Switch RJ45 Buchsen

Network Layer - Router


Ideen: M. Metz, A. Grella, A. Grupp, Elektronikschule Tettnang und Cisco Networking Academy

Jeder Router muss entscheiden, wohin er eine Nachricht weiterleitet. Dazu nimmt er den einkommenden Frame entkapselt ihn, schaut in der Routingtabelle nach wo es hingegen soll, kapselt das Paket und schickt es wieder auf die Reise.

In diesem Artikel lernst Du, wie im Network Layer diese Aufgaben definiert und mit welchen Eigenschaften verbunden sind. Du lernst den Aufbau von IPv4- und IPv6-Header kennen und wie ein Router funktioniert. Darüber hinaus wird Dir die Routingtabelle erklärt, der Unterschied zwischen statischem und dynamischen Routing und erste Befehle für den Router gezeigt.

Aufgaben des Network Layers und seine Eigenschaften



Aufgaben des Networklayers

Adressierung Endgeräte werden mit eindeutigen IP-Adressen konfiguriert
Encapsulation Kapseln der vom Transport Layer kommenden Segmente
Routing Weiterleiten des Pakets auf Basis der Ziel-IP-Adresse
De-encapsulation Entkapseln der vom Data Link Layer kommenden Frames

Protokolle des Networklayers: IPv4, IPv6

  • Internet Protocol Version 4 - IPv4
  • Internet Protocol Version 6 - IPv6

Für das Routing von IP-Paketen gilt:

  • verbindungslos: es gibt keine direkte Verbindung zum Empfänger der Nachricht (engl. connectionless), somit auch keine direkte Rückmeldung,
  • unzuverlässig: die Auslieferung des IP-Pakets wird nicht gewährleistet (engl. best effort), es gibt keine Verbindungskontrolle und kein Rückbestätigung des Empfängers über IP-Pakete, die Pakete können in falscher Reihenfolge und evtl. gar nicht eintreffen,
  • medienunabhängig: die IP-Pakete sind unabhängig von der Verkabelung und Übertragunsweg (engl. media independent).

Für manche Router ist die maximale Übertragungsgröße (maximum transmission unit - MTU) begrenzt. Dann werden die IP-Packete nochmal geteilt. Diesen Prozess nennt man Fragmentierung.

Der IPV4-Header



Die wichtigsten IPv4-Headerinformationen im Überblick:

  • Version: 4-Bit-Versionsnummer, 0b0100 ist ein IPv4-Paket
  • IHL - Internet Header Length: Headergröße
  • DS - Differentiated Services: zur Priorisierung von IP-Paketen
  • TTL - Time To Live: wird bei jedem Router eins dekrementiert
  • Protocol: zur Identifizierung der Protokolldaten aus dem Transportlayer - ICMP (1), TCP (6), UDP (17)
  • Header Checksum: zur Fehlererkennung im IPv4-Header
  • Source IP Address: 32-Bit-Startadresse, Unicast
  • Destination IP Address: 32-Bit-Zieladresse, Uni-, Broad- oder Multicast
Byte 1
Byte 2
Byte 3
Byte 4
Version
IHL
DS
Total Length
Identification
Flag
Fragment Offset
Time to Live
Protocol
Header Checksum
Source IP Address (32 Bit)
Destination IP Address (32 Bit)
Segment (... Bit)

IPv6-Header



Byte 1
Byte 2
Byte 3
Byte 4
Version
Traffic Class
Flow Label
Payload Length
Next Header
Hop Limit
Source IP Address (128 Bit)
Destination IP Address (128 Bit)
Segment (... Bit)

Aufgrund folgender Gründe wird langfristig auf IPv6 umgestellt:

  • Die Anzahl der IPv4-Adressen geht aus.
  • Routingtabellen von IPv6 sind kleiner.
  • Direktverbindungen sind mit allen Endgeräten möglich.

Die wichtigsten IPv6-Headerinformationen im Überblick:

  • Version: 4-Bit-Versionsnummer, 0b0110 ist ein IPv6-Paket
  • Traffic Class: entspricht DS
  • Flow Label: schnelleres Routing für Folgepakete
  • Payload Length: Länge der Payload
  • Next Header: entspricht Protocol
  • Hop Limit: entspricht Time To Live
  • Source IP Address: 128-Bit-Startadresse
  • Destination IP Address: 128-Bit-Zieladresse

Übung 1 Welche Aussage ist wahr

Wähle die korrekten Aussagen aus.

Welche Aufgabe hat der Network Layer?
Wähle zwei Antworten.

  1. Adressierung
  2. De-encapsulation
  3. Fehlerekennung
  4. wählt das Übertragungsmedium


Welche zwei Felder im IPv4-Header gibt Start und Ziel des Pakets an?
Wähle zwei Aussagen.

  1. Time-to-live
  2. Destination IP address
  3. Protocoll
  4. Source IP address

Welcher OSI-Layer sendet ein Segment zum kapseln als IP-Paket?
Wähle eine Antwort.

  1. Data Link Layer
  2. Transport Layer
  3. Network Layer
  4. Physical Layer


Welche Gründe sprechen für den Umstieg auf IPv6?
Wähle drei Optionen.

  1. Die Anzahl der IPv4-Adressen geht aus.
  2. Routingtabellen sind kleiner.
  3. Es gibt zu viele IPv4-Adressen.
  4. Direktverbindungen sind mit allen Endgeräten möglich.

Host versendet Nachrichten loopback, lokal, remote



Wenn ein Host eine Nachricht versendet muß er unterscheiden ob die Zieladresse

  • ein loopback (Sender und Empfänger identisch) ist,
  • im lokalen Netzwerk ist,
  • sich in einem Remote-Netzwerk befindet.

Man beachte, dass die Entscheidung anhand der IP-Adresse und der Netzwerkmaske getroffen wird. Der Versand erfolgt entsprechend der Routing-Tabelle des Hosts.

Die Routingtabelle eines Hosts kann mit dem Befehl netstat -r oder print route angezeigt werden. Das default gateway ist dabei immer die Adresse des Routers im lokalen Netzwerk und wird für die Remote-Verbindungen verwendet.

Routingtabelle eines Hosts

Der Router leitet Nachrichten weiter empfangen, entkapseln, ermitteln, kapseln, weiterleiten



Routing eines Routers

Wenn ein Router eine Nachricht empfängt

  • entkapselt er den Layer 2-Header und Trailer,
  • ermittelt aus dem Paket die Ziel-IP-Adresse und sucht in der Routingtabelle nach der besten Route,
  • kapselt das Paket in einen neuen L2-Header (mit neuer Ziel-MAC-Adresse) und Trailer und
  • leitet das Paket an den nächsten Router als "next hop" weiter.

Die Routingtabelle des Routers speichert drei Arten von Einträgen:

  • direkt angeschlossene Verbindungen, welche automatisch gelernt werden,
  • Remote-Netze, diese können dynamisch mit dynamischen Routingprotokollen gelernt werden oder aber manuell eingetragen (statisches Routing) werden,
  • Default route, gilt als Lösung, falls kein passender Eintrag in der Routingtabelle gefunden wird.

Der Weg eines IP-Pakets über die verschiedenen Next-Hop-Router, kann mit dem Befehl traceroute mylime.info nachverfolgt werden.

Statisches und dynamisches Routing manuell, automatisch



Routingtabellen können sowohl statisch als auch dynamisch konfiguriert werden. Unter statischem Routing versteht man manuelle Einträge in der Routingtabelle.

R1 (config)# ip route 172.16.1.1 255.255.255.0 10.1.1.2

Dabei ist die erste Adresse 172.16.1.1 255.255.255.0 der Zielhost und 10.1.1.2 der Next-Hop-Router.

Statisches Routing ist für kleine Netzwerke geeignet. Man beachte jedoch, das bei jeder Netzwerkkonfiguration die Routingtabelle des Routers angepasst werden muss, da diese nicht automatisch geändert wird.

Beim dynamischen Routing tauschen Router Informationen aus und lernen so automatisch entfernte Netze. Die Vorteile sind:

  • Routing-Informationen werden aktualisiert,
  • es wird der beste Pfad zum Ziel gewählt,
  • es wird versucht ein neuer Pfad zu finden, falls der alte nicht mehr verfügbar ist.

Routingtabelle am Router anzeigen lassen:

R1# show ip route

dynamisches Routing

Übung 2 Welche Aussage ist wahr

Wähle die korrekten Aussagen aus.

Ein Host muß beim Versenden von Nachrichten unterscheiden, ob die Ziel-IP-Adresse ...
Wähle zwei Antworten.

  1. in ein einem Remote-Netzwerk liegt,
  2. mehrfach in der Routingtabelle hinterlegt ist,
  3. identisch mit der Start-IP-Adresse ist.


Mit welchem Befehl kann die Routingtabelle des Hosts angezeigt werden?
Wähle zwei Antworten.

  1. netstat -r
  2. print route
  3. route print

In welcher Tabelle findet ein Router das nächste Ziel?
Wähle eine Antwort.

  1. MAC-Adresstabelle
  2. IP-Tabelle
  3. Routingtabelle


In welcher Reihenfolge bearbeitet ein Router einkommende Frames?
Wähle eine Antwort.

  1. Ziel-IP ermitteln, entkapseln, kapseln, weiterleiten
  2. entkapseln, Ziel-IP ermitteln, kapseln, weiterleiten
  3. weiterleiten, entkapseln, Ziel-IP ermitteln, kapseln

Welche Aussage über statisches Routing ist korrekt?
Wähle zwei Antworten.

  1. entfernte Netze werden automatisch gelernt
  2. es eignet sich für kleine Netzwerke
  3. bei Wegfall einer Verbindung muss manuell konfiguriert werden


Welche Aussage über dynamisches Routing ist korrekt?
Wähle zwei Antworten.

  1. entfernte Netze werden automatisch gelernt
  2. es wird der beste Pfad zum Ziel gewählt
  3. bei Wegfall einer Verbindung muss manuell konfiguriert werden

Übung 3 IP und Routing

  1. Nenne drei Gründe, weshalb IPv6 der neue IP-Standard wird.
  2. Berechne die Anzahl möglicher Adressen für IPv4 und IPv6.
  3. Benenne die Aufgaben eines Routers in der richtigen Reihenfolge beim Empfangen einer Nachricht.
  4. Benenne die drei Eintragungsarten in Routingtabellen.
  1. Router R1 hat die IP-Adresse 172.30.132.1, der benachbarte Router R2 hat die IP-Adresse 172.30.132.2. An Router R2 ist der Rechner A mit er IP 10.0.0.4angeschlossen. Benenne den Befehl, um in der Routingtabelle von R1 eine statische Route zu Rechner A anzulegen.

Wortliste und Satzbausteine



die IPv4­adresse, -n eine 32 Bit = 4 Byte lange Netz­werk­adresse mit 4,3 Billionen Adressen
die IPv6­adresse, -n eine 128 Bit = 16 Byt lange Netz­werk­adresse mit 340 Sextillionen Adressen
die Ad­res­sierung, -en Endgeräte werden mit eindeutigen IP-Adressen konfiguriert
Encap­sulation hier: die Kapselung von IP-Paketen
De-encap­sulation hier: die Entkapselung von Frames
routing weiterleiten von Nachrichten an einen bestimmten Empfänger auf Basis der IP-Adresse.
connection­less verbindungslos: es gibt keine direkte Verbindung zum Empfänger der Nachricht
best effort unzuverlässig: die Auslieferung des IP-Pakets wird nicht gewährleistet
media inde pendant medienunabhängig: die IP-Pakete sind unabhängig von der Verkabelung und Übertragunsweg
die Routing­tabelle, -n Liste mit IP-Zieladressen und deren Zuordnung zum nächsten Ort
lokale Netz­werk­route Pfad einer Nachricht im lokalen Netz
remote Netz­werk­route Pfad einer Nachricht in einem entfernten Netz
sta­tisches Routing manuelle Pfadkonfiguration im Router
dyna­misches Routing automatische Pfadkonfiguration der Router untereinander mit Hilfe dynamischer Routingprotokolle
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