IP-Adresse: Aufbau, Arten und Routing verstehen

Stell dir ein Datenpaket wie ein Paket bei der Post vor: Ohne Zieladresse kann es nicht zugestellt werden. In einem Rechnernetz übernimmt die IP-Adresse diese Aufgabe.

Ein versendetes IP-Paket enthält unter anderem:

• eine Quelladresse für den Absender,
• eine Zieladresse für den Empfänger.

Router lesen die Zieladresse und entscheiden, in welches Netz das Paket als Nächstes weitergeleitet wird. Ein solcher Abschnitt des Weges heißt Hop.

Im Internet werden vor allem zwei Versionen des Internetprotokolls verwendet: IPv4 und IPv6.

IPv4 besteht aus 32 Bit

Eine IPv4-Adresse wird meist als vier durch Punkte getrennte Dezimalzahlen geschrieben:

192.168.1.1

Jede Zahl stellt acht Bit dar und liegt zwischen 0 und 255. Vier Gruppen zu je acht Bit ergeben insgesamt 32 Bit. Damit sind rechnerisch

$$2^{32}=4.294.967.296$$

unterschiedliche Bitmuster möglich. Ein Teil dieses Adressraums ist für besondere Zwecke reserviert.

203.0.113.195 hat eine gültige IPv4-Schreibweise. 203.0.113.789 ist dagegen ungültig, weil 789 größer als 255 ist.

IPv6 besteht aus 128 Bit

IPv6 vergrößert den Adressraum erheblich. Eine vollständige IPv6-Adresse besitzt acht Gruppen aus Hexadezimalziffern. Hexadezimalziffern reichen von 0 bis 9 und von a bis f.

2001:0db8:85a3:0000:0000:8a2e:0370:7344

Führende Nullen einer Gruppe dürfen entfallen. Zusammenhängende Nullgruppen dürfen einmal pro Adresse durch :: ersetzt werden:

2001:db8:85a3::8a2e:370:7344

:: darf nur einmal vorkommen, damit sich eindeutig bestimmen lässt, wie viele Nullgruppen fehlen.

Die Gegensatzpaare privat oder öffentlich und statisch oder dynamisch beschreiben verschiedene Eigenschaften. Eine Adresse kann zum Beispiel gleichzeitig privat und dynamisch sein.

Private und öffentliche Adressen

Eine private IP-Adresse gilt innerhalb eines internen Netzes, etwa im Heimnetz. Adressen wie 192.168.1.20 werden im öffentlichen Internet nicht direkt geroutet.

Eine öffentliche IP-Adresse macht einen Anschluss oder ein öffentlich erreichbares System gegenüber anderen Internetnetzen adressierbar. Der Internetanbieter weist einem Anschluss gewöhnlich eine öffentliche Adresse zu.

Beim IPv4-Heimnetz übersetzt der Router häufig zwischen beiden Bereichen. Dieses Verfahren heißt Network Address Translation, kurz NAT. Mehrere Geräte mit privaten Adressen können dadurch nach außen unter derselben öffentlichen IPv4-Adresse erscheinen. Portinformationen helfen dem Router, Antworten wieder der passenden Verbindung zuzuordnen.

Statische und dynamische Adressen

• Eine statische Adresse bleibt dauerhaft gleich. Das ist nützlich, wenn ein Server zuverlässig unter derselben Adresse erreichbar sein soll.
• Eine dynamische Adresse wird automatisch vergeben und kann sich ändern. In lokalen Netzen übernimmt diese Vergabe häufig ein DHCP-Server.

„Dynamisch“ bedeutet nicht „öffentlich“: Auch eine private Adresse kann automatisch per DHCP vergeben werden.

Eine IPv4-Adresse allein zeigt nicht zuverlässig, wo der Netzanteil endet. Dafür brauchst du die Subnetzmaske oder die gleichwertige Präfixlänge.

Alle Schnittstellen in demselben Subnetz besitzen denselben Netzteil. Die Netzadresse entsteht, wenn alle Hostbits auf null gesetzt werden. Werden im klassischen IPv4-Subnetz alle Hostbits auf eins gesetzt, entsteht die Broadcastadresse.

Vollständiges Beispiel mit /27

Gegeben ist die Adresse 203.0.113.195/27.

1. IPv4 besitzt 32 Bit. Daher bleiben $32-27=5$ Hostbits.
2. Fünf Hostbits ergeben $2^5=32$ Adressen pro Bereich.
3. Im letzten Zahlenblock beginnen solche Bereiche bei 0, 32, 64, 96, 128, 160, 192 und 224.
4. Die Zahl 195 liegt im Bereich von 192 bis 223.
5. Die Netzadresse lautet deshalb 203.0.113.192.
6. Die Broadcastadresse lautet 203.0.113.223.
7. Im klassischen Rechenmodell bleiben nach dem Abzug von Netz- und Broadcastadresse $2^5-2=30$ gewöhnliche Geräteadressen: 203.0.113.193 bis 203.0.113.222.

Die Adresse 203.0.113.195 liegt drei Schritte über der Netzadresse. Ihr Geräteteil hat daher den Wert 3.

So entscheidet ein Gerät über den nächsten Weg

Vor dem Versand vergleicht das Gerät die Netzteile seiner eigenen Adresse und der Zieladresse:

• Liegt das Ziel im selben Subnetz, kann es lokal erreicht werden.
• Liegt das Ziel in einem anderen Subnetz, geht das Paket gewöhnlich an einen Router.

Der Router sucht in seiner Routingtabelle nach dem nächsten passenden Weg und leitet das Paket weiter.

Menschen merken sich Namen meist leichter als Zahlenfolgen. Das Domain Name System, kurz DNS, ordnet Rechnernamen den passenden IP-Adressen zu.

Ein vereinfachter Webaufruf läuft so ab:

1. Du gibst einen Namen in den Browser ein.
2. Der Browser beziehungsweise das Betriebssystem lässt den Namen durch DNS in eine IP-Adresse auflösen.
3. Dein Gerät verwendet diese Zieladresse für die Verbindung zum Webserver.
4. Router leiten die Datenpakete durch verschiedene Netze.
5. Der Server beantwortet die Anfrage und sendet Daten an die Absenderadresse zurück.

DNS und IP erfüllen also verschiedene Aufgaben: DNS liefert eine passende Adresse zu einem Namen; IP ermöglicht anschließend die adressierte Übertragung.

Eine beobachtete öffentliche IP-Adresse kann auf einen Internetanbieter, einen Anschluss oder ungefähr auf ein Land beziehungsweise eine Region hinweisen. Sie ist aber kein sicherer Personenbeweis.

Mehrere Gründe begrenzen ihre Aussagekraft:

• Mehrere Geräte und Personen können dieselbe öffentliche IPv4-Adresse verwenden.
• Eine dynamische Adresse kann zu verschiedenen Zeiten unterschiedlichen Anschlüssen zugeordnet sein.
• Beim Wechsel zwischen Heimnetz, Mobilfunk und öffentlichem WLAN ändert sich die verwendete öffentliche Adresse.
• Fehlkonfigurationen oder manipulierte Routen können die technische Zuordnung zusätzlich erschweren.

Auch die Kenntnis einer IP-Adresse allein erlaubt normalerweise keine Übernahme eines Geräts. Für einen erfolgreichen Angriff wären weitere Bedingungen nötig, etwa ein erreichbarer verwundbarer Dienst.

Ein VPN leitet den Verkehr über einen VPN-Server. Der angesprochene Zielserver sieht dadurch gewöhnlich die IP-Adresse dieses Servers statt der ursprünglichen Anschlussadresse. Vollständige Anonymität entsteht dadurch nicht: Der VPN-Anbieter verarbeitet den umgeleiteten Verkehr, und Konten, Cookies oder andere Merkmale können eine Wiedererkennung ermöglichen.

Wenn du alle drei Abschlussfragen begründen kannst, kannst du IP-Adressen nicht nur erkennen, sondern auch ihre Rolle bei Namensauflösung, Subnetzen und Routing erklären.