Internet Protocol Version 4

IPv4 (Internet Protocol Version 4)

Beschreibung

• vor der Entwicklung von IPv6 auch einfach IP, ist die vierte Version des Internet Protocols (IP).
• Es war die erste Version des Internet Protocols, die weltweit eingesetzt wurde, und bildet eine wichtige technische Grundlage des Internets. Es wurde in RFC 791 im Jahr 1981 definiert.

IPv4

Eigenschaften

• Grundlage des TCP/IP-Stapels (TCP/IP-Stack)
• Teil der Netzwerkschicht des DoD-Modells (02)
• Setzt auf Data Link Layer auf
• Ethernetypfeld: 08-00
• 1977 entwickelt
• In der Version 4 das Standard-Protokoll im Internet
• Die Weiterentwicklung zur Version 6 ist abgeschlossen, aber noch wenig genutzt
• Hardwareunabhängig
• Die Adressierung ist nicht von der Netzwerktechnologie abhängig
• Paketorientierter verbindungsloser Datagram-Dienst
• freie Routenwahl
• kein Verbindungsauf- oder abbau
• Keine Fehlerkorrektur

Aufgaben

• Gewährleistung des Transports von Daten über heterogene Netzwerktopologien
• Abstraktion von Besonderheiten des darunter liegenden Layers 2(z.B. Ethernet, Token Ring oder ATM)
• Definition eines Adressschemas
• Definition von Datagrammen
• Datagram-Service
• Unzuverlässig
• Keine Auslieferungs-Garantie
• Keine Fehlerfreiheits-Garantie
• Routing zwischen Netzen
• Fragmentierung / Reassemblierung von Datagrammen
• Übermittlung der Daten vom Transport- zu Networklayer
• Definition/ Adressierung höherer Protokolle

IP-Header

Version und Länge

• Version
• Die Version des IP-Protokolls
• Wir behandeln hier Version 4
• Länge
• Dieses Feld gibt die Länge des IP-Protokoll-Kopfes in 32-Bit-Worten an
• Die minimale Länge beträgt 5 Worte, was auch der Normalfall ist
• Vergrößerung durch Angabe von Optionen

Servicetypen

• Mit den Precedence-Bit (0-2) kann eine Priorität von 0 - 7 angegeben werden
• Bit 3 – 6 haben folgende Bedeutung
• 1000 Minimize-delay
• 0100 Maximize throughput
• 0010 Maximize reliability
• 0001 Minimize monetary costs
• 0000 Normal service
• Bit 7 ist reserviert (ohne Bedeutung)
• Servicetypen werden nicht von allen Routern unterstützt

Paketlänge und Identifikation

• Paket-Länge
• Die Länge des Paketes in Byte inklusive Protokoll-Kopf
• 16 Bit – Feld (Maximale Paketgröße = 65.535 Byte)
• Identifikation
• Eine eindeutige Identifikation (Zähler)
• Diese Kennungen sollten sich nur nach längeren Zeitabständen wiederholen
• um nicht mit verspäteten PDU in Konflikt zu kommen
• Paketübertragung im Internet

Lebenszeit (TTL = Time To Live)

• Dieses Feld gibt an, wie lange das Paket maximal unterwegs sein darf
• Das Problem
• Beim Routen durch vermaschte Netze, können Datagramme/ Fragmente ziellos und unendlich lange kreisen
• Das verbraucht Ressourcen und kann Netzwerke bis zum Stillstand belasten
• Die Lösung
• Jeder Knoten (Router) verringert diesen Wert um mindestens 1
• Hält ein Router ein Paket länger als eine Sekunde, verringert er die TTL um 1 je weitere Sekunde
• Bei Erreichen des Wertes „0“, wird Paket verworfen

Sender- und Empfänger-Adressen

• 32-Bit IP-Adresse (IPv4), 128-Bit IP-Adresse (IPv6)
• unabhängig von der zugrunde liegenden Netztechnologie
• Das Internet-Protokoll definiert also eine rein logische Netztopologie
• Die Vergabe der IP-Adressen wird international von der IANA (Internet Assigned Numbers Association) geregelt
• die IANA verteilt die Organisation auf mehrere Unterorganisationen
• Die in Europa zuständige Organisation ist das RIPE (Réseaux IP Européens)

DF, MF und Fragmentabstand

• DF (Don‘t Fragment)
• 0 = May Fragment
• 1 = Don‘t Fragment
• MF (More Fragment)
• 0 = Last Fragment
• 1 = More Fragment
• Fragmentabstand
• Länge relativ zum Beginn des ursprünglichen Datagram

Protokoll

• Nummer des Transportprotokolls
• Legt fest, welches Protokoll für die Weiterverarbeitung auf 03 zuständig ist (demultiplexing)
• gemäß RFC 1700 (Assigned Numbers)
• /etc/protocol
• %SYSTEMROOT%\system32\drivers\etc\protocol
• Ausgewählte IP-Protokollnummern

Weitere Felder

• Prüfsumme
• wird über den gesamten IP Header berechnet
• Berechnung beim Sender:
• setze das checksum Feld auf 0
• XOR über alle 16-bit Worte im Header
• das Ergebnis wird bitweise invertiert und stellt dann den Wert für das checksum Feld dar.
• Check beim Emfänger:
• XOR über alle 16-bit Worte im Header (inkl. checksum)
• OK, wenn im Ergebnis alle bits auf 1 stehen
• Füllzeichen
• Auffüllen des Headers auf ein Vielfaches von 32-Bit
• Nutzdaten
• Segmente und Datagramme höherer Protokolle
• Meist TCP oder UDP
• XX IP-Header im Detail 8 - Optionen
• Flexible Erweiterbarkeit des Headers
• Variable Länge (max. 40 Byte)
• Folgende Optionen sind möglich
• Source Routing
• Liste von Routern, die ein Datagram durchlaufen soll
• Der genommene Weg wird aufgezeichnet (max. 9 Hops)
• loose: die Angegebenen IP Adressen müssen nicht benachbart sein
• strict: die Angegebenen IP Adressen müssen benachbart sein
• sonst wird das Paket verworfen und eine ICMP source route failed Nachricht an den Sender geschickt
• Source Routing ist nahezu überall abgeschaltet da, es ein Sicherheitsrisiko darstellt - IP Spoofing!
• Record Route
• Router hängen ihre IP-Adresse an das Optionsfeld an
• Zeitstempel
• Zusätzlich zur IP-Adresse wird die Uhrzeit des Durchlaufes angehangen

Fragmentierung

Warum Fragmentierung?

• Anpassung der Datagramgrösse an die MTU der lokalen Netz-Technologie
• Definition des Protokolls / Beschränkung durch Norm
• Paketlänge in verschiedenen Netzen
• Token Ring32768 bit
• Ethernet12144 bit
• X.25 (Maximum)8192 bit
• X.25 (Standard)1024 bit

Fragmentierung

• Felder: DF, MF, Identifikation, Fragmentabstand
• kann nur bei DF=0 durchgeführt werden
• wird von den Routern eigenständig vorgenommen
• kann bei Bedarf wiederholt angewendet werden
• Zielhost muss die Fragmente zusammensetzen

Fragmentierung

• Alle Fragmente haben dieselbe Kennung
• diese definiert keine Reihenfolge
• Zu fragmentierende Pakete mit DF-Flag werden verworfen, da sie nicht in das nächste Netzwerk geleitet werden können
• Stationen, die nicht alle Fragmente eines IP-Datagrams innerhalb einer bestimmten Zeitspanne (i.d.R. 30-40s) zum Reassemblieren erhalten, verwerfen alle empfangenen Pakete

Fragment Offset

• Gibt die Länge relativ in Byte zum Beginn des Datenbereichs im ursprünglichen Datagram an
• Ermöglicht dem Empfänger mehrere Fragmente in der richtigen Reihenfolge zusammenzusetzen
• Bei vollständigem Datagram (keine Fragmentierung) und beim ersten Fragment hat der Fragment Offset immer den Wert 0

Beispiel

• Netz1: MTU 1200Byte
• Netz2: MTU 532 Byte
• Netz3: MTU 276 Byte
• Paket mit Länge 1044Byte (= 20Byte Header + 1024Byte Daten) und nicht gesetztem DF-Bit soll über die 3 Netze übertragen werden
• Die Reihenfolge der Ankunft beim Zielhost spielt keine Rolle.
• Wenn nach Ablauf eines Timers nicht alle Teilpakete angekommen sind, wird das Paket verworfen.

Ausblick: IPv6

• Die Internet Engineering Task Force (IETF) hat eine neue IP-Version namens IPv6 entwickelt
• IPv6 hat eine Länge von 128 Bit = 2128
• über 667 Billiarden IP-Adressen pro mm² Erde
• 510 100 000 km2 Erdoberfläche
• Verbesserte Sicherheit
• Verbesserte Header, um das Routing zu vereinfachen und zu beschleunigen
• Der Übergang von IPv4 zu IPv6 läuft fließend

Source Routing

siehe IPv4:Source Routing

Dokumentation

RFC

1. RFC 791IP-Protokoll
2. RFC 815IP over X.25 Networks
3. RFC 894IP over Ethernet-Networks
4. RFC 948IP over 802.3 Networks
5. RFC 1051IP over Arcnet-Networks
6. RFC 1055IP over Serial Lines („SLIP“)
7. RFC 1088IP over Netbios Networks
8. RFC 1577IP over ATM Networks („Classical IP“)

Testfragen

Testfrage 1

Antwort1

Testfrage 2

Antwort2

Testfrage 3

Antwort3

Testfrage 4

Antwort4

Testfrage 5

Antwort5