4.4 Lektion 1

IP-Adressen sind, ähnlich wie MAC-Adressen, eine Möglichkeit anzugeben, woher ein Datenpaket kommt und wohin es geht. IPv4 war das ursprüngliche Protokoll. IPv4-Adressen sind 32 Bit lang und ergeben eine theoretische maximale Anzahl von 4.294.967.296 Adressen. Die Anzahl der von den Geräten nutzbaren Adressen ist jedoch viel geringer, da einige Bereiche für spezielle Anwendungsfälle reserviert sind, wie z.B. Broadcast-Adressen (mit denen alle Teilnehmer eines bestimmten Netzwerks erreicht werden), Multicast-Adressen (ähnlich wie Broadcast-Adressen, aber ein Gerät muss sich wie ein Radio einschalten) oder solche, die für den privaten Gebrauch reserviert sind.

In ihrem menschenlesbaren Format werden IPv4-Adressen als vier jeweils durch einen Punkt getrennte Zahlen geschrieben, wobei jede Zahl zwischen 0 und 255 liegt, z.B.:

Technisch gesehen stellt jede dieser Zahlen acht einzelne Bits dar, so dass diese Adresse auch so geschrieben werden könnte:

In der Praxis wird die dezimale Notation, wie oben beschrieben, verwendet, jedoch ist die bitweise Darstellung wichtig, um das sog. Subnetting zu verstehen.

Um Routing zu unterstützen, können IP-Adressen in zwei Teile aufgeteilt werden: den Netzwerk- und den Host-Teil. Der Netzwerkteil identifiziert das Netzwerk, in dem sich das Gerät befindet, und dient dazu, Pakete an dieses Netzwerk weiterzuleiten. Der Host-Teil dient dazu, eine bestimmtes Gerät in einem Netzwerk zu identifizieren und das Paket an seinen spezifischen Empfänger weiterzugeben, sobald es dessen Verbindungsschichtnetzwerk erreicht hat.

IP-Adressen können jederzeit in Subnetz- und Host-Teile zerlegt werden, wobei die sogenannte Subnetzmaske definiert, wo diese Aufteilung erfolgt. Betrachten wir die binäre Darstellung der IP-Adresse aus dem vorherigen Beispiel:

Nun setzt die Subnetzmaske für diese IP-Adresse jedes Bit, das zum Netzwerkteil gehört, auf 1 und jedes Bit, das zum Host-Teil gehört, auf 0:

In der Praxis wird die Netzmaske in dezimaler Schreibweise notiert:

Das bedeutet, dass dieses Netzwerk von 192.168.0.0 bis 192.168.0.255 reicht. Beachten Sie, dass die ersten drei Zahlen, bei denen alle Bits in der Netzmaske gesetzt sind, in den IP-Adressen unverändert bleiben.

Schließlich gibt es noch eine alternative Notation für die Subnetzmaske, die Classless Inter-Domain Routing (CIDR) genannt wird. Sie gibt lediglich an, wie viele Bits in der Subnetzmaske gesetzt sind, und fügt diese Zahl zur IP-Adresse hinzu. 24 von 32 Bits sind im Beispiel in der Subnetzmaske auf 1 gesetzt, was in CIDR-Notation als 192.168.0.1/24 ausgedrückt wird.

Wie bereits erwähnt, sind bestimmte Abschnitte des IPv4-Adressraums für spezielle Anwendungsfälle reserviert, darunter die private Adresszuweisung. Die folgenden Subnetze sind für die private Adressierung reserviert:

Jedermann kann Adressen aus diesen Subnetzen nutzen, aber sie werden im öffentlichen Internet nicht geroutet werden, da potentiell zahlreiche Netzwerke sie gleichzeitig nutzen.

Heute verwenden die meisten Netzwerke diese internen Adressen. Sie ermöglichen die interne Kommunikation ohne externe Adresszuweisung. Die meisten Internetverbindungen haben heute nur noch eine einzige externe IPv4-Adresse. Router bilden beim Weiterleiten von Paketen ins Internet alle internen Adressen auf diese einzelne externe IP-Adresse ab, was als Network Address Translation (NAT) bezeichnet wird. Der Sonderfall von NAT, bei dem ein Router interne Adressen auf eine einzige externe IP-Adresse abbildet, wird manchmal als Masquerading bezeichnet. Dies ermöglicht es jedem Gerät im internen Netzwerk, neue Verbindungen mit jeder globalen IP-Adresse im Internet herzustellen.

Es gibt zwei Möglichkeiten, IPv4-Adressen auf einem Computer zu konfigurieren: Entweder durch manuelle Adresszuweisung oder durch Verwendung des Dynamic Host Configuration Protocol (DHCP) für die automatische Konfiguration.

Beim Einsatz von DHCP steuert ein zentraler Server, welche Adressen an welche Geräte übergeben werden. Der Server versorgt Geräte auch mit anderen Netzwerkinformationen, z.B. zu IP-Adressen von DNS-Servern, zur IP-Adresse des Standard-Routers oder — bei komplexeren Setups — zum Start eines Betriebssystems aus dem Netzwerk. DHCP ist auf vielen Systemen standardmäßig aktiviert, so dass Sie wahrscheinlich bereits eine IP-Adresse haben, wenn Sie mit einem Netzwerk verbunden sind.

IP-Adressen lassen sich auch manuell mit dem Befehl ip addr add einer Schnittstelle zuweisen. Hier geben wir die Adresse 192.168.0.5 der Schnittstelle ens33. Das Netzwerk verwendet die Netzmaske 255.255.255.0, was /24 in CIDR-Notation entspricht:

Jetzt prüfen wir mit dem Befehl ip addr show, ob die Adresse zugewiesen wurde:

Die Ausgabe zeigt sowohl die lo- als auch die ens33-Schnittstelle mit der oben zugewiesenen Adresse.

Um die Erreichbarkeit eines Geräts zu prüfen, dient der Befehl ping. Er sendet eine spezielle Nachricht namens Echo Request, mit der der Absender den Empfänger um eine Antwort bittet. Kann die Verbindung zwischen den beiden Geräten erfolgreich hergestellt werden, sendet der Empfänger ein Echo Reply zurück und bestätigt damit die Verbindung:

Der Parameter -c 3 bewirkt, dass ping nach dem Senden von drei Echo Requests stoppt. Andernfalls läuft ping immer weiter und muss durch Ctrl+C gestoppt werden.

Routing ist der Prozess, bei dem ein Paket vom Quellnetzwerk zum Zielnetzwerk gelangt. Jedes Gerät hält eine Routingtabelle vor, die Informationen darüber enthält, welches IP-Netzwerk über den Anschluss an das Verbindungsschichtnetzwerk direkt erreichbar ist und welches IP-Netzwerk durch Weiterleitung von Paketen an einen Router erreicht werden kann. Schließlich definiert eine Default Route einen Router, der alle Pakete empfängt, die keiner anderen Route entsprechen.

Beim Verbindungsaufbau sucht das Gerät die IP-Adresse des Ziels in seiner Routingtabelle. Stimmt ein Eintrag mit der Adresse überein, wird das Paket entweder an das jeweilige Verbindungsschichtnetzwerk gesendet oder an den in der Routingtabelle angegebenen Router weitergeleitet.

Router selbst pflegen ebenfalls Routingtabellen. Empfängt er ein Paket, sucht ein Router die Zieladresse in seiner eigenen Routingtabelle und sendet das Paket an den nächsten Router, was sich wiederholt, bis das Paket beim Router im Zielnetzwerk ankommt. Jeder an dieser Reise beteiligte Router wird als Hop bezeichnet. Der letzte Router findet eine direkte Verbindung zur Zieladresse in seiner Routingtabelle und sendet die Pakete zur Zielschnittstelle.

Die meisten Heimnetzwerke haben nur einen Weg nach draußen, einen einzigen Router vom Internet Service Provider (ISP). In diesem Fall leitet ein Gerät einfach alle Pakete, die nicht für das interne Netzwerk bestimmt sind, direkt an den Heimrouter weiter, der sie dann zur Weiterleitung an den Router des Providers sendet. Dies ist ein Beispiel für eine Standardroute.

Der Befehl ip route show listet die aktuelle IPv4-Routingtabelle auf:

Um eine Standardroute hinzuzufügen, benötigen Sie lediglich die interne Adresse des Routers, der das Standard-Gateway sein wird. Wenn der Router beispielsweise die Adresse 192.168.0.1 hat, dann wird er mit dem folgenden Befehl als Standardroute eingerichtet:

Um dies zu überprüfen, führen Sie ip route show erneut aus:

IPv6-Adressen bestehen aus 8 Gruppen von 4 hexadezimalen Ziffern, die jeweils durch einen Doppelpunkt getrennt sind:

Um es einfacher zu machen, können führende Nullen aus jeder Gruppe bei der Notierung entfernt werden, jedoch muss jede Gruppe mindestens eine Ziffer enthalten:

Wenn mehrere Gruppen, die nur Nullen enthalten, unmittelbar hintereinander folgen, können sie vollständig durch :: ersetzt werden:

Das ist jedoch nur einmal in jeder Adresse erlaubt.

Die ersten 64 Bit einer IPv6-Adresse werden als Routing-Präfix bezeichnet und von Routern dazu verwendet, um zu bestimmen, zu welchem Netzwerk ein Gerät gehört und somit auf welchem Pfad die Daten gesendet werden müssen. Subnetting findet immer innerhalb des Präfix statt. ISPs vergeben in der Regel /48 oder /58 Präfixe an ihre Kunden, so dass sie 16 oder 8 Bit für ihr internes Subnetting übrig haben.

Es gibt drei wichtige Präfix-Typen in IPv6:

Während das Präfix bestimmt, in welchem Netzwerk sich ein Gerät befindet, wird die Schnittstellenkennung verwendet, um die Geräte innerhalb eines Netzwerks zu listen. Die letzten 64 Bit einer IPv6-Adresse bilden die Schnittstellenkennung, genau wie die letzten Bit einer IPv4-Adresse.

Bei der manuellen Vergabe einer IPv6-Adresse wird die Schnittstellenkennung als Teil der Adresse eingestellt. Bei der automatischen Adresskonfiguration wird die Schnittstellenkennung entweder zufällig oder aus der Link-Layer-Adresse des Geräts abgeleitet, so dass eine Variation der Link-Layer-Adresse innerhalb der IPv6-Adresse erscheint.

Wie eine IPv4- kann auch eine IPv6-Adresse entweder manuell oder automatisch zugewiesen werden, wobei IPv6 zwei verschiedene Arten der automatisierten Konfiguration bietet: DHCPv6 und Stateless Address Autoconfiguration (SLAAC).

SLAAC ist das einfachere der beiden automatisierten Verfahren und direkt in den IPv6-Standard integriert. Die Nachrichten verwenden das neue Neighbor Discovery Protocol, das es Geräten ermöglicht, sich gegenseitig zu finden und Informationen über ein Netzwerk abzufragen. Diese Informationen werden von Routern gesendet und können IPv6-Präfixe enthalten, die die Geräte verwenden können, indem sie diese mit einer Schnittstellenkennung ihrer Wahl kombinieren, solange die resultierende Adresse sie noch nicht verwendet. Die Geräte geben dem Router keine Rückmeldung über die tatsächlich erstellten Adressen.

DHCPv6 hingegen ist das aktualisierte DHCP, das mit den Änderungen von IPv6 kompatibel ist und eine feinere Kontrolle über die an die Clients übergebenen Informationen ermöglicht, wie z.B. die Möglichkeit, dass immer dieselbe Adresse an denselben Client vergeben wird, und die Übertragung von mehr Optionen an den Client als SLAAC. Bei DHCPv6 müssen Clients die ausdrückliche Zustimmung eines DHCP-Servers einholen, um eine Adresse zu verwenden.

Das Verfahren zur manuellen Zuweisung einer IPv6-Adresse zu einer Schnittstelle ist das gleiche wie bei IPv4:

Um sicherzustellen, dass die Zuweisung erfolgreich war, wird derselbe Befehl ip addr show verwendet:

Hier sehen wir auch die Link-Local-Adresse fe80::010c:29ff:fe33:3b25/64.

Wie bei IPv4 kann auch der Befehl ping verwendet werden, um die Erreichbarkeit von Geräten über IPv6 zu bestätigen:

Um die Link-Local-Adresse erneut zu überprüfen, verwenden Sie erneut ping. Da jedoch alle Interfaces das Präfix fe80::/64 verwenden, muss neben der Adresse auch das richtige Interface angegeben werden: