ARP/ND-Storm: Erkennung, Auswirkungen und Telemetrie-basierte Behebung

Ein ARP/ND-Storm gehört zu den unangenehmsten Layer-2/Layer-3-Grenzfällen im Betrieb, weil er sich selten als „klarer Ausfall“ zeigt, sondern häufig als breite Degradation: Latenzspitzen, sporadischer Paketverlust, stockende Anwendungen, instabile Sessions und scheinbar zufällige Timeouts. Der gemeinsame Nenner ist, dass Adressauflösung im Netz plötzlich dominant wird. Bei IPv4 ist das ARP (Address Resolution Protocol), bei IPv6 übernimmt Neighbor Discovery (ND) diese Rolle. Beide Mechanismen sind grundsätzlich normal und notwendig, um IP-Adressen zu Layer-2-Adressen (MAC) aufzulösen. Problematisch wird es, wenn die Rate an ARP-Requests oder ND-Nachrichten so hoch ist, dass Switches, Router, Hypervisor-vSwitches oder Endsysteme überlastet werden – oder wenn Flooding in großen Broadcast-Domains die Last vervielfacht. Genau deshalb ist die Erkennung und Behebung eines ARP/ND-Storms in modernen Enterprise- und Data-Center-Umgebungen stark telemetriegetrieben: Wer nur „gefühlt“ debuggt, verliert Zeit. Wer die richtigen Metriken, Logs und Korrelationen parat hat, kann die Ursache eingrenzen, den Blast Radius reduzieren und nachhaltige Mitigation etablieren. Dieser Artikel zeigt, wie Sie ARP/ND-Storms zuverlässig erkennen, welche Auswirkungen sie in der Praxis haben und wie Sie mit Telemetrie-basierten Methoden zielgerichtet beheben – ohne blind Ports abzuschalten.

Grundlagen: ARP vs. ND und warum Storms entstehen

ARP löst in IPv4 eine IP-Adresse in eine MAC-Adresse auf. Der klassische Ablauf ist: Ein Host sendet einen ARP Request als Broadcast („Wer hat IP X?“), der Besitzer antwortet per ARP Reply (Unicast). In IPv6 wird Neighbor Discovery über ICMPv6 umgesetzt und nutzt Multicast statt Broadcast, insbesondere Neighbor Solicitation/Advertisement. ND ist funktional breiter (z. B. Router Discovery, Prefix Discovery), kann aber bei Fehlkonfigurationen oder hoher Dynamik ebenfalls extrem viel Control-Traffic erzeugen.

• ARP-Storm: übermäßig viele ARP Requests/Gratuitous ARPs, meist in einer Broadcast-Domain.
• ND-Storm: übermäßig viele Neighbor Solicitations/Advertisements oder Router Advertisements, häufig als Multicast-Last sichtbar.
• Gemeinsames Muster: viele Adressauflösungen pro Zeit, repliziert über viele Ports (BUM-Traffic) und dadurch verstärkt.

Für IPv6 Neighbor Discovery sind die Mechanismen in RFC 4861 (Neighbor Discovery for IPv6) beschrieben. Für ARP als historische Grundlage kann RFC 826 (ARP) als Referenz dienen.

Typische Ursachen: Warum ARP/ND plötzlich eskaliert

Ein ARP/ND-Storm ist selten „einfach viel Traffic“. In der Regel steckt ein konkreter Treiber dahinter, der sich in Telemetrie wiederfindet. Häufige Ursachen sind:

• Zu große Broadcast-Domains: Je größer das VLAN, desto teurer wird jeder ARP Request (Broadcast-Flooding).
• Host-Churn und Ephemeral Workloads: Autoscaling, Container, kurzlebige IPs und MACs erhöhen die Auflösungsrate.
• ARP-Cache-Instabilität: aggressive Cache-Timer, häufige Flaps, oder Middleboxes, die ARP-Tabellen „vergessen“.
• Loops und Flooding: Layer-2-Loops oder Unknown-Unicast-Flooding können ARP/ND wie in einem Verstärker wirken lassen.
• Fehlkonfigurierte Load Balancer/VRRP/HSRP/Anycast: viele Gratuitous ARPs oder unerwartete MAC-Moves.
• IPv6-RA-Probleme: falsch platzierte Router Advertisements oder RA-Flooding in falschen Segmenten.
• Security Events: ARP-Spoofing/Scanning, ND-Spoofing oder fehlerhafte Endgeräte, die „stürmisch“ senden.

Symptome: Wie sich ein ARP/ND-Storm im Betrieb anfühlt

Die Symptome sind oft breit und unspezifisch, weil Adressauflösung die Grundlage fast jeder Verbindung ist. Typisch ist ein Netz, das „irgendwie langsam“ wird, ohne dass Links down sind.

• Erhöhte Latenz und Jitter: insbesondere bei neuen Verbindungen oder nach Cache-Timeouts.
• Sporadischer Paketverlust: durch Queue-Drops, Control-Plane-Überlast oder CPU-Spikes.
• DNS/HTTP/DB-Timeouts: weil Verbindungen beim ARP/ND-Aufbau hängen bleiben oder retried werden.
• Hohe Broadcast/Multicast-Raten: ARP als Broadcast, ND als Multicast (ICMPv6).
• CPU-Last auf Switches/Firewalls: besonders bei Geräten mit ARP-Inspection, ND-Inspection oder Logging.
• Hypervisor-Probleme: vSwitch/Bridge-CPU steigt, VM-Netze werden „zäh“.

Auswirkungen: Warum ARP/ND-Storms so teuer sind

Die Kosten entstehen durch Replikation und durch die Tatsache, dass ARP/ND „am Anfang“ einer Kommunikation steht. Wenn Adressauflösung nicht zuverlässig funktioniert, werden Verbindungsaufbauten instabil. Dazu kommen systemische Effekte:

• Replikationslast in Layer 2: Ein ARP Request wird an viele Ports kopiert; bei großen VLANs ist das massiv.
• Control-Plane-Überlast: Geräte verarbeiten ARP/ND oft in Softwarepfaden oder mit teurerer Logik.
• Side Effects im Security-Stack: DAI/ARP-Inspection/ND-Inspection können zusätzliche Drops erzeugen, wenn Tabellen nicht synchron sind.
• Fehlersuche wird schwierig: Symptom ist Anwendung, Ursache ist Netzwerk-Basisfunktion.

Telemetrie-First: Die wichtigsten Metriken zur Erkennung

Eine zuverlässige Erkennung basiert auf wenigen, gut korrelierbaren Metriken. Entscheidend ist dabei, zwischen „normalem ARP/ND“ und storm-artiger Abweichung zu unterscheiden. Sinnvoll sind Schwellenwerte pro Segment (VLAN/VNI), weil ein Server-VLAN andere Profile hat als ein User- oder IoT-VLAN.

• ARP Requests/s pro VLAN und pro Port: Top-Talker identifizieren (Quelle des Flooding).
• ICMPv6 ND Messages/s: Neighbor Solicitation/Advertisement, Router Advertisement, Router Solicitation.
• Broadcast-/Multicast-Rate: ARP korreliert häufig direkt mit Broadcast; ND mit Multicast.
• ARP/ND Cache Size und Churn: wie viele Einträge entstehen/verschwinden pro Zeit.
• Drops/Rate-Limits: Storm-Control-Drops, Control-Plane-Policing (CoPP) Drops, DAI/Inspection Drops.
• CPU/Control-Plane Utilization: Korrelation zwischen ARP/ND-Spike und CPU-Spike ist ein starkes Indiz.

Ein einfaches Storm-Signal: Verhältnis von ARP/ND zu „normalem“ Datenverkehr

$\mathrm{StormIndex}=\frac{\mathrm{ARP\_ND\_Pakete\_pro\_s}}{\mathrm{GesamtPakete\_pro\_s}}$

Ein steigender StormIndex bei gleichzeitig sinkender Goodput-Rate (nutzbarer Durchsatz) ist ein typisches Muster. Die konkreten Schwellen hängen von Segmenttyp, Endpunktzahl und Workload ab; wichtig ist die relative Veränderung (Baseline vs. Spike).

Datenquellen: Welche Telemetrie in der Praxis am meisten bringt

In heterogenen Enterprise-Netzen ist es hilfreich, Telemetriequellen nach Aussagekraft zu priorisieren. Nicht jedes Team hat sofort Packet Captures oder Full-Flow-Daten zur Hand. Folgende Quellen liefern meist schnell nutzbaren Mehrwert:

• Interface-Counter: Broadcast/Multicast/Unknown-Unicast, Input/Output Drops, Queue-Drops, Storm-Control-Stats.
• Control-Plane-Stats: ARP Input Rate, ND/ICMPv6 Rate, CPU per Prozess/Thread (je nach Plattform).
• Logs/Events: MAC-Flapping, STP-Topology Changes, DAI/ARP-Inspection Violations, RA-Guard Events.
• Flow-Telemetrie: sFlow/NetFlow/IPFIX kann ND/ICMPv6 sichtbar machen, ARP jedoch oft nur indirekt (ARP ist kein IP).
• Packet Capture (gezielt): SPAN/ERSPAN oder Captures auf betroffenen Hosts/Hypervisors zur Bestätigung und Quellidentifikation.

Für Multicast-Verhalten auf Layer 2 und die Rolle von Snooping ist RFC 4541 (IGMP/MLD Snooping) eine nützliche Referenz, da ND-Last in IPv6 stark von Multicast-Handling abhängen kann.

Telemetrie-basierte Triage: Vom Symptom zur Quelle

Eine gute Triage verfolgt zwei Ziele: (1) schnell erkennen, ob wirklich ein ARP/ND-Storm vorliegt, und (2) den Ursprung auf wenige Ports/Hosts/VLANs eingrenzen. Ein praxistauglicher Ablauf:

• Segment bestimmen: Welche VLANs/VNIs zeigen den stärksten Broadcast-/Multicast-Anstieg?
• Top-Ports identifizieren: Auf welchen Ports steigen Broadcast/Multicast-Input oder Control-Plane-Drops?
• Quellmuster prüfen: Viele verschiedene Quell-MACs (Churn) vs. ein einzelner „Schreihals“.
• Korrelation herstellen: Zeitpunkt des Spikes vs. Change-Events (Trunk geändert, VM-Migration, neues Gerät, neues RA).
• Bestätigung per Capture: Kurzer Capture auf Kandidatenport/Host: ARP-Requests auf welche Ziel-IP? ND-NS auf welche Zieladresse? Wiederholt sich ein Pattern?

Behebung im Incident: Stabilisieren, bevor Sie optimieren

Im akuten Incident ist das Ziel, die Degradation zu stoppen und den Blast Radius zu begrenzen. Danach folgt die nachhaltige Ursache. Bewährte Stabilisierungsschritte sind:

• Rate-Limits aktivieren oder verschärfen: Storm Control für Broadcast/Multicast/Unknown Unicast auf Edge-Ports, um Flooding zu dämpfen.
• Quarantäne für Top-Talker: Ports/Hosts, die auffällig hohe ARP/ND-Raten erzeugen, kontrolliert isolieren.
• Loop-Indikatoren prüfen: STP-Topology-Changes, MAC-Flapping, plötzliche Unknown-Unicast-Spikes. Ein Loop kann ARP/ND massiv verstärken.
• IPv6 RA sofort einschränken: Wenn Router Advertisements an falschen Stellen auftauchen, RA-Guard oder Port-Policy einsetzen, um RA-Quellen zu blocken.
• Control-Plane schützen: CoPP/Policing prüfen, damit das Gerät nicht „stirbt“, während Sie analysieren.

Nachhaltige Mitigation: Segmentierung und Design als wirksamster Hebel

Wenn ARP/ND-Storms wiederkehren, ist die Ursache häufig strukturell. Die robusteste Mitigation ist die Verkleinerung von Broadcast-Domains: weniger Endpunkte pro VLAN, klarere Boundaries, mehr Layer 3 an der Edge. Dadurch sinkt die Replikationslast für jede einzelne Adressauflösung.

• VLANs nach Fault Domains schneiden: statt „ein VLAN für alle Server“ lieber nach Rack/Zone/Service trennen.
• L3 näher an die Access/Leaf-Ebene: Routing begrenzt ARP/ND auf kleinere Domänen.
• Anycast-Gateway (wo passend): Gateways dezentral, weniger Hairpinning, kleinere L2-Flächen.
• EVPN ARP/ND Suppression: in EVPN/VXLAN-Umgebungen kann Control-Plane-Learning Flooding reduzieren, wenn sauber umgesetzt.

Als Basis für VLAN-Bridging ist IEEE 802.1Q relevant; für EVPN als Control Plane bietet RFC 7432 eine fachliche Grundlage.

Mitigation am Edge: ARP/ND-Risiken pro Port begrenzen

Viele Storms beginnen am Rand: ein fehlerhaftes Endgerät, ein falsch konfigurierter Host-Stack, ein Scanner, ein kompromittiertes Gerät oder ein falsch angeschlossener Switch. Edge-Guardrails sind daher essenziell.

• Storm Control: definierte Schwellen pro Portrolle (User, AP, Server, Uplink).
• Port Security / MAC-Limits: reduziert MAC-Explosion und indirekt Unknown-Unicast-Flooding, das ARP/ND verstärken kann.
• DHCP Snooping + ARP Inspection (IPv4): verhindert ARP-Spoofing und reduziert falsche ARP-States, die Storms begünstigen.
• RA Guard / ND Inspection (IPv6): blockiert unerwünschte Router Advertisements und ND-Spoofing an falschen Stellen.
• 802.1X/NAC: reduziert die Wahrscheinlichkeit „unbekannter“ Geräte, die unkontrolliert ARP/ND erzeugen.

Telemetrie-basierte Root-Cause-Analyse: Typische Muster erkennen

Eine effiziente RCA basiert darauf, Muster in den Daten zu erkennen. Drei häufige Patterns:

• „One talker“ Pattern: ein Port/Host erzeugt extrem viele ARP Requests oder ND Solicitations, oft auf viele verschiedene Ziele. Häufige Ursachen: Scans, fehlerhafte App, defekte NIC/Driver, Malware.
• „Many talkers“ Pattern: viele Hosts senden mehr ARP/ND als normal, oft synchron. Ursachen: Gateway-Flap, ARP/ND Cache Flush nach Change, falsche Timer, breites Packetloss, das Retries auslöst.
• „Loop amplifier“ Pattern: ARP/ND steigt zusammen mit Broadcast/Unknown Unicast und MAC-Flapping/TCN. Ursachen: L2-Loop, MLAG/Trunk-Fehler, falsche STP-Guardrails.

Ein einfaches Churn-Maß für ARP/ND-Dynamik

$\mathrm{ChurnRate}=\frac{\mathrm{Neue\_oder\_geänderte\_Nachbarn}}{\mathrm{Zeitfenster}}$

Wenn ChurnRate steigt, ohne dass Endpunktzahl tatsächlich wächst, ist das ein Hinweis auf Instabilität (Flaps, Loops, Timer-Mismatch, Mobility-Problem).

Konkrete Behebungsschritte mit Telemetrie: Ein praxistaugliches Runbook

• Baselines prüfen: ARP/ND-Raten und Broadcast/Multicast im Normalzustand je VLAN/Segment kennen.
• Spike verifizieren: ist die Erhöhung real und korreliert sie mit CPU/Drops?
• Segment eingrenzen: Top 1–3 VLANs/VNIs mit höchstem Anstieg identifizieren.
• Top-Ports finden: Ports mit höchsten Broadcast/Multicast-Inputs und/oder Storm-Control-Drops ermitteln.
• Quellanalyse: Capture oder Host-Logs: Welche IPs werden gesucht? Sind es wenige oder viele Ziele?
• Containment: Rate-Limit oder Quarantäne des Top-Talkers; bei „many talkers“ Gateway/Upstream prüfen.
• Loop-Checks: MAC-Flaps, STP-Events, MLAG-Peer-Link-Health, Trunk-Allowed-Liste.
• IPv6-Spezialfall: RA-Quellen validieren; unerwartete RAs blocken, ND-Inspection prüfen.
• Nachsorge: Segmentierung/Policies anpassen, Monitoring-Alert verbessern, RCA-Daten sichern.

Outbound-Links für Standards und vertiefende Informationen

• RFC 826 (Address Resolution Protocol – ARP)
• RFC 4861 (Neighbor Discovery for IPv6)
• RFC 4541 (IGMP/MLD Snooping – Multicast effizient begrenzen)
• IEEE 802.1Q (VLAN Bridging als Grundlage großer L2-Domänen)
• RFC 7432 (EVPN – Control Plane zur Reduktion von Flooding in Fabrics)

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