��2. Link-State-Pakete mit bekannten Informationen werden (aus Link State Datenbank, LS-DB) erstellt und per Multicast in das Netz geflutet��3. eingehende Informationen (LSA / LSP) werden in LS-DB gespeichert

​

Layer 3 - Netzwerkschicht

Routing-Prototolle� - Link State -

Ablauf:��4. Informationsaustausch abgeschlossen? 🡺 „Karte“ des Netzes ist bekannt��5. mit Hilfe eines Algorithmus werden die „kürzesten“ Routen ermittelt und in die Routing-Tabelle eingetragen

Layer 3 - Netzwerkschicht

Routing-Prototolle� - Link State -

• bei Änderungen wird der Algorithmus erneut ausgeführt und die Routing-Tabelle aktualisiert�
• um unendliches Weiterleiten der LSA / LSP zu verhindern, können verschiedene Mechanismen eingesetzt werden:��- Hop Count�- Sequenznummern und Zeitstempel zur Erkennung von Duplikaten�
• als Algorithmus wird meist Shortest Path First, SPF verwendet�

Layer 3 - Netzwerkschicht

Routing-Prototolle� - Link State -

Layer 3 - Netzwerkschicht

LSA

LSA

LSA

SPF

SPF

Routing-Tabelle

Shortest Path First (SPF)

• Bestimmung des „kürzesten“ Weges zu einem Ziel�
• Algorithmus von Dijkstra (niederländischer Mathematiker / Informatiker)�
• Graphentheorie: mathematisches Modell zur Darstellung von Objekten und ihrer Verbindungen untereinander

Knoten 🡺 Router

Kanten 🡺 Verbindungen

Layer 3 - Netzwerkschicht

SPF�Shortest Path First

• Beispiele:��1. Stammbaum�����2. U-Bahn-Netz

Layer 3 - Netzwerkschicht

Opa

Oma

Vater

Mutter

Kind

SPF�Shortest Path First

• Netzwerke sind oft Multigraphen:�zwei Knoten können durch mehrere Kanten verbunden sein, dabei werden mehrfache Kanten gewichtet

Layer 3 - Netzwerkschicht

A

C

B

D

Knoten

Kanten

2

1

3

1

Wichtung

Shortest Path First - Algorithmus von Dijkstra

1. Weise allen Knoten die beiden Eigenschaften „Distanz“ und „Vorgänger“ zu.�Initialisiere die Distanz im Startknoten mit 0 und in allen anderen Knoten mit „Unendlich“.
2. Solange es noch unbesuchte Knoten gibt, ��(2.1) wähle darunter denjenigen mit minimaler Distanz aus und �speichere, dass dieser Knoten schon besucht wurde��(2.2) berechne für alle noch unbesuchten Nachbarknoten die Summe des jeweiligen Kantengewichtes und der Distanz im aktuellen Knoten��(2.3) Ist dieser Wert für einen Knoten kleiner als die dort gespeicherte Distanz, aktualisiere sie und setze den aktuellen Knoten als Vorgänger. �Dieser Schritt wird auch als Update oder Relaxation / Relaxierung bezeichnet.

Layer 3 - Netzwerkschicht

[Wikipedia-3]

Shortest Path First - Algorithmus von Dijkstra

Layer 3 - Netzwerkschicht

A

B

D

2

3

3

C

E

4

2

1

2

F

1

2

0

∞

∞

∞

∞

∞

✔

/ 2

A

/ 4

A

✔

/ 3

/ B

/ 4

B

/ 5

B

✔

/ 4

E

✔

✔

✔

Shortest Path First - Algorithmus von Dijkstra

Layer 3 - Netzwerkschicht

„Kürzester“ Weg von A nach F?

Distanz

A

B

E

F

Routing-Prototolle�- Link State -

• bei Link State werden zwischen benach-barten Routern Beziehungen aufgebaut�
• Multi-Access-Netzwerke führen zu einer hohen Anzahl an diese Beziehungen�
• A _Bez = n ² - n / 2 (Anzahl von Kanten bei n Knoten)�
• A _Bez = 16 - 4 / 2 = 6�