Die Internetadresse, auch IP-Adresse genannt, ist für die Kommunikation im Internet und in weiteren Netzen mit Internetprotokoll von zentraler Bedeutung. Einer Netzwerkschnittstelle wird eine IP-Adresse zugewiesen, mit deren Hilfe Datenpakete mit Absender und Ziel adressiert werden. Netzwerkelemente innerhalb des Netzes werten diese IP-Adressen aus und stellen die Pakete über Vermittlungsknoten hinweg zu. Eine IP-Adresse identifiziert dabei eine Schnittstelle im jeweiligen Netzkontext, nicht zwingend dauerhaft ein bestimmtes Gerät oder eine Person.
IP-Version und Aufbau der IP-Adresse
Im Internet sind heutzutage zwei Internetprotokoll-Versionen mit unterschiedlichem Aufbau der IP-Adresse im Einsatz. Eine große Bedeutung hat weiterhin das Internetprotokoll in der Version 4, das seit der frühen Verbreitung des Internets in weiten Teilen des Netzes Anwendung findet. Zugleich gewinnt das Internetprotokoll in der Version 6 an Bedeutung. IPv6 erweitert den verfügbaren Adressraum erheblich und wird parallel zu IPv4 eingesetzt. Beide Versionen nutzen unterschiedliche Regeln für den Aufbau der IP-Adresse und sind nicht unmittelbar miteinander kompatibel.
Die IPv4-Adresse setzt sich aus vier Bytes, also 32 Bit, zusammen und wird in der sogenannten Dotted Decimal Notation dargestellt. Die vier Bytes werden durch Punkte voneinander getrennt und als ganze Zahlen von 0 bis 255 notiert. Eine Adresse in dieser Schreibweise lautet zum Beispiel 203.4.112.8.
Insgesamt können mit den vier Bytes der IPv4-Adresse theoretisch 4.294.967.296 Adressen gebildet werden. Da einzelne Adressbereiche allerdings nicht für die Adressierung öffentlich erreichbarer Endgeräte verwendet werden können und weitere Bereiche für besondere Zwecke reserviert sind, liegt die praktisch nutzbare Anzahl öffentlicher Adressen darunter. Diese Einschränkung ist auch der Grund dafür, dass IPv4-Adressen knapp geworden sind. Verfahren wie private Adressierung und NAT verlängern die Nutzung von IPv4, beseitigen die Begrenzung des Adressraums aber nicht.
IPv6-Adressen setzen sich aus insgesamt 16 Bytes, also 128 Bit, zusammen und bieten eine sehr große Zahl an möglichen IP-Adressen. Theoretisch lassen sich rund 3,4 x 10 hoch 38 Adressen bilden. IPv6 löst damit das grundlegende Problem der Adressknappheit von IPv4, auch wenn Adressbereiche weiterhin strukturiert vergeben und für bestimmte Zwecke reserviert werden. Die Schreibweise von IPv6-Adressen unterscheidet sich von der IPv4-Schreibweise, da eine dezimale Darstellung sehr unübersichtlich wäre. Deshalb werden die Adressen hexadezimal in acht Gruppen mit jeweils 16 Bit notiert und durch Doppelpunkte getrennt.
Eine Adresse in dieser Schreibweise lautet zum Beispiel 2001:0db8:86a4:0000:0000:2a2e:0451:3487. Zur weiteren Vereinfachung dürfen führende Nullen innerhalb einer Gruppe weggelassen werden. Eine zusammenhängende Folge aus Nullgruppen darf einmal innerhalb einer Adresse durch :: ersetzt werden. Aus der Adresse des obigen Beispiels wird dann 2001:db8:86a4::2a2e:451:3487.
Die Maskierung der IP-Adresse und die Unterscheidung zwischen privaten und öffentlichen Adressbereichen
Zu einer IP-Adresse gehört für die vollständige Definition von Netz- und Hostanteil immer auch die sogenannte Netzmaske beziehungsweise die Präfixlänge. Diese bestimmt, welcher Teil der IP-Adresse das eigentliche Netzwerk und welcher Teil den Host beziehungsweise die Schnittstelle in diesem Netzwerk darstellt. Rechner in einem identischen Subnetzwerk besitzen denselben Netzwerkanteil und unterscheiden sich im jeweiligen Hostanteil. Ein Beispiel für eine IP-Adresse mit Netzwerkmaske im IPv4-Umfeld wäre:
192.168.1.15 255.255.255.0Die Netzwerkmaske in diesem Beispiel bestimmt die ersten 24 Bit, also 192.168.1, als Netzwerkanteil. Die Adresse kann auch als 192.168.1.15/24 geschrieben werden. In einem klassischen IPv4-Subnetz dieser Größe gibt es 256 Adressen. Davon sind üblicherweise eine Adresse für das Netz selbst und eine für Broadcasts reserviert, sodass 254 Hostadressen verbleiben. Die Präfixlänge beträgt 24 Bit.
Bei den IP-Adressen wird auch zwischen sogenannten privaten und öffentlichen Adressen unterschieden. Bestimmte Adressbereiche wie zum Beispiel das Netz 10.0.0.0/8 sind für den privaten Gebrauch vorgesehen und werden im öffentlichen Internet nicht geroutet. Für private Netze können die definierten Adressbereiche verwendet werden und müssen nicht weltweit eindeutig sein. Folglich besteht bei privaten Adressen auch keine Pflicht zur weltweiten Registrierung. Möchte ein Gerät über IPv4 im öffentlichen Internet kommunizieren, muss am Übergang jedoch eine öffentliche IP-Adresse zur Verfügung stehen. Öffentlich geroutete Adressen müssen im jeweiligen Adressraum eindeutig zugeordnet sein, damit die Zustellung im Internet möglich ist. Die IANA (Internet Assigned Numbers Authority) koordiniert den globalen IP-Adressraum. Die Verteilung großer Adressblöcke erfolgt über regional zuständige RIRs (Regional Internet Registries) wie zum Beispiel das RIPE NCC (Réseaux IP Européens Network Coordination Centre) und anschließend über Provider oder andere berechtigte Organisationen.
Sollen Geräte aus privat adressierten IPv4-Netzen auch im öffentlichen Internet kommunizieren können, muss an der definierten Netzwerkgrenze dafür gesorgt werden, dass ihre privaten Adressen in öffentliche Adressen übersetzt werden. Für solche Zwecke stehen Techniken wie NAT (Network Address Translation) oder PAT (Port Address Translation) zur Verfügung. PAT ermöglicht es, dass mehrere interne Geräte eine öffentliche IPv4-Adresse nutzen, indem zusätzlich die Portnummern unterschieden werden.
Das Routing anhand der IP-Adresse
Die Wegefindung im Internet beziehungsweise in einem IP-Netz wird anhand der IP-Adresse durchgeführt und nennt sich Routing. Zu diesem Zweck werten Router die Ziel-IP-Adresse anhand der Netzwerkmaske beziehungsweise des Präfixes aus, bestimmen den Netzanteil und leiten das Paket anhand der Zieladresse und der eigenen Routingtabelle zum nächsten Router auf dem Weg zum Ziel weiter.
Dabei ist das Routingverhalten im Internet nach dem Hop-by-Hop-Verfahren organisiert, da jeder Router jeweils den nächsten Zwischenpunkt zum Ziel bestimmt. Zur Wegeauswahl nutzen Router sogenannte Routing-Protokolle wie zum Beispiel RIP, OSPF oder BGP. Mit ihrer Hilfe tauschen sie Informationen über erreichbare Netze aus und nehmen geeignete Wege in ihre Routingtabellen auf. Die Protokolle erfüllen unterschiedliche Aufgaben: OSPF wird typischerweise innerhalb eines administrierten Netzes eingesetzt, BGP vor allem für den Austausch zwischen autonomen Systemen. RIP ist ein älteres Verfahren für kleinere Netze.
Da beim Hop-by-Hop-Verfahren jedes Paket anhand seiner IP-Adresse geroutet wird und sich Wege im Netz dynamisch ändern können, ist es möglich, dass einzelne Pakete eines Datenstroms von der gleichen Quelle zum gleichen Ziel unterschiedliche Wege nehmen. Dies kann auch zur Folge haben, dass die Pakete am Zielrechner in unterschiedlicher Reihenfolge ankommen. Falls eine geordnete Übertragung erforderlich ist, übernimmt dies nicht IP selbst, sondern ein höheres Protokoll wie TCP. Während des Routings bleiben die IP-Adressen von Ziel und Absender grundsätzlich so erhalten, wie sie der Absender gesetzt hat. Ausnahmen von dieser Regel treten zum Beispiel bei Adressübersetzungen wie NAT auf.
Erkennt ein Endgerät anhand des Präfixes, dass sich die Zieladresse im gleichen lokalen Netz befindet, sendet es das Paket normalerweise direkt an die Netzwerkschnittstelle des Ziels, statt es an das Default Gateway zu übergeben. Für die Zustellung im lokalen IPv4-Netz wird zur IP-Adresse die zugehörige MAC-Adresse ermittelt, die die Hardwareadresse der Netzwerkschnittstelle repräsentiert. Dazu dient das sogenannte ARP (Address Resolution Protocol). IPv6 verwendet hierfür nicht ARP, sondern die Neighbor Discovery des Internet Control Message Protocol for IPv6.
Manuelles und automatisches Vergeben der IP-Adresse
Ein Endgerät kann seine IP-Adresse entweder manuell oder über ein dynamisches Verfahren zugeteilt bekommen. Bei der manuellen Vergabe wird zum Beispiel bei einem PC die IP-Adresse in der Netzwerkkonfiguration des Rechners eingetragen. Damit die Kommunikation funktioniert, benötigt der Rechner zusätzlich die Angaben zur Netzwerkmaske beziehungsweise Präfixlänge sowie in der Regel ein sogenanntes Default Gateway, an das er Pakete schickt, deren Ziel nicht im gleichen lokalen Netz liegt. Für die Auflösung von Domainnamen wird außerdem meist mindestens ein DNS-Server eingetragen.
Zur Vereinfachung und Automatisierung können Adressen jedoch auch automatisch zugeteilt werden. Das DHCP (Dynamic Host Configuration Protocol) ist für diese Zwecke geeignet und wird bei IPv4 sehr verbreitet eingesetzt. Beim DHCP fragt der Client bei einem DHCP-Server eine IP-Adresskonfiguration an. Ist ein Server entsprechend konfiguriert und für den Client zuständig, teilt er dem Client die IP-Adresse samt Zusatzinformationen wie Netzwerkmaske, Default Gateway und gegebenenfalls DNS-Server mit.
Gleichzeitig erfährt der Client, über welchen Zeitraum er diese IP-Adresse nutzen darf, ohne erneut nachfragen zu müssen. Durch diese Konfiguration vereinfachen Administratoren die IP-Adressvergabe in Netzwerken stark, da ein DHCP-Server mit entsprechenden IP-Adressbereichen eingerichtet werden kann. Zeitaufwendige manuelle Eingriffe an den einzelnen Endgeräten sind dadurch in vielen Fällen nicht mehr nötig. Bei IPv6 kommen neben DHCPv6 auch Verfahren wie die Stateless Address Autoconfiguration zum Einsatz, über die sich Schnittstellen anhand angekündigter Netzwerkpräfixe selbst konfigurieren können.
Zusammenfassung
Eine IP-Adresse ist ein zentrales Element für die Kommunikation in Netzwerken. Sie adressiert eine Netzwerkschnittstelle innerhalb eines bestimmten Netzkontexts. Es gibt zwei Hauptversionen: IPv4 und IPv6, wobei IPv6 aufgrund der Knappheit von IPv4-Adressen und seines erheblich größeren Adressraums immer wichtiger wird. IPv4 nutzt 32 Bit und IPv6 nutzt 128 Bit.
Zu jeder IP-Adresse gehört eine Netzwerkmaske oder Präfixlänge, die den Netzwerk- und den Hostanteil der Adresse trennt. Es gibt sowohl private als auch öffentliche IPv4-Adressen. Öffentliche Adressen müssen im öffentlich gerouteten Adressraum eindeutig zugeordnet sein, während private Adressbereiche innerhalb voneinander getrennter privater Netzwerke wiederverwendet werden können.
Die Zuweisung von IP-Adressen kann entweder manuell oder automatisch über Verfahren wie DHCP erfolgen. Routing ist der Prozess, durch den Datenpakete auf Basis ihrer IP-Adressen zwischen Netzwerken weitergeleitet werden. Hierbei spielen Routing-Protokolle wie RIP, OSPF und BGP unterschiedliche Rollen.
Die Wegefindung im Netzwerk basiert auf der IP-Adresse und nutzt ein Hop-by-Hop-Verfahren, bei dem jedes beteiligte Netzwerkelement den nächsten Schritt zur Zieladresse auswählt. Technologien wie NAT oder PAT ermöglichen insbesondere Geräten mit privaten IPv4-Adressen die Kommunikation über eine öffentliche IPv4-Adresse.
Für Geräte im selben lokalen IPv4-Netz wird die MAC-Adresse durch das ARP-Verfahren ermittelt und es ist normalerweise kein Router für die direkte Zustellung erforderlich. IPv6 nutzt für diese Aufgabe die Neighbor Discovery.
Häufige Fragen und Antworten
Eine IP-Adresse (Internetprotokoll-Adresse) ist eine numerische Kennung für eine Netzwerkschnittstelle innerhalb eines IP-Netzes. Mit Hilfe der IP-Adresse werden Datenpakete im Netzwerk adressiert und weitergeleitet. Öffentliche IP-Adressen müssen im Internet eindeutig zugeordnet sein, während private Adressen in getrennten lokalen Netzen mehrfach vorkommen können.
Es gibt zwei Hauptversionen der IP-Adresse: IPv4 und IPv6. IPv4 verwendet 32 Bit und ist weiterhin weit verbreitet. IPv6 verwendet 128 Bit und stellt einen wesentlich größeren Adressraum bereit. Beide Versionen werden parallel eingesetzt.
Die Netzwerkmaske beziehungsweise Präfixlänge einer IP-Adresse trennt den Netzwerk- vom Hostanteil. Sie bestimmt, welcher Teil der IP-Adresse das Netzwerk und welcher Teil die Schnittstelle innerhalb dieses Netzwerks repräsentiert. Endgeräte können damit unter anderem erkennen, ob ein Ziel direkt im lokalen Netz erreichbar ist oder über ein Gateway angesprochen werden muss.
