Netzwerkprotokolle und Routing-Grundlagen

1. Vergleich von Netzwerkbrücken

Zwei Netze sind durch zwei Brücken (A und B) miteinander verbunden. Brücke A ist robuster und unterstützt eine Paketgröße von 1000 Bit. Brücke B ist weniger robust, unterstützt aber einen Paketaustausch von 1500 Bit. Welche Brücke ist effizienter?

2. Notwendigkeit alternativer Gateways (Multihoming)

Warum sind alternative (mehrfache) Gateways notwendig?

Antwort: Multihoming bietet folgende Vorteile:

• Fehlertoleranz

  Ein Multihoming-Standort ist immun gegen fehlerhaften Verkehr oder den Ausfall eines ISPs. Tritt ein Fehler bei einem ISP auf, kann der Verkehr automatisch über einen anderen, nicht betroffenen ISP geleitet werden.

• Lastausgleich (Load Balancing)

  Multihoming ermöglicht die Verteilung des ein- und ausgehenden Datenverkehrs auf verschiedene verbundene Provider, wodurch die Ressourcennutzung optimiert wird.

• Verkehrssteuerung (Traffic Engineering)

  Die Seite kann steuern, welche Art und Menge des Verkehrs an welchen ISP gesendet wird, basierend auf Kriterien wie Service Level Agreements (SLAs) oder Kosten. Dies dient der Maximierung der Effizienz.

• Unabhängigkeit von ISPs

  Multihoming-Lösungen erfordern in der Regel keine besondere Zusammenarbeit der Internet-Anbieter. Standorte können Multihoming unabhängig und selbstständig mit verschiedenen Providern einrichten.

3. Maximale Größe eines IP-Datagramms (IPv4)

Welches ist die maximale Größe eines IP-Datagramms?

Antwort: 65536 Bytes.

5. Funktionsweise des ARP-Protokolls

Wie funktioniert das ARP-Protokoll (Address Resolution Protocol)?

Antwort: Das ARP-Protokoll ist für die Umwandlung von logischen IP-Adressen in physische Netzwerkadressen (MAC-Adressen) verantwortlich. Wenn ein Gerät eine Nachricht an einen anderen Host in einem Ethernet-Netzwerk senden möchte, kennt es nur die IP-Adresse des Ziels. Es muss jedoch die zugehörige physische Adresse ermitteln. Dies geschieht mithilfe des ARP-Protokolls.

9. Minimale Größe eines IP-Datagramms (IPv4)

Was ist die minimale Größe eines IP-Datagramms (IPv4)?

Antwort: 576 Bytes.

10. Fragmentierung in IPv6

Gibt es die Fragmentierung in IPv6?

Antwort: Router dürfen Pakete in IPv6 nicht fragmentieren. Der Sender wird mittels ICMPv6 (Packet Too Big) informiert, wenn eine Fragmentierung notwendig wäre. Der Absender muss dann die Paketgröße (MTU) für diese Verbindung reduzieren, sodass die Fragmentierung nicht mehr erforderlich ist.

14. Frame Bursting und Carrier Extension

Was ist Frame Bursting?

Eine Station kann eine Folge von Frames (einen „Ausbruch“) über das Kabel übertragen, ohne die Kontrolle abzugeben.

Was ist Carrier Extension?

Carrier Extension ist eine Technik, bei der die minimale CSMA/CD-Trägerzeit und der Zeitschlitz zwischen 64 und 512 Byte erweitert wurden.

41. Was ist ein Gateway?

Gateways (oder Router) sind für die Verknüpfung des Inter-Domain-Routings mit Intra-Domain-Routen verantwortlich. Sie übersetzen interne und externe Routen.

45. Was ist ein Backbone-Router?

Backbone-Router sind Router, die zur Area 0 (Backbone-Bereich) gehören und für die Verbreitung von Netzwerkinformationen zwischen verschiedenen Bereichen (Areas) zuständig sind.

46. Routing-Protokoll von Backbone-Routern

Welches Routing-Protokoll verwendet ein Backbone-Router?

Antwort: Sie verwenden OSPF (Open Shortest Path First).

47. Unterschiede zwischen Distanzvektor- und Link-State-Routing

Distanzvektor (Distance Vector)

• Die Netzwerktopologie wird nur aus der Sicht der direkten Nachbarn betrachtet.
• Die Entfernung wird als Vektor von Router zu Router addiert.
• Updates erfolgen häufig und periodisch.
• Konvergenz ist langsam.
• Es werden Kopien der gesamten Routing-Tabelle an benachbarte Router gesendet.

Link State

• Es wird eine gemeinsame Sicht auf die gesamte Netzwerktopologie erstellt.
• Die kürzeste Route zu anderen Routern wird berechnet (z. B. mit Dijkstra).
• Updates sind ereignisgesteuert (Event-Triggered).
• Konvergenz ist schnell.
• Es werden nur aktuelle Link-State-Informationen an andere Router gesendet.

48. Kennzahlen (Metriken) in Routing-Algorithmen

Welche Kennzahlen werden in Routing-Algorithmen verwendet? Geben Sie vier Beispiele.

• Verzögerung: Die Zeit, die benötigt wird, um ein Paket durch das Netzwerk zu senden.
• Bandbreite: Die verfügbare Kapazität eines Links für den Verkehr.
• Auslastung: Der Grad der Besetzung einer Netzwerkressource (z. B. eines Routers).
• MTU (Maximum Transfer Unit): Die maximale Paketgröße, die über die Netzwerkverbindung fließen kann.
• Kommunikationskosten: Die Betriebskosten der Verbindungen.
• Fehlerrate (Error Rate).
• Hop-Count (Anzahl der Hops).

49. Beschreibung des Spanning-Tree-Algorithmus

Die Idee ist, Teile des Graphen in einen Baum der kürzesten Wege umzuwandeln. Dieser Algorithmus wird im statischen Routing verwendet, verbraucht keine Bandbreite und ist für extrem zuverlässige Netzwerke geeignet.

50. Phasen des Distance-Vector-Protokolls

1. Jeder Knoten hat eine eindeutige ID.
2. Jeder Knoten kennt die Kosten, um seine direkten Nachbarn zu erreichen.
3. Der Distanzvektor (VDD) enthält zunächst nur einen Eintrag für sich selbst mit der Distanz 0.
4. Jeder Knoten überträgt seinen VDD an seine Nachbarn (in regelmäßigen Abständen oder bei Änderungen).
5. Jeder Knoten speichert den zuletzt empfangenen VDD von jedem Nachbarn.
6. Jeder Knoten berechnet seinen eigenen VDD neu, basierend auf den Informationen seiner Nachbarn.
7. Eine Neuberechnung erfolgt, wenn:
   • Ein VDD von einem Nachbarn empfangen wird, der sich von dem gespeicherten unterscheidet.
   • Ein Link ausfällt.

52. Konvergenz dynamischer Routing-Protokolle

Konvergenz beschreibt den Zustand eines Netzwerks, in dem alle Router ein genaues Bild der Topologie und/oder der verfügbaren Ressourcen haben und alle Routen im Netzwerk aktualisiert wurden.

53. Was ist ein Autonomes System (AS)?

Ein Autonomes System ist eine Gruppe von Routern unter einer gemeinsamen Verwaltung, die dasselbe Routing-Protokoll verwenden.

54. Protokolle, die als IGP eingestuft werden

Als IGP (Interior Gateway Protocol) werden Distanzvektorprotokolle, Link-State-Protokolle und OSPF eingestuft.

55. Vermeidung von Endlosschleifen in IPv4

Wie wird verhindert, dass ein IPv4-Datagramm in einer Endlosschleife landet?

Antwort: Durch das Feld TTL (Time to Live), das bei jedem Hop dekrementiert wird. Erreicht es den Wert Null, wird das Paket verworfen.

56. Adressformat und Regeln in IPv6

Das IPv6-Adressformat lautet: x:x:x:x:x:x:x:x, wobei jedes 'x' 2 Bytes (16 Bit) in hexadezimaler Darstellung entspricht. IPv6-Adressen haben eine Länge von 128 Bit.

58. Was ist IP-NAT und welche Probleme löst es?

NAT (Network Address Translation) ist ein Mechanismus, der verwendet wird, um IP-Pakete zwischen zwei Netzwerken auszutauschen, deren Adressbereiche nicht kompatibel sind. Es konvertiert Adressen in Echtzeit in den Paketen.

Wenn private IP-Adressen in einem Netzwerk verwendet werden, die mit öffentlichen IP-Adressen in einem anderen Netzwerk kommunizieren sollen, verwendet der Router eine Übersetzungstabelle, um die privaten Adressen durch eine oder mehrere öffentliche IP-Adressen zu ersetzen. Dies vermeidet Adresskonflikte zwischen verschiedenen Netzen und hilft, den knappen IPv4-Adressraum zu schonen.

59. Durchführung der IP-NAT-Adresstransformation

Die Adressübersetzungen werden in einer Tabelle gespeichert, um sich zu merken, welche interne Adresse und welcher Port zu welchem Client-Gerät gehören. Dadurch weiß der Router, wohin die zurückkommenden Pakete gesendet werden müssen.

Es ist möglich, in der Tabelle eine bestimmte Port- und Adressdefinition festzulegen, um den Zugriff auf ein bestimmtes internes Gerät (z. B. einen Webserver) zu ermöglichen. Dies wird als Reverse NAT oder DNAT (Destination NAT) bezeichnet.

64. Implementierung verschiedener Netze ohne Router

Ist es möglich, verschiedene Netze ohne Router zu implementieren?

Antwort: Ja, mithilfe von VLANs (Virtual Local Area Networks).

65. Access Control Lists (ACL) für Cisco IOS-Router

Was sind ACLs und welche Arten gibt es?

Eine ACL ist eine Liste von Anweisungen, die definiert, welche Art von Paketen ein Router zulässt oder ablehnt. Die Haupttypen sind:

• Standard-ACLs
• Erweiterte ACLs

66. Funktionsweise erweiterter ACLs

Erweiterte ACLs (typischerweise mit den Nummern 100–199) erweitern die Fähigkeiten einer Standard-ACL. Sie filtern Pakete basierend auf der Quell- und Zieladresse sowie den verwendeten Protokollen und Ports.

67. Skalierbarkeit von statischem Routing

Warum ist statisches Routing nicht skalierbar?

Antwort: Es reagiert nicht auf Änderungen der Last und der Netzwerktopologie.

Was ist ein Routing-Protokoll?

Ein Routing-Protokoll initialisiert und aktualisiert die Routing-Tabelle in Routern (Netzwerkschicht) und Switches.

Klassifizierung von Routing-Methoden

• Zentralisiertes Routing

  Einfach, aber nicht skalierbar.

• Verteiltes Routing (Distributed)

  Erfordert die Zusammenarbeit zwischen Routern, was es komplizierter macht.

• Statisches Routing

  Nicht empfindlich gegenüber Änderungen der Last und Topologie. Alle Pakete nehmen denselben Weg.

• Dynamisches Routing

  Reagiert auf Änderungen in der Topologie und Last. Pakete können unterschiedliche Wege zum selben Ziel nehmen.

Details zum Distanzvektor-Routing

Jeder Knoten hat eine eindeutige ID. Jeder Knoten kennt die Kosten, um seine Nachbarn zu erreichen. Der Distanzvektor (VDD) enthält nur einen Eintrag für sich selbst mit der Distanz 0. Jeder Knoten überträgt seinen VDD an seine Nachbarn (in regelmäßigen Abständen oder bei Änderungen). Jeder Knoten speichert den zuletzt empfangenen VDD von jedem Nachbarn und berechnet seinen eigenen VDD neu, wenn sich die Informationen der Nachbarn ändern oder ein Link ausfällt.

EGP (Exterior Gateway Protocol) Funktionen

EGP ist für das Sammeln und Verteilen von Informationen zwischen First-Level-Netzen verantwortlich. Es übersetzt interne und externe Routen. Beispielprotokoll: Border Gateway Protocol (BGP4).

IGP (Interior Gateway Protocol) Funktionen

IGP berechnet Routen zu allen Zielen innerhalb eines Autonomen Systems (AS). Es wird intern innerhalb eines AS verwendet, während EGP zwischen Autonomen Systemen verwendet wird, um Informationen auszutauschen.

Vorteile von Distanzvektor-Routing

• Es muss nur eine Routing-Tabelle verwaltet werden.
• Einfaches iteratives Verfahren zur Erstellung und Aktualisierung der Routentabelle.
• Findet den Weg der geringsten Kosten.
• Basiert auf dem verteilten Algorithmus zur Berechnung des kürzesten Weges (Bellman-Ford).

Grundlegender Link-State-Algorithmus

1. Jeder Knoten erstellt ein Link State Packet (LSP), das eine Liste seiner Nachbarn und die Kosten zur Erreichung dieser Ziele enthält.
2. Die LSPs werden über einen Diffusionsmechanismus an alle anderen Knoten im Netzwerk verteilt.
3. Jeder Knoten empfängt die LSPs und erstellt daraus eine vollständige Topologiekarte des Netzwerks.
4. Mithilfe des Dijkstra-Algorithmus werden auf dieser Topologiekarte die besten Routen berechnet.

Vorteile von Link-State-Routing

• Schnelle Konvergenz.
• Einfache Erkennung und Korrektur von Problemen.

Nachteile von Link-State-Routing

• Hoher Ressourcenverbrauch: Der Dijkstra-Algorithmus benötigt viel CPU-Leistung.
• Hoher Speicherbedarf: Jeder Knoten muss die komplette Netzwerktopologie speichern (alle LSPs).
• Komplexität: Der Algorithmus zur Verbreitung der LSPs ist komplex.