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Was ist Routing?

  • Beitrags-Kategorie:Netzwerktechnik
  • Lesedauer:6 min Lesezeit

“Routing” bezeichnet die Wegfindung von Daten einer Quelle zu einem definierten Ziel. Ein IP-Router übernimmt dabei die Aufgabe des Routings. Der IP-Router kennt ganze Netzwerktopologien als auch einzelne Verbindungswege. Eine gängige Anwendung ist z.B. das Routing von Datenpaketen zwischen verschiedenen Netzwerken.

Inhalt:
  • Was ist Routing?
  • Routing Protokolle
  • Engpässe erkennen
  • Wie funktioniert die Weiterleitung?
  • Was ist ein Overlay Netzwerk?

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Was ist Routing?

Ähnlich wie ein Reisender die Route zu dessen Wunschziel suchen muss, so muss auch ein Netzwerkteilnehmer eine Route zu einem anderen Netzwerkteilnehmer finden.

Ein Reisender (nehmen wir konkret einen Autofahrer an) wählt typischerweise eine Abfolge von Straßen (und Fahrtrichtungen darauf) aus sowie wichtige Knotenpunkte (Kreuzungen, Autobahndreiecke, etc.), um ans Ziel zu gelangen. Die Beschilderung an Kreuzungen, Einmündungen, usw. dient dabei als lokale Entscheidungshilfe, wie weitergefahren werden muss.

Welche Straßen genutzt werden, wird aufgrund verschiedener Kriterien entschieden – soll z.B. der kürzeste oder der schnellste Weg gefahren werden?

  • Autobahnstrecken, auch wenn sie gerne mal mehr Fahrstrecke bedeuten, verkürzen die Fahrzeiten meist erheblich gegenüber Strecken auf Landstraßen. Die kürzeste Strecke ist also nicht unbedingt die schnellste Strecke. Natürlich kann auf der Autobahn auch mal ein großer Stau sein, dann wird die Strecke über die Landstraßen nicht nur die kürzeste Strecke, sondern auch die Schnellste sein.
  • Für solche Entscheidungen nutzt(e) der Autofahrer klassischerweise Landkarten, die den Fokus auf das Straßennetz legten (auch “Auto-Atlas” genannt) – heute macht diese Arbeit meist eine Navigations-App auf dem Handy, welche über eine digitale Landkarte verfügt.
Autobahn Kreuzungen
Routing Protokolle

Ähnliche Regeln gelten auch in Computernetzwerken, insbesondere dem Internet mit seinem IP-Protokoll.
Auch hier gibt es “Autobahnen”, “Bundes-” und “Landesstraßen” – und natürlich auch zumindest “gefühlte” Schotter- und Feldwege…

Die Wegefindung orientiert sich meist ausschließlich am zu erreichenden Ziel und dem kürzesten Weg dorthin.
Vor der Einführung von fortgeschrittenen dynamischen Routing-Algorithmen (also vor z.B. OSPF – https://de.wikipedia.org/wiki/Open_Shortest_Path_First) wurde die “Länge” einer Übertragungsstrecke lediglich durch die Anzahl der Knotenpunkte (sog. “hops” – meist “Router” – bzw. “Autobahnkreuze” beim Autofahrer) definiert (populärster Vertreter dieser Strategie: das “RIP” Protokoll).

Hier fehlt natürlich völlig eine Beurteilung der einzelnen abgehenden Straßen des “Autobahnkreuzes” – Landstraßen, Schotterwege, Autobahnen – alles gleich…

Dieser Mangel wurde im OSPF-Routing-Protokoll ausgeglichen – jeder einzelnen abgehenden “Straße” (Datenleitung) kann eine individuelle “Länge”/”Geschwindigkeit” zugewiesen werden. Eine Gigabit-Leitung (“Autobahn”) ist hier also nicht mehr gleich einer 33Kbit/s Modemleitung (“Feldweg”).

Engpässe erkennen

Wie steht es aber nun mit dem “Stau”?

Moderne Navigations-Apps für die Straße nutzen Daten in Echtzeit um den aktuellen “Betriebszustand” der zu befahrenden Straßen in das Routing mit einzubeziehen. Diese Möglichkeit besteht im Internet generell nicht.

Für begrenzte Teile des Internets kann man jedoch auch im IP-Netz den “Betriebszustand” (verbleibende Bandbreite, Laufzeit, usw.) in die Entscheidungen des Routings einbeziehen – z.B. im SD-WAN.

Dazu messen die SD-WAN Komponenten mit hoher Frequenz die Qualität der Verbindungen zwischen den beteiligten Netzwerkteilnehmern und entscheiden dann über den jeweils besten Weg für eine Applikation zu einem bestimmten Ziel.

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Wie funktioniert die Weiterleitung?

Wer sich mit Routing beschäftigt, dem begegnet auch schnell der Begriff “Forwarding”.

Wie hängen diese Dinge nun zusammen?

  • Das “Routing” entscheidet zu welchem “Router” oder auch “Gateway” die Datenpakete geschickt werden müssen (zu welchem Verkehrsknotenpunkt/Autobahnkreuz/Ort beim Autofahrer), aber nicht welche Leitung konkret verwendet wird.
  • Dies entscheidet das “Forwarding”. Wenn z.B. absolut gleichwertige Leitungen zwischen zwei Routern geschaltet sind, dann wird im Forwarding entschieden welche der Beiden nun konkret verwendet wird. Im Beispiel mit dem Autofahrer wäre das die Auswahl z.B. zwischen zwei Fahrstreifen der gleichen Autobahn (wobei beide Spuren natürlich gleich schnell und ausgelastet sind).
  • Dieses “Forwarding” findet für IP-Pakete typischerweise auf dem OSI-Layer 2 (https://de.wikipedia.org/wiki/OSI-Modell) statt. Da es verschiedene Netzwerktechnologien für diesen “Layer 2” gibt (serielle Punkt-zu-Punkt-Verbindungen, Ethernet (in all seinen Varianten), Token-Ring, Token-Bus, ATM, usw.) variieren auch die Anforderungen an das Forwarding. Bei einem seriellen Port muss das “Forwarding” also die Daten lediglich serialisieren und aus dem Port senden, da es nur einen Empfänger gibt.
  • Im Gegensatz dazu muss z.B. bei Ethernets zunächst die Ethernet-Adresse des Kommunikationspartners ermittelt werden (bei IPv4 gibt es dazu das ARP-Protokoll) und dann ein Ethernetprotokoll-Rahmen erzeugt werden, bevor die Serialisierung und das Senden beginnen kann.
  • Daraus folgt auch die Grenzen des “Forwardings” – dieses endet dort wo die gerade genutzte Verbindung (Seriell, Ethernet,…) ihre Grenzen hat. Ein Ziel in einer Routing-Tabelle kann also als Gateway nur solche IP-Adressen haben, die entweder direkt angeschlossen sind (z.B. serieller Port) oder durch ein Protokoll wie ARP zu einer Layer 2-Adresse aufgelöst werden kann.
  • Wenn also in einer Routing-Tabelle als Gateway eine IP-Adresse steht, welche aus einem Netzwerk stammt, an dem der Computer nicht direkt angeschlossen ist, dann wird dieser Eintrag in der Routing-Tabelle in der Regel nutzlos oder sogar schädlich sein.
  • Ausnahme von dieser Regel – wenn der Routing-Algorithmus des Computers durch sogenanntes “rekursives Routing” diese indirekte Gateway-IP durch die Untersuchung weiterer Einträge in der Routing-Tabelle auf ein direkt angeschlossenes Netzwerk mit einem konkreten Ziel schließen kann.
  • Dies sollte im Allgemeinen auf Computern vermieden werden, da es zu unnötigen Verzögerungen führt.
    Essenziell ist dieses “rekursive Routing” allerdings auf Routern selbst, da Routingprotokolle wie OSPF und BGP (https://de.wikipedia.org/wiki/Border_Gateway_Protocol) nicht unbedingt Gateway-IPs übermitteln die aus direkt angeschlossenen Netzwerken stammen – diese Geräte sind jedoch für diesen Job optimiert.
Was ist ein Overlay Netzwerk?

Wenn IP-Pakete immer über Layer 2-Technologien weitergeleitet werden, wie funktionieren dann VPNs oder SD-WAN?

Diese benutzen schließlich Internet-Anschlüsse (“IP-Protokoll”), also kein Layer 2-Protokoll. Hier wird dem bestehenden IP-Netzwerk, welches auf Layer 2-Protokollen weiterleitet, ein IP-Netzwerk “übergestülpt” – man findet dafür häufig den Begriff “Overlay-Netzwerk”.

Aus Perspektive des “Overlay-Netzwerks” wird das darunterliegende IP-Netzwerk quasi zum Layer 2-Netzwerk.
Das “Overlay-Netzwerk” übergibt seine Datenpakete an das darunterliegende IP-Netzwerk (“underlay network”/”underlay”) und dieses muss dann wieder eine echte Layer 2-Adresse bzw. Schnittstelle ermitteln, aus der die Daten dann gesendet werden können.

Dieser Prozess ist je nach verwendeter Technik unterschiedlich aufwendig und kompliziert.
Dazu kommen im VPN/SD-WAN gerne auch noch zusätzliche Aufwände wie zum Beispiel Verschlüsselungen, die eventuell ebenfalls noch weiteren Einfluss auf Routing und Forwarding nehmen.

 


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