Netzwerke:IPv4:Grundlagen

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1 Das Internetprotokoll IPv4

  • Die Version 4 des Internetprotokolls wurde so, wie sie heute bekannt ist, schon im September 1981 von der Organisation ARPA fertig gestellt und in einem RFC veröffentlicht
  • Es hat danach lediglich geringfügige Modifikationen gegeben
  • IPv4-Adressen haben eine Länge von 32 Bit
  • Deshalb sind zumindest theoretisch 4.294.967.296 unterschiedliche Adressen möglich
  • Man schreibt die Adressen in vier einzelnen Bytes dezimal
  • Die einzelnen Bytes sind durch Punkte voneinander getrennt
  • Diese Notationsweise, die auch als Dotted Quadbezeichnet wird, sieht dann zum Beispiel so aus: 192.168.100.55
  • 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
  • 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 Hostsdirekt 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 bestimmt.

2 IP-Klassen

  • Die Adressen des Internetprotokolls sind in Klassen eingeteilt
  • Welcher Klasse ein Netzwerk angehört, wird durch den Inhalt des ersten Bytes der Adresse bestimmt
  • 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, das ein Computer zur internen Kommunikation innerhalb der Maschine 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 zur automatischen Adressierung in Heimnetzwerken (APIPA) verwendet.

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

Besonderheit: Dieses Netzwerk wird als Experimentalklasse bezeichnet und normalerweise nicht verwendet.

  • Um ermitteln zu können, welche IP-Adressen zu welcher Klasse gehören, müssen Sie nur das erste Byte der Adresse betrachten
  • Die Klasse A beginnt einfach 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
  • ZurVerdeutlichung sehen Sie in der folgenden Aufstellung die Startadressen der Adressklassen in binärer und in dezimaler Schreibweise:
    • Klasse A: Start 00000001.00000000.00000000.00000000 – (1.0.0.0)
    • Klasse B: Start 10000000.00000000.00000000.00000000 – (128.0.0.0)
    • Klasse C: Start 11000000.00000000.00000000.00000000 – (192.0.0.0)
    • Klasse D: Start 11100000.00000000.00000000.00000000 – (224.0.0.0)
    • Klasse E: Start 11110000.00000000.00000000.00000000 – (240.0.0.0)

3 Die 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
  • Bei Kontaktaufnahmen zu netzwerkfremden Hosts müssen die Datenpakete zunächst an einen Router geschickt werden
  • 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 (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, wie bereits erwähnt, 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
  • Zur Verdeutlichung soll im folgenden Beispiel 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:
192.168.150.9  11000000.10101000.10010110.00001001  Host-Adresse
255.255.255.0  11111111.11111111.11111111.00000000  Subnetzmaske
192.168.150.0  11000000.10101000.10010110.00000000  Netzadresse
  • 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.
  • Ein weiteres Beispiel soll die Funktionsweise der Subnetzmaske genauer verdeutlichen
  • 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 ander Subnetzmaske abgelesen werden
  • Sie brauchen nur das letzte gesetzte Bit zu betrachten
  • Im letzten Beispiel ist das letzte gesetzte Bit 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
  • In diesem Fall also 2^6 – 2 = 64 – 2 = 62 Hosts.