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IP-Adresse

Was ist eine IP-Adresse?

Bei einer IP-Adresse handelt es sich um eine Adresse in Computernetzwerken, die auf dem Internetprotokoll basiert. Diese wird Geräten (Hosts) zugewiesen, die an ein Netzwerk angebunden sind, und ermöglicht, dass einzelne Geräte im Netzwerk adressierbar und erreichbar sind. Mit einer IP-Adresse lassen sich sowohl einzelne Empfänger (Multicast) als auch eine Gruppe von Empfängern (Broadcast) bezeichnen. Umgekehrt können einem Client auch mehrere IP-Adressen zugeordnet werden. Die IP-Adresse wird in erster Linie eingesetzt, um Datenpakete vom Sender zum vorgesehenen Empfänger zu transportieren. Die IP-Adresse lässt sich am besten mit einer Postanschrift auf einem Briefumschlag visualisieren, mit welcher der Empfänger eindeutig identifiziert werden kann. Ähnlich wie bei einem Briefumschlag werden in Computernetzwerken Datenpakete mit einer IP-Adresse versehen, die den Sender und Empfänger eindeutig identifizieren. Aufgrund dieser Adresse werden die Datenpakete von Routern zu ihrem Ziel weitertransportiert. Die Notation der IPv4-Adressen setzt sich aus vier Zahlen zusammen, die Werte von 0 bis 255 annehmen können und durch einen Punkt getrennt werden. Technisch betrachtet handelt es sich bei der IP-Adresse entweder um eine 32-stellige (IPv4) oder 128-stellige (IPv6) Binärzahl.

Beispiel

  • Beispiel einer IPv4 IP-Adresse: 198.168.0.255
  • Beispiel einer IPv6 IP-Adresse: 2001:0db8:85a3:08d3:1319:8a2e:0370:7344

Grundkonzept

Um einen Datentransfer zwischen zwei vernetzten Geräten realisieren zu können, muss jedes der Geräte in der Lage sein, Daten zu senden und zu empfangen. Damit die Datenpakete bei dem richtigen Client ankommen, müssen diese eindeutig adressiert werden. In IP-Netzwerken wird dies mit Hilfe der IP-Adresse realisiert. So wird beispielsweise eine Webseite von einem Webbrowser direkt über ihre Internetprotokoll-Adresse angesprochen. Der Browser fragt zuerst bei einem DNS-Server, der für die jeweilige Domain zuständig ist, die IP-Adresse ab, um anschließend eine bidirektionale Kommunikation mit dem Webserver zu realisieren. Beim TCP/IP-Protokoll, das die Basis für das moderne Internet darstellt, enthält jedes IP-Datenpaket einen Informationsbereich für den Transport durch den IP-Layer. Dieser Informationsbereich enthält zwei Register, in welchen die IP-Adressen des Senders als auch des Empfängers eingetragen sind. Die Vermittlung wird auf der Schicht 3 des OSI-Modells (Vermittlungsschicht) realisiert.

Geschichte

Das Internet wurde ursprünglich konzipiert, um mehrere bestehende Netzwerke miteinander zu verbinden. Eine internationale Organisation wie die IANA (Internet Assigned Numbers Authority) gab es zunächst nicht. In den früheren Varianten des Internetprotokolls kamen getrennte Register zum Einsatz, in denen eine Netzwerk-Adresse und eine Host-Adresse unabhängig voneinander eingetragen wurden. Die Netzwerk-Adresse war eine 8 Bit große Netzwerk-Kennziffer, mit der das Ziel- und Quellnetz des jeweiligen Datenpakets gekennzeichnet wurden. Dabei waren die Kennziffern für Arpanet, Cyclades und weitere Netzwerke fest vorgegeben. Die Trennung von Host- und Netzwerkadresse wurde erst im Jahre 1981 mit der Einführung des IPv4-Protokolls abgeschafft. Dank verbesserter Routing-Methoden und angesichts der Tatsache, dass IP-Netzwerke in unterschiedlichen Größen existieren, wurde die Trennung zwischen Host- und Netzadresse überflüssig, sodass die Adressen als IP-Adressen bezeichnet wurde.

IPv4

Mit IPv4 wird die vierte Version des Internetprotokolls bezeichnet. Dabei handelt es sich um die erste Version des Internetprotokolls, welche weltweit eingesetzt wurde und lange Zeit die technische Basis des Internets bildete. IPv4 wurde im Jahr 1981 im Rahmen des RFC 791 definiert. Bei IPv4 kommen 32-Bit-Adressen zum Einsatz, sodass in einem Netz maximal 4.294.967.296 unterschiedliche Adressen existieren können. IPv4-Adressen werden in der Regel in vier Zahlenblöcke geschrieben, die jeweils durch einen Punk abgetrennt werden. Nach RFC ist es nicht erlaubt, dass zwei oder dreistellige Zahlen mit einer Null (0) beginnen. Eine IP-Adresse setzt sich aus einem Netzanteil und einem Hostanteil zusammen. Mit dem Netzanteil wird ein Teilnetz identifiziert, während mit dem Hostanteil ein Gerät innerhalb eines Teilnetzes gekennzeichnet wird.

Die exakte Segmentierung einer IP-Adresse zwischen Netzanteil und Hostanteil wird durch eine sogenannte “Subnetzmaske” geregelt, zum Beispiel 255.255.0.0. Bei Verwendung der Netzmaske in Verbindung mit einer IP-Adresse, wird diese in der sogenannten “CIDS-Notation” geschrieben, wie beispielsweise 195.185.0.22/16, wobei mit der “16” angegeben wird, dass die ersten 16 Bits der Subnetzmaske der Binärzahl “1” entsprechen. Mit den Bits, die mit der Binärzahl “1” gekennzeichnet werden, werden die Stellen einer IP-Adresse festgelegt, die zu dem Netzanteil gehören, während die restlichen Stellen zum Hostanteil gehören.

Beispiel

  • IP-Adresse: 195.197.162. 25
  • Subnetzmaske: 255.255.255. 0

daraus ergibt sich:

  • Netzanteil: 195.197.162. 0
  • Hostanteil: 0.0.0. 25

Mehrere Clients bzw. Hosts befinden sich in einem gemeinsamen Teilnetz, wenn der Netzanteil ihrer IP-Adressen gleich ist. Dies ist auch eine der Hauptvoraussetzungen, dass diese Hosts direkt untereinander kommunizieren können, beispielsweise durch den Einsatz von Hubs oder Switches. Um den Datenaustausch zwischen unterschiedlichen Netzen zu realisieren, wird ein Router benötigt.

IPv6

Durch die rasend schnelle Verbreitung des Internets und den damit verbundenen kontinuierlich wachsenden Bedarf an IP-Adressen ist es absehbar, dass es früher oder später zu einer Knappheit der verfügbaren IPv4-Adressen kommen wird. Aus diesem Grund gab die IETF (Internet Engineering Tast Force) bereits 1995 bekannt, dass eine Arbeitsgruppe an der Entwicklung von IPv6 arbeiten würde. Im Dezember 1998 wurde IPv6 als offizieller Nachfolger von IPv4 der breiten Öffentlichkeit vorgestellt. Die Neuerungen von IPv6 umfassen:

  • Erhebliche Vergrößerung des Adressraumes auf 340 Sextillionen verfügbarer IP-Adressen.
  • Optimierung des vorhandenen Protokollrahmens, was zu einer Entlastung der Router führt.
  • Automatische Konfiguration von IPv6-Adressen, wodurch Protokolle und Verfahren wie DHCP überflüssig werden.
  • Mobile IPv6
  • IPv6 verfügt über IPsec-Implementierung, wodurch die kryptografische Verschlüsslung und Validation von Datenpaketen ohne zusätzliche externe Verfahren ermöglicht werden.
  • Native Unterstützung für diverse Netzwerk-Services wie beispielsweise Quality of Service (QOS) und Multicast.

IPv6-Adressen unterscheiden sich im Aufbau von ihren älteren IPv4-Äquivalenten. Im Vergleich zu IPv4 Adressen sind IPv6-Adressen 128 Bit lang, wobei die ersten 64 Bit den sogenannten “Präfix” bilden, während die restlichen 64 Bit einen bestimmten Interface-Identifier beschreiben. Da eine Dezimaldarstellung einer IPv6-Adresse äußerst unübersichtlich und für den Menschen schlecht lesbar wäre, werden diese IP-Adressen hexadezimal dargestellt.

Beispiel

Beispiel einer IPv6-Adresse: 2001:0db8:85a3:0000:0000:8a2e:0370:7344

Routing

Eine IPv4-Adresse wird anhand einer Netzmaske, während eine IPv6-Adresse durch die Länge des Präfixes in einen Netzwerk- und Hostteil getrennt wird. Mit der Netzmaske bzw. der Präfixlänge wird angegeben, an welcher Stelle die Adresse geteilt werden muss. Hosts (Rechner), die sich in einem gemeinsamen Netzwerk befinden, besitzen eine identische Präfixlänge bzw. Netzmaske. Diese Information, ob sich die Geräte im selben Subnetz befinden, wird benötigt, um entsprechende Routing-Entscheidungen zu treffen. Wenn ein Host ein Datenpaket versenden möchte, werden zuerst die Netzwerkteile der Ausgangs- und der Ziel-IP-Adresse miteinander verglichen. Falls diese identisch sind, befinden sich die beiden Hosts im selben Subnetz, sodass das Datenpaket direkt an den Empfänger gesendet werden kann. Wenn die beiden Netzwerkteile hingegen nicht übereinstimmen sollten, wird über eine Routingtabelle die IP-Adresse des für das jeweilige Subnetz zuständigen Routers angefordert und das Datenpaket wird an den zuständigen Router weitergeleitet. Der Router ist über eine oder mehrere Ethernet-Schnittstellen mit anderen Netzen verbunden und routet das Datenpaket mit dem gleichen Verfahren weiter. Der Router verfügt über eine eigene Routingtabelle, die er zuerst konsultiert und danach das Datenpaket entweder an einen anderen Router oder an seine Zieladresse weiterleitet. Das Datenpaket kann bis zu seiner Zieladresse mehrere Router und Netze durchlaufen. Das Weiterleiten von einem Router zu einem anderen wird als “Hop” (Sprung) bezeichnet.

Vergabe von IP-Netzen

Für die Vergabe von IP-Netzen im Internet ist die IANA (Internet Aussigned Numbers Authority) zuständig. In den Anfängen des Internets hat die IANA IP-Netze direkt an Firmen, Organisationen und Universitäten vergeben. Heutzutage wird die Zuteilung von IP-Netzen nicht direkt von der IANA geregelt, sondern auf regionale Vergabestellen ausgelagert. Im Februar 2005 wurden fünf regionale Vergabestellen für die Zuteilung von IP-Netzen im Internet von der IANA ins Leben gerufen. Die fünf Regional Internet Registries (RIR) sind für die Vergabe von IP-Netzen in den ihnen zugeteilten geografischen Bereich zuständig:

  • AfriNIC für Afrika (African Network Information Centre)
  • ARIN für Nordamerika (American Registry for Internet Numbers)
  • APNIC für die Region Asien-Pazifik (Asia Pacific Network Informaiton Centre)
  • LACNIC für Südamerika und den karibischen Raum (Latin America and Caribbean Network Information Centre)
  • RIPE NCC für Europa, Nahen Osten und Zentralasien (Réseaux IP Européens Network Coordination Centre)

Die regionalen Register vergeben IP-Netze an lokale Internet Service Provider (ISPs) und Vergabestellen. Diese sogenannten “Local Internet Registries” (LIR) geben die ihnen zugeteilten IP-Adressen an Endkunden weiter.

Lokale Netze

In privaten, lokalen Netzwerken kommen sogenannten “private IP-Adressen” zum Einsatz. Diese Adressen sind für die Nutzung in lokalen Netzwerken (LANs) reserviert und werden im globalen Internet nicht geroutet. Hierzu gehören folgende Adressenbereiche:

  • 10.0.0.0 bis 10.255.255.255
  • 172.16.0.0 bis 172.31.255.255
  • 192.168.0.0 bis 192.168.255.255

Um eine Kommunikation mit Hosts außerhalb eines lokalen Netzwerks zu ermöglichen, werden lokale IP-Adressen von einem Router durch den Einsatz des Network Address Translation-Verfahrens (NAT) in öffentliche IP-Adressen umgewandelt. Darüber hinaus ermöglicht NAT, dass alle Hosts eines lokalen Netzwerks, im Internet unter einer einzigen IP-Adresse auftreten, wodurch an IP-Adressen gespart wird.

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