Netzwerke:IPv4:Grundlagen

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

2 IPv4-Adressen

Ipv4 Adress Format
  • IPv4-Adressen haben eine Länge von 32 Bit bzw. 4 Byte.
  • 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 (Classless Inter-Domain Routing) [[2]] 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

2.1 Dotted Quad

  • Diese Schreibweise, die auch als Dotted Quad[[3]] 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

2.2 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[[4]] bestimmt.

3 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.

3.1 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.

3.2 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.

3.3 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

3.4 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.

3.5 Klasse E

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

4 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)

5 Besondere Netzwerkadressen

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

5.1 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

6 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.

6.1 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.

6.2 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

6.3 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.

7 Links

7.1 Intern

7.2 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/