Was ist eine IPv4-Adresse?

Das Internetprotokoll Version 4, kurz IPv4, markiert den Beginn der Internetprotokoll-Ära und wurde vom US-Verteidigungsministerium innerhalb des Advanced Research Projects Agency Network (ARPANET) ins Leben gerufen. Eine bemerkenswerte Eigenschaft von IPv4 ist seine Fähigkeit, eine immense Anzahl von IP-Adressen zu erzeugen, die in die Milliarden gehen. Seit seiner Einführung im Jahre 1983, steht IPv4 jedoch angesichts der ständig wachsenden Anzahl an IoT-Geräten kurz vor dem Adressmangel. Dieser Artikel beleuchtet die Definition einer IPv4-Adresse, ihre Eigenschaften und die damit verbundenen Vor- und Nachteile.

Was ist eine IPv4-Adresse genau?

Als erste Inkarnation des Internetprotokolls, verwendet IPv4 einen 32-Bit-Adressraum und ist somit die gängigste Form der IP-Adresse. Diese 32-Bit-Adresse wird in einer bestimmten Notation dargestellt, nämlich als vier durch Punkte getrennte Zahlen. Jede dieser Zahlengruppen wird als Oktett bezeichnet und enthält Werte zwischen 0 und 255. IPv4 kann beeindruckende 4,3 Milliarden eindeutige IP-Adressen generieren. Ein typisches Beispiel für eine IPv4-Adresse ist beispielsweise 234.123.42.65. Weiter unten werden wir uns auch mit der Umwandlung einer IPv4-Adresse in Binärcode befassen.

Bestandteile einer IPv4-Adresse

Eine IP-Adresse setzt sich aus drei grundlegenden Teilen zusammen:

• Netzwerk-Identifikator: Dieser Teil der IP-Adresse kennzeichnet das Netzwerk, zu dem die Adresse gehört. Er befindet sich üblicherweise auf der linken Seite der IP-Adresse.

• Host-Identifikator: Der Host-Teil dient der eindeutigen Identifizierung eines bestimmten Geräts innerhalb des Netzwerks. Während der Netzwerk-Teil für alle Hosts im selben Netzwerk identisch ist, unterscheidet sich der Host-Teil normalerweise.

Am Beispiel der IP-Adresse 234.123.42.65, sind die Netzwerk- und Host-Teile wie folgt aufgeteilt:

234
123
42
65
Netzwerk-Teil
Host-Teil

• Subnetz-Identifikator: Dies ist ein optionaler Bestandteil einer IP-Adresse. Die Aufteilung einer IP-Adresse in kleinere Subnetze ermöglicht eine bessere Verwaltung und reduziert den Datenverkehr innerhalb des Netzes.

Die Umwandlung von IPv4-Adressen in Binärcode

Während IPv4-Adressen für uns Menschen als numerische 32-Bit-Adressen lesbar sind, kommunizieren Computer und Netzwerke in binärer Sprache. Wir werden uns nun damit beschäftigen, wie eine IPv4-Adresse mithilfe einer bestimmten Methode in Binärcode umgewandelt wird. Wie bereits erwähnt, wird jedes Bit innerhalb eines Oktetts durch eine Ziffer repräsentiert. Wir verwenden hierfür eine sogenannte 8-Bit-Oktett-Tabelle, in der jede Zahl den Wert des entsprechenden Bits darstellt.

Nehmen wir die IP-Adresse 234.123.42.65 als Beispiel und wandeln sie mit Hilfe der Oktett-Tabelle in Binärcode um. Jedes Bit in einem Oktett wird entweder als 1 oder 0 dargestellt. Im ersten Oktett haben wir die Zahl 234. Nun müssen wir die Zahlen aus der Oktett-Tabelle herausfinden, die in Summe 234 ergeben. Das sind 128+64+32+8+2. Entsprechend werden diese Zahlen, die zur Summe beitragen, als 1 dargestellt, während die restlichen Zahlen eine 0 erhalten.

128
64
32
16
8
4
2
1
1
1
1
0
1
0
1
0

Die binäre Entsprechung für 234 lautet also 11101010. Dieses Verfahren wird mit jedem Oktett wiederholt.

128
64
32
16
8
4
2
1
123
0
1
1
1
1
0
1
1
42
0
0
1
0
1
0
1
0
65
0
1
0
0
0
0
0
1

Folglich ist der Binärcode für die IP-Adresse 234.123.42.65: 11101010.01111011.00101010.01000001

IPv4 im Kontext des OSI-Modells

Die International Standards Organization (ISO) hat das OSI-Modell für Kommunikationssysteme entwickelt. OSI steht für Open System Interconnection. Dieses Modell strukturiert die Kommunikation zwischen Systemen über verschiedene Protokolle in mehreren Schichten. Jede Schicht übernimmt eine bestimmte Aufgabe im Kommunikationsprozess. Das OSI-Modell besteht aus folgenden Schichten:

• Anwendungsschicht (Schicht 7): Die Anwendungsschicht befindet sich am nächsten zum Benutzer. Sie ist verantwortlich für die Darstellung und Verarbeitung von Daten, die vom Benutzer eingegeben oder empfangen wurden. Sie ermöglicht die Kommunikation über die unteren Schichten hinweg, wie zum Beispiel bei TelNet und FTP.

• Darstellungsschicht (Schicht 6): Die Darstellungsschicht ist zuständig für die Datenverarbeitung. Hier findet die Umwandlung von Datenformaten, beispielsweise von Anwendungsformat in Netzwerkformat oder umgekehrt, statt. Auch die Ver- und Entschlüsselung von Daten fällt in ihren Aufgabenbereich.

• Sitzungsschicht (Schicht 5): Die Sitzungsschicht kommt ins Spiel, wenn zwei Rechner miteinander kommunizieren müssen. Sie ist verantwortlich für den Aufbau, die Steuerung und die Beendigung von Kommunikationssitzungen, einschließlich der Passwortauthentifizierung.

• Transportschicht (Schicht 4): Die Transportschicht gewährleistet eine zuverlässige Datenübertragung von einem Netzwerk zum anderen. Sie regelt Aspekte wie Datenmenge, Übertragungsgeschwindigkeit und das Ziel der Daten. TCP/IP und UDP arbeiten auf dieser Ebene. Hier werden Daten von den oberen Schichten empfangen, in kleinere Segmente zerlegt und an die Netzwerkschicht weitergeleitet.

• Netzwerkschicht (Schicht 3): Die Netzwerkschicht ist verantwortlich für das Routing von Datenpaketen oder -segmenten zu ihrem Bestimmungsort. Sie wählt effizient den besten Weg aus, um das Ziel zu erreichen.

• Sicherungsschicht (Schicht 2): Die Sicherungsschicht übernimmt die Übertragung von Daten von der physikalischen Schicht zu den höheren Schichten. Sie ist auch für die Erkennung und Behebung von Übertragungsfehlern verantwortlich.

• Physikalische Schicht (Schicht 1): Die physikalische Schicht ist die unterste Schicht des OSI-Modells. Sie umfasst die physikalischen und elektrischen Aspekte der Kommunikation, wie Kabeltypen, Pinbelegungen, Spannung usw.

Die Struktur eines IPv4-Pakets

Ein IPv4-Paket besteht aus zwei Hauptteilen: dem Header und den Daten. Es kann bis zu 65.535 Bytes transportieren. Die Größe des IP-Headers variiert zwischen 20 und 60 Bytes. Der Header enthält Informationen wie die Quell- und Zieladresse sowie andere Steuerungsdaten, die dem Paket helfen, sein Ziel zu erreichen.

Die Bestandteile eines IPv4-Paket-Headers

Ein IPv4-Paket-Header besteht aus 13 obligatorischen Feldern. Betrachten wir sie und ihre jeweilige Funktion:

• Version: Ein 4-Bit-Feld, das die verwendete IP-Version identifiziert.

• Internet Header Length (IHL): Die Länge des gesamten IP-Headers.

• Diensttyp: Gibt Auskunft über die Priorität von Paketen.

• Gesamtlänge: Die Gesamtgröße des IP-Pakets, mit einem Minimum von 20 Bytes und einem Maximum von 65.535 Bytes.

• Identifikation: Hilft bei der Identifizierung von Fragmenten eines Pakets, die bei der Übertragung aufgeteilt werden.

• ECN: Explicit Congestion Notification zur Überprüfung der Paketüberlastung.

• Flags: Ein 3-Bit-Feld, das angibt, ob ein IP-Paket fragmentiert werden muss oder nicht.

• Fragment-Offset: Ermöglicht die korrekte Anordnung von fragmentierten Daten in einem IP-Paket.

• Time to Live (TTL): Ein Wert, der bei jedem Router-Hop um eins reduziert wird. Sobald der TTL-Wert null erreicht, wird das Paket verworfen.

• Protokoll: Ein 8-Bit-Feld, das das Protokoll angibt, zu dem ein IP-Paket gehört.

• Header Checksum: Zur Fehlererkennung im Header.

• Quell-IP-Adresse: Die 32-Bit-IPv4-Adresse des Absenders.

• Ziel-IP-Adresse: Die 32-Bit-IPv4-Adresse des Empfängers.

• Optionen: Wird verwendet, wenn die IHL-Länge größer als 5 ist.

Betrachten wir nun die Eigenschaften und die Vor- und Nachteile von IPv4 im Detail.

Die Eigenschaften von IPv4

Nachfolgend sind die charakteristischen Merkmale von IPv4 aufgeführt:

• IPv4 verwendet eine 32-Bit-IP-Adresse.
• Die numerischen Elemente der Adresse sind durch Punkte voneinander getrennt.
• Es kennt Unicast-, Multicast- und Broadcast-Adressierungsmodi.
• IPv4 ist durch zwölf Header-Felder strukturiert.
• IPv4 unterstützt Subnetze variabler Länge (VLSM).
• Es nutzt das Address Resolution Protocol zur Zuordnung von IP- zu MAC-Adressen.
• Netzwerke werden mithilfe von DHCP oder manuell konfiguriert.

Vor- und Nachteile von IPv4

Hier ein Überblick über die Stärken und Schwächen von IPv4:

Vorteile von IPv4

• Die Netzwerkzuweisung und Kompatibilität von IPv4 sind bemerkenswert.
• Es bietet einen effizienten Routing-Dienst.
• IPv4-Adressen verfügen über eine solide Verschlüsselung.
• Es ermöglicht die einfache Verbindung mehrerer Geräte in einem Netzwerk.
• Es ist das Standardkommunikationsmittel, insbesondere in Multicast-Umgebungen.

Nachteile von IPv4

• Der IPv4-Adressraum ist nahezu erschöpft.
• Das Systemmanagement von IPv4 ist aufwendig, komplex und zeitintensiv.
• Es bietet ein ineffizientes und unzureichendes Internet-Routing.
• Seine Sicherheitsfunktion ist optional.

Dies sind die wesentlichen Vor- und Nachteile des IPv4-Protokolls.

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Trotz allem findet ein Übergang zur erweiterten Version von IPv4, nämlich IPv6, statt. Obwohl die IPv4-Adressen zur Neige gehen, wird IPv4 aufgrund seiner Kompatibilität weiterhin genutzt. Wir hoffen, dass dieser Artikel Ihnen ein umfassendes Verständnis von IPv4-Adressen vermitteln konnte. Ihre Fragen und Anregungen sind im Kommentarbereich willkommen.