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platzhalter Rund ums Web: Version 1.0 vom 12. Juli 2000, Autor: Andreas Pidde
 
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IPv4-Adresse

Die IPv4-Adresse (IPv4: Internet Protocol Version 4, kurz IP-Adresse) adressiert im TCP/IP Protokoll eindeutig ein Netzwerkinterface (einem Interface können mehrere Adressen zugeordnet sein, aber einer Adresse jeweils ein Interface - Ausnahme Multicast- und Broadcast-Adressen) in einem Internet. In der noch aktuellen Version 4 des Internet Protokolls (IPv4) ist die Adresse eine 32Bit Nummer (0 - 4 294 967 295), in der neueren Version IPv6 werden es dann 128 Bits sein. Zur besseren Übersichtlichkeit wird die Zahl in 4 x 8Bit (so genannte Oktetts, jeweils 0-255) aufgeteilt, durch Punkte getrennt und dezimal ausgeschrieben. So entspricht die IP-Adresse 141.26.64.18 der 32 Bit-Zahl 10001101 00011010 01000000 00010010. Mit Hilfe dieser Nummer kann ein IP-Datagramm im Netzwerk durch spezielle Knoten, so genannte Router, an den Empfänger in einem Internet geleitet werden.

Die Adressen werden in Gruppen aufgeteilt. Diese Nummergruppen werden durch verwaltende Instanzen an die einzelnen Netzwerkbetreiber vergeben. International war diese Instanz einst die Internet Assigned Numbers Authority (IANA), s.a.[IP Address Services], neuerdings ist es die Internet Corporation for Assigned Names and Numbers (ICANN) mit der Verteilung der Netzwerkadressen auf internationaler Ebene betraut. Auf nationaler Ebene arbeiten andere Organisationen (z.B. Ripe in Europa) an der Vergabe der Adressen. Die Netzwerkbetreiber können dann bei Bedarf weitere Untergruppen bilden (Subnetting) und die einzelnen Adressen ihren Hosts (bzw. genauer, den Netzwerkinterfaces) zuweisen.

Nach der Anzahl der Adressen innerhalb einer Gruppe wurden Klassen von Netzwerken unterschieden, s.a. [RFC 1466: Guidelines for Management of IP Address Space]. Vor der Einführung des Classless Inter-Domain Routing (CIDR) konnte anhand der höherwertigen Bits einer IP-Adresse und einer Netzmaske entschieden werden, zu welchem Netzwerk eine IP-Adresse gehört. Die Netzklassen-Zugehörigkeit konnte schon an dem ersten Wert der Dezimalschreibweise festgestellt werden: 0-127 Klasse A, 128-191 Klasse B, 192-223 Klasse C, 224-239 Multicast und 240-255 experimentelle Adressen. Zur allgemeinen Verfügung standen die Klassen A, B und C. Zusätzlich gibt es noch Multicast-Gruppennummern und für Experimente reservierte Nummern. Die Netzadressen werden für das Routing (der Zustellung der Netzpakete) verwendet.

Die Adressen werden, um die Netzpakete zustellen zu können, Internet-Domänen zugewiesen. Alle Adressen bekommen in diesen Domänen einen (oder mehrere) 'lesbare' Namen zugeordnet. Dem Namen 'www.uni-koblenz.de' ist die oben schon genannte Adresse 141.26.64.18 zugeordnet, das Netzwerk 'uni-koblenz.de' hat die Adresse 141.26.0.0 (für diese Netzwerkadresse sind die ersten 16 Bit der Adresse relevant). Durch eine Subnetzmaske (s.u.) 255.255.0.0, bzw. in der CIDR Schreibweise 141.26.0.0/16 wird die Auftrennung von Netz- und Host-Adresse sichtbar gemacht. Die Zuordnung der Namen an die Adresse wird durch das Domain Name System (DNS) erledigt.

Höherwertige Bits Format Max. Anzahl Netzwerke Max. Anzahl Hosts/Netzwerk Klasse
0 7 Bit für Netzwerke
24 Bit für Hosts
126 16 777 214 A
10 14 Bit für Netzwerke
16 Bit für Hosts
16 383 65 534 B
110 21 Bit für Netzwerke
8 Bit für Hosts
2 097 151 254 C
1110 28 Bit Multicast-Gruppennummern - - D
11110 28 Bit reserviert für Experimente
-
-
E
Tab. 1: Fragmentierung des IP-Adressraums nach der alten Klassenaufteilung

Nicht alle möglichen Adressen können für Netzwerke und Hosts verwendet werden, deshalb die Diskrepanz zwischen dem Wert der Bits und der Anzahl der Netzwerke, bzw. Hosts.

Bei den Hosts fallen generell zwei Adressen weg, die Host-Adresse, die aus Null-Bits besteht und die, die aus Eins-Bits besteht. Die mit Nullen aufgefüllte, kann als Quelladresse verwendet werden, wenn die eigene IP-Adresse nicht bekannt ist - d.h. ein Paket wurde von einem Host mit unbekannter Adresse aus einem Netzwerk mit bekannter Adresse geschickt. Diese Adresse wird auch als Netzwerkadresse bezeichnet. Die mit den Einsen aufgefüllte Adresse wird als Broadcast-Adresse (Rundruf) verwendet - d.h. sie ist eine Zieladresse mit der alle Hosts in einem Netzwerk gleichzeitig adressiert werden.

Die Adresse 0.0.0.0, Default Route genannt, wird von Hosts, die ihre IP-Adresse nicht kennen, als Quelladresse verwendet. Dadurch entfällt schon mal ein komplettes Netzwerk der Klasse A Größe. Die Adresse 127.0.0.1 (Name: localhost) ist immer die so genannte Loopback-Adresse (Schleifenadresse), d.h. der jeweilige Rechner kann sich mit dieser Adresse selbst adressieren, auch ohne ein Netzwerk-Interface zu besitzen. Genauer gesagt kann er sich mit allen Adressen aus dem Klasse A Netzwerk 127.x.y.z selbst adressieren. Das zweite Netzwerk der Klasse A Größe entfällt.

255.255.255.255 kann als Broadcast-Adresse für alle Hosts im eigenen Netzwerk verwendet werden, z.B. um einen oder mehrere Rechner in einem lokalen Netz anzusprechen dessen Netzwerkadressen unbekannt sind.

Auch bei den Multicast-Adressen gibt es reservierte Nummern. So bezeichnet 224.0.0.2 alle Router in einem Netzwerk, 224.0.0.1 alle Systeme in einem Netzwerk. Im Gegensatz zu Broadcast-Adressen können mit Multicast-Adressen Gruppen von beliebigen IP-Adressen zusammengestellt werden, die dann als Empfänger dienen. Wenn viele Empfänger häufig gleiche Daten erhalten wird so u.U. weniger Bandbreite beansprucht, als jedem Empfänger einzeln die Pakete über das Internet zu routen. Der Verwaltungsaufwand für die Router wird durch die verschiedenen Multicast-Gruppen erhöht.

Für jede der alten Netzwerkklassen A, B und C gibt es zusätzlich reservierte Nummernkreise (s.a. [RFC 1597: IAB OFFICIAL PROTOCOL STANDARDS], [RFC 1918: Address Allocation for Private Internets] und [INTERNET PROTOCOL ADDRESS SPACE]) für private Netzwerke, d.h. für die TCP/IP-Netzwerke die nicht an das weltweite Internet angeschlossen sind. Ein Netzwerk kann so adressiert werden, ohne dass es zu Adresskonflikten kommt, wenn das Netzwerk schließlich mit einem entsprechenden Adressumsetzungsverfahren (NAT) über ein Gateway (z.B. einem ISDN Einwahlknoten) mit dem 'wirklichem' Internet verbunden werden soll. Auch nach dem prinzipiellen Wegfall der Klassen durch CIDR, bleiben diese Bereiche reserviert.

Klasse Reservierte Netzwerk-Adressen
A 10.0.0.0 - 10.255.255.255
B 172.16.0.0 - 172.31.255.255
C 192.168.0.0 - 192.168.255.255
Tab. 2: Reservierte IP-Adressen für private Benutzung nach RFC 1597

Ein wesentlicher Punkt, der zur Entwicklung und geplanten Einführung des neuen Internet-Protokolls (IPv6) beigetragen hat ist, die Verknappung der Adressen. Durch die ehemalige Klassen-Bildung waren Netzwerkadressen rar geworden. Es gab zwar noch Class-C, die sind aber für viele zu klein. Eine Zusammenlegung mehrerer Class-C Netze zu größeren (Superneting), führte zu immer größer werdenden Routing-Tabellen. Eine Übergangslösung durch Umstrukturierung des Adressbereichs stellt bis zur Einführung des IPv6 Protokolls das klassenlose IP-Routing dar: [RFC 1518: An Architecture for IP Address Allocation with CIDR] und [RFC 4632: Classless Inter-Domain Routing (CIDR): an Address Assignment and Aggregation Strategy]. 1993 wurde dieses Verfahren im Weltweiten Internet eingeführt.

Bitmasken (Netzmasken) dienen zur Unterteilung einer IP-Adresse in den Netzwerkadressen-Teil und den Hostadressen-Teil. Bei den alten Klasse C Netzen ohne Subnetze ist die Maske 255.255.255.0. Wird die Maske mit der IP-Adresse mit der logischen Operation AND verknüpft erhält man die Netzwerkadresse. Diese Netzmaske sollte von links mit Einsen gefüllt werden, um die entsprechende Anzahl weiterer Subnetzen zu erhalten. Mit 255.255.255.192 (192: die höherwertigen 2 Bit des letzten Bytes) kann das ursprüngliche Class-C große Netz in 4 Subnetze á 62 Hosts aufgeteilt werden. Einschränkungen auf die Nummern der Subnetze gibt es nicht, bei den Hostadressen der Subnetze fallen wieder die zwei Adressen aus den Bits nur 0 und nur 1 weg.

11111111 11111111 11111111 11000000
-------- -------- -------- --XXXXXX
Netzwerkadresse              Hostadresse

Beim CIDR entfällt die starre Anordnung der Netze in Klassen. Einer Standard-Netzwerkadresse wird die Anzahl der belegten Bits für die Netzwerkadresse als Suffix /<n> angefügt. Bsp.: /16 steht für die Maske 255.255.0.0 und /26 für 255.255.255.192. Aus den verbleibenden alten "Class-C" Netzen und anderen zurückgegebenen alten Adressbereichen wird so versucht, aus zusammenhängenden Adressintervallen die Bereiche in einer für Netze ausreichende Größe zusammenzufassen. Vor CIDR mussten für größere Netze da A und B vergeben waren, mehrere der kleineren Class-C Netze verwendet werden. Durch die variable Netzmaskengröße kann ein allzu großer Verlust an Adressen durch brachliegende Bereiche vermindert werden. Der Adressraum selbst wird aber nicht vergrößert, da im IPv4 immer noch die 32bit IP-Adresse eine Gegenstelle im Internet adressiert. Zusätzlich können auch die Routing-Tabellen verkleinert werden, da größere Netze als die alten Class-C Netze mit den noch vorhandenen Adressen abgedeckt werden können. Es wurde bei der Reservierung der Adressbereiche darauf geachtet, dass Erdteilen zusammenhängende Adressbereiche zugewiesen wurden (Aggregation) und eine nach geographischen Gesichtspunkten effiziente routbare hierarchische Struktur entsteht.

Die Einführung von CIDR ist für das Routing relevant. Zuvor konnte schon anhand des ersten Bytes der IP-Adresse eine routbare Klasse von Netzadressen herausgefiltert werden. Den heutigen IP-(Host-)Adressen "sieht" man die zugehörende Netzadresse nicht mehr an, da die besondere Bedeutung der ersten signifikanten Bits im Prinzip entfällt und das Suffix nicht Bestandteil der Adresse eines IP-Headers ist. Die Netzmaske wird zwischen den Routern in speziellen Routing-Protokollen übermittelt. Das CIDR macht die Reservierung, Vergabe und Suche der Netzwerkadressen komplizierter. In privaten (d.h. nicht im weltweiten Internet integrierten) TCP/IP-Netzwerken wird deshalb auf CIDR oft verzichtet.

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