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IPv4

• Die Version 4 des Internetprotokolls[[1]] wurde im September 1981 von der Organisation ARPA veröffentlicht. Es hat danach lediglich geringfügige Modifikationen gegeben.
• Im OSI-Modell wird es in Schicht 3 (Network-Layer = Vermittlungsschicht), im DoD-Modell (TCP/IP-Modell) in Schicht 2 (Internet) verarbeitet.

IPv4-Adressen

Länge

IPv4-Adressen haben eine Länge von 32 Bit bzw. 4 Byte.

Aufteilung

• Eine IP-Adresse besteht aus einem Netzanteil und einem Hostanteil.
  • Der Netzanteil identifiziert ein Teilnetz, der Hostanteil identifiziert ein Gerät (Host) innerhalb eines Teilnetzes.

• Eine IP-Adresse besteht aus zwei Teilen:
  • Der erste Teil ist der Netzwerkanteil (auch als Netzwerk-ID bezeichnet)
  • und der zweite der Host-Anteil der Adresse
    • Es können nur Hosts direkt miteinander kommunizieren, deren Netzwerkanteil der IP-Adressen identisch ist
    • Hosts, die sich in unterschiedlichen Netzwerken befinden, müssen durch Router miteinander verbunden werden
• Welcher Anteil einer IP-Adresse zum Netzwerk- und welcher zum Host-Anteil gehört, wird durch die Netzwerkmaske[[2]] bestimmt.

Subnetzmaske

• Die genaue Aufteilung zwischen Netzanteil und Hostanteil wird durch eine Subnetzmaske festgelegt, beispielsweise 255.255.255.0.
• Bei Verwendung dieser Maske würde die IP-Adresse in der CIDR-Notation (Classless Inter-Domain Routing) [[3]] dann als 192.168.0.23/24 geschrieben.
• Dabei bedeutet die „24“ , dass die ersten 24 Bits der Subnetzmaske gleich „1" sind.
• Die Bits der Subnetzmaske, die „1“ sind, legen die Stellen der IP-Adresse fest, die zum Netzanteil gehören.
• Alle restlichen Stellen der IP-Adresse (entsprechend der Anzahl Bits der Maske die auf 0 gesetzt sind) gehören dann zum Hostanteil
• Deshalb sind zumindest theoretisch 4.294.967.296 unterschiedliche Adressen möglich

Notation

• Man schreibt die Adressen dezimal in vier einzelnen Bytes
• Die einzelnen Bytes sind durch Punkte voneinander getrennt
• Diese Schreibweise, die auch als Dotted Quad[[4]] bezeichnet wird, sieht dann z.B. so aus: 192.149.252.76
• Jede dieser Zahlen zwischen zwei Punkten wird als ein Oktett bezeichnet
• Da ein Oktett jeweils ein Byte lang ist, ergeben sich immer 256 Variationsmöglichkeiten
• Da die 0 hier mitgezählt werden muss, ist der höchstmögliche Wert für ein solches Oktett also 255

IP-Adressklassen

• Die Adressen des Internetprotokolls sind in Klassen eingeteilt
• Der Inhalt des ersten Bytes der Adresse bestimmt, welcher Klasse ein Netzwerk angehört.
• Die Klassen legen gleichzeitig fest, welche Standardsubnetzmaske verwendet wird
• Die tatsächlich verwendete Subnetzmaske kann in der Realität jedoch durch das Erstellen von Subnetzen unterschiedlich sein.

Klasse A

• Erste Adresse: 1.0.0.0
• Letzte Adresse: 127.255.255.255
• Standardsubnetzmaske: 255.0.0.0
• Privater Ausschlussbereich: 10.0.0.0 – 10.255.255.255

Besonderheit: Bei dem Netzwerk 127.0.0.0 handelt es sich um das Loopback-Netzwerk[[5]], dass ein Computer zur internen Kommunikation innerhalb des Rechners verwendet. Üblich ist aber lediglich die Verwendung der IP-Adresse 127.0.0.1 für das Loopbackdevice.

Klasse B

• Erste Adresse: 128.0.0.0
• Letzte Adresse: 191.255.255.255
• Standardsubnetzmaske: 255.255.0.0
• Privater Ausschlussbereich: 172.16.0.0 – 172.31.255.255

Besonderheit: Das Netzwerk mit der Adresse 169.254.0.0 wird verwendet zur automatischen Adressierung (APIPA) in Heimnetzwerken:

• APIPA: Automatic Private IP Adressing (APIPA) ist ein Zeroconf-Verfahren[[6]] für die automatische Allokation von sogenannten Link-Local-IPv4-Adressen ohne DHCP.
• APIPA verwendet das Address Resolution Protocol (ARP), um für ein Netzwerk-Interface automatisch eine freie IP-Adresse auszuwählen.

Klasse C

• Erste Adresse: 192.0.0.0
• Letzte Adresse: 223.255.255.255
• Standardsubnetzmaske: 255.255.255.0
• Privater Ausschlussbereich: 192.168.0.1 – 192.168.255.255

Klasse D

• Erste Adresse: 224.0.0.0
• Letzte Adresse: 239.255.255.255
• Standardsubnetzmaske: 255.255.255.255

Besonderheit: Dieses Netzwerk wird von Multicast-Anwendungen genutzt. Die vollständig gesetzte Subnetzmaske bewirkt, dass alle Rechner eines Multicast-Netzwerkes dieselbe IP-Adresse verwenden müssen. Adressen der Klasse D werden normalerweise immer nur zusätzlich zu anderen IP-Adressen verwendet.

Klasse E

• Nur für Testzwecke:
• Erste Adresse: 240.0.0.0
• Letzte Adresse: 255.255.255.254
• Standardsubnetzmaske: 255.255.255.255

Ermittlung der Adressklasse

• Um zu ermitteln, welche IP-Adressen zu welcher Klasse gehören, muss man nur das erste Byte der Adresse betrachten.
• Die Klasse A beginnt am Anfang, also mit 0. Sie endet da, wo die Klasse B beginnt.
• Das ist der Fall, wenn das erste Bit des ersten Byte einer IP-Adresse gesetzt wird. Das wäre also das 128er-Bit
• Die Klasse C beginnt entsprechend, wenn zusätzlich das zweite Bit gesetzt wird (128 + 64 = 192)
• Entsprechend wird bei den Klassen D und E jeweils ein weiteres Bit hinzugefügt
• Zur Verdeutlichung: folgende Aufstellung die Startadressen der Adressklassen in binärer und in dezimaler Schreibweise:
  • Klasse A: Start 0000.0001.0000.0000.0000.0000.0000.0000 – (1.0.0.0)
  • Klasse B: Start 1000.0000.0000.0000.0000.0000.0000.0000 – (128.0.0.0)
  • Klasse C: Start 1100.0000.0000.0000.0000.0000.0000.0000 – (192.0.0.0)
  • Klasse D: Start 1110.0000.0000.0000.0000.0000.0000.0000 – (224.0.0.0)
  • Klasse E: Start 1111.0000.0000.0000.0000.0000.0000.0000 – (240.0.0.0)

Besondere IPv4-Adressen

• Einige Netzwerke sind für spezielle Zwecke reserviert, z.B. RFC6890[[7]] :
• Werden im Internet nicht verwendet.

Erklärung

• Shared Transition Space: Ein IPv4-Adressblock der Grösse /10 zuweisen, um das ordnungsgemässe Funktionieren sicherzustellen.[[8]]
• APIPA: Automatic Private IP Adressing/ Privates Lokales Netzwerk[[9]]
• Multicast: In der Telekommunikation eine Nachrichtenübertragung[[10]]
• Limited Broadcast: Nachricht, bei der Datenpakete von einem Punkt aus an alle Teilnehmer eines Nachrichtennetzes übertragen werden.[[11]]

Lokale/Private Netzwerkadressen

Verwendung der Subnetzmaske und CIDR

• Die Subnetzmaske maskiert den Netzwerkanteil und den Host-Anteil einer IP-Adresse
• Mit ihrer Hilfe kann ein Computer ermitteln, in welchem Netzwerk bzw. Subnetz er sich selbst befindet
• Er kann nur direkt mit anderen Computern kommunizieren, die sich in demselben Netzwerk oder Subnetz befinden
• Die Ermittlung der Netzwerkzugehörigkeit geschieht über eine logische UND-Verknüpfung der IP-Adresse mit der Subnetzmaske
• Für Subnetzmasken sind zwei Notationsweisen üblich
• Die eine davon ist, genau wie die IP-Adressen selbst, eine Dotted-Quad-Schreibweise, z. B. 255.255.255.0 für eine Standard-C-Klasse
• Da Subnetzmasken von links nach rechts inkrementell aufgefüllt werden, sind pro Oktett nur neun verschiedene Werte möglich:
• 00000000 Bin = 0 Dez
• 10000000 Bin = 128 Dez
• 11000000 Bin = 192 Dez
• 11100000 Bin = 224 Dez
• 11110000 Bin = 240 Dez
• 11111000 Bin = 248 Dez
• 11111100 Bin = 252 Dez
• 11111110 Bin = 254 Dez
• 11111111 Bin = 255 Dez
• Auf derselben Tatsache basiert die CIDR-Notation[[12]] (Classless Inter-Domain Routing) von Subnetzmasken.
• Bei dieser Schreibweise wird einfach nur die Anzahl der gesetzten Bits einer Subnetzmaske angegeben
• Ein Standard-C-Klasse-Netz wird also so ausgedrückt: 192.168.100.0/24 (255.255.255.0, wobei jede einzelne 255 acht gesetzten Bits entspricht)
• Die Ermittlung der Netzwerkmitgliedschaft eines Hosts erfolgt über eine logische UND-Verknüpfung.
• Das Ergebnis einer UND-Verknüpfung ist immer dann 1, wenn beide verknüpften Werte ebenfalls 1 sind.
• In allen anderen Fällen ist das Ergebnis der Verknüpfung 0.

Beispiel 1

• Zur Verdeutlichung soll die Netzwerkmitgliedschaft eines Computers mit der Adresse 192.168.150.9/24 ermittelt werden:
• Für die Berechnung müssen sowohl IP-Adresse als auch Subnetzmaske zunächst in Binärschreibweise umgewandelt werden:
• Host-Adresse 192.168.150.9 (Bin:1100.0000.1010.1000.1001.0110.0000.1001)
• Subnetzmaske 255.255.255.0 (Bin: 1111.1111.1111.1111.1111.1111.0000.0000)
• Netzadresse 192.168.150.0 (Bin:1100.0000.1010.1000.1001.0110.0000.0000)
• Die logische UND-Verknüpfung ergab, dass sich der Computer in dem Netzwerk mit der IP-Adresse 192.168.150.0 befindet
• Der Netzwerkanteil der IP-Adresse erstreckt sich in diesem Fall über die ersten drei Oktette (24 Bit), weil die Subnetzmaske eben falls eine Länge von 24 Bit aufweist.

Beispiel 2

• Die Funktionsweise der Subnetzmaske genauer verdeutlicht:
• Es wird hier eine Nicht-Standardsubnetzmaske verwendet, um gleichzeitig die Unterteilung eines Netzes in Subnetze zu erläutern.
• Ein Host mit der Adresse 192.168.4.147/26 soll ein Datenpaket an einen anderen Host mit der IP-Adresse 192.168.4.116 senden
• Die Subnetzmaske des Ziel-Hosts ist einer sendenden Station nie bekannt.
• Das ist auch nicht nötig, denn wenn sich der Ziel-Host in demselben Subnetz befindet wie die sendende Station, dann kann das Paket direkt zugestellt werden
• Im anderen Fall muss das Paket zunächst an einen Router (eventuell Standardgateway) geschickt werden, der sich dann um die Weiterleitung kümmert. Es müssen zwei Berechnungen erfolgen:
• Der Quell-Host:

192.168.004.147 11000000.10101000.00000100.10010011 (Host)
255.255.255.192 11111111.11111111.11111111.11000000 (Maske)
192.168.004.128 11000000.10101000.00000100.10000000 (Netz)

• Der Ziel-Host:

192.168.004.116 11000000.10101000.00000100.01110100 (Host)
255.255.255.192 11111111.11111111.11111111.11000000 (Maske)
192.168.004.064 11000000.10101000.00000100.01000000 (Netz)

• Der Quell-Host befindet sich selbst laut logischer UND-Verknüpfung mit der Subnetzmaske im Netzwerk 192.168.4.128.
• Diese Adresse darf in diesem Fall, da das ursprüngliche Netz in Subnetze unterteilt wurde, nicht mehr für einen Host verwendet werden
• Die Subnetzmaske für den Ziel-Host wurde hier nur angenommen. Sie ist für die sendende Maschine aber auch unerheblich, weil sich die IP-Adresse des Ziels in einem fremden Netzwerk befindet
• Das zu sendende Paket muss also über einen Router zugestellt werden
• Der Abstand zwischen den einzelnen Subnetzen kann an der Subnetzmaske abgelesen werden
• Man braucht nur das letzte gesetzte Bit zu betrachten

Beispiel 3

• Das letzte gesetzte Bit ist das 64er-Bit.
• Das bedeutet einen Abstand der Netze untereinander von 64.
• Die resultierenden Netzwerke hätten dann die folgenden Adressen:
• 192.168.4.0/26
• 192.168.4.64/26
• 192.168.4.128/26
• 192.168.4.192/26
• Die Anzahl der möglichen Hosts pro Subnetz errechnet sich aus den verbleibenden Bits für Host-Adressen abzüglich der Netzwerkadresse und der Broadcast-Adresse. [[13]]
• In diesem Fall also 2^6 – 2 = 64 – 2 = 62 Hosts.

Links

Intern

• IPv4:Broadcast
• IPv4:Subnetting

extern

1. https://de.wikipedia.org/wiki/IPv4
2. https://de.wikipedia.org/wiki/Classless_Inter-Domain_Routing#
3. https://de.wikipedia.org/wiki/Dotted_decimal_notation
4. https://de.wikipedia.org/wiki/Netzmaske
5. https://de.wikipedia.org/wiki/Loopback
6. https://de.wikipedia.org/wiki/Zeroconf
7. https://de.wikipedia.org/wiki/Request_for_Comments
8. https://en.wikipedia.org/wiki/IPv4_shared_address_space
9. https://www.it-administrator.de/lexikon/automatic_private_ip_adressing.html
10. https://de.wikipedia.org/wiki/Classless_Inter-Domain_Routing
11. https://de.wikipedia.org/wiki/Multicast
12. https://de.wikipedia.org/wiki/Broadcast
13. https://www.wintotal.de/broadcast-adresse/