Router

Avaya ERS-8600

Die Hochgeschwindigkeitsrouter (auch Carrier-Class-Router) im Internet (oder bei großen Unternehmen) sind heute hochgradig auf das Weiterleiten von Paketen optimierte Geräte, die viele Terabit Datendurchsatz pro Sekunde in Hardware routen können. Die benötigte Rechenleistung wird zu einem beträchtlichen Teil durch spezielle Netzwerkinterfaces dezentral erbracht, ein zentraler Prozessor (falls überhaupt vorhanden) wird nicht oder nur sehr wenig belastet. Die einzelnen Ports oder Interfaces können unabhängig voneinander Daten empfangen und senden. Sie sind entweder über einen internen Hochgeschwindigkeitsbus (Backplane) oder kreuzweise miteinander verbunden (Matrix). Meist sind solche Geräte für den Dauerbetrieb ausgelegt (Verfügbarkeit von 99,999 % oder höher) und besitzen redundante Hardware (Netzteile), um Ausfälle zu vermeiden. Üblich ist es auch, alle Teilkomponenten im laufenden Betrieb austauschen oder erweitern zu können (hot plug). In den frühen Tagen der Rechnervernetzung war es dagegen üblich, handelsübliche Workstations als Router zu benutzen, bei denen das Routing per Software implementiert war.

Ein Border-Router oder Edge-Router kommt meistens bei Internetdienstanbietern (Internet Service Provider) zum Einsatz. Er muss die Netze des Teilnehmers, der ihn betreibt, mit anderen Peers (Partner-Routern) verbinden. Auf diesen Routern läuft überwiegend das Routing-Protokoll BGP.

Zur Kommunikation zwischen den Peers kommt meist das Protokoll EBGP (External Border Gateway Protocol) zum Einsatz. Dieses ermöglicht dem Router den Datentransfer in ein benachbartes autonomes System.

Um den eigenen Netzwerkverkehr zu priorisieren, setzen die Betreiber oft Type of Service Routing und Methoden zur Überwachung der Quality of Service (QoS) ein.

Bei manchen Herstellern (beispielsweise bei Hewlett-Packard) finden sich die Hochgeschwindigkeitsrouter (auch Carrier-Class-Router, Backbone-Router oder Hardware-Router) nicht unter einer eigenen Rubrik Router. Router werden dort gemeinsam mit den besser ausgestatteten Switches (Layer-3-Switch und höher, Enterprise Class) vermarktet. Das ist insoweit logisch, als Switches ab dem gehobenen Mittelklasse-Bereich praktisch immer die Routingfunktionalität beherrschen. Technisch sind das Systeme, die, ebenso wie die als Router bezeichneten Geräte, hochgradig auf das Weiterleiten von Paketen (Router: anhand der OSI-Schicht-3-Adresse wie die IP-Adresse, Switch: anhand der OSI-Schicht-2-Adresse, der MAC-Adresse) optimiert sind und viele Gigabit Datendurchsatz pro Sekunde bieten. Sie werden per Managementinterface konfiguriert und können wahlweise als Router, Switch und natürlich im Mischbetrieb arbeiten. In diesem Bereich verschwimmen auch finanziell die Grenzen zwischen beiden Geräteklassen mehr und mehr.

Anstatt spezieller Routing-Hardware können gewöhnliche PCs, Laptops, Nettops, Unix-Workstations und -Server als Router eingesetzt werden. Die Funktionalität wird vom Betriebssystem übernommen und sämtliche Rechenoperation von der CPU ausgeführt. Alle POSIX-konformen Betriebssysteme beherrschen Routing von Haus aus und selbst MS-DOS konnte mit der Software KA9Q von Phil Karn mit Routing-Funktionalität erweitert werden.

Windows bietet in allen NT-basierten Workstation- und Server-Varianten (NT 3.1 bis Windows 10 / Server 2019) ebenfalls Routing-Dienste. Die Serverversion von Apples Mac OS X enthält Router-Funktionalität.

Das freie Betriebssystem OpenBSD (eine UNIX-Variante) bietet neben den eingebauten, grundlegenden Routingfunktionen mehrere erweiterte Routingdienste, wie OpenBGPD und OpenOSPFD, die in kommerziellen Produkten zu finden sind. Der Linux-Kernel enthält umfassende Routing-Funktionalität und bietet sehr viele Konfigurationsmöglichkeiten, kommerzielle Produkte sind nichts anderes als Linux mit proprietären Eigenentwicklungen. Es gibt ganze Linux-Distributionen, die sich speziell für den Einsatz als Router eignen, beispielsweise Smoothwall, IPFire, IPCop oder Fli4l. Einen Spezialfall stellt OpenWrt dar, diese erlaubt es dem Benutzer eine Firmware zu erstellen, die auf einem embedded Gerät läuft und sich über SSH und HTTP konfigurieren lässt.

Der entscheidende Nachteil von Software-Routern auf PC-Basis ist der hohe Stromverbrauch. Gerade im SoHo-Bereich liegen die Stromkosten innerhalb eines Jahres höher als der Preis für ein eingebettetes Gerät.

Ein virtueller Router, kurz vRouter, übernimmt die Funktionalität eines Routers in einem virtuellen Format, anstatt ein dediziertes Hardwaregerät zu nutzen. Er wird insbesondere in Netzwerken mit virtuellen Maschinen genutzt und verbindet zwei oder mehr virtuelle Netzwerke oder das virtuelle mit dem physischen Netzwerk. Außerdem können mehrere zusammengeschlossene Router zur Redundanz eine virtuelle Routerinstanz abbilden, z. B. mit VRRP oder HSRP.

Ein Router, der einen PPPoE-Client zur Einwahl in das Internet via xDSL eines ISPs beinhaltet und gegenwärtig Network Address Translation (NAT) in IPv4-Netzen zur Umsetzung einer öffentlichen IPv4-Adresse auf die verschiedenen privaten IPv4-Adressen des LANs beherrscht, wird als DSL-Router bezeichnet. Häufig sind diese DSL-Router als Multifunktionsgeräte mit einem Switch, einem WLAN Access Point, nicht selten mit einer kleinen TK-Anlage, einem VoIP-Gateway oder einem DSL-Modem (xDSL jeglicher Bauart) ausgestattet.

Fast alle DSL-Router sind heute NAT-fähig, mithin in der Lage Netzadressen zu übersetzen. Weil ein Verbindungsaufbau aus dem Internet auf das Netz hinter dem NAT-Router nicht ohne weiteres möglich ist, wird diese Funktionalität von manchen Herstellern bereits als NAT-Firewall bezeichnet, obwohl nicht das Schutzniveau eines Paketfilters erreicht wird.[1] Die Sperre lässt sich durch die Konfiguration eines Port Forwarding umgehen, was für manche Virtual Private Network- oder Peer-to-Peer-Verbindungen notwendig ist. Zusätzlich verfügen die meisten DSL-Router für die Privatnutzung über einen rudimentären Paketfilter, teilweise auch stateful. Diese Paketfilter kommen bei IPv6 zum Einsatz. Wegen des Wegfalls von NAT wird Port Forwarding wieder zu einer einfachen Freigabe des Ports. Als Betriebssystem kommt auf vielen Routern dieser (Konsumer-)Klasse Linux und als Paketfilter meist iptables zum Einsatz. Einen Content-Filter enthalten solche Produkte zumeist nicht. Eine wohl sichere Alternative sind freie Paketfilter-Distributionen auf Basis wohl sichererer Betriebssysteme, zum Beispiel OPNsense.

Bei entdeckten Programmierfehlern kann ein Router-Hersteller ein neues Software-Update bereitstellen, um nachzubessern bzw. Sicherheitslücken zu schließen. Wird der Router dann nicht auf den neuesten Stand gebracht, gefährdet man die eigene Netzwerksicherheit zusätzlich. Daher ist es auch zum Schutz der persönlichen Daten unerlässlich, dass in regelmäßigen Abständen ein Software-Update durchgeführt wird.

Weitere Maßnahmen, um Router zu schützen:

• nur aktuelle WLAN-Verschlüsselungen (WPA3 oder WPA2) verwenden
• vom Hersteller vorgegebene Passwörter ändern, nur sichere Passwörter wählen
• die SSID umbenennen
• Deaktivieren von WPS und der Fernadministration
• Deaktivieren von UPnP-Funktionen, die beliebiger Software das Öffnen von Netzwerkports ermöglicht
• Absichern von Diensten, die per Portweiterleitung aus dem Internet erreicht werden können
• eine leistungsfähige (dedizierte) stateful-Firewall wie pfSense oder OPNsense (letztere mit ASLR und LibreSSL) mit einem reinen DSL-Modem[2][3]

WLAN-Router

Die Kombination aus Wireless Access Point, Switch und Router wird häufig als WLAN-Router bezeichnet. Das ist solange korrekt, wie es Ports für den Anschluss mindestens eines zweiten Netzes, meist einen WAN-Port, gibt. Das Routing findet zwischen den mindestens zwei Netzen, meist dem WLAN und WAN statt (und falls vorhanden zwischen LAN und WAN). Fehlt dieser WAN-Port, handelt es sich lediglich um Marketing-Begriffe, da reine Access Points auf OSI-Ebene 2 arbeiten und somit Bridges und keine Router sind. Häufig sind WLAN-Router keine vollwertigen Router, da sie oft die gleichen Einschränkungen wie DSL-Router (PPPoE, NAT) haben. Bei IPv6 entfällt bei diesen Geräten NAT. Falls noch zusätzlich Tunnelprotokolle wie 6to4 verwendet werden, müssen sie auch beherrscht werden.

Mit der Durchdringung von Netzwerktechnik in der industriellen Automatisierung werden verstärkt Modem-Router mit externem Zugang über Telefon- und Mobilfunkverbindungen eingesetzt. Industriegeräte sind Software-Router auf Basis von embedded Linux, die nicht auf hohen Durchsatz, sondern auf mechanische Robustheit, Befestigung im Schaltschrank und Langlebigkeit optimiert sind.

Generell leisten Software-Router überwiegend im nicht professionellen Umfeld wertvolle und umfangreiche Dienste. Allgemein gibt es für Software-Router zwei unterschiedliche Implementierungsarten, zum einen dedizierte Router, dabei wird ein PC, eine Workstation oder ein Server so gut wie ausschließlich als Router eingesetzt (häufig als DHCP-, DNS-Server oder Firewall); zum anderen nicht dedizierte Router, hier übernimmt ein Server zusätzlich zu seinen bestehenden Aufgaben noch das Routing. Beide Systeme sind für den performance-unkritischen Bereich gut geeignet und können mit professionellen Lösungen, vor allem was die Kosten angeht, konkurrieren, in der Leistungsfähigkeit sind sie meist unterlegen.

Das liegt unter anderem daran, dass solche Systeme bislang häufig noch auf einem klassischen PCI-Bus mit 32-Bit Busbreite und 33-MHz-Taktung (PCI/32/33) beruhten. Über einen solchen Bus lassen sich theoretisch 1 GBit/s (1000 MBit/s, entspricht etwa 133 MByte/s) im Halb-Duplex-Modus (HDX) leiten; da die Netzwerkpakete den PCI-Bus in diesem Fall zweimal passieren, (Karte–PCI–Arbeitsspeicher–CPU–Arbeitsspeicher–PCI–Karte) reduziert sich der maximal routbare Datenstrom eines darauf basierenden Software-Routers auf etwa 0,5 GBit/s. Ethernet wird heute fast immer geswitcht und im Voll-Duplex-Modus FDX betrieben, damit kann beispielsweise Gigabit-Ethernet, obwohl es Namen wie 1 GBit/s Ethernet, 1GbE oder 1000BASE-T anders vermuten lassen, bereits 2 GBit/s (je 1GbE in jede Richtung) übertragen. Daraus folgt, dass ein System auf PCI/32/33-Basis die netzwerkseitig theoretisch mögliche maximale Übertragungsrate von 2 GBit/s keinesfalls erreichen kann. Systeme mit einem PCI/64/66-Bus können busseitig etwa 4 GBit/s leisten, gerade ausreichend für die Spitzenlast zweier 1GbE-Schnittstellen im FDX-Modus. Noch höherwertige klassische (legacy) Server-Systeme verfügen über schnellere Schnittstellen (PCI-X 266 oder besser), sowie über mehrere unabhängige PCI-Busse. Sie können ohne Probleme höhere Durchsatzraten erzielen, aber haben typischerweise einen hohen Energieverbrauch. Weshalb besonders im dedizierten Routerbetrieb, die Kosten-Nutzen-Frage steht. Hardware-Router mit spezialisierten CPUs und anwendungsspezifisch arbeitenden Chipsätzen (anwendungsspezifische integrierte Schaltung kurz ASIC) schaffen das weitaus energieeffizienter.

Erst durch die Einführung von PCI Express (mit 2 GBit/s bei Version 1.x und 4 GBit/s pro Lane bei Version 2.x im FDX-Modus – und mehr) steht auch bei Standard-PCs eine ausreichende Peripherie-Transferleistung für mehrere 1GbE-Verbindungen (auch 10GbE) zur Verfügung, so dass sich energieeffiziente, durchsatzstarke Software-Router aus preiswerter Standardhardware bauen lassen. Da bislang alle Werte theoretischer Art sind und in der Praxis nicht nur Daten durch den Bus geleitet werden, sondern Routing-Entscheidungen getroffen werden müssen, wird ein Software-Router möglicherweise weiter an Leistung einbüßen. Vorsichtigerweise sollte in der Praxis nur von der Hälfte des theoretisch möglichen Datendurchsatzes ausgegangen werden. Bei solchen Datenraten ist mit einem Software-Router zumindest das Kosten-Leistung-Verhältnis gut und ausreichend.

Hardware-Router aus dem High-End-Bereich sind, da sie über spezielle Hochleistungsbusse oder „cross bars“ verfügen können, in der Leistung deutlich überlegen – was sich auch im Preis widerspiegelt. Zusätzlich sind diese Systeme für den ausfallsicheren Dauerbetrieb ausgelegt (Verfügbarkeit von 99,999 % und höher). Einfache PCs können da nicht mithalten, hochwertige Server und Workstations verfügen ebenfalls über redundante Komponenten und eine für viele Anwendungsfälle ausreichend hohe Ausfallsicherheit.

Manche so genannte Hardware-Router bestehen tatsächlich aus PC-Komponenten. Lediglich das Gehäuse oder die zum Teil mechanisch veränderten PCI-Steckplätze und das „kryptische“ Betriebssystem erwecken den Anschein, es handle sich um Spezialsysteme. Zwar arbeiten diese Systeme meist sehr robust und zuverlässig, dennoch wird das Routing per Software durchgeführt.

Um beispielsweise 1GbE- oder 10GbE-Netze performant routen zu können, wird nicht unbedingt ein hochpreisiger Hardware-Router benötigt. Geringe Einbußen bei der Übertragungs-Geschwindigkeit vorausgesetzt, lassen sich Routing-Cluster einsetzen. Dieser kann aus je einem Software-Router (etwa als Workstation mit zwei PCI Express 10GbE-LAN-Karten) pro Ethernet-Strang aufgebaut sein. Die Software-Router werden über einen professionellen Switch mit genügend vielen Ports und entsprechend hoher Durchsatzrate (einige Hundert GBit/s) miteinander verbunden. Im Unterschied zu Netzen mit zentralem Backbone entspricht die maximale Datendurchsatzrate des gesamten Routing-Clusters der maximalen Durchsatzrate des zentralen Switches (einige Hundert GBit/s). Optional können die Cluster redundant (per High-Availability-Unix oder HA-Linux) ausgelegt sein. Solche Cluster-Systeme benötigen zwar relativ viel Platz und erreichen nicht die Leistung und Zuverlässigkeit von Hochgeschwindigkeitsroutern, dafür sind sie höchst modular, gut skalierbar, vergleichsweise performant und dennoch kostengünstig. Sie werden eingesetzt, wo Kosten höher als Leistung bewertet werden, beispielsweise in Schulen oder Universitäten.