Das Internet Protocol, kurz IP, wird im Rahmen der Protokollfamilie TCP/IP zur Vermittlung von Datenpaketen verwendet. Es arbeitet auf der 3. Schicht des OSI-Schichtenmodells und hat maßgeblich die Aufgabe, Datenpakete zu adressieren und in einem verbindungslosen paketorientierten Netzwerk zu vermitteln (Routing). Dazu haben alle Stationen und Endgeräte eine eigene Adresse im Netzwerk. Sie dient nicht nur zur Identifikation der Station, sondern auch des Netzes, in der sich die Station befindet.
Das Internet Protocol (IP) im TCP/IP-Protokollstapel
Schicht
Dienste / Protokolle / Anwendungen
Anwendung
HTTP
IMAP
DNS
SNMP
Transport
TCP
UDP
Internet
IP (IPv4 / IPv6)
Netzzugang
Ethernet, ...
IP-Adressen nach IPv4
Hauptbestandteil von Internet Protocol (IP) sind die IP-Adressen, die alle Stationen in einem Netzwerk eindeutig kenntlich machen. Pro Hardware-Interface (Netzwerkkarte) wird eine IP-Adresse vergeben. In Ausnahmefällen lässt sich ein Interface auch über zwei oder mehr IP-Adressen ansprechen oder mehrere Interfaces der gleichen Station haben die gleiche IP-Adresse.
Die IP-Adresse ist mit den Angaben zu Straße, Hausnummer und Ort einer Anschrift vergleichbar. Damit die IP-Adresse von Hardware und Software einfach verarbeitet werden kann, liegt sie in einem Bitcode (Duales Zahlensystem) vor. Der Bitcode ist 32 Stellen lang und kann wahlweise auch als hexadezimale oder dezimale Zahlenkombination dargestellt werden.
Zahlensystem
Beispiel-Adresse
Binär/Dual
0111 1111
0000 0000
0000 0000
0000 0001
Hexadezimal
7F
00
00
01
Dezimal
127
0
0
1
Die typische Darstellung entspricht dem dualen Zahlensystem. Sie ist am einfachsten lesbar. Dazu wird der 32-Bitcode in jeweils 8 Bit (1 Byte) aufgeteilt und durch einen Punkt getrennt. Jedes Byte kann durch die achtstellige 1er- und 0er-Folge einen Wert von 0 bis 255 annehmen. Das sind 256 Werte pro Stelle.
Die binäre IP-Adresse 01111111.00000000.00000000.00000001 ergibt umgerechnet in das dezimale Zahlensystem 127.0.0.1.
Das oben genannte Beispiel ergibt die IP-Adresse 127.0.0.1. Bei der Konfiguration von TCP/IP wird eine vergleichbare IP-Adresse verwendet. Jede IP-Adresse besteht aus zwei Teilen. Jedes Teil hat eine bestimmte Bedeutung. Der vordere Teil ist die Adresse für das Netzwerk, indem sich die Station befindet. Der hintere Teil ist die Adresse für die Netzwerk-Station. Wo sich die IP-Adresse teilt, wird von der Subnetzmaske bzw. Subnetmask (engl.) bestimmt. Die Subnetzmaske besteht aus 32 Bit und einer geschlossenen Kette beginnend mit Einsen und abschließenden Nullen. Ein Beispiel: 11111111 11111111 11111111 00000000. Das entspricht in der Dezimaldarstellung 255.255.255.0. Legt man die Subnetzmaske wie eine Maske über die IP-Adresse ergibt sich Teilung in eine Netz-Adresse und eine Stations-Adresse.
IP-Adresse
127.
0.
0.
1
Subnetzmaske
255.
255.
255.
0
Netz-Adresse
127.
0.
0.
0
Stations-Adresse
1
Der vordere Teil, die Netz-Adresse, lautet 127.0.0.0. Der hintere Teil, die Stations-Adresse, lautet 1.
Die IP-Adressen werden in 5 Klassen eingeteilt. In jeder Klasse haben die Netz-ID und die Host-ID eine unterschiedliche Gewichtung. Klasse-A-Netze sind Netze mit einer großen Anzahl an Stationen oder Subnetze. Das erste Bit ist immer "0". Der theoretische Adressbereich reicht von 0.0.0.0 bis 127.255.255.255. Der effektive Adressbereich reicht von 1.0.0.1 bis 127.255.255.254. Insgesamt sind also nur 126 Klasse-A-Netze möglich. Das ergibt eine rechnerische Anzahl von 16.774.214 möglichen Stationen pro Klasse-A-Netz. Klasse-B-Netze sind Netze mit einer mittleren Anzahl an Stationen oder Subnetzen. Die ersten 2 Bit sind immer "10". Der theoretische Adressbereich reicht von 128.0.0.0 bis 191.255.255.255. Der effektive Adressbereich reicht von 128.0.0.1 bis 191.255.255.254. Insgesamt sind nur 16.384 Klasse-B-Netze möglich. Das ergibt eine rechnerische Anzahl von 65.534 mögliche Stationen pro Klasse-B-Netz. Klasse-C-Netze sind Netze mit einer kleinen Anzahl an Stationen. Jedes Klasse-C-Netz ist gleichzeitig ein Subnetz. Eher selten wird es noch mal in mehrere Subnetze unterteilt. Die ersten 3 Bit des Adressbereiches sind immer "110". Der theoretische Adressbereich reicht von 192.0.0.0 bis 223.255.255.255. Der effektive Adressbereich reicht nur von 192.0.0.1 bis 223.255.255.254. Insgesamt sind 2.097.152 Klasse-C-Netze möglich. Das ergibt eine rechnerische Anzahl von 254 Stationen pro Klasse-C-Netz.
Klasse A (0.0.0.0 bis 127.255.255.255)
0
Netz-ID (7 Bit)
Host-ID (24 Bit)
Klasse B (128.0.0.0 bis 191.255.255.255)
1
0
Netz-ID (14 Bit)
Host-ID (16 Bit)
Klasse C (192.0.0.0 bis 223.255.255.255)
1
1
0
Netz-ID (21 Bit)
Host-ID (8 Bit)
Klasse D (224.0.0.0 bis 239.255.255.255)
1
1
1
0
Multicast-Gruppen-ID (28 Bit)
Klasse E (240.0.0.0 bis 255.255.255.255)
1
1
1
1
0
Reserviert für zukünftige Anwendungen (27 Bit)
IP-Adressen mit besonderem Status
Die IP-Adresse 127.0.0.1 aus den oberen Beispielen ist die lokale IP-Adresse einer jeden Station. Diese IP-Adresse wird auch als Localhost (Name-Auflösung: localhost) bezeichnet, die einem virtuellen Interface, also keiner Hardware zugeordnet ist.
Wird ein Datenpaket mit der Ziel-Adresse 127.0.0.1 verschickt, so wird sie an den Absender selber verschickt. Man spricht dann vom einem Echo. Diese IP-Adresse macht im normalen Netzbetrieb nicht wirklich Sinn. Allerdings kann sie zum Testen verwendet werden. Zum Beispiel, ob TCP/IP korrekt installiert und konfiguriert ist. Das gilt für alle IP-Adressen im Bereich 127.0.0.0 bis 127.255.255.255.
Eine IP-Adresse, deren letzte Stelle eine 0 ist, ist keine gültige IP-Adresse (z. B. 127.0.0.0). Es handelt sich dabei um die Adresse eines Subnetzes.
Eine IP-Adresse, deren letzte Stelle die Nummer 255 ist (z. B. 127.0.0.255) ist ebenso keine gültige IP-Adresse. Es ist eine Broadcast-Adresse für das Netz 127.0.0.0. Die Datenpakete mit dieser Zieladresse werden in diesem Netz an alle Stationen geschickt.
Durch die Einschränkung von 0 bis 255 hat ein Subnetz 256 Adressen, aber mit der Adresse x.x.x.0 und der Subnetzmaske von 255.255.255.0 nur maximal 254 mögliche adressierbare Stationen.
Weitere Adressbereich sind privaten Netzen zugeordnet. Diese IP-Adressen dürfen nicht im Internet zur Adressierung verwendet werden.
Private IP-Adressräume
Klasse
Von
Bis
Subnetzmaske
Klasse-A-Netz
10.0.0.0
10.255.255.255
255.0.0.0
Klasse-B-Netze
172.16.0.0
172.31.255.255
255.255.0.0
Klasse-C-Netze
192.168.0.0
192.168.255.255
255.255.255.0
Die Verwaltung von IP-Adressen unterliegt einer zentralen Organisation, dem Network Information Center (NIC). Will man sich mit dem Internet verbinden, benötigt man eine feste IP-Adresse, einen IP-Adressraum oder eine dynamisch von einem Provider zugewiesene IP-Adresse. Für kleine oder große private Netze gibt es Adressräume, die im Internet nicht verwendet werden dürfen, aber, innerhalb von privaten Netzen frei zur Verfügung stehen.
Für ein privates Klasse-A-Netz dürfen die Adressen von 10.0.0.0 bis 10.255.255.255 genutzt werden. Private Klasse-B-Netze befinden sich in dem Adressbereich 172.16.0.0 bis 172.31.255.255. Für private Klasse-C-Netze gibt es den Adressbereich von 192.168.0.0 bis 192.168.255.255. Letzterer wird gerne in kleinen privaten Netzen verwendet.
Aufbau des IPv4-Headers
Das IP-Datenpaket besteht aus einem Header (Kopf) und dem Bereich, in dem sich die Nutzdaten befinden. Der Header ist den Nutzdaten vorangestellt.
Der Header ist in jeweils 32-Bit-Blöcke unterteilt. Dort sind Angaben zu Servicetypen, Paketlänge, Sender- und Empfängeradresse abgelegt. Ein IP-Paket muss mindestens 20 Byte Header und 8 Byte Nutzdaten bzw. Nutz- und Fülldaten enthalten. Die Gesamtlänge eines IP-Pakets darf 65.535 Byte nicht überschreiten. Je nach Datenmenge und Übertragungsverfahren auf der Bitübertragungsschicht müssen die Nutzdaten in mehrere IP-Pakete aufgeteilt werden. Diesen Vorgang nennt man Fragmentierung.
Der Begriff Fragmentierung ist auch von Dateisystemen und Festplatten bekannt.
Hier ist die Version des IP-Protokolls abgelegt, nach der das IP-Paket erstellt wurde.
IHL
4
IHL = Internet Header Length gibt die Länge des IP-Headers als Vielfaches von 32 Bit an. Der Maximalwert von Binär 1111 (15) entspricht einer Header-Länge von 15 x 32 Bit = 480 Bit = 60 Byte.
ToS
8
ToS = Type of Service legt die Qualität des angeforderten Dienstes fest. Das Feld unterteilt sich in Priorität (Priority) von 3 Bit und Eigenschaften für die Übertragung von 5 Bit.
Paketlänge (Total Length)
16
Enthält die Gesamtlänge des IP-Paketes. Abzüglich des IHL ergibt sich die Länge der reinen Nutzdaten.
Kennung (Identifiction)
16
Der Wert wird zur Nummerierung der Datenpakete verwendet. Die Kennung ist eindeutig und fortlaufend.
Flags
3
Da die Nutzdaten in der Regel nicht in ein IP-Paket hineinpassen, werden die Daten zerlegt und in mehrere IP-Pakete verpackt und verschickt. Man spricht dann von Fragmentierung. Die Flags gehen näher darauf ein. Das erste Flag ist immer 0. Das zweite Flag (DF) verbietet die Fragmentierung des Datenpakets, wenn es gesetzt ist. Das dritte Flag (MF) gibt weitere Datenpaket-Fragmente an, wenn es gesetzt ist.
Fragment-Offset
13
Enthält ein IP-Paket fragmentierte Nutzdaten, steht in diesem Feld die Position der Daten im ursprünglichen IP-Paket.
TTL
8
Mit TTL (Time-to-Live) gibt der Sender die Lebensdauer des Pakets an. Jede Station, die ein IP-Paket weiterleiten muss, zieht von diesem Wert 1 ab. Hat der TTL-Wert 0 erreicht, wird das IP-Paket verworfen. Dieser Mechanismus verhindert, dass Pakete ewig Leben, wenn sie nicht zustellbar sind. TTL-Werte zwischen 30 und 64 sind typisch.
Protokoll (Protocol)
8
Dieses Feld enthält den Port des übergeordneten Transport-Protokolls (z. B. TCP oder UDP).
Header Checksumme (Header Checksum)
16
Diese Checksumme sichert die Korrektheit des IP-Headers. Für die Nutzdaten muss ein übergeordnetes Protokoll die Fehlerkorrektur übernehmen. Da sich die einnzelnen Felder des IP-Headers ständig ändern, muss jede Station auf dem Weg zum Ziel die Checksumme prüfen und auch wieder neu berechnen. Um die Verzögerung gering zu halten wird deshalb nur der IP-Header des Paketes geprüft.
Quell-IP-Adresse (Source IP-Address)
32
An dieser Stelle steht die IP-Adresse der Station, die das IP-Paket abgeschickt hat (Sender).
Ziel-IP-Adresse (Destination IP-Address)
32
An dieser Stelle steht die IP-Adresse der Station, für die das IP-Paket bestimmt ist. Soll das IP-Paket an mehrere Stationen zugestellt werden, muss hier eine Multicast-Adresse stehen.
Optionen/Füllbits (Options/Padding)
32
Das Optionsfeld des IP-Headers enthält hauptsächlich Informationen zu Routing-, Debugging-, Statistik- und Sicherheitsfunktionen. Dieses Feld ist optional und kann bis zu 40 Byte lang sein. Es ist immer in 32 Bit aufgeteilt und wird bei Bedarf mit Nullen aufgefüllt. Auf die genauen Funktionen dieses Feldes wird hier nicht weiter eingegangen. Nur soviel sei noch gesagt: das Optionsfeld wird meist zu Diagnosezwecken verwendet.
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Das IP-Datenpaket besteht aus einem Header (Kopf) und dem Bereich, in dem sich die Nutzdaten befinden. Der Header ist den Nutzdaten vorangestellt.
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