IPv4 (Internet Protokoll Version 4)

IPv4 gehört zur Familie der TCP/IP-Protokolle und dient dem Vermitteln von Datenpaketen (Datengramme) in Netzwerken. Über die IPv4 Adresse bzw. Internet Protokoll Version 4 Adresse werden diese Datenpakete mit einer Ziel (Destination Address) und Herkunftsadresse (Source Address) versehen. Ein Datenpaket enthält die Nutzdaten (Payload/Data) und einen Kopf bzw. Informationen (Overload/Header). Bei IPv4 wird also jedem Datenpaket ein IPv4 Header aufgesetzt, der eine minimale Länge von 20 Byte und eine maximale länge von 60 Byte besitzt. Der Data Teil mit den Nutzdaten kann eine variable Länge einnehmen. Im Header befinden sich verschiedene Felder mit jeweils eigenen Aufgaben und Zwecken:

Version

Im Versionsnummernfeld wird die IP Version bekannt gegeben. In diesem Fall wäre es IPv4. Es nimmt eine Gesamtlänge von 4 Bit ein.

Length

In diesem Feld wird die Länge des Protokollkopfes angegeben. Der minimale Wert ist 5 und entspricht der länge von 20 Byte. Sofern Optionen angefügt werden, kann der Header eine maximale Größe von 60 Byte einnehmen, welche den durch den Wert 15 im Length-Feld dargestellt werden.

Type of Service

Durch dieses 8 Bit lange Feld kann das Internet Protokoll (IP) angewiesen werden Datenpakete nach bestimmten Kriterien zu priorisieren. Diese Prioritäten haben dann Auswirkungen auf Zuverlässigkeit und Geschwindigkeit.

Die ersten 3 Bits (0-2) geben die Priorität mit den Werten 0 (normal) bis 7 (Steuerungspaket/hoch) an. Hier spricht man auch von precedence. Neben der Priorisation kann einem Host auch noch mitgeteilt werden, worauf bei der Datenübertragung mehr Wert gelegt werden soll. Dies wird über 3 sogenannte Flags gelöst. Die Flag D wird für Verzögerung (Delay), T für Durchsatz (Throughput) und R für Zuverlässigkeit (Reliability) genutzt. Das Bit Feld 6 und 7 sind reserviert.

Leider wird das Type of Service Feld in der Praxis nicht genutzt.

Total Length

In diesem Feld des Headers ist die gesamte Paketlänge angegeben. Das Feld ist auf 16 Bit begrenzt, wodurch eine maximale Paketlänge von 65.535 Byte resultiert.

Laut RFC 791 (Spezifikation IP) muss jeder Host in der Lage sein, 576 Byte lange Datenpakete verarbeiten zu können. Dieser Wert wird in der heutigen Praxis meist weit überschritten, da bessere Techniken zur Verfügung stehen.

Identification

Wenn die zu transportierende Datenmenge zu groß ist, müssen einzelne Fragmente gebildet werden. Diese Fragmente müssen dann über das 16 Bit lange Identifikationsfeld gekennzeichnet werden. Hier wird dann bei allen Fragmenten die gleiche Nummer gebildet, um beim Ziel Host wieder zu ganzen zusammenhängenden Daten zusammengefügt zu werden.

Flags

Mit dem Flags Feld wird dem Empfänger Host mitgeteilt, ob das Datenpaket in Fragmente zerteilt werden kann oder nicht. Von den 3 verfügbaren Bits werden nur die letzten beiden genutzt, da das erste reserviert und ungenutzt ist. Als mögliche Parameter stehen DF und MF zur Verfügung.

DF - Don't Fragment MF - More Fragments
Die Daten dürfen nicht fragmentiert werden, selbst wenn der weitere Transport somit nicht möglich ist! Es folgen weitere Datenpakete, bzw. es dürfen Fragmente gebildet werden. Beim letzten Fragment ist die Flag jedoch nicht gesetzt!

Fragment Offset

Wird auch Fragmentabstand genannt und dient der Angabe, an welcher Stelle das Fragment innerhalb des Datengramms bzw. der Daten wieder eingesetzt werden muss (wie ein Puzzlestück). Durch nur 13 zu Verfügung stehende Bits ist die Anzahl der Fragmente pro Datengramm auf 8192 begrenzt. 

Time to Live (TTL)

In diesem Feld läuft ein Zähler bei jedem Netzknoten um mindestens 1 runter. Der maximal zulässige Wert ist 255 und wird eigentlich in Sekunden angegeben. Da an dieser Stelle Sekunden schlecht zu realisieren sind, spricht man meist nur von Hops. Sofern der Wert 0 erreicht wird, gibt der Netzknoten eine Fehlermeldung (ICMP-Nachricht) an den Sender ab und verwirft das Paket. Bei längerem Aufenthalt eines Paketes in einem Netzknoten wird der Wert sogar um mehr als nur 1 verringert. Das Feld wird mit 8 Bit bemessen .

Protocol

Dieses 8 Bit Feld enthält die genormte Nummer des verwendeten Transportprotokolls.

Header Checksum

Um Fehler in der Übertragung zu vermeiden, wird vom Header eine Prüfsumme gebildet. Die Prüfsumme wird bei jedem Netzknoten verglichen und eine neue gebildet. Eine neue Prüfsumme muss gebildet werden, da sich bei jedem Netzknoten der TTL Wert ändert. Um den gesamten Header abzudecken, wird eine Feldlänge von 16 Bit benötigt.

Source Address

Herkunftsadresse des Datenpakets. In diesem 32 Bit langen Feld wird die IPv4 Adresse des Senden Hosts eingefügt.

Destination Address

Zieladresse des Datenpakets. In diesem 32 Bit langen Feld wird die IPv4 Adresse des Zielhosts eingefügt.

Options/Padding

Dieses maximal 40 Byte lange Feld kann zusätzliche Informationen und Anweisungen enthalten. Über das Padding Feld wird das Options-Feld aufgefüllt. Bekannte Optionen sind:

End of Options List kennzeichnet das Ende eines Options-Feldes
No Options wird zum Auffüllen zwischen Optionen genutzt
Security kann zum Geheimhalten von Inhalten genutzt werden, wird aber nicht genutzt.

Source-Routing

Diese Option kann dem Datengramm eine bestimmte Route vorschreiben. Es kann z.B. eine bestimmte Route vorgeschrieben oder es können mehrere Router als feste Wegpunkte angegeben werden. Zwischen den Wegpunkten können die Wege dann variieren.
Record Route Alle Netzknoten die durchlaufen werden, tragen sich mit ihrer IPv4 Adresse hier ein, sofern das Options-Feld dafür gesetzt ist. Da heute meist viele Knoten durchlaufen werden ist das Feld sehr schnell überfüllt. Aus diesem Grund wird das Feld nicht genutzt.
Time Stamp Jeder durchlaufene Netzknoten fügt einen Zeitstempel an das Datenpaket. Dies dient wie der Record Route Befehl der Fehlersuche im Netzwerk.

Adressierung in IPv4

Um Datenpakete im Netzwerk und darüber hinaus zu versenden, werden 32-Bit IP-Adressen benötigt. Diese werden bei IPv4 in verschiedene Klassen und Bereiche eingeteilt. Die jeweilige Klasse bzw. Subnetzmaske ist maßgebend dafür, wie viele Hosts pro Netz adressiert werden können. Innerhalb der IP Adressklassen sind besondere private Adressräume spezifiziert.

Da die IPv4 Adressklasse D für Multicast reserviert ist und Class E rein für Forschungen genutzt wird, sind nur die Adressklassen A, B und C zur Nutzung verfügbar. Diese 3 Classes besitzen jeweils einen eigenen privaten Adressbereich, der nicht in andere Netzwerke geroutet werden kann. Die restlichen IP-Adressen sind öffentlich und können dadurch in andere Netze geroutet werden. Private IP-Adressen sind in lokalen Netzwerken zu finden da hier IP-Adressen innerhalb der Netzwerke genutzt werden und so gleiche Netze in verschiedenen LAN's genutzt werden können. Um ins öffentliche Netzwerk zu kommunizieren, wird dann eine nicht private IP-Adresse benötigt. Dieses Konzept hat den Vorteil, die limitierte Anzahl an Adressen besser auszunutzen.

Hinweis!: Jede IP-Adresse muss innerhalb eines Netzwerkes einmalig sein!

Um Adressen in ihre Host und Network Portion zu teilen wird die Subnetzmaske genutzt. Die Subnetzmaske gibt über ihren Wert an, wie viele Bits der IP-Adresse zur Network Portion gehören. Der Rest gehört dann zur Host Portion und dient der Adressierung von Hosts innerhalb der Netze. Man spricht auch von Subnetting!

Um die Subnetzmaske als kurzschreibweise anzugeben, fügt man an die IP-Adresse einen sogenannten Suffix an.


Subnetting

Um Netzwerke zu teilen und Adressräume besser auszunutzen, werden Subnetze erstellt, in denen die Hosts kommunizieren können. Der Suffix hinter der IP-Adresse stellt die Subnetzmaske dar und gibt an wie viele Bits der IP-Adresse das Netzwerk kennzeichnen. Diese Seite der IP-Adresse bezeichnet man als Network Portion. Der Rest wird als Host Portion bezeichnet und dient der Adressierung von Hosts innerhalb von Netzwerken. Durch Subnetting wird auch die Zahl der möglichen Hosts im Netzwerk verringert oder erhöht. In den unten stehenden Tabellen sind die Suffixe mit ihren Subnetzmasken und den dazu passenden IP-Adressklassen aufgelistet. Dabei werden die Vor- und Nachteile der verschiedenen Adressklassen ersichtlich.

Da jedes Netz eine Netz-ID (erste IP) und eine Broadcast Adresse (letzte IP) besitzt, können von einem Subnetz nicht alle IPs genutzt werden. Man spricht von nutzbaren IP's , die von den Hosts im Netzwerk genutzt werden können. Das gleiche gilt für Subnetze: Das Erste (zero subnet) und Letzte Subnet werden genau so wie bei den Adressen nicht genutzt. Die Begründung ist im Grunde dieselbe.

 Für die Berechnung einer Subnetmask bzw. Subnetzmaske gibt es viele Arten der Berechnung. Zur Verdeutlichung der Berechnung ein Beispiel:

 

 


 

 

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