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Die restlichen Adressen, die mit 240 bis 255 anfangen, sind nicht vergeben und für zukünftige Anwendungszwecke reserviert. Je nach Klasse ist der Teil, der das Netzwerk kennzeichnet, unterschiedlich lang, entsprechend existieren unterschiedlich viele Netze der verschiedenen Klassen. Die Bits, die ganz rechts in der Adresse stehen und nicht zum Netzwerk-Teil gehören, sind die Host-Bits. Je nach Länge des Netzwerk-Teils bleiben unterschiedlich viele Bits für den Host-Teil übrig, sodass die Höchstzahl der Rechner in einem Netz variiert.
Tabelle 13.3 zeigt die wichtigsten Informationen zu den einzelnen Klassen im Überblick. In der Spalte Netzwerk-Bits stehen jeweils zwei Werte. Der erste stellt die Anzahl von Bits dar, die insgesamt den Netzwerk-Teil bilden. Da die Grenzen zwischen Netzwerk- und Host-Teil an den Byte-Grenzen verlaufen, handelt es sich je nach Klasse um 1 bis 3 Byte. Da jedoch die Bits am Anfang der Adresse - wie oben gezeigt - die Klasse angeben, besteht die praktisch nutzbare Netzwerkangabe nur aus 7, 14 beziehungsweise 21 Bit. Der Rest der Adresse bildet den Host-Teil, der je nach Klasse unterschiedlich groß ausfällt. Netz- und Broadcast-Adresse Innerhalb eines einzelnen Netzes - egal welcher Klasse - stehen die erste und die letzte mögliche Adresse nicht als Host-Adressen zur Verfügung: Die niedrigste Adresse identifiziert das gesamte Netz als solches nach außen hin, aber keinen speziellen Host; die höchste Adresse ist die so genannte Broadcast-Adresse: Werden Datenpakete innerhalb des Netzes an diese Adresse gesendet, so werden sie von jedem Host empfangen. Zum Beispiel bilden die Adressen, die mit 18.x.x.x beginnen, das Klasse-A-Netzwerk 18.0.0.0 mit der Broadcast-Adresse 18.255.255.255 und Host-Adressen von 18.0.0.1 bis 18.255.255.254. Dieses Netz kann theoretisch bis zu 16.777.214 Hosts beherbergen (224 - 2). Die Adressen, die mit 162.21.x.x anfangen, befinden sich in dem Klasse-B-Netzwerk 162.21.0.0, dessen Broadcast-Adresse 162.21.255.255 lautet. Es kann bis zu 65.534 Hosts (216 - 2) mit den Adressen 162.21.0.1 bis 162.21.255.254 enthalten. Letztes Beispiel: Adressen, die mit 201.30.9.x beginnen, liegen in dem Klasse-C-Netz 201.30.9.0 mit der Broadcast-Adresse 201.30.9.255; die 254 möglichen Host-Adressen (28 - 2) sind 201.30.9.1 bis 201.30.9.254. Multicasting Die so genannten Multicast-Adressen der Pseudo-Klasse D nehmen eine Sonderstellung ein: Eine Multicast-Gruppe ist eine auf beliebige Netze verteilte Gruppe von Hosts, die sich dieselbe Multicast-IP-Adresse teilen. Dies ermöglicht einen erheblich ökonomischeren Versand von Daten, da sie nicht mehr je einmal pro empfangendem Host versendet werden, sondern nur noch kopiert werden müssen, wo Empfängerrechner in unterschiedlichen Teilnetzen liegen. Aus diesem Grund ist Multicasting eine zukunftsträchtige Technologie für datenintensive Anwendungen wie etwa Videokonferenzen. Im Gegensatz dazu werden die individuellen Host-Adressen als Unicast-Adressen bezeichnet. Die Verteilung der IP-AdressenAlle Adressen des IPv4-Adressraums werden von der Internet Assigned Numbers Association (IANA) verwaltet. Falls Sie jedoch für bestimmte Anwendungen in Ihrem Unternehmen eine oder mehrere feste IP-Adressen benötigen, dann sollten Sie sich in der Regel an einen Internetprovider und nicht an die IANA selbst wenden. Verfügbarkeit nach Klassen Die 128 Netze der Klasse A sind bereits alle vergeben; in der Regel an große internationale Unternehmen aus dem Elektronik- und Computerbereich sowie an US-amerikanische Staats-, Militär- und Bildungsinstitutionen. Beispielsweise gehört das Netz 17.0.0.0 der Firma Apple, 18.0.0.0 dem Massachusetts Institute of Technology (MIT) und 19.0.0.0 der Ford Motor Company. Die 16.384 Klasse-B-Netze sind ebenfalls weitgehend vergeben, insbesondere an US-amerikanische Unternehmen und Internetprovider. Die mehr als zwei Millionen Netze der Klasse C schließlich sind inzwischen ebenfalls überwiegend belegt. Die meisten von ihnen gehören Unternehmen und Internetprovidern, die nicht in den USA residieren, etwa in Europa oder Asien. Da solche Institutionen oft mehr als 254 Hosts in ihrem Netz betreiben, wird ihnen häufig ein größerer Block von aufeinander folgenden Klasse-C-Netzen zugewiesen. Die aktuelle Verteilung der IPv4-Adressen können Sie direkt auf der Website der IANA unter http://www.iana.org/assignments/ipv4-address-space einsehen. Spezielle Adressen Als das Konzept der IP-Adressen entstand, konnte niemand auch nur ansatzweise erahnen, welche Dimensionen das Internet einmal annehmen würde. Deshalb glaubten die ursprünglichen Entwickler, dass sie es sich leisten könnten, den Adressraum relativ großzügig aufzuteilen: Bedenken Sie etwa, dass die Hälfte des Adressraums für die überaus ineffektiven Klasse-A-Adressen vergeudet wird. Um die drohende Verknappung der IP-Adressen zu verhindern oder zumindest zu verzögern, bis eine Alternative gefunden würde, wurden einige Adressbereiche zur Verwendung in privaten Netzwerken freigegeben, die nicht mit dem Internet verbunden sind. Es handelt sich um die folgenden Blöcke:
Ein weiterer Block, der erst später freigegeben wurde, ist das Klasse-B-Netz 169.254.0.0, das einem besonderen Verwendungszweck vorbehalten ist: Moderne TCP/IP-Implementierungen in fast allen Betriebssystemen verwenden dieses Netz für »link local« - eine Möglichkeit, sich automatisch selbst IP-Adressen zuzuweisen, falls wider Erwarten keine Verbindung zu einem DHCP-Server hergestellt werden kann, der eigentlich für die automatische Zuweisung von Adressen zuständig wäre.
Zu guter Letzt existieren noch einige Netze mit anderen speziellen Bedeutungen:
Die Vergabe der privaten Adressbereiche ist in RFC 1918 geregelt; die Festlegung der anderen speziellen Adressbereiche befindet sich in RFC 3330. Supernetting, Subnetting und CIDRIn der neueren Entwicklungsgeschichte des Internets hat sich herausgestellt, dass die traditionellen Adressklassen nicht für alle Anwendungsbereiche flexibel genug sind. Deshalb wurde ein neues Schema entwickelt, das die Trennlinie zwischen Netz- und Host-Teil der Adressen an einer beliebigen Bitgrenze ermöglicht. Das in RFC 1519 beschriebene Verfahren heißt Classless Inter-Domain Routing (CIDR). Die folgenden beiden Anwendungsbeispiele verdeutlichen typische Probleme mit der alten Klassenlogik, die mit Hilfe von CIDR gelöst werden können:
CIDR-Funktionsweise Das Prinzip von CIDR basiert darauf, dass die traditionellen Byte-Grenzen zwischen Netz- und Host-Teil völlig aufgehoben werden. Deshalb ist die Größe des Netzes bei einem CIDR nicht mehr am Beginn der Adresse zu erkennen. Stattdessen wird die Anzahl der Bits, die den Netzwerk-Teil der Adresse bilden, durch einen Slash getrennt hinter der Netzwerkadresse notiert. Zum Beispiel wird das Klasse-A-Netz 14.0.0.0 zu 14.0.0.0/8. Eine alternative Darstellungsform für die Grenze zwischen Netz- und Host-Teil bei CIDR-Adressen - insbesondere in der IP-Konfiguration der meisten Betriebssysteme - stellt die Teilnetzmaske (englisch Subnet Mask) dar. In dieser Maske werden für die Bits des Netzwerk-Teils am Anfang der Adresse Einsen notiert, für die Bits des Host-Teils am Ende der Adresse dagegen Nullen. Genau wie die IP-Adresse selbst wird auch die Teilnetzmaske in vier dezimalen 8-Bit-Blöcken geschrieben. Tabelle 13.4 zeigt Beispiele für die Schreibweise der ursprünglichen klassenbasierten Adressen nach CIDR-Logik sowie ihre Teilnetzmasken.
Das Subnetting aus dem ersten Beispiel, die Unterteilung des Netzes 139.17.0.0/16 in vier gleich große Teilnetze, kann folgendermaßen durchgeführt werden:
Tabelle 13.5 zeigt die Eigenschaften der vier neuen Netze.
Im zweiten Beispiel geht es um Supernetting, das heißt um die Zusammenfassung einzelner Netze zu einem größeren Gesamtnetz. Die Netze 203.16.0.0/24 bis 203.19.255.0/24 sollen zu einem einzigen Netz verbunden werden. Diese Aufgabe lässt sich auf folgende Weise lösen:
IP-Adressraum-Umrechnung Im Allgemeinen bietet es sich an, die Teilnetzmaske des ursprünglichen Netzes, das aufgeteilt oder mit mehreren verbunden werden soll, zunächst in die Binärdarstellung umzurechnen. In dieser Schreibweise fällt es am leichtesten, die Grenze zwischen Netz- und Host-Teil um die gewünschte Anzahl von Bits nach links oder nach rechts zu verschieben. Anschließend können Sie die Maske wieder in die vier üblichen 8-Bit-Gruppen unterteilen und in Dezimalzahlen umrechnen. Diese Vorgehensweise soll im Folgenden an zwei neuen Beispielen demonstriert werden. Das Klasse-B-Netzwerk 146.20.0.0/16 soll in acht Teilnetze unterteilt werden:
Die vier Klasse-C-Netzwerke 190.16.0.0/24 bis 190.16.3.0/24 sollen zu einem gemeinsamen Netz verbunden werden:
Die folgenden Tabellen zeigen in übersichtlicher Form, wie die Aufteilung der alten IP-Adressklassen in verschiedene Anzahlen von Teilnetzen funktioniert. In Tabelle 13.6 wird die Klasse A behandelt. Die - rein rechnerisch mögliche - Zusammenfassung mehrerer Klasse-A-Netze durch Supernetting wird in der Praxis nicht durchgeführt, weil erstens wohl niemand mehr als 16,7 Millionen Hosts in einem Teilnetz betreiben möchte, und zweitens alle Klasse-A-Netze an einzelne Betreiber vergeben wurden.
In Tabelle 13.7 wird die Aufteilung eines Klasse-B-Netzes in beliebig kleine Teilnetze gezeigt.
Die Tabelle 13.8 schließlich zeigt, wie die Unterteilung eines Klasse-C-Netzes erfolgt. In kleineren Unternehmen könnte es durchaus praktisch sein, ein solches - ohnehin kleines - Netzwerk weiter zu unterteilen.
In der Praxis ermöglicht CIDR bereits einen erheblich flexibleren Netzwerkaufbau als die Verwendung der alten Klassen. Doch auch diese Verfahrensweise kann immer noch ungünstige Ergebnisse zur Folge haben, wenn Teilnetze mit erheblich unterschiedlichen Größen benötigt werden: Das größte benötigte Teilnetz bestimmt die Größe aller anderen; selbst das kleinste belegt eine Menge von Adressen, die es womöglich niemals benötigen wird. Aus diesem Grund wurde das VLSM-Konzept (Variable Length Subnet Mask) eingeführt. Es handelt sich um ein spezielles Subnetting-Verfahren, bei dem ein gegebenes Netz nicht mehr in gleich große, sondern in verschieden große Teilnetze unterteilt wird. Jedem dieser Teilnetze wird eine individuelle Teilnetzmaske zugewiesen. VLSM-Funktionsweise Das grundlegende Prinzip von VLSM besteht darin, vom kleinsten benötigten Teilnetz auszugehen und die entsprechenden größeren Netze aus Blöcken solcher kleinsten Teilnetze zu bilden, denen dann höhere Teilnetzmasken zugewiesen werden. Angenommen etwa, bei der Aufteilung eines Klasse-B-Netzes mit seinen 65.534 Host-Adressen besitzt das kleinste gewünschte Teilnetz 12 Hosts, das größte etwa 500. Für die 12 Hosts ist mindestens ein Netz mit der Teilnetzmaske 255.255.255.248 erforderlich, das 14 Host-Adressen bietet. Aus diesen kleinen Teilnetzen können dann entsprechend größere aufgebaut werden, wobei die Grenzen zwischen den Netzen der Logik der jeweiligen Netzmaske entsprechen müssen. An dieser Stelle soll ein einfaches Beispiel genügen: Ein Unternehmen betreibt das öffentliche Klasse-C-Netz 196.17.41.0/24. Dieses Netz soll auf die drei Abteilungen der Firma aufgeteilt werden; die beiden Router und die drei Server sollen ein viertes separates Teilnetz bilden. Tabelle 13.9 zeigt die klassische Aufteilung des Netzes in vier gleich große Teile nach CIDR-Logik.
Es ist leicht zu erkennen, dass zwei der Teilnetze, Server/Router und Verwaltung, vollkommen überdimensioniert sind, während zumindest das Teilnetz der Programmierabteilung beinahe seine Belastungsgrenze erreicht hat. Stellen Sie sich vor, es werden noch zwei weitere Hosts in diese Abteilung aufgenommen: Schon wäre das Teilnetz zu klein, und es müsste über eine andere Verteilung nachgedacht werden. In diesem Beispiel könnte sie nur noch darin bestehen, zwei der anderen Bereiche zusammenzulegen, um den Programmiererbereich zu vergrößern. Eine komplexere, aber für den konkreten Anwendungsfall sinnvollere Aufteilung des Netzes mit Hilfe der VLSM-Technik wird in Tabelle 13.10 gezeigt.
Für die IP-Konfiguration eines einzelnen Hosts macht es keinen Unterschied, ob das Teilnetz, in dem er sich befindet, nach der alten Klassenlogik, nach dem CIDR-Verfahren oder nach der VLSM-Methode konfiguriert wurde: In jedem Fall wird im Konfigurationsdialog des jeweiligen Betriebssystems die korrekte Teilnetzmaske eingestellt. Spezielle Unterstützung für VLSM benötigen lediglich die Router, die in dem betroffenen Netz eingesetzt werden. Die meisten neueren Routing-Protokolle bieten diese Unterstützung. Die Übertragung von IP-DatagrammenAuf der Vermittlungsschicht des TCP/IP-Protokollstapels, auf der das IP-Protokoll arbeitet, werden die Datenpakete als Datagramme bezeichnet. Um die Datenübertragung mit Hilfe des IP-Protokolls genau zu erläutern, soll an dieser Stelle zunächst der IP-Header vorgestellt werden. Er enthält die Steuerdaten, die das IP-Protokoll zu einem Datenpaket hinzufügt, das ihm vom übergeordneten Transportprotokoll übergeben wird. Der IPv4-Protokoll-Header wird - wie das gesamte Protokoll - in RFC 791 definiert. Seine Länge beträgt mindestens 20 Byte, dazu können bis zu 40 Byte Optionen kommen. Tabelle 13.11 zeigt den genauen Aufbau.
Die einzelnen Daten des IP-Headers sind folgende:
Paket-Fragmentierung Das Problem der Paket-Fragmentierung entsteht dadurch, dass verschiedene physikalische Netzarten unterschiedliche Maximallängen für Datenpakete erlauben. Dieser Wert, der als Maximum Transmission Unit (MTU) bezeichnet wird, kann bei einigen Netzwerkschnittstellen per Software konfiguriert werden, bei anderen ist er vom Hersteller vorgegeben. Werden nun Datagramme aus einem Netz mit einer bestimmten MTU in ein anderes Netz mit einer kleineren MTU weitergeleitet, dann müssen die Daten in kleinere Pakete »umgepackt« werden. Wie oben beschrieben, werden sie dazu mit Fragmentierungsinformationen versehen, damit sie später wieder richtig zusammengesetzt werden können. Solange Quell- und Zieladresse im gleichen Netzwerk liegen, ist die Übertragung der Datagramme sehr einfach: Je nach Netzwerkart wird auf die passende Art und Weise (bei Ethernet zum Beispiel über ARP) die Schnittstelle ermittelt, für die die Daten bestimmt sind. Anschließend wird das Datagramm an den korrekten Empfänger übermittelt. Dieser liest den IP-Header des Pakets, setzt eventuelle Fragmente wieder richtig zusammen und übermittelt das Paket an das Transportprotokoll, dessen Nummer im Header angegeben ist. Wie der Transportdienst mit den Daten umgeht, erfahren Sie im nächsten Abschnitt. IP-RoutingKomplizierter, aber auch interessanter wird es, wenn die Daten nicht für einen Host im lokalen Netz bestimmt sind, sondern für ein anderes Netzwerk. In diesem Fall muss das Paket an einen Router übergeben werden, der es weiterleitet. Die meisten Daten, die im Internet übertragen werden, passieren eine Vielzahl solcher Router, bis sie letztendlich ihr Ziel erreichen. Um das Konzept des IP-Routings verstehen zu können, müssen Sie verschiedene Aspekte betrachten. Insbesondere ist die Frage von Bedeutung, auf welche Art und Weise überhaupt das korrekte Empfängernetzwerk gefunden wird. Default Gateway und »normale« Router Bei einem einzelnen Host können üblicherweise zwei verschiedene Arten von Routern angegeben werden: zum einen die Router, die Daten in ein bestimmtes Fremdnetzwerk weiterleiten, und zum anderen der Standard-Router (meist als »Default Gateway« bezeichnet), der alle Daten entgegennimmt, die weder für das lokale Netz noch für ein Netz mit einem speziellen Router bestimmt sind. Bei einem privaten PC, der über eine Wählleitung mit dem Internet verbunden ist, besteht in der Regel nur eine Verbindung zu einem einzelnen Router. Welcher das ist, wird jedoch bei der Einwahl in das Netzwerk des Providers bestimmt, da auch die IP-Adresse bei jeder Einwahl dynamisch zugeteilt wird. Je nachdem, welche Adresse dem Host zugeteilt wird, ist möglicherweise ein anderer Router zuständig. Deshalb wird der Router bei der IP-Konfiguration des DFÜ-Netzwerkzugangs nicht fest angegeben, sondern durch das Einwahlprotokoll (üblicherweise PPP) mitgeteilt. Anders sieht es dagegen oft bei Workstations in Unternehmen aus, die an ein lokales Netzwerk angeschlossen sind: Sämtliche Netzwerkkommunikation, sowohl mit dem lokalen Netz als auch mit dem Internet, findet über ein und dieselbe LAN-Schnittstelle statt, meistens über Ethernet. Innerhalb des LAN besitzt der Router für die Verknüpfung zum Internet eine bekannte IP-Adresse, die bei der IP-Konfiguration des Hosts angegeben wird. Mitunter besteht die Netzwerkinfrastruktur eines größeren Unternehmens auch aus mehreren Einzelnetzen, die über interne Router miteinander vernetzt werden. In einem solchen Fall wird häufig der Router, der zu dem anderen lokalen Netz führt, als Router für dieses konkrete Netz angegeben, während der Internet-Router (dessen Zielnetz »alle anderen Netze« sind) als Standard-Router eingerichtet wird. Für diesen letzteren - Routing-technisch relativ interessanten - Fall sehen Sie hier ein Beispiel: Routing-Beispiel In einem Unternehmen bestehen die beiden lokalen Netze 196.87.98.0/24 und 196.87.99.0/24. Das erste Netz wird von der Grafikabteilung verwendet, das zweite von den Softwareentwicklern. In Abbildung 13.2 wird der Aufbau dieses Netzes dargestellt. Das Netzwerk der Grafikabteilung enthält die folgenden drei Rechner:
Zum Netzwerk der Entwicklungsabteilung gehören die drei folgenden Hosts:
Zwischen den beiden lokalen Netzen befindet sich ein Router, dessen Schnittstelle im Netz der Grafikabteilung die IP-Adresse 196.87.98.1 besitzt. Seiner anderen Schnittstelle für die Entwicklungsabteilung wurde die Adresse 196.87.99.2 zugewiesen. Ein zweiter Router verbindet die Entwicklungsabteilung mit dem Internet. Seine lokale Schnittstelle wurde mit der IP-Adresse 196.87.99.1 konfiguriert; die Adresse für die Internet-Schnittstelle wird vom Internetprovider dynamisch zugewiesen. Interessant ist nun die Routing-Konfiguration der einzelnen Hosts. Die drei Rechner im Entwickler-Netzwerk kennen zwei verschiedene Router: Der Standard-Router ist 196.87.99.1, als spezieller Router für Datenpakete an das Netz 196.87.98.0 wird 196.87.99.2 angegeben. Dagegen kennen die drei Hosts im Grafik-Netzwerk nur einen einzigen Router, nämlich 196.87.98.1, der als Standard-Router eingerichtet wird. Ob Datenpakete jenseits dieses Routers für das Netz 196.87.99.0 oder für das Internet bestimmt sind, muss der Router selbst entscheiden; die Rechner schicken ihm einfach alle Datagramme, die nicht für das lokale Netz bestimmt sind. Angenommen »aphrodite« möchte auf Daten zugreifen, die »newton« bereitstellt. Die Daten sind offensichtlich nicht für das Netz 196.87.98.0 bestimmt, deshalb werden sie dem Router übergeben. Dieser erkennt, dass sie für das Netz 196.87.99.0 bestimmt sind, an das er unmittelbar angeschlossen ist. Er kann die Daten direkt an den Ziel-Host ausliefern. Will dagegen »zeus« auf Daten aus dem Internet zugreifen, beispielsweise auf die Website http://www.heise.de, dann muss der Standard-Router des Grafik-Netzes erkennen, dass die Daten nicht für das andere Netz bestimmt sind, an das er selbst angeschlossen ist, und sie an den nächsten Router weiterreichen. Ein wenig anders verhält es sich, wenn ein Rechner aus dem Entwickler-Netz wie »curie« auf »zeus« zugreifen möchte. Es ist bereits in der Routing-Konfiguration von »curie« bekannt, dass ein bestimmter Router, nämlich 196.87.99.2, zu verwenden ist. Ebenso weiß beispielsweise »einstein«, dass Zugriffe auf das Internet über den Router 196.87.99.1 erfolgen müssen. Routing-Tabellen Damit ein Host weiß, wohin er Datenpakete eigentlich schicken muss, um ein bestimmtes Netz zu erreichen, müssen die einzelnen Router in seiner Netzwerkkonfiguration angegeben werden - dies funktioniert je nach Betriebssystem unterschiedlich; die konkrete Vorgehensweise wird im nächsten Kapitel beschrieben. Das Ergebnis dieser Konfiguration ist eine Routing-Tabelle, die ebenfalls je nach System unterschiedlich aussieht. Angenommen, alle Rechner im oben gezeigten Beispielnetzwerk liefen unter UNIX (die Grafik-Rechner unter Mac OS X, die Entwickler-Computer unter Linux). Dann sähe die Routing-Tabelle von »curie«, die durch den UNIX-Befehl netstat -rn angezeigt werden kann, so aus: $ netstat -rn Routing Tables Destination Gateway Flags Refcnt Use Interface 127.0.0.1 127.0.0.1 UH 1 132 lo0 196.87.99.0 196.87.99.8 U 26 49041 le0 196.87.98.0 196.87.99.2 UG 0 0 le0 default 196.87.99.1 UG 0 0 le0 Die erste Zeile (Zieladresse 127.0.0.1) beschreibt das Erreichen der Loopback-Adresse: Das Interface (Netzwerkschnittstelle) ist »lo0« (local loopback). Das Flag »H« zeigt an, dass es sich um eine Route zum Erreichen eines einzelnen Hosts handelt. Das Flag »U« dagegen steht für »Up« und bedeutet, dass die Route zurzeit intakt ist. In der nächsten Zeile wird das lokale Netzwerk angegeben, in dem sich »curie« selbst befindet. Deshalb wird als Gateway einfach die IP-Adresse von »curie« angegeben. Das Interface »le0« ist die erste (und in diesem Fall einzige) Ethernet-Schnittstelle des Rechners. Die dritte Zeile beschreibt die Route in das Grafik-Netzwerk über den Router, dessen Adresse im Entwickler-Netz 196.87.99.2 lautet. Das Flag »G« steht für Gateway, also für die Tatsache, dass für diese Route die Dienste eines Routers in Anspruch genommen werden. In der letzten Zeile wird schließlich 196.87.99.1 als Default-Gateway angegeben, das heißt als Router für alle Ziele, die nicht explizit in der Routing-Tabelle auftauchen. Die Routing-Tabelle von »hermes« sieht einfacher aus: Routing Tables Destination Gateway Flags Refcnt Use Interface 127.0.0.1 127.0.0.1 UH 1 132 lo0 196.87.98.0 196.87.98.5 U 26 49041 le0 default 196.87.98.1 UG 0 0 le0 Da das Grafik-Netz nur einen Router kennt, gibt es nur den Loopback-Eintrag, die Information für das lokale Netz und schließlich den Default-Eintrag für alle anderen Netze. Lebensdauer von Auf diese Weise werden Daten durch das gesamte Internet geroutet. Jedes Mal, wenn ein Router passiert wird, erfolgt ein so genannter »Hop« der Daten. Wegen des TTL-Felds von 8 Bit Größe, das im IP-Header enthalten ist und weiter oben beschrieben wurde, erreicht ein Datagramm sein Ziel stets mit höchstens 255 Hops - oder eben gar nicht. Damit IP-Datenpakete ihr Ziel überhaupt erreichen können, muss im Prinzip jeder einzelne Router im gesamten Internet darüber Bescheid wissen, wie er jedes beliebige Netz erreichen kann. Zu diesem Zweck unterhält auch jeder Router Routing-Tabellen, die den oben für die einzelnen Hosts gezeigten ähnlich sehen. Da das Internet ein Zusammenschluss aus vielen einzelnen Netzwerken ist, müssen diese Tabellen jedoch ständig aktualisiert werden, denn es ergeben sich häufig Konfigurationsänderungen, weil neue Netze hinzukommen oder vorhandene geändert oder aufgegeben werden. Es wäre absolut unzumutbar, diese Konfigurationsänderungen ständig manuell auf dem aktuellen Stand zu halten, was deshalb auch seit vielen Jahren nicht mehr üblich ist (außer innerhalb sehr kleiner Netze wie in dem Beispiel oben, in denen sich die Routing-Einstellungen selten ändern müssen). Routing-Protokolle Die Router im Internet müssen deshalb ständig Informationen darüber austauschen, an welche anderen Netzwerke sie jeweils Daten vermitteln. Es wurden eine Reihe verschiedener Routing-Protokolle entwickelt, mit deren Hilfe dies bewerkstelligt wird. Jedes dieser Routing-Protokolle besitzt andere Eigenschaften, außerdem wird nicht jedes dieser Protokolle von jedem Hersteller unterstützt. Zunächst muss zwischen zwei verschiedenen Arten von Routing unterschieden werden: dem Routing innerhalb zusammenhängender Netze eines einzelnen Betreibers (Interior Routing), der innerhalb dieses Bereiches frei über die Konfiguration entscheiden kann, und dem Routing zwischen voneinander unabhängigen derartigen Bereichen (Exterior Routing). Alle zusammenhängenden Netze eines Betreibers werden als autonome Systeme (autonomous systems, abgekürzt AS) bezeichnet. Einige Routing-Protokolle, etwa das veraltete RIP oder das aktuellere OSPF, dienen dem Routing innerhalb von autonomen Systemen, während andere, vor allem BGP, für das Routing zwischen den Grenzen autonomer Systeme zuständig sind. Diese drei genannten Routing-Protokolle werden weiter unten kurz vorgestellt. Wenn ein Router ein Routing-Protokoll ausführt, dann teilt er den benachbarten Routern mit, an welche Netze er Daten weiterleitet. Die meisten Routing-Protokolle machen außerdem Angaben über die »Kosten«, die für das Erreichen eines bestimmten Netzes kalkuliert werden müssen. Der Begriff »Kosten« hat nichts mit dem Preis zu tun, sondern bestimmt vor allem, über wie viele Hops ein bestimmtes Netzwerk durch den jeweiligen Router erreicht werden kann. Allerdings gibt es auch die Möglichkeit, die Kostenangaben willkürlich zu manipulieren - je nachdem, wie »gern« ein Router Daten an ein bestimmtes Netzwerk übermittelt. Wenn ein Router bestimmen muss, an welchen benachbarten Router er die Daten für ein bestimmtes Netz übergeben soll, sucht er sich denjenigen aus, der für dieses Netz geringere Kosten angibt. Diese Kostendaten werden auch als die Metrik des Routings bezeichnet. Auf diese Weise wird versucht, die Datenströme zwischen den verschiedenen Backbone-Netzwerken möglichst gleichmäßig zu verteilen, außerdem bestehen verschiedene Arten von Verträgen oder Vereinbarungen zwischen den Netzbetreibern, was die Weiterleitung von Daten bestimmter anderer Netzwerke betrifft. Beispielsweise bestand in Deutschland in den 90er-Jahren ein mehrjähriger Streit zwischen dem Deutschen Forschungsnetz (DFN), dem Betreiber der deutschen Universitätsnetze, und den kommerziellen Internetprovidern. Es ging um die Frage, wer wem mehr Datenverkehr aus dem jeweils anderen Netz zumutete. Erst durch die Einführung neuer zentraler Datenaustauschpunkte wie dem DE-CIX konnte der Konflikt beigelegt werden.
Weitere IP-DiensteIn fast allen modernen TCP/IP-Netzwerken - insbesondere in lokalen Firmennetzen, die mit dem Internet verbunden sind - spielen zwei weitere Protokolle eine wichtige Rolle: Das DHCP dient dazu, den Rechnern im Netzwerk automatisch IP-Adressen zuzuweisen, während das NAT-Protokoll meist vom Standard-Router ausgeführt wird und die im Internet unbrauchbaren privaten IP-Adressen mit öffentlichen überschreibt und umgekehrt. Diese beiden Protokolle sollen hier näher vorgestellt werden. DHCP Das in den RFCs 2131 und 2132 definierte Dynamic Host Configuration Protocol (DHCP) dient dazu, einem Host automatisch TCP/IP-Konfigurationsdaten zuzuweisen. Es ist eine Erweiterung des älteren Bootstrap Protocol (BOOTP). Ein Host, der seine Netzwerkparameter über DHCP beziehen möchte, sendet bei Inbetriebnahme eine Broadcast-Anfrage namens BOOTREQUEST an die allgemeine Broadcast-Adresse 255.255.255.255. Der Rechner muss also noch nicht einmal wissen, in welchem Netzwerk er sich befindet - das ist beispielsweise ideal für ein Notebook, das manchmal an ein Heim- und manchmal an ein Büro-Netzwerk angeschlossen wird. Läuft in dem Netz ein DHCP-Server, dann antwortet er mit einem Satz von Konfigurationsparametern, mit denen der Host seine TCP/IP-Konfiguration durchführt. Das wichtigste Merkmal von DHCP besteht in der dynamischen Vergabe von IP-Adressen, die Netzwerkadministratoren das Leben erheblich erleichtert, insbesondere in solchen Netzwerken, in denen häufig Änderungen auftreten. Diese automatische Vergabe erfolgt in Form einer »Lease« (Pacht) mit beschränkter Gültigkeit. Ein Host, der ordnungsgemäß vom Netz abgemeldet wird (ein normaler Vorgang beim Herunterfahren moderner Betriebssysteme), gibt seine IP-Adresse selbst an den DHCP-Server zurück. Das Lease-Verfahren sorgt dagegen dafür, dass IP-Adressen auch dann wieder für den Server verfügbar werden, wenn ein Host unerwartet vom Netz getrennt oder unsachgemäß abgeschaltet wird. Bleibt ein Rechner über den Lease-Zeitraum hinaus im Netz aktiv, dann erfolgt in der Regel eine Verlängerung der Lease. Auf dem DHCP-Server muss ein Teil der Adressen des Netzwerks, in dem er sich befindet, als DHCP-Pool konfiguriert werden, aus dem die Adressen automatisch an die anfragenden DHCP-Clients vergeben werden. Es muss darauf geachtet werden, genügend Adressen aus diesem Pool auszuschließen, weil eine Reihe von Internetdiensten eine feste IP-Adresse benötigt oder zumindest besser damit funktioniert. NAT Network Address Translation (NAT) ist eine relativ neue Entwicklung und löst dementsprechend ein modernes Problem: Immer mehr Netzwerke benötigen permanenten oder auch nur temporären Zugang zum Internet, obwohl sie mit den weiter oben vorgestellten privaten IP-Adressen konfiguriert wurden. Es wäre bei der heutigen Anzahl von Internet-Hosts und angeschlossenen Netzen auch gar nicht mehr möglich, allen angeschlossenen Netzwerken öffentliche IP-Adressen zuzuweisen. Da die privaten IP-Adressen jedoch nicht eindeutig sind, müssen sie beim Übergang ins Internet mit einer öffentlichen Adresse überschrieben werden und umgekehrt. Eine aktuelle Form von NAT, die im Kernel moderner UNIX-Systeme konfiguriert werden kann, wird auch als IP-Masquerading bezeichnet und geht noch einen Schritt weiter als NAT allgemein: Es ist nur eine externe IP-Adresse erforderlich; alle lokalen Adressen werden auf diese eine Adresse abgebildet. Unterschieden werden die Rechner in diesem Fall anhand der Client-Portnummer der Datenpakete, die zur Transportebene gehört und in Abschnitt 17.3.2 näher beschrieben wird. Aus diesem Grund wird das echte Masquerading manchmal auch als PAT (Port Address Translation) bezeichnet. Diese spezielle Form von NAT verbirgt die Details des internen Netzwerks vor dem Internet, die einzelnen Rechner sind von außen nicht erreichbar. Dies ist ein angenehmer Nebeneffekt dieses Verfahrens, der zusätzlich der Sicherheit im Netzwerk dient. Tabelle 13.12 zeigt ein Beispiel für klassisches NAT in einem privaten Netzwerk mit der Adresse 192.168.1.0/24. Jede interne IP-Adresse wird auf eine individuelle externe Adresse abgebildet.
In Tabelle 13.13 wird dagegen für dasselbe Netzwerk ein Beispiel für IP-Masquerading (PAT) gezeigt. Das Konzept der Portnummern wird weiter unten genauer beschrieben.
Der Rechner, der NAT ausführt, ist üblicherweise der Router, der das lokale Netz mit dem Netzwerk eines Providers und demzufolge mit dem Internet verbindet. NAT wird von allen gängigen UNIX-Versionen sowie von Windows NT und seinen Nachfolgern unterstützt. Außerdem können die meisten ISDN- oder DSL-Kompakt-Router NAT ausführen. Eine nähere Beschreibung vieler Aspekte von NAT befindet sich in RFC 3022. IPv6Bereits vor zehn Jahren wurde damit gerechnet, dass sehr bald keine weiteren IPv4-Adressen mehr verfügbar sein würden. Dass dies bisher noch immer nicht der Fall ist, liegt an der Einführung von CIDR, VLSM und NAT. Da das Internet aber weiterhin wächst, ist es nur noch eine Frage der Zeit, bis die Anzahl der Adressen endgültig erschöpft ist. IPv6-Motivation Deshalb wurde schon vor einigen Jahren mit der Arbeit an einem Nachfolger für das IPv4-Protokoll gearbeitet, das vor allem einen größeren Adressraum durch längere IP-Adressen besitzen sollte. Letzten Endes entschieden die Entwickler sich für Adressen von 128 Bit Länge. Dies ergibt theoretisch mehr als 3,4 * 1038 verschiedene Adressen! Damit erscheint der Adressraum mehr als überdimensioniert; offensichtlich kann man damit jedem einzelnen Sandkorn auf unserem Planeten mehrere eigene IP-Adressen zuweisen. Letzten Endes geht es allerdings eher darum, beinahe beliebig viele Netze von sehr unterschiedlicher Größe einrichten zu können, und abgesehen davon werden immer mehr tragbare, spezialisierte Geräte entwickelt, die mit Netzwerken verbunden werden - etwa dynamisch über öffentliche WLAN-Access-Points. Die aktuelle Version des neuen IP-Protokolls wird in RFC 2460 beschrieben. Da die Version 5 für Experimente mit Multicasting verwendet wurde, lautet die Versionsnummer des Protokolls IPv6; während seiner Entwicklung wurde es auch manchmal als IPng (für »next generation«) bezeichnet, zum Beispiel in RFC 1752, das den ersten Arbeitsentwurf beschreibt. Die IPv6-Adresse wird nicht in 8-Bit-Dezimalgruppen geschrieben wie bei IPv4; mit 16 Gruppen wäre sie ein wenig unhandlich. Stattdessen schreibt man 8 vierstellige Hexadezimalgruppen, die durch Doppelpunkte getrennt werden. Eine IPv6-Adresse sieht zum Beispiel folgendermaßen aus: 4A29:30B4:0031: 0000:0000:0092:1A3B:3394. Eine zulässige Verkürzung besteht darin, führende Nullen in einem Block wegzulassen sowie Blöcke, die nur aus Nullen bestehen, durch zwei aufeinander folgende Doppelpunkte zu ersetzen. Kurz gefasst lautet die Beispieladresse also 4A29:30B4:31::92:1A3B:3394. Um die Adresse eindeutig zu halten, darf diese Verkürzung innerhalb einer Adresse nur einmal durchgeführt werden. Aufbau von IPv6-Adressen Genau wie IPv4-Adressen werden auch die neuen IPv6-Adressen in zwei Teile unterteilt: Links steht ein Präfix, dahinter ein Individualteil, der dem Host-Teil der IPv4-Adresse entspricht. Das Präfix gibt allerdings nicht das einzelne Netz an, zu dem die Adresse gehört, sondern informiert über den Adresstyp. Da die Präfixe wie bei IPv4 unterschiedliche Längen aufweisen können, wird das Präfix zusammen mit seiner Bit-Anzahl angegeben. Tabelle 13.14 gibt einen Überblick über die verschiedenen Adressblöcke und ihre Verwendung.
Die typischste Form von IPv6-Adressen, deren Stil am ehesten den öffentlich gerouteten IPv4-Adressen entspricht, ist die globale Unicast-Adresse. Ihre Struktur ist in RFC 2374 festgelegt und sieht folgendermaßen aus:
Der IPv6-Datagramm-Header wurde gegenüber dem IPv4-Header erheblich vereinfacht. Durch die Auslagerung eventueller Optionen in so genannte Erweiterungs-Header wird die Länge des Basis-Headers auf genau 320 Bit (40 Byte) festgelegt; einige Felder des IPv4-Headers wurden entfernt, weil sie keine Bedeutung mehr haben. Tabelle 13.15 zeigt den genauen Aufbau des IPv6-Headers.
Hier die Bedeutung der einzelnen Felder des Headers:
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