Übungsaufgaben zum Routing

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Erstelle neue Übungsaufgaben zum Thema „Routing“.

Bauplan: Halte Dich an Aufbau, Kompetenzstufen, Operatoren,
Anforderungsbereiche, Punkte und Zeitschätzung, die im Artikel
https://oer-informatik.de/aufgaben-aufbau beschrieben sind.

Fachliche Grundlage:
- https://oer-informatik.de/routing
- Stilbeispiel: https://oer-informatik.de/routing-uebungsaufgaben

Die Aufgaben sollen Inhalte zu diesen Schlagwörtern abdecken:
- Routing
- Routingtabelle
- Default-Route
- Longest Prefix Match
- statisches Routing
- OSPF
- RIP
- VRRP
- Layer-3-Switch
- Fehlersuche

Kompetenzstufe: Profilkompetenz (alternativ: Basiskompetenz, Kernkompetenz, Expertise)
Anzahl: 1 Aufgabe mit Teilaufgaben
Bearbeitungszeit in Minuten ca.: <5 bis 30 min>
Szenario: eines der Szenarien aus dem Bauplan

Vorgehen:
1. Lies zuerst die verlinkten Artikel. Kannst Du keine Webseiten
   abrufen, sag mir das, statt zu raten.
2. Steht bei einer Angabe noch ein Platzhalter in <…>, frag mich
   zuerst danach. Richte Punkte und Zahl der Teilaufgaben nach der
   Bearbeitungszeit (ca. 0,9 min je Punkt).
3. Gib je Aufgabe Titel mit Kompetenzstufe, Ausgangssituation und
   Teilaufgaben mit Operator und Punktzahl aus, dazu die geschätzte
   Bearbeitungszeit.
4. Gib die Beispiellösungen mit Punkteverteilung erst aus, wenn ich
   danach frage.

Die eigene Netzadresse des PCs ist 172.18.4.0 (im dritten Oktett 4 UND 254 = 4). Je Zeile 1,5 Punkte:

Die Ziel-IP-Adresse im Paket bleibt in allen Fällen die des eigentlichen Ziels; nur die Ziel-MAC im Frame zeigt bei fremden Netzen auf den Router.

Drei ARP-Anfragen genügen (2 Punkte): nach 172.18.5.200 (Drucker), nach 172.18.4.10 (DNS-Server) und einmal nach 172.18.5.254 (Gateway); die Antwort des Gateways gilt für beide Pakete an fremde Netze.

Begründung (1 Punkt): ARP-Anfragen sind Broadcasts und erreichen nur das eigene Netz. 10.99.4.20 liegt nicht im Büronetz, der PC braucht dafür nur die MAC-Adresse des nächsten Routers; die MAC-Adressen auf den weiteren Abschnitten ermitteln die Router selbst.

Je Zeile 2 Punkte.

Es fehlt die Default-Route (1 Punkt). Für interne Ziele gibt es eigene Einträge, für alle Adressen im Internet aber keinen passenden Eintrag mehr; R-LM verwirft diese Pakete („Ziel nicht erreichbar“) (1 Punkt). Fehlender Eintrag: Zielnetz 0.0.0.0, Maske 0.0.0.0, Next-Hop 192.0.2.9, Interface wan0 (1 Punkt).

Zielnetz 172.18.4.0, Maske 255.255.254.0 (bzw. /23), Next-Hop 10.255.0.1 über das Tunnel-Interface (je 1 Punkt für Zielnetz mit Maske und Next-Hop). Alternativ ist eine zusammengefasste Route 172.18.0.0/16 → 10.255.0.1 richtig, wenn auch das Servernetz 172.18.6.0/29 erreichbar sein soll.

Statisches Routing genügt (1 Punkt): Es gibt nur wenige Netze und zu jedem Ziel nur einen Weg (Tunnel bzw. Provider); ein Routingprotokoll brächte keinen Ausweichweg, aber zusätzlichen Konfigurations- und Absicherungsaufwand (1 Punkt).

Je Zeile 2 Punkte.

Die Lager-VLANs 172.20.64.0/22, 172.20.68.0/23 und 172.20.70.0/24 liegen alle im Netz 172.20.64.0/21 (172.20.64.0 bis 172.20.71.255), das Cem Sarıkaya dem Lager zugewiesen hat.

• 172.20.70.15: passt zu 172.20.0.0/16 und 0.0.0.0/0 → 172.20.0.0/16 über 172.20.224.1 (tun0) (1 Punkt)

• 172.20.97.40: passt zu 172.20.96.0/19, 172.20.0.0/16 und 0.0.0.0/0 → 172.20.96.0/19, direkt über eth1 (1 Punkt)

• 203.0.113.80: passt nur zu 0.0.0.0/0 → 192.0.2.129 (dsl0) (1 Punkt)

Auswahlregel (3 Punkte): Passen mehrere Einträge, verwendet der Router den Eintrag mit dem längsten passenden Präfix (Longest Prefix Match), also das genaueste Netz. Deshalb überdeckt die zusammengefasste Route /16 nicht das eigene, direkt verbundene /19, und die Default-Route /0 gilt nur, wenn nichts anderes passt.

SW-LAG hat nur einen Weg aus dem Lager hinaus, nämlich über R-INT; alle nicht direkt verbundenen Ziele (Zentrale, Showroom, DMZ, Internet) liegen in dieser Richtung, also reicht ein einziger Eintrag (2 Punkte). R-INT hat dagegen mehrere Wege (LAN, Tunnel, DMZ); ohne Route 172.20.64.0/21 → 172.20.224.6 würde er Antworten an das Lager über die Default-Route zu R-EXT schicken, wo sie verloren gehen (1 Punkt).

Der Layer-3-Switch SW-LAG routet selbst; das Paket muss nicht zu R-INT (1 Punkt). Für jedes VLAN hat er eine virtuelle Schnittstelle (SVI) mit der Gateway-Adresse des VLANs (z. B. 172.20.67.254 für VLAN 10); der Lager-PC schickt das Paket an dieses Gateway, der Switch erkennt das Zielnetz 172.20.70.0/24 als direkt verbunden und leitet es in VLAN 30 an den Drucker weiter (2 Punkte).

Je Fehler 3 Punkte (Fehler 1, Erläuterung der Auswirkung 1, Behebung 1):

• Falsche Maske beim RRB: Der Eintrag 10.50.0.0/255.255.255.0 deckt nur 10.50.0.0 bis 10.50.0.255 ab. Antworten an alle anderen RRB-Netze (z. B. 10.50.20.14) passen nur zur Default-Route und gehen zur Firewall ins Internet; die Anfragen kommen zwar an, die Antworten nicht zurück. Behebung: Maske 255.255.0.0 (/16).

• Falscher Next-Hop beim HGB: 10.255.0.5 ist die eigene Adresse von R-RZ an ge2, nicht die des Nachbarn. Der Eintrag ist unbrauchbar, Pakete an das HGB werden nicht zugestellt. Behebung: Next-Hop 10.255.0.6 (R-HGB).

Je Router 1,5 Punkte, Begründung 1,5 Punkte.

Begründung: R-HGB kennt das RRB bisher nicht und würde Pakete aus dem Rechenzentrum an 10.50.x.x über seine Default-Route zurück zum Rechenzentrum schicken; sie würden zwischen R-RZ und R-HGB kreisen, bis die TTL 0 erreicht.

Je Gesichtspunkt 1 Punkt, z. B.:

• Vorteil: Fällt eine Leitung aus, erkennen die Router das selbst und nutzen nach wenigen Sekunden die Reserveleitung; niemand muss nachts an drei Routern Einträge ändern wie in b).

• Vorteil: Neue Schulen werden einmal am eigenen Router eingerichtet, alle anderen lernen deren Netze automatisch; Tippfehler wie in a) können in den übrigen Tabellen nicht mehr entstehen.

• Nachteil: Das Protokoll muss eingerichtet, verstanden und abgesichert werden (z. B. Authentifizierung der Nachbarn, damit kein fremdes Gerät Routen einspeist); Fehler sind schwerer zu durchschauen als bei einer festen Tabelle.

Fazit: Bei mehreren Schulen mit Reserveleitungen überwiegen die Vorteile.

Mit einer „Floating Static Route“: Der Ausweichweg wird zusätzlich als statische Route mit höherer administrativer Distanz eingetragen; sie wird nur aktiv, wenn die Hauptroute wegfällt, weil deren Schnittstelle ausfällt (1 Punkt). Nachteil: Fällt die Leitung nicht an der eigenen Schnittstelle, sondern dahinter aus (z. B. beim Provider oder an einem Medienkonverter), merkt der Router das nicht; außerdem müssen alle Ausweichrouten auf allen Routern gepflegt werden (1 Punkt).

Kennt ein Router mehrere Wege zu einem Zielnetz, berechnet das Routingprotokoll für jeden Weg eine Metrik, eine Kennzahl für dessen „Kosten“ (1 Punkt). Der Router trägt den Weg mit der kleinsten Metrik in die Routingtabelle ein (1 Punkt). Was in die Metrik eingeht, legt das Protokoll fest, z. B. die Zahl der Router (Hop-Count bei RIP) oder die Bandbreite (Kosten bei OSPF) (1 Punkt).

Geg.: Wege RRB → RZ: über HGB (1 Gbit/s + 10 Gbit/s) oder über MZ (10 Gbit/s + 10 Gbit/s); Referenzbandbreite 100 Gbit/s

Ges.: gewählter Weg bei RIP und OSPF

RIP (2 Punkte): Beide Wege haben 2 Hops, die Metrik ist gleich. RIP kann die Wege nicht unterscheiden; je nach Gerät nutzt es den zuerst gelernten oder verteilt den Verkehr auf beide, sodass Daten auch über die 1-Gbit/s-Leitung laufen.

OSPF (3 Punkte):

K = \frac{B_{\text{Ref}}}{B} \qquad K_{1\,\text{G}} = \frac{100\ \text{Gbit/s}}{1\ \text{Gbit/s}} = 100 \qquad K_{10\,\text{G}} = \frac{100\ \text{Gbit/s}}{10\ \text{Gbit/s}} = 10

K_{\text{über HGB}} = 100 + 10 = \underline{\underline{110}} \qquad K_{\text{über MZ}} = 10 + 10 = \underline{\underline{20}}

OSPF wählt eindeutig den Weg über das Medienzentrum.

Urteil (1 Punkt): Nur mit OSPF wird der Wunsch erfüllt; mit RIP landet zumindest ein Teil der Videodaten auf der langsamen Leitung.

Rechnung (2 Punkte):

\frac{100\ \text{Mbit/s}}{1\ \text{Gbit/s}} = 0{,}1 \rightarrow 1 \qquad \frac{100\ \text{Mbit/s}}{10\ \text{Gbit/s}} = 0{,}01 \rightarrow 1

K_{\text{über HGB}} = 1 + 1 = 2 \qquad K_{\text{über MZ}} = 1 + 1 = 2

Erklärung (2 Punkte): Mit der Werkseinstellung haben alle Leitungen ab 100 Mbit/s dieselben Kosten; OSPF sieht zwei gleich gute Wege und verteilt den Verkehr auf beide (Equal-Cost Multipath). Deshalb läuft etwa die Hälfte über die langsame Leitung.

Abhilfe (1 Punkt): Die Referenzbandbreite auf allen Routern einheitlich auf mindestens 100 Gbit/s anheben (oder die Kosten der Schnittstellen von Hand setzen); dann ergeben sich die Kosten aus b).

Je Unterschied 2 Punkte, z. B.:

• Wissen: Distance-Vector-Router kennen nur Entfernung und Richtung zu jedem Netz (von den Nachbarn übernommen), Link-State-Router die vollständige Topologie und berechnen den kürzesten Weg selbst (Dijkstra).

• Austausch: RIP sendet regelmäßig die ganze Tabelle an die Nachbarn; OSPF sendet kurze Zustandsmeldungen bei Änderungen.

• Konvergenz: Link-State reagiert schnell auf Änderungen; Distance-Vector braucht länger und kann Routing-Schleifen bilden (Count to Infinity).

• Grenzen und Ressourcen: RIP ist auf 15 Hops begrenzt und braucht wenig Rechenleistung; OSPF skaliert auf große Netze, braucht aber mehr Speicher und CPU.

Beide Einträge haben dasselbe Präfix /16. Dann entscheidet die administrative Distanz, also die Vertrauenswürdigkeit der Quelle: Statische Routen haben üblicherweise 1, OSPF 110; der kleinere Wert gewinnt, die statische Route verdrängt die OSPF-Route (2 Punkte). Abhilfe: die alte statische Route löschen (oder ihr eine höhere administrative Distanz als OSPF geben, wenn sie als Ausweichweg bleiben soll) (1 Punkt).

• Vor der Störung: SW-LAG1 hat 150, SW-LAG2 100; SW-LAG1 ist Master und beantwortet ARP-Anfragen nach 172.20.67.254 (1 Punkt).

• Während der Störung senkt das Tracking die Priorität von SW-LAG1 auf 150 − 40 = 110 (1 Punkt). Das ist immer noch mehr als 100; SW-LAG1 bleibt Master und sendet weiter Advertisements, also sieht SW-LAG2 keinen Grund zur Übernahme (1 Punkt).

• Die Scanner schicken ihre Pakete daher weiter an SW-LAG1, der ohne Uplink keinen Weg zur Zentrale hat; die Pakete gehen verloren. Die Absenkung ist schlicht zu klein gewählt (1 Punkt).

• Die Absenkung muss größer als 150 − 100 = 50 sein, z. B. 60 (1 Punkt). Dann gilt bei Uplink-Ausfall 150 − 60 = 90 < 100 (1 Punkt).

• Weil auf SW-LAG2 Preemption eingeschaltet ist, übernimmt er mit der nun höheren Priorität die Master-Rolle und damit die virtuelle Adresse; die Scanner erreichen die Warenwirtschaft über den Uplink von SW-LAG2 (1 Punkt).

• Steckt das Kabel wieder, steigt die Priorität von SW-LAG1 auf 150. Mit Preemption holt er sich die Master-Rolle zurück, SW-LAG2 wird wieder Backup (1 Punkt).

Ebenfalls richtig: Priorität von SW-LAG1 z. B. auf 120 senken und die Absenkung bei 40 lassen (120 − 40 = 80 < 100).

• Vorteil (2 Punkte): Auf den Lager-PCs, den Handscannern und im DHCP-Bereich muss nichts geändert werden; alle Geräte behalten ihr bisheriges Standardgateway. Der Umbau lässt sich ohne Ausfall und ohne Umkonfigurieren hunderter Geräte durchführen. Die echten Adressen .252 und .253 braucht nur die Verwaltung der Switches.

• MAC-Adresse (1 Punkt): VRID 10 ist hexadezimal 0a, also 00:00:5e:00:01:0a. Diese Antwort kommt immer vom aktuellen Master; nach einer Umschaltung bleibt sie gleich.

Geg.: Advertisement-Intervall 0,5 s; Priorität SW-LAG2 100

Ges.: Master-Down-Intervall

t_{\text{Skew}} = \frac{(256 - 100) \cdot 0{,}5\ \text{s}}{256} \approx 0{,}305\ \text{s} \quad \text{(1 Punkt)}

t_{\text{MD}} = 3 \cdot 0{,}5\ \text{s} + 0{,}305\ \text{s} \approx \underline{\underline{1{,}805\ \text{s}}} \quad \text{(1 Punkt)}

Nach knapp zwei Sekunden übernimmt SW-LAG2; laufende Verbindungen der Scanner überstehen das in der Regel.

Vergleich (2 Punkte): Ein Ersatzgerät im Regal ist günstiger im Betrieb und einfacher zu konfigurieren, aber bei einem Defekt muss erst jemand den Ausfall bemerken, das Gerät tauschen und die Konfiguration einspielen; der Versand steht Minuten bis Stunden still. Mit VRRP laufen beide Switches ständig, die Umschaltung geschieht automatisch in rund zwei Sekunden, und ein Switch lässt sich sogar im laufenden Betrieb warten. Für den Versand, der auf die Scanner angewiesen ist, ist VRRP deshalb die bessere Wahl.

Weiteres Protokoll (1 Punkt): HSRP (Hot Standby Router Protocol, Cisco); auch GLBP (Cisco, mit Lastverteilung) oder CARP (z. B. unter OpenBSD und pfSense) sind richtig.