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NW8 – Zusammenfassung

IT2221 Netwerktechnik | Dozentin: Gabriele Schrenk | 10.04.2026

Themen: Segment Routing (Fortsetzung), Flex Algo, Ausfallsichere Netze, Verfügbarkeit in Netzen

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1. Segment Routing

1.1 Was ist Segment Routing?

Source Routing:

• Der Ingress-Knoten (Eingangsrouter) wählt den gesamten Pfad durch das Netz
• Der Weg wird nicht „Hop by Hop" von jedem Router neu berechnet, sondern vom ersten Router festgelegt
• Der Pfad wird als geordnete Liste von Segmenten dargestellt

Segment:

• Eine Anweisung für den Router, z.B. „Sende zum Knoten X über den kürzesten Pfad"
• IGP-Segment: Prefix-/Node-SID (global), Adjacency-SID (lokal)

Data Plane Agnostic:

• Nutzt vorhandene Data Planes (MPLS oder IPv6) und Routing-Protokolle (IS-IS, OSPF)

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1.2 Segment Routing Vorteile

Bereich	Vorteil
Control Plane Vereinfachung	Weniger Protokolle, weniger Abhängigkeiten, automatischer Traffic-Schutz ohne Flow-Signalisierung
Traffic Engineering	Keine zustandsbehafteten Einträge pro Flow im Kernnetz; Pfade werden automatisch berechnet oder durch Controller vorgegeben
Software-Defined Networking	Weiterentwicklung bestehender Technik; hybrider Ansatz (zentralisiert + verteilt); Netzprogrammierbarkeit über Southbound-Schnittstellen (z.B. PCEP)

PCEP = Path Computation Element Communication Protocol – standardisiertes IETF-Protokoll, genutzt vom SDN-Controller (PCE) zur Pfadberechnung.

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1.3 Standardisierung

• IETF Working Group: SPRING (Source Packet Routing in Networking)
  • Architektur: RFC 8402, RFC 9256
• SR-MPLS: RFC 8660
• SRv6: RFC 9886
• Protokollerweiterungen in weiteren Working Groups: SPRING, PCE, IDR, 6MAN

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1.4 Building Blocks: IGP Segments – SR-MPLS

Prefix/Node Segment (global)

• Global gültig in der gesamten SR-Domäne – jeder Router versteht die SID gleich
• Routing zum Prefix/Knoten über den kürzesten IGP-Pfad (SPF)
• Wird als relativer Wert (Index) angekündigt → Offset vom SRGB-Basiswert
• SID-Bereich: SRGB ab 16.000 (Segment Routing Global Block)
• Beispiel: SRGB [16.000–23.900] + Index 41 = Label 16.041

Adjacency Segment (lokal)

• Nur lokal auf dem vergebenden Knoten gültig
• Leitet das Paket explizit über eine bestimmte Nachbarverbindung weiter (Source Routing)
• Wird als absoluter Wert angekündigt (direkt die Label-/SID-Nummer, kein Index)
• Beispiel: Adj-SID = 9107

Zusammenfassung SID-Berechnung:

• Prefix-SID: SRGB-Basis + Index (z.B. 16.000 + 41 = 16.041)
• Adj-SID: absoluter Wert direkt = Label-Nummer (z.B. 9107)

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1.5 Building Blocks: IGP Segments – SRv6

• Kein SRGB mehr – stattdessen 128-Bit-IPv6-Adressen als SIDs
• IPv6-Adressen sind global eindeutig und im gesamten Netz routbar → kein reservierter Label-Block nötig
• SID-Typen in SRv6:
  • Adjacency-SID: End.X-SID
  • Node-SID: End-SID
  • Prefix-SID: End.DT4 / End.DT6

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1.6 SR-MPLS Data Plane

• SR-MPLS nutzt die MPLS-Weiterleitungsebene (gemäß RFC 8660), Standard-MPLS-Header
• Segmente werden als MPLS-Labels kodiert
  • Jede SID ist ein MPLS-Label aus dem SRGB
  • Die Segmentliste = MPLS-Label-Stack
• Forwarding:
  • Headend-Router schreibt den vollständigen SR-Label-Stack aufs Paket
  • Ausgangsrouter entfernt das letzte SR-Label
• Koexistenz mit klassischem MPLS: SR- und LDP-Tunnel können koexistieren

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1.7 SRv6: Segment Routing über IPv6

• SRv6 = Segment Routing over IPv6 (RFC 8986)
• Nutzt Standard-IPv6-Forwarding-Plane mit optionalem Segment Routing Header (SRH)
• Jede SID wird als IPv6-Adresse kodiert (nicht als MPLS-Label)
• SID-Struktur: Locator :: Funktion :: Argumente
  • Locator: identifiziert den Knoten/Standort
  • Funktion: definiert das auszuführende Verhalten
• „Network Programming": Jede SID repräsentiert ein Verhalten, nicht nur den nächsten Hop

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1.8 Klassisches MPLS vs. Segment Routing

Aspekt	Classic MPLS	Segment Routing
Pfadaufbau	LSPs über LDP/RSVP-TE	Segmentliste am Ingress-Router
Control Plane	IGP + LDP + RSVP-TE	IGP/BGP (kein separates LDP nötig)
State im Core	Pro Flow (viel State)	Nur am Ingress (generische SIDs)
Traffic Engineering	Separate TE-LSPs via RSVP-TE	Integriert über Segmentlisten

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1.9 Segmenttypen und SID-Verteilung

SID-Typ	Beschreibung
Node/Prefix-SID	Shortest-Path-Route zu einem Knoten oder Prefix
Adjacency-SID	Spezifischer ausgehender Link zwischen Knoten
Binding-SID	Repräsentiert einen kompletten vorberechneten Pfad oder eine Policy mit einer einzigen SID

SID-Verteilung:

• IGPs (IS-IS, OSPF) und BGP weisen SIDs zu (über standardisierte Erweiterungen)
• SR-MPLS: SIDs sind MPLS-Labels im SRGB
• SRv6: SIDs sind IPv6-Adressen

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1.10 Building Blocks: Node-SID, Adjacency-SID, Explicit Path

Node-SID:

• Weiterleitung entlang des kürzesten IGP-Pfades
• Nutzung des ECMP-Lastausgleichs
• Swap-Operation im Core; vorletzte Hop: Pop-Operation (PHP)

Adjacency-SID:

• Weiterleitung entlang der IGP-Nachbarschaft
• Pop-Operation; vorletzte Hop entfernt immer die letzte Adjacency-ID

Explicit Path:

• Weiterleitung basierend auf dem Label-Stack
• Per-Flow-Status nur am Eingangs-SR-Knoten
• Kombination aus Node-SIDs und Adj-SIDs im Stack

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1.11 SRGB (Segment Routing Global Block)

• Node-SID wird als relativer Index-Wert angegeben
• Index = Offset vom SRGB-Basiswert → global eindeutig
• SRGB-Wert kann zwischen Knoten variieren
• Beispiel: Knoten A: SRGB [30.000–30.900], Knoten B: SRGB [16.000–23.900]
  • Node-SID-Index 41 → bei A: Label 30.041, bei B: Label 16.041

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1.12 Vergleich SR-MPLS vs. SRv6

Beschreibung	SR-MPLS	SRv6
Identifier	20-Bit MPLS Label	128-Bit IPv6-Adresse (SID)
Kompletter Pfad	MPLS Label Stack	IPv6 Header + Segment Routing Header
Mapping	Label zeigt auf IP-Adresse	Adresse enthält die Anweisungen selbst
Protokoll/Hardware	MPLS mit Labelzuweisung	Plain IPv6
Use Case	Upgrade bestehender Netze	Neue Netze komplett auf IPv6

SRv6 IPv6-Adressstruktur:

• Locator: routbarer Teil der Adresse
• Function: z.B. Paket an Interface A senden oder in VRF A weiterleiten
• Arguments: Zusatzinfos wie Flow-Parameter, Multicast-Infos

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2. Flex Algo (Flexible Algorithm)

2.1 Einführung

• Schlüsseltechnologie für moderne WAN und Rechenzentren
• Erlaubt dem Routing-Protokoll (OSPF/IS-IS) automatisch mehrere „logische Topologien" auf derselben physischen Infrastruktur zu berechnen (Network Slicing)
• Kein zentraler Controller für Pfadberechnung nötig (im Gegensatz zu RSVP-TE)

Warum Flex Algo?

• Automatisches Traffic Engineering: Pfadberechnung basierend auf Latenz statt nur Bandbreite (wichtig für Cloud-Gaming, autonomes Fahren)
• Network Slicing für 5G & AI: Dedizierte virtuelle Netzwerke (Low-Latency-Slice, High-Throughput-Slice)
• Intelligenz liegt direkt in den Routern

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2.2 Flex Algo – Funktion & Ablauf

• Flexible Algorithm Definition (FAD):
  • Betreiber definiert einen oder mehrere Flex-Algorithmen (IDs 128–255)
  • Parameter: Metriktyp (IGP, TE, Latenz), ein-/ausgeschlossene Linkfarben (Colors)
• Ausgewählte Knoten veröffentlichen FADs im IGP → führen separate SPF-Berechnungen pro Flex-Algo durch
• Jeder Knoten berechnet Pfad mit Berücksichtigung der Einschränkung
• Knoten veröffentlichen Präfix-SIDs/SRv6-Locators pro Flex-Algorithmus
  • Ein Knoten kann mehrere SIDs haben (z.B. Standard + Low Latency)
• IGP stellt automatisch TE-optimierte Pfade für jeden Flex-Algo bereit → Weiterleitung durch Segment Routing

Verbindung zu SR: Flex Algo integriert sich in SR-MPLS und SRv6 durch Algorithm-Specific SIDs/Locators.

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2.3 Flex Algo – Typische Use Cases

• Algo 0: Default best-effort (Standard IGP Metrik)
• Algo X: Low-Latency oder Low-Delay Slice
• Algo Y: Pfad zur Vermeidung spezifischer Links oder Knoten
• Einfaches Traffic Engineering ohne vollständigen SR-TE-Controller
• Verwendung von Flex-Algo-spezifischen SIDs in SR-Richtlinien und TI-LFA-Backup-Pfaden

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3. Ausfallsichere Netze

3.1 UPA – Unreachable Prefix Announcement

• Was ist UPA? Eine IGP-Funktion, die den Verlust der Erreichbarkeit eines Präfixes explizit ankündigt
• Ziel: Remote-Router sollen den Traffic schnell von einem ausgefallenen Ausgangspunkt umleiten – auch wenn eine Präfix-/Locator-Zusammenfassung verwendet wird

Funktionsweise auf IGP-Ebene:

• Wenn ein ABR/ASBR feststellt, dass ein Präfix nicht mehr erreichbar ist → erzeugt eine UPA für dieses Präfix
• UPA wird wie eine normale IGP-Ankündigung über alle Bereiche verteilt
• Zwischenrouter leiten UPA weiter; nur ABRs und Ingress-PEs müssen reagieren

Warum UPA notwendig ist:

• Ingress-PEs empfangen UPA → markieren das Ausgangspräfix als nicht erreichbar
• Löst schnelles BGP FRR (Fast ReRoute) für Routen aus, die diesen Ausgangspunkt nutzen
• Verhindert langes Blackholing bei SR-Ausgang hinter Route Summarization

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3.2 Baseline Fast Convergence: BFD und BGP PIC

BFD (Bidirectional Forwarding Detection):

• Schnelle Fehlererkennung, oft unter 50 ms, unabhängig von IGP/BGP-Hello-Timern
• BFD-Sitzungen sind an IGP-Nachbarschaften, BGP-Sitzungen und SR-Tunnel gebunden

BGP PIC (Prefix Independent Convergence):

• Berechnet Backup-Next-Hops im RIB/FIB vor
• Bei Next-Hop- oder Egress-Fehler: nur kleine Zeigeränderung (Pointer auf die Route) → nicht alle Präfixe neu verarbeiten
• Core-/Edge-PE-Fehler oder Next-Hop-Verlust → schnelle Umschaltung auf Backup-Pfad
• Unerlässlich für Hochverfügbarkeit von L3VPN-, EVPN- und Internetdiensten über SR-Pfade

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3.3 IGP Fast Reroute: LFA und Remote-LFA

Ziel von IGP Fast Reroute (FRR):

• Lokaler Schutz: Umleitung bei Ausfall innerhalb von Millisekunden, vor vollständiger IGP-Konvergenz
• Schutz wird pro primärem Next-Hop vorab berechnet

Loop-Free Alternates (LFA):

• LFA wählt einen Nachbarn als Backup-Next-Hop, sofern die Schleifenfreiheitsbedingung erfüllt ist
• Remote-LFA erweitert LFA: Datenverkehr über Backuptunnel zu einem PQ-Knoten
  • P-Space = Source Side
  • Q-Space = Destination Side

Interaktion mit Segment Routing:

• SR-SIDs/Labels können als Backup-Tunnel verwendet werden
• TI-LFA (Topology-Independent LFA) verallgemeinert dies für SR

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3.4 TI-LFA: Topology-Independent LFA

• Fast-Reroute-Mechanismus für IS-IS/OSPF
• Berechnet SR-Backuppfade (Segmentlisten) vorab
• Lokale Reparatur in SR-MPLS- und SRv6-Netzwerken unter 50 ms

Funktionsweise:

• Für jeden primären Next-Hop: Router berechnet Shortest Path Tree, der die geschützte Ressource (Link/Knoten) ausschließt
• Backuppfad wird als SR-Segmentliste (MPLS-Labels oder SRv6-SIDs) kodiert und vorab in die FIB eingetragen
• Im Fehlerfall: Router greift auf vorinstallierte SR-Backupliste zurück

Vorteile gegenüber klassischem LFA/Remote-LFA:

• Einheitlicher Mechanismus
• Integration mit Traffic Engineering (TE) & Flex Algo

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3.5 Koexistenz von MPLS und Segment Routing

• Viele SP- und DC-Backbones nutzen LDP/RSVP-TE über MPLS mit VPN/EVPN-Diensten → stabil, aber betrieblich komplex
• Betreiber wünschen SR-MPLS/SRv6 für einfacheres TE, Automatisierung, bessere Hochverfügbarkeit
• Koexistenz ist der erste Schritt:
  • MPLS-Architektur ermöglicht gleichzeitigen Betrieb mehrerer Label-Control-Planes
  • Interworking-Mechanismen für Datenverkehr zwischen SR- und Legacy-MPLS-Tunneln

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3.6 MPLS LFIB mit Segment Routing

• LFIB (Label Forwarding Information Base) wird über IGP (IS-IS/OSPF) zugewiesen
• Forwarding-Tabelle bleibt konstant (Nodes + Adjacencies), unabhängig von der Pfadanzahl
• Alle MPLS-Dienste (IPv4, IPv6, VPWS, VPLS, IPv4 VPN, IPv6 VPN) können ohne Änderungen an Control/Forwarding-Plane genutzt werden

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3.7 SRv6–MPLS Service Interworking Gateway

• Ein Gateway-Router, der sowohl BGP-SRv6-basierte als auch BGP-MPLS-basierte L2/L3-Dienste für dieselbe Serviceinstanz unterstützt
• Grenze zwischen SRv6-Domäne und MPLS/SR-MPLS-Domäne
• Genutzt für L3VPN, EVPN-L3, EVPN VPWS während der Migration
• Das Gateway baut BGP-Sitzungen zu beiden Seiten auf und installiert/kündigt Präfixe mit dem jeweils anderen Kapselungstyp an

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4. Verfügbarkeit in Netzen – Berechnung

4.1 Steigerung der Verfügbarkeit

Ausfallsicherheit der Komponenten erhöhen:

• Redundante Komponenten und Spannungsversorgung
• USV (Unterbrechungsfreie Stromversorgung)
• Regelmäßige Wartung, Hot-Plugging, kontrollierte Umgebungsbedingungen

Ausfallzeit reduzieren:

• Ersatzteile bevorraten, Überwachung, Wartungsverträge

Netztopologie:

• Logische Funktionsblöcke (Cluster), redundante Netzwerkpfade, Layer 2 oder Layer 3 Anbindung

First Hop Redundancy:

• Redundanz im Access Layer, Kombination mit redundanten Netzwerkpfaden

Routing-Protokolle:

• Protokollauswahl mit Berücksichtigung der Wiederherstellungszeiten

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4.2 Hochverfügbarkeit – Tabelle der „Nines"

Anzahl 9s	Verfügbarkeit (%)	Ausfallzeit/Jahr	Ausfallzeit/Monat
1	90%	36,5 Tage	72 Stunden
2	99%	3,65 Tage	7,2 Stunden
3	99,9%	8,76 Stunden	43,8 Minuten
4	99,99%	52,56 Minuten	4,38 Minuten
5	99,999%	5,26 Minuten	26,3 Sekunden
6	99,9999%	31,5 Sekunden	2,59 Sekunden

Formel: Maximale Ausfallzeit pro Jahr = (1 – Verfügbarkeit) × Gesamtzeit

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4.3 Berechnung der Hochverfügbarkeit

Gesamtzeit:

• 365 Tage = 8.760 Std. = 525.600 Min. = 31.536.000 Sek.

Beispiel: 99,9% Verfügbarkeit

• Ausfallzeit/Jahr: (1 – 0,999) × 8.760 Std. = 8,76 Stunden
• Ausfallzeit/Monat: (1 – 0,999) × 730 Std. = 0,73 Std. = 43,8 Minuten

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4.4 Wartungsfenster

• Geplante Zeiträume, in denen Systeme offline sind (Wartung, Upgrades)
• Perioden sind geplant und im Voraus angekündigt
• Unternehmen rechnen Verfügbarkeit inkl. Wartung
• SLA-Beispiel:
  • Wartung: 2 Std./Monat = 24 Std./Jahr
  • Ungeplante Ausfallzeit: 10 Std./Jahr
  • Gesamte Ausfallzeit: 34 Stunden/Jahr
  • Verfügbarkeit: (1 – (34/8760)) × 100 = 99,61%

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4.5 MTBF und MTTR

Begriff	Bedeutung
MTBF (Mean Time Between Failures)	Durchschnittliche Zeit zwischen zwei aufeinanderfolgenden Ausfällen; Maß für Zuverlässigkeit
MTTR (Mean Time to Repair)	Durchschnittliche Zeit zur Reparatur und Wiederinbetriebnahme nach einem Ausfall
Ausfallzeit	Zeit, in der ein System nicht betriebsbereit ist (setzt sich aus MTBF und MTTR zusammen)
Gesamte Ausfallzeit	Anzahl der Ausfälle × MTTR

Verfügbarkeitsformel:

V (%) = (1 – (Gesamte Ausfallzeit / Gesamtzeit)) × 100

Beispielrechnung:

• MTBF: 200 Std., MTTR: 2 Std., Ausfälle/Jahr: 10
• Gesamte Ausfallzeit: 10 × 2 = 20 Stunden
• V (%) = (1 – (20 / 8760)) × 100 = ≈ 99,77%

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4.6 Aufgabe: Berechnung Verfügbarkeit

Vorgabe: Netz darf maximal 8 Std./Jahr ausfallen

• 8 Std. = 28.800 Sek.
• 28.800 / 31.536.000 = 0,00091 → maximale Ausfallzeit = 0,09%
• Erforderliche Verfügbarkeit: ≥ 99,91%

Bestandteile der Gesamtausfallzeit (Total Service Downtime):

• Failure Detection Time
• Notification Time
• Diagnosis Time
• Dispatch Time
• Arrival Time
• Repair Time
• Up Time

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4.7 Realisierung von Verfügbarkeit durch Redundanz

Durch mehr Redundanz im Netz steigt die Verfügbarkeit stark:

• Einfache Topologie (1 Core-Router): 99,938% → 325 Min/Jahr Ausfallzeit (bei MTTR 4 Std.)
• Doppelte Core-Router: 99,961% → 204 Min/Jahr
• Vollredundante Topologie (2 Core + 2 Distribution): 99,9999% → 30 Sek/Jahr

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4.8 Redundante Netzwerkpfade

• Analyse der Netztopologie: Welche Redundanzen, auf welcher OSI-Schicht?
• Vermeidung von Single Points of Failure
• Einsatz auf Layer 2 (Switches) und Layer 3 (Router)

Logische Funktionsblöcke (3-Layer-Modell):

• Access Layer: Endgeräte-Anbindung
• Distribution Layer: Aggregation, Richtlinien
• Core Layer: Hochgeschwindigkeits-Backbone

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4.9 Ausfallsicherheit: Link Aggregation

• Standard: IEEE 802.3ad → 802.1AX-2008
• Sub-Layer in OSI-Schicht 2
• Statisch oder dynamisch (mittels LACP) konfiguriert

Funktionen:

• Aggregation (Bündelung) mehrerer Ports zu einer logischen Verbindung
  • Erhöhung der Bandbreite
  • Redundanz durch mehrere Ports
  • Loadbalancing zwischen physikalischen Ports
• Für gestackte Switches auch über Ports auf mehreren Switches

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4.10 LACP – Link Aggregation Control Protocol

• Bildung einer LACP-Gruppe durch Linkzuordnung
• Maximale Anzahl LAG-Ports im Portchannel: 1–8
• LACPDUs (Link Aggregation Control Protocol Data Units):
  • Versendet an Multicast-Gruppe 01:80:C2:00:00:02
  • Für Statusinformationen (Link aktiv?, Prioritäten)
• LACP-Pakete werden jede Sekunde gesendet (Keepalive; default: 30s, schnell: 1s)

Loadbalancing-Methoden:

• Quell- und Ziel-IP-Hash: Hash basierend auf Quell-/Ziel-IP-Adresse
• Layer 4 (TCP/UDP)-Hash: Hash basierend auf Quell-/Ziel-IP + Quell-/Ziel-Port

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4.11 VRRP – Virtual Router Redundancy Protocol

• Standard: IETF RFC 2338
• Gruppe von Routern fungiert als ein virtueller Router (gemeinsame virtuelle IP + MAC)
• Master-Router: führt Paketweiterleitung durch
• Backup-Router: übernehmen bei Ausfall des Masters

Funktionsprinzip:

• Virtuelle IP-Adresse (VIP) wird von VRRP genutzt → Switch leitet Verkehr an Master
• Virtuelle MAC-Adresse ist dem Master zugeordnet
• Fällt der Master aus: VIP wird auf Backup übertragen
• Switch erfährt Ausfall indirekt: erhält ARP-Nachricht des neuen Masters → aktualisiert MAC-Adresstabelle

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5. Prüfungsinfo

• Klausur: Mo., 4. Mai 2026 | 14:00–16:00 Uhr
• Räume: 6B.369 und 6B.371
  • Raum 6B.369: länger reserviert für Nachteilsausgleich
  • Betreuer: Schrenk und Albaradie