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 TCP/IP-Modell in Schicht 2 (Internet) verarbeitet.

IPv4-Adressen

IPv4-Adressen haben eine Länge von 32 Bit
Eine IP-Adresse besteht aus einem Netzanteil und einem Hostanteil.
Der Netzanteil identifiziert ein Teilnetz, der Hostanteil identifiziert ein Gerät (Host) innerhalb eines Teilnetzes.
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 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
Man schreibt die Adressen dezimal in vier einzelnen Bytes
Die einzelnen Bytes sind durch Punkte voneinander getrennt

Dotted Quad

Diese Schreibweise, die auch als Dotted Quad[[2]] 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

Aufteilung

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[[3]] bestimmt.

IP-Klassen

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[[4]], 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[[5]] 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

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 1. 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 Netzwerkadressen

Einige Netzwerke sind für spezielle Zwecke reserviert, z.B. RFC6890[[6]] :

Adressblock (Präfix)	Verwendung	Referenz
0.0.0.0/8	Das vorliegende Netzwerk	RFC 1122
10.0.0.0/8	1 privates 8-Bit-Netzwerk	RFC 1918
100.64.0.0/10	Shared Transition Space	RFC 6598
127.0.0.0/8	Loopback (Lokaler Computer)	RFC 1122
169.254.0.0/16	Privates Netzwerk, APIPA	RFC 3927
172.16.0.0/12	16 private 16-Bit-Netzwerke	RFC 1918
192.0.0.0/24	IETF Protocol Assignments	RFC 6890
192.0.2.0/24	Test-Netzwerke	RFC 6890
192.88.99.0/24	IPv6 zu IPv4 Relay (Veraltet)	RFC 7526
192.168.0.0/16	256 private 24-Bit-Netzwerke	RFC 1918
198.18.0.0/15	Netzwerk-Benchmark-Tests	RFC 2544
198.51.100.0/24	Test-Netzwerke	RFC 6890
203.0.113.0/24	Test-Netzwerke	RFC 6890
224.0.0.0/4	Multicasts	RFC 5771
240.0.0.0/4	Reserviert	RFC 1700
255.255.255.255/32	Limited Broadcast	RFC 919, RFC 922

Erklärungen zu Tabelle:
Shared Transition Space: Ein IPv4-Adressblock der Grösse /10 zuweisen, um das ordnungsgemässe Funktionieren sicherstellen.[[7]]
APIPA: Automatic Private IP Adressing[[8]]

Lokale/Private Netzwerkadressen

Adressbereich	Beschreibung	CIDR-Block	Anzahl IP-Adressen
10.0.0.0–10.255.255.255	privat, 1 8-Bit-Netz	10.0.0.0/8	2²⁴ = 16.777.216
172.16.0.0–172.31.255.255	privat, 16 16-Bit-Netze	172.16.0.0/12	2²⁰ = 1.048.576
192.168.0.0–192.168.255.255	privat, 256 24-Bit-Netze	192.168.0.0/16	2¹⁶ = 65.536
169.254.0.0–169.254.255.255	link local, 1 16-Bit-Netz	169.254.0.0/16	2¹⁶ = 65.536

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[[9]] (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. [[10]]
In diesem Fall also 2^6 – 2 = 64 – 2 = 62 Hosts.

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Broadcast

C

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I

M

Multicast

N

Netzmaske