IP - Internet Protocol

IP ist ein verbindungsloses Protokoll. Es ist also nicht notwendig, eine IP-Verbindung zu einem Rechner zu 'öffnen', bevor man Daten zu diesem Rechner senden kann, sondern es genügt, das IP-Paket einfach abzusenden und darauf zuvertrauen, daß es schon ankommen wird. Bei einem verbindungsorientierten Protokoll wird beim Öffnen einer Verbindung getestet, ob der Zielrechner überhaupt erreichbar ist. Ein verbindungsloses Protokoll macht das nicht und kann demnach auch nicht garantieren, daß ein Datenpaket überhaupt beimEmpfänger ankommt. IP garantiert auch nicht, daß von einem einmal abgeschickten Datenpaket nur eine Kopie beim Empfänger ankommt oder daß in einer bestimmten Reihenfolge abgeschickte Datenpakete auch wieder in dieser Reihenfolge empfangen werden.
Normalerweise laufen die IP-Pakete über mehrere Zwischenstationen, bis sie am Zielrechner ankommen. Bricht irgendwann während der Übertragung ein Übertragungsweg zusammen, so wird ein neuer Weg zum Ziel gesucht und benutzt. Da der neue Weg zeitlich länger oder kürzer sein kann als der alte, kann man keine allgemeingültigen Aussagen darüber machen, in welcher Reihenfolge IP-Pakete beim Empfänger eintreffen. Es kann auch sein, daß bei dieser Umschalterei IP-Pakete verlorengehen oder sich verdoppeln. Das Beheben der so entstehenden Probleme überläßt das IP-Protokoll anderen, höherliegenden Schichten.

Das Internet-Protokoll ist somit ein verbindungsloser Dienst mit einem 'Unreliable Datagram Service', d. h. es wird auf der IP-Ebene weder die Richtigkeit der der Daten noch die Einhaltung von Sequenz, Vollständigkeit und Eindeutigkeit der Datagramme überprüft. Ein zuverlässiger verbindungsorientierter Dienst wird in der darüberliegenden TCP-Ebene realisiert.

Ein IP-Datagramm besteht aus einem Header und einem nachfolgenden Datenblock, der seinerseits dann z. B. in einem Ethernet-Frame "verpackt" wird. Die maximale Datenlänge wird auf die maximale Rahmenlänge des physikalischen Netzes abgestimmt. Da nicht ausgeschlossen werden kann, daß ein Datagramm auf seinem Weg ein Teilnetz passieren muß, dessen Rahmenlänge niedriger ist, müssen zum Weitertransport mehrere (Teil-)Datagramme erzeugt werden. Dazu wird der Header im Wesentlichen repliziert und die Daten in kleinere Blöcke unterteilt. Jedes Teil-Datagramm hat also wieder einen Header. Diesen Vorgang nennt man Fragmentierung. Es handelt sich um eine rein netztechnische Maßnahme, von der Quell- und Zielknoten nicht wissen müssen. Es gibt natürlich auch eine umgekehrte Funktion, "Reassembly", die kleine Datagramme wieder zu einem größeren packt. Geht auf dem Übertragungsweg nur ein Fragment verloren, muß das gesamte Datagramm wiederholt werden. Es gilt die Empfehlung, daß Datagramme bis zu einer Länge von 576 Bytes unfragmentiert übertragen werden sollten.

Format des IP-Headers

Version

Kennzeichnet die IP-Protokollversion

IHL (Internet Header Length)

Die Angabe der Länge des IP-Headers erfolgt in 32-Bit-Worten (normalerweise 5). Da die Optionen nicht unbedingt auf Wortlänge enden, wird der Header gegebenenfalls aufgefüllt.

Type of Service

Alle Bits haben nur "empfehlenden" Charakter. 'Precedence' bietet die Möglichkeit, Steuerinformationen vorrangig zu befördern.

Total Length

Gesamtlänge des Datagramms in Bytes (max. 64 KByte).

Identification

Dieses und die beiden folgenden Felder steuern die Reassembly. Eindeutige Kennung eines Datagramms. Anhand dieses Feldes und der 'Source Address' ist die Zusammengehörigkeit von Fragmenten zu detektieren.

Flags

Die beiden niederwertigen Bits haben folgende Bedeutung:

• Don't fragment: Für Hosts, die keine Fragmentierung unterstützen
• More fragments: Zum Erkennen, ob alle Fragmente eines Datagramms empfangen wurden

Fragment Offset

Die Daten-Bytes eines Datagramms werden numeriert und auf die Fragmente verteilt. Das erst Fragment hat Offset 0, für alle weiteren erhöht sich der Wert um die Länge des Datenfeldes eines Fragments. Anhand dieses Wertes kann der Empfänger feststellen, ob Fragmente fehlen. Beispiel siehe unten.

Time-to-live (TTL)

Jedes Datagramm hat eine vorgegebene maximale Lebensdauer, die hier angegeben wird. Auch bei Routing-Fehlern (z. B. Schleifen) wird das Datagramm irgendwann aus dem Netz entfernt. Da Zeitmessung im Netz problematisch ist, und keine Startzeit im Header vermerkt ist, decrementiert jeder Gateway dieses Feld --> de-facto ein 'Hop Count'.

Protocol

Da sich unterschiedliche Protokolle auf IP stützen, muß das übergeordnete Protokoll (ULP, Upper Layer Protocol) angegeben werden. Wichtige ULPs sind

• 1: ICMP Internet Control Message P.
• 3: GGP Gateway-to-Gateway P.
• 6: TCP Transmission Control P.
• 8: EGP Exterior Gateway P.
• 17: UDP User Datagram P.

Header Checksum

16-Bit-Längsparität über den IP-Header (nicht die Daten)

Source Address

Internet-Adresse der Quellstation

Destinantion Address

Internet-Adresse der Zielstation

Options

Optionales Feld für weitere Informationen (deshalb gibt es auch die Header-Länge). Viele Codes sind für zukünftige Erweiterungen vorgesehen. Die Optionen dienen vor allem der Netzsteuerung, der Fehlersuche und für Messungen. Die wichtigsten sind:

• Record Route: Weg des Datagramms mitprotokollieren
• Loose Source Routing: Die sendende Station schreibt einige Zwischenstationen vor (aber nicht alle)
• Strict Source Routing: Die sendende Station schreibt alle Zwischenstationen vor.
• Timestamp Option: Statt seiner IP-Adresse (wie bei Record Route) trägt jeder Gateway den Bearbeitungszeitpunkt ein (Universal Time).

Padding

Füllbits

Die Hauptaufgabe von IP ist es also, die Unterschiede zwischen den verschiedenen, darunterliegenden Netzwerkschichten zu verbergen und eine einheitliche Sicht auf die verschiedensten Netztechniken zu präsentieren. So gibt es IP nicht nur in Netzen, sondern auch als SLIP (Serial Line IP) oder PPP (Point to Point Protocol) für Modem- oder ISDN-Verbindungen. Zur Vereinheitlichung gehören auch die Einführung eines einheitlichen Adressierungsschemas und eines Fragmentierungsmechanismus, der es ermöglicht, große Datenpakete durch Netze mit kleiner maximaler Paketgröße zu senden: Normalerweise existiert bei allen Netzwerken eine maximale Größe für ein Datenpaket. Im IP-Jargon nennt man diese Grenze die 'Maximum Transmisson Unit' (MTU). Natürlich ist diese Obergrenze je nach verwendeter Hardware bzw. Übertragungstechnik unterschiedlich. Die Internet-Schicht teilt IP-Pakete, die größer als die MTU des verwendeten Netzwerks sind, in kleinere Stücke, sogenannte Fragmente, auf. Der Zielrechner setzt diese Fragmente dann wieder zu vollständigen IP-Paketen zusammen, bevor er sie an die darüberliegenden Schichten weitergibt. Der Fragement Offset gibt an, an welcher Stelle in Bezug auf den IP-Datagramm-Anfang das Paket in das Datagramm einzuordnen ist. Aufgrund des Offset werden die Pakete in die richtige Reihenfolge gebracht. Dazu ein Beispiel:

Es soll ein TCP-Paket mit einer Länge von 250 Byte über IP versandt werden. Es wird angenommen, daß ein IP-Header eine Länge von 20 Byte hat und eine maximale Länge von 128 Byte pro Paket nicht überschritten werden darf Der Identifikator des Datagramms beträgt 43 und der Fragmentabstand wird in 8-Byte-Schritten gezählt. Das Datenfragment muß also durch 8 dividierbar sein.

Da alle Fragmente demselben Datagramm angehören, wird der Identifikator für alle Fragmente beibehalten. Im ersten Fragment ist das Fragment Offset natürlich noch Null, das MF-Bit jedoch auf 1 gesetzt, um zu zeigen, daß noch Fragmente folgen. Im IP-Header des zweiten Fragments beträgt das Fragment Offset 13 (104/8 = 13) und zeigt die Position des Fragments im Datagramm an. Das MF-Bit ist noch immer 1, da noch ein Datenpaket folgt. Der Header des dritten Fragments enthält dann ein MF-Bit mit dem Wert 0, denn es handelt sich um das letzte Datenpaket zur Datagramm 43. Das Fragment Offset ist auf 26 gesetzt, da vorher schon 208 Daten-Bytes (8 * 26 = 208) übertragen wurden.
Sobald das erste Fragment (gleich welches) im Empfänger ankommt, wird ein Timer gesetzt. Sind innerhalb der dort gesetzten Zeit nicht alle Pakete zu einem Datagramm eingetroffen, wird angenommen, daß Fragmente verlorengingen. Der Empfänger verwirft dann alle Datenpakete mit diesem Identifikator.

Was geschieht aber, wenn der Kommunikationspartner nicht erreichbar ist? Wie schon erwähnt, durchläuft ein Datagramm mehrere Stationen. Diese Stationen sind in der Regel Router oder Rechner, die gleichzeitig als Router arbeiten. Ohne Gegenmaßnahme würde das Datenpaket für alle Zeiten durch das Netze der Netze irren. Dazu gibt es im IP-Header neben anderer Verwaltungsinfo auch ein Feld mit dem Namen TTL (Time To Live). Der Wert von TTL kann zwischen 0 und 255 liegen. Jeder Router, der das Datagramm transportiert, vermindert den Wert dieses Feldes um 1. Ist der Wert von TTL bei Null angelangt, wird das Datagramm vernichtet.

Die Adressen, die im Internet verwendet werden, bestehen aus einer 32 Bit langen Zahl. Damit sich die Zahl leichter darstellen läßt, unterteilt man sie in 4 Bytes (zu je 8 Bit). Diese Bytes werden dezimal notiert und durch Punkte getrennt (a.b.c.d). Zum Beispiel:

                                           141.84.101.2
                                           129.187.10.25
                                       

Netzklassen

	Klasse A - Netz	Klasse B - Netz	Klasse C - Netz
Netz-ID	8 Bit = 1 Byte	16 Bit = 2 Byte	24 Bit = 3 Byte
Host-ID	24 Bit = 3 Byte	16 Bit = 2 Byte	8 Bit = 1 Byte
Netzmaske	255.0.0.0	255.255.0.0	255.255.255.0
Adressklassen-ID (= Feste Bits im 1. Byte, 1. Quad)	0	10	110
Wertebereich (theoretisch)	0.0.0.0 bis 127.255.255.255	128.0.0.0 bis 191.255.255.255	192.0.0.0 bis 223.255.255.255
Anzahl der Netze	128 (= 27)	16384 (= 26*256 = 64*256)	2097152 (= 25*256*256 = 32*256*256)
Anzahl der Rechner im Netz	16777216 (= 2563)	65536 (= 2562)	256 (= 2561)

Besondere Adreßklassen

	Klasse D	Klasse E
Adressklassen-ID	4 Bit = "1110"	5 Bit = "11110"
keine Netz-ID, sondern:	28 Bit-Identifikator	27 Bit-Identifikator
Wertebereich	224.0.0.0 bis 239.255.255.255	240.0.0.0 bis 247.255.255.255
Anwendungen	für Multicast-Gruppen	reservierte Adressen für Zukünftiges

Grundsätzlich gilt:

• Alle Rechner mit der gleichen Netzwerkadresse gehören zu einem Netz und sind untereinander erreichbar.
• Zur Koppelung von Netzen unterschiedlicher Adresse wird eine spezielle Hardware- oder Softwarekomponente, ein sogenannter Router, benötigt.
• Je nach Zahl der zu koppelnden Rechner wird die Netzwerkklasse gewählt.

Die Netzwerkadresse 127.0.0.1 bezeichnet jeweils den lokalen Rechner (loopback address). Sie dient der Konsistenz der Netzwerksoftware (jeder Rechner ist über seine Adresse ansprechbar) und dem Test.

Damit man nun lokale Netze ohne Internetanbindung mit TCP/IP betreiben kann, ohne IP-Nummern beantragen zu müssen und um auch einzelne Rechnerverbindungen testen zu können, gibt es einen ausgesuchten Nummernkreis, der von keinen Router nach außen gegeben wird. Diese "privaten" Adressen sind im RFC 1597 festgelegt. Es gibt ein Class-A-Netz, 16 Class-B-Netze und 255 Class-C-Netze:

• Class-A-Netz: 10.0.0.0 - 10.255.255.255
• Class-B-Netze: 172.16.0.0 - 172.31.255.255
• Class-C-Netze: 192.168.0.0 - 192.168.255.255

• 169.254.0.0 - 169.254.255.255

Der für IP reservierte Adressraum reicht nicht mehr aus, um alle Endgeräte anzusteuern. Mögliche Abhilfen:

• Dynamische Vergabe von IP-Adressen: Dieses Verfahren wird beim Dial-In beim Provider verwendet. Es eignet sich auch im lokalen Netz, wenn davon auszugehen ist, daß immer nur ein Teil der Rechner in Betrieb ist. Der Benutzer bekommt für die Dauer einer Verbindung eine IP-Adresse zugeteilt. Das bekannteste Verfahren heißt DHCP (dynamic host configuration protocol).
• Weiterentwicklung des IP-Protokolls: Mit IP Version 6 wird ein auf 128 Bit erweiterter Adressraum geschaffen. Damit stehen genügend Adressen zur Vefügung.
• Network Address Translation (NAT): Über ein Gateway wird im Internet eine andere IP-Adresse verwendet als im lokalen Netz (private Adressräume). Die Umsetzung erlaubt sogar, ein komplettes privates Netz (siehe oben) mit einer einzigen externen IP-Adresse zu betreiben.

Network Address Translation (NAT) und IP-Masquerading

• NAT (Network Address Translation)
  Beim NAT (Network Address Translation) werden die Adressen eines privaten Netzes über Tabellen öffentlich registrierten IP-Adressen zugeordnet. Der Vorteil besteht darin, daß Rechner, die in einem privaten Netzes miteinander kommunizieren, keine öffentlichen IP-Adressen benötigen. IP-Adressen interner Rechner, die eine Kommunikation mit Zielen im Internet aufbauen, erhalten in dem Router, der zwischen dem Internet Service Provider (ISP) und dem privaten Netzwerk steht, einen Tabelleneintrag. Durch diese Eins-zu-Eins-Zuordnung sind diese Rechner nicht nur in der Lage, eine Verbindung zu Zielen im Internet aufzubauen, sondern sie sind auch aus dem Internet erreichbar. Die interne Struktur des Firmennetzwerkes bleibt jedoch nach außen verborgen.
  

• IP Masquerading
  IP Masquerading, das manchmal auch als PAT (Port and Address Translation) bezeichnet wird, bildet alle Adressen eines privaten Netzwerkes auf eine einzelne öffentliche IP-Adresse ab. Dies geschieht dadurch, daß bei einer existierenden Verbindung zusätzlich zu den Adressen auch die Portnummern ausgetauscht werden. Auf diese Weise benötigt ein gesamtes privates Netz nur eine einzige registrierte öffentliche IP-Adresse. Der Nachteil dieser Lösung besteht darin, daß die Rechner im privaten Netzwerk nicht aus dem Internet angewählt werden können. Diese Methode eignet sich daher hervorragend, um zwei und mehr Rechner eines privaten Anschlusses per DFÜ-Netzwerk oder ISDN-Router an das Internet zu koppeln.
  

  IP Masquerading rückt mit dieser Funktionalität sehr nahe an Proxy- und Firewall-Lösungen heran, wobei ein Proxy explizit für ein Protokoll (z. B. HTTP) existieren und aufgerufen werden muß.

Subnetze

• Subnetze sind Strukturierungsmöglichkeit für Netze, ohne daß man zusätzliche Klasse A, Klasse B oder Klasse C IP-Adressen braucht.
• Die Standardprozedur, um ein Netz in Unternetze (Subnetze) zu teilen, nennt man "Subnetting".
• Die Hostadresse des A-, B- oder C-Netzes teilt sich in die Bereiche Subnetzadresse (Subnet-ID, Teilnetz-ID) und Hostadresse (verbleibende, verkürzte Host-ID). Ein Teil des Hostadressbereiches wird also genutzt, um die Subnetze zu unterscheiden.
• Die Netzadresse und den Subnetzanteil des Hostadressraumes bezeichnet man als "erweiterte Netzadresse" (extended network prefix).
• Die interne Subnetz-Struktur von A-, B- oder C-Netzen ist nach außen hin unsichtbar.
• Damit Router in der Lage sind, Datagramme in das richtige Netz zuzustellen, müssen sie bei der IP-Adresse den Netz- und Hostanteil unterscheiden können.
• Dies geschieht traditionell durch die Netzmaske bzw. Subnetzmaske (subnet mask).

Adreß-Klasse	Subnetzmaske (binär)	Subnetzmaske (dezimal)
Class A	11111111.00000000.00000000.00000000	255.0.0.0
Class B	11111111.11111111.00000000.00000000	255.255.0.0
Class C	11111111.11111111.11111111.00000000	255.255.255.0

Diese Subnetzmaske (auch "Default Subnetzmaske" genannt) kann manuell überschrieben werden.

Eine Subnet-Maske für ein Netz der Klasse C lautet daher 255.255.255.0. Das bedeutet, daß die ersten drei Bytes die Netzadresse angeben und das vierte Byte die Rechner adressiert. Eine Subnetz-Maske mit dem Wert 255.255.0.0 würde folglich ein Netz der Klasse B angeben und für ein C-Netz steht die Maske 255.255.255.0.

Aufteilung in Subnetze

Netzwerk- anteil in Bit	Hostanteil in Bit	Subnetz- anzahl *)	Hostanzahl **)	Subnetzmaske
8	24	1	16777216	255.0.0.0       Klasse A
9	23	2	128*65536	255.128.0.0
10	22	4	64*65536	255.192.0.0
11	21	8	32*65536	255.224.0.0
12	20	16	16*65536	255.240.0.0
13	19	32	8*65536	255.248.0.0
14	18	64	4*65536	255.252.0.0
15	17	128	2*65536	255.254.0.0
16	16	1	65536	255.255.0.0       Klasse B
17	15	2	128*256	255.255.128.0
18	14	4	64*256	255.255.192.0
19	13	8	32*256	255.255.224.0
20	12	16	16*256	255.255.240.0
21	11	32	8*256	255.255.248.0
22	10	64	4*256	255.255.252.0
23	9	128	2*256	255.255.254.0
24	8	1	256	255.255.255.0       Klasse C
25	7	2	128	255.255.255.128
26	6	4	64	255.255.255.192
27	5	8	32	255.255.255.224
28	4	16	16	255.255.255.240
29	3	32	8	255.255.255.248
30	2	64	4	255.255.255.252

Anmerkungen:

*)  Die erste und letzte bei der Unterteilung entstehenden Adressen dürfen nicht verwendet werden (Verwechslung mit Netz- und Broadcast-Adresse des übergeordneten Netzes). Die Anzahl der Subnetze verringert sich somit jeweils um zwei:
Ist der Netzwerkanteil der IP-Adresse n Bits, dann erhält man (2ⁿ) - 2 Subnetze.

**) Die Rechneranzahl verringert sich ebenfalls um zwei wegen Subnetz-Adresse (alle Rechnerbits auf 0) und Broadcast-Adresse (alle Rechnerbits auf 1):
Ist der Hostanteil der IP-Adresse m Bits, dann erhält man (2^m) - 2 Hosts pro Subnetz.

Besitzt breispielsweise ein Unternehmen ein Netz der Klasse C, möchte man dieses vielleicht in zwei Segmente unterteilen, die voneinander getrennt sind. Der Broadcastverkehr des ersten Segments kann so das andere nicht beeinträchtigen. In diesem Fall kommt die Subnetz-Maske zum Einsatz, welche die Rechneradressen in zwei Bereiche gliedert. Sollen die Rechner in vier gleich große Subnetze mit je 64 Knoten eingeteilt werden, lautet die Subnetz-Maske 255.255.255.192. Es gilt die folgende Formel für das Maskier-Byte:

Bytewert = 256 - (Anzahl der Knoten im Segment)

Als das Subnetting erstmals standardisiert wurde, war es verboten die Subnetze zu nutzen, in denen alle Subnetzbits den Wert 0 oder 1 hatten (siehe Anmerkungen oben). Damit ergeben sich im Beispiel nur zwei Subnetze mit je 62 Hosts. Inzwischen beherrschen fast alle Systeme korrektes Subnetting ("classless" routing).

Beispiel: Aufteilung in 4 Subnetze

Allgemein ergibt sich für ein C-Netz folgende Aufstellung:

Subnetze eines C-Netzes

Subnetzbits	Hostbits	mögliche Subnetze	Hostadressen	Subnetzmaske
1	7	2 (0)	126 (0)	255.255.255.128
2	6	4 (2)	62	255.255.255.192
3	5	8 (6)	30	255.255.255.224
4	4	16 (14)	14	255.255.255.240
5	3	32 (30)	6	255.255.255.248
6	2	64 (62)	2	255.255.255.252
7	1	128	0	255.255.255.254

Beispiel: Aufteilung in 8 (6) Subnetze

	Subnetzbits			Hostbits					dezimal
Dezimale Wertigkeit des Bit	128	64	32	16	8	4	2	1
erstes Subnetz	0	0	0	0	0	0	0	0	0
zweites Subnetz	0	0	1	0	0	0	0	0	32
drittes Subnetz	0	1	0	0	0	0	0	0	64
viertes Subnetz	0	1	1	0	0	0	0	0	96
fünftes Subnetz	1	0	0	0	0	0	0	0	128
sechstes Subnetz	1	0	1	0	0	0	0	0	160
siebtes Subnetz	1	1	0	0	0	0	0	0	192
achtes Subnetz	1	1	1	0	0	0	0	0	224

Damit sind die acht zur Verfügung stehenden Subnetze bekannt:

                                       192.168.0.0/27
                                       192.168.0.32/27
                                       192.168.0.64/27
                                       192.168.0.96/27
                                       192.168.0.128/27
                                       192.168.0.160/27
                                       192.168.0.192/27
                                       192.168.0.224/27
                                       

Anmerkung:

Die Zahl hinter dem Schrägstrich (oben ist das die 27) gibt an, wieviele Bits der 32 Bit langen IP-Adresse als Netzanteil verwendet werden.

Diese Subnetze können jetzt einzelnen Netzen zugeordnet werden. Die folgende Tabelle zeigt die Netz- und Broadcastadressen von jedem einzelnen Subnetz und die Rechneradressen.

Subnetz	IP-Adressen (letztes Oktett)
	Netz	Hosts	Broadcast
erstes Subnetz	0	1-30	31
zweites Subnetz	32	33-62	63
drittes Subnetz	64	65-94	95
viertes Subnetz	96	97-126	127
fünftes Subnetz	128	129-158	159
sechstes Subnetz	160	161-190	191
siebtes Subnetz	192	193-222	223
achtes Subnetz	224	225-254	255

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