Aufbau, Verfügbarkeit und Probleme von IPv4-Adressen

Inhaltsverzeichnis

1. Einleitung

2. Aufbau von IPv4-Adressen und deren Klassifizierung
2.1 Subnetting
2.2 Supernetting (Klassenlose IPv4-Adressen)

3. Spezielle IPv4-Adressen

4. Problematiken bezüglich IPv4-Adressen

4.1 Studien über die Verfügbarkeit von IPv4-Adressen

5. Fazit

6. Literatur

1. Einleitung

Diese Arbeit befasst sich mit der Vergabe von IP-Adressen der Version 4 (Kurzbezeichnung IPv4). Das zu Grunde liegende Internet Protocol (IP) ist im OSI¹-7-Schichtenmodell, das die Kommunikation von mindestens zwei Rechnern regelt, auf der Ebene 3 angesiedelt. Diese Ebene wird als Netzwerkschicht bezeichnet, auf der die logische Adressierung der Endgeräte stattfindet: „The Internet Protocol is designed for use in interconnected systems of packetswitched computer communication networks.”²

Historisch betrachtet ist das Internet-Protokoll bereits im Jahr 1981 definiert worden und bis heute hat es sich fast unverändert erhalten. Dabei hat es sich gegen neue Hardwaretechnologien ebenso wie gegen heterogene Netzwerkstrukturen und enorme Zuwachsraten behauptet.³Ein kennzeichnendes Merkmal von IPv4 ist, dass es sich um ein ungesichertes, verbindungsloses Protokoll handelt. Das heißt, die fehlerfreie Datenübertragung kann nicht gewährleistet werden. Somit können übertragene Pakete verloren gehen, Pakete können verdoppelt werden oder in fa lscher Reihenfolge beim Ziel ankommen.⁴

Der Vorteil liegt hingegen darin, dass es sich um ein performantes Protokoll handelt. Das ist auch der Grund dafür, warum es sich als Übertragungsprotokoll im weltweiten Internet ge- meinsam mit dem zu der darüber liegenden Schicht zuzuordnenden Transmission Control Protocol (TCP) - ein gesichertes, verbindungsorientiertes Protokoll - als Standard durchge- setzt hat (TCP/IP).

Im Folgenden werde ich mich bei meinen Ausführungen wenn nicht anders kenntlich gemacht auf die IP-Version 4 beziehen.

2. Aufbau von IPv4-Adressen und deren Klassifizierung

IPv4-Adressen sind 32 Bit breit. Die Notation wird in acht Bit-Blöcken vorgenommen und jede dieser Blöcke wird durch einen Punkt getrennt. Zum besseren Verständnis wird nicht die Binärschreibweise, sondern die Dezimalschreibweise verwendet. Damit können die einzelnen Blöcke einen Dezimalwert von 0-255 annehmen.

Eine typisches Beispiel: Hinter der dezimalen IP-Adresse 192.168.0.1 verbirgt sich die binäre IP-Adresse 11000000. 10101000.00000000.00000001.

Die IP-Adressen gliedern sich in einen Netzwerk- und einen Hostanteil: „The address was further structured into two fields: a network identifier and a host identifier within that ne t- work.“⁵

Genauere Auskunft über den Netzwerk- und Hostanteil gibt die Subnetzmaske, die genau wie eine IP-Adresse aufgebaut ist. Diese dient als Zuordnung für bestimmte Netzwerkklassen. Daraus können Kombinationen aus vielen, mittleren oder wenigen Netzen mit einer geringen Anzahl oder einer Vielzahl von Hosts entstehen.

Zur Erklärung:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Die weiteren Klassen sind nicht von großer Bedeutung und werden deshalb vernachlässigt. Beispielsweise wird die Klasse D für Multicast- Zwecke⁶eingesetzt, die Klasse E für Test- Zwecke.

Als Konvention wurde ferner festgelegt, dass bei der Klasse A das erste Bit des Netzanteils eine 0 ist. Deshalb stehen nur sieben Bits zur Verfügung, die verändert werden können. Das führt zu einem Adressbereich von 0.0.0.0 - 127.255.255.255. Bei der Klasse B müssen die ersten beiden Bits die Kombination 10 aufweisen, daher sind im eigentlichen Sinne nur 14 der 16 Netz-Bits variabel. Aufgrund dessen liegt der Adressbereich zwischen 128.0.0.0 und 191.255.255.255. Für die Klasse C gilt Ähnliches: Die ersten drei Bit sind auf 110 festgelegt und nur 21 Netz- Bits sind veränderbar. Daraus folgt ein Adressbereich von 192.0.0.0 bis 223.255.255.255.

Bei näherer Betrachtung wird deutlich, dass im Klasse A-Bereich relativ wenige Netze vor- kommen (2⁷= 128 Netze), diese Netze dafür aber außerordentlich groß werden können (2²⁴-2 = 16.777.214 Hosts). Der Klasse A-Bereich deckt bereits die Hälfte des Adressraumes der IP- Adressen ab. Im Klasse B-Bereich ist das Verhältnis relativ ausgeglichen (2¹⁴= 16.384 Netze,

2¹⁶-2 = 65.534 Hosts); dieser stellt ein Viertel des IP-Adressraumes zur Verfügung. Viele

Netze (2²¹= 2.097.152 Netze), die dafür relativ begrenzt in ihrer Größe sind (2⁸-2 = 254

Hosts), repräsentiert der Klasse C-Bereich. Dieser liefert ein Achtel des gesamten IP- Adressraumes. Das übrige Achtel entfällt auf die nachfolgenden Klassen.⁷

Eine weitere Einschränkung gilt für die Anzahl der Hosts in den jeweiligen Netzen. Und zwar werden zwei Adressen reserviert, nämlich die mit der niedrigsten und höchsten Wertigkeit des Hostanteils, d.h. 0 und 255. Die IP-Adresse mit der 0 steht für das Netzwerk selber; die IP- Adresse mit der 255 ist als Broadcast-Adresse reserviert, mit der alle Teilnehmer eines Netz- werks angesprochen werden (Beispiel: Die IP-Adressen 192.168.0.0 und 192.168.0.255 kön- nen nicht für Hosts in diesem Netzwerk vergeben werden. Somit ist der Bereich der IP- Adressvergabe auf 254 Hosts begrenzt, von 192.168.0.1 - 192.168.0.254).

Aus der Anzahl der Netzwerk-Bits und der Host-Bits setzt sich die Subnetzmaske zusammen. Alle Netzwerk-Bits stehen auf 1, alle Hosts-Bits stehen auf 0. Da im Klasse A-Bereich 8 Bits für den Netzanteil vorgesehen sind, lautet die Subnetzmaske 255.0.0.0, usw.

2.1 Subnetting

Eine Möglichkeit, flexibler in der Konzeption von Netzwerken vorzugehen, ist das so genann- te Subnetting. Dabei werden Host-Bits der Subnetzmaske variiert, deren Wertigkeit 0 beträgt. Damit wird erreicht, dass für Netze aus bestimmten Klassen eine zusätzliche logische Unter- teilung vorgenommen wird. Das kann etwa in Firmennetzwerken angebracht sein, die ihre IP- Netze nach Abteilungen unterteilen und daher ihren Netzwerkaufbau differenzierter betrach- ten möchten.

Folgendes Beispiel soll dieses transparent machen: In einem Betrieb wird das private Klasse C-Netzwerk 192.168.0.0 mit der standardmäßigen Subnetzmaske 255.255.255.0 verwendet. Diesem Netz können 254 Hosts angehören. Sollen die einzelnen Abteilungen logisch voneinander getrennt sein, müssen Host-Bits der Subnetzmaske in Netzwerk-Bits umgewandelt werden. Das vierte Oktett der Subnetzmaske repräsentiert den Host-Anteil. Die Teilung des ursprünglich einen Netzes kann mit den Divisoren 2 (2¹), 4 (2²), 8 (2³), 16 (2⁴), 32 (2⁵), 64 (2⁶), 128 (2⁷) oder 256 (2⁸) vorgenommen werden.

Wenn das anfängliche Netz halbiert werden soll, wird das MSB⁸des letzten Oktetts auf 1 ge- setzt und die Subnetzmaske lautet nun 255.255.255.128. Das erste Subnetz deckt den Bereich von 192.168.0.0 bis 192.168.0.127 ab, das zweite den Bereich vo n 192.168.0.128 bis 192.168.0.255. Die Anzahl der Hosts reduziert sich auf 126, da für jedes der Netze wieder zwei Adressen reserviert werden müssen - eine Adresse, die für das Netzwerk steht und eine Adresse, die für den Broadcast vorgesehen ist (2⁷-2).

Bei einer Unterteilung in 8 Subnetze werden die drei vorderen Bit des letzten Oktetts auf 1 gesetzt, woraus sich eine Subnetzmaske von 255.255.255.224 generiert. Die Netze können so aus maximal 30 Hosts bestehen (2⁵-2).

2.2 Supernetting (Klassenlose IP v4-Adressen)

Bereits in den 1980er Jahren hat sich gezeigt, dass die IP-Adressen nicht unbegrenzt zur Ver- fügung stehen werden. Der Boom des Internets ⁹führte dazu, dass IP-Adressen relativ knapp wurden und die Routing-Tabellen immer größer wurden. Die Einteilung in Klassen (siehe oben) erwies sich dabei als äußerst unflexibel, sodass die einzelnen IP-Adressen von den standardmäßigen Subnetzmasken abgekoppelt wurden. Dadurch wurden die IP-Adressräume weitaus besser ausgenutzt und die Routing- Tabellen waren übersichtlicher und leichter zu warten.

Im Unterschied zum Subnetting werden alle Bits der Subnetzmaske als variabel angesehen, d.h. es können auch auf 1 stehende Netzwerk-Bits verändert werden: „With the advent of classless addressing [CIDR1, CIDR2], the network-number part of an address may be of any length, and the whole notion of address classes becomes less important.”¹⁰ CIDR wurde im Jahr 1993 eingeführt. Insofern wird in der heutigen Zeit eigentlich nicht mehr von Klasse A-, Klasse B oder Klasse C-Netzwerken gesprochen; diese Begrifflichkeit ist je- doch noch weit verbreitet.

Die Notation setzt sich aus der Netzwerkadresse selber und einem Suffix zusammen. Be i- spielsweise entspricht das Netzwerk 192.168.0.0/ 24 dem alten klassenbasierten Netzwerk 192.168.0.0 mit der Subnetzmaske 255.255.255.0.

Nachstehendes Beispiel soll dieses illustrieren: Das Klasse C-Netzwerk 192.168.0.0 mit der Subnetzmaske 255.255.255.0 soll aus mehreren Hosts als normalerweise 254 bestehen. Dazu wird ein Suffix von 20 gewählt (192.168.0.0/ 20). Die ersten beiden Oktette und die oberen vier Bit es dritten Oktetts der Netzmaske repräsentieren den Netzwerk-Anteil, alle Hinteren den Host-Anteil. Daraus folgt eine Netzadresse 192.168.240.0, die kleinste mögliche Hostad- resse 192.168.240.1, die größte möglich Hostadresse 192.168.255.254 und die Broadcast- Adresse 192.168.255.255. Das Netz kann maximal mit 4094 Hosts bestückt werden (2¹²-2). Hier sind im Gegensatz zum klassenbezogenen Verfahren mehrere Netze zusammengefasst worden - eine Eigenschaft des CIDR.

[...]

¹OSI: Open System Interconnection

²Information Sciences Institute 1981, S.1

³vgl. Köhn, S.15

⁴vgl. Tüxen 2005, S.4

⁵Huston 2003, S. 3

⁶Multicasting: Übertragungsverfahren, das Nachrichten von einem Sender gleichzeitig an mehrere Empfänger weiterleitet. Andere Verfahren sind Unicast (Ein Sender - Ein Empfänger) und Broadcast (Ein Sender - Alle Emp fänger).

⁷vgl. Huston 2003, S. 3

⁸MSB: Most Significant Bit

⁹CIDR: Classless Inter-Domain Routing

¹⁰IANA 1994, S.4