IP-Adressierung IPv4

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1 1 IP-Adressierung mit IPv Adressierung allgemein Wir hatten in unseren Netzbeispielen bisher nur ein Netz mit der IP-Netzadresse Die Ethernet-Frames werden an Hand der MAC-n zugestellt. Diese Situation ist vergleichbar mit der Postzustellung in einer Straße. Das Problem der Adressierung ist uns von Postanschriften und Absendern geläufig. Eine Post anschrift, An Herrn Meier, Haus-Nr. 49, reicht allgemein nicht aus, einen Brief zuzustellen. Wir benötigen weitere Angaben, z. B. das Land, den Ort und die Straße, damit die richtige Haus-Nr. gefunden werden kann. Beim Telefon haben wir die gleiche Situation mit Länderkennung, Ortsnetzkennzahl und Teilnehmernummer. Eine MAC- hat einen Vorteil, sie ist auf der Welt eindeutig. Nachteilig ist, dass keine Ortsinformation in einer MAC- enthalten ist, dies ist auch nicht möglich, da der Hersteller einer Netzwerkkarte diese weltweit verkaufen will. Der Einsatz einer Netzwerkkarte ist auch nicht ortsgebunden, z. B. in einem Laptop. Wir benötigen ein Adressierungsschema mit weitergehenden Informationen. Abb : Zuordnung von Zweierpotenz und Dezimalwert allgemein Bit Zweierpotenz Dezimalwert

2 11. IP-Adressierung mit IPv4 Dualzahl Zweierpotenz 1 * * * * * * * * 2 0 Dezimalwert Abb : Zuordnung von Dualzahl und Dezimalwert über die Zweierpotenz 11.2 IP-Adressierung allgemein Das IP-Adressierungsschema beinhaltet die Informationen, die benötigt werden, eine Nachricht irgendwo auf der Welt zuzustellen, es ist für das Internet konzipiert. Das Internet-Protokoll beinhaltet zum einen das IP-Adressierungsschema, zum anderen die Protokollinformationen für einen ungesicherten Datentransport. IP ist ein Protokoll der Schicht 3, der Vermittlungsschicht (Network Layer). IP gehört zu den routebaren (routed = gerouteten) Protokollen. Router treffen an Hand der Schicht-3-Informationen Entscheidungen über die Wegewahl zwischen verschiedenen Netzen. IPv4-n werden in angegeben, z.b Jede Dezimalzahl kann die Werte 0 bis 255 annehmen, die Dezimalzahlen werden durch einen Dezimalpunkt voneinander getrennt. Sie bestehen aus einem Netzanteil (Netz-ID) und einem Hostanteil (Host-ID). Der Netzanteil dient der Wegefindung, der Hostanteil der Zustellung zu einem bestimmten Host in einem Netz. Die Trennung von Netz- und Hostanteil erfolgt mit Hilfe der Subnetzmaske. Wir unterscheiden: Unicastadressen, n, die einen Zielhost festlegen und Multicastadressen, die eine Gruppe von Zielhosts adressieren. Für den Umgang mit IP-n ist es vorteilhaft, Dualzahlen zu kennen und mit ihnen umgehen zu können. Jede dieser Dezimalzahlen besteht aus acht Bit, da raus resultiert der Dezimalbereich von 0 bis 255, also 256 Werte. Die Zählung der acht Bit beginnt mit Bit 0 und endet mit Bit 7. Der Wert ergibt sich aus der entsprechenden Zweierpotenz, s. Abbildung Eine Dualstelle kann nur die Werte 0 oder 1 annehmen. Ein X an einer Dualstelle kennzeichnet, dass dieser Wert 0 oder 1 sein kann. In Abbildung wird die Dualzahl über die Zweierpotenzen in den zugehörigen Dezimalwert umgerechnet. Die Dezimalzahl ergibt sich aus der Addition der dezimalen Teilwerte: = 149. Duale Struktur: Klasse A: Klasse B: Klasse C: 11.3 Unicastadressen der Klassen A, B und C Die Klassen unterscheiden sich in der Anzahl der möglichen Netze und Hosts. In Abbildung ist der prinzipielle Aufbau der Klassenstruktur dargestellt. In Blau ist der Netz- und in Grün der Hostanteil dargestellt, x kann 0 oder 1 sein. Die ranghöchsten Bits entscheiden über die Klassenzugehörigkeit. Ranghöchstes Bit = 0: Klasse A- Die ranghöchsten Bits = 10: Klasse B- Die ranghöchsten Bits = 110: Klasse C- Abb : Struktur der Unicastadressen xxxx xxxx. xxxx xxxx. xxxx xxxx. xxxx xxxx 0xxx xxxx. xxxx xxxx. xxxx xxxx. xxxx xxxx 10xx xxxx. xxxx xxxx. xxxx xxxx. xxxx xxxx 110x xxxx. xxxx xxxx. xxxx xxxx. xxxx xxxx 77

3 Abb : Zuordnung der Anzahl der Netze und Hosts zu den Klassen Anzahl der Netze Anzahl der Hosts Zweierpotenz dezimal Zweierpotenz dezimal Klasse A Klasse B Klasse C Aus der Struktur der Unicastadressen ergibt sich die Anzahl der Netze einer Klasse und die Anzahl der Hosts je Netz, s. Abbildung In der Klasse A sind nur 126 Netze verfügbar, aber die nicht nutzbare Anzahl von über 16 Millionen Hosts je Netz. In der Klasse C gibt es über zwei Millionen Netze, aber nur 254 Hosts je Netz. Struktur der Klasse A: 0nnn nnnn. hhhh hhhh. hhhh hhhh. hhhh hhhh SM: Klasse B: 10nn nnnn. nnnn nnnn. hhhh hhhh. hhhh hhhh SM: Klasse C: 110n nnnn. nnnn nnnn. nnnn nnnn. hhhh hhhh SM: Abb : Zuordnung von Klassenadressen und Standardsubnetzmaske Die Zuordnung der Klassen zur jeweiligen Standardsubnetzmaske (SM Klasse A, SM Klasse B, SM Klasse C) ist in Abbildung angegeben. Die n kennzeichnen die Netzbits und die h die Hostbits, die die Werte 0 oder 1 annehmen können. In der Binärdarstellung der Standardsubnetzmaske wird der Bereich der Netz-ID durch 1 und der Bereich der Host-ID durch 0 dargestellt. Ein Zielhost ist erreichbar, wenn er die gleiche Netz-ID besitzt wie der Absenderhost. Durch eine bitweise UND- Verknüpfung (AND Operation) der Ziel-IP- mit der eigenen Subnetzmaske wird die Netz-ID des Zielhost herausgefiltert und mit der eigenen Netz-ID verglichen. Die Funktionstabelle der UND-Verknüpfung ist in Ab bildung dargestellt. Das Ergebnis einer UND-Verknüpfung Y ist nur dann 1, wenn beide Eingangsgrößen E1 und E2 1 sind. Y = E1 & E2 E2 E1 Y Abb : Funktionstabelle der UND-Verknüpfung 78

4 11. IP-Adressierung mit IPv4 Hostadresse binär: Bitweise UND-Verknüpfung SM Klasse C: Ergebnis der UND-Verknüpfung: Abb : Herausfiltern der Netz-ID aus einer IP-Host- durch UND-Verknüpfung mit der Subnetzmaske Die UND-Verknüpfung wird am Beispiel der Hostadresse und der Standardsubnetzmaske in Abbildung gezeigt. Da die Subnetzmaske für den Hostbereich nur Nullen aufweist, werden nach der UND-Verknüpfung alle Hostbits zu Null, die Host-ID wird ausgeblendet und die Netz-ID (blau dargestellt: ) bleibt übrig. Die IP- Netzadresse ergibt sich dann zu: IP-n mit Sonderfunktion Private IP-n nach RFC 1597/1918 (Address Allocation for Private Internets) Die Regelungen TCP/IP betreffend erfolgen in so genannten RFCs (RFC = Request For Comment = Anforderung einer Kommentierung). Die in Abbildung folgenden IP-Adressbereiche sind für private Nutzung reserviert. Die privaten IP-Adressbereiche nach Abbildung sind für jedermann frei und unentgeltlich verfügbar. Es sind aber nichtroutebare n. Öffentliche Router im Internet leiten Nachrichten für diese n nicht weiter. Über diese privaten Adressbereiche wird der Mangel an verfügbaren öffentlichen IP-n gemindert. Der private Internetnutzer bekommt nur für den Zeitraum der Einwahl von seinem Provider (Diensteanbieter) eine gültige, öffentliche IP-. von bis Anzahl der Netze Standardsubnetzmaske Klasse A Klasse B Klasse C Abb : Private IP-n nach RFC 1597/

5 11.5 Loopback-n Die IP-n * (* = 1 bis 254) sind Loopback-n (Loopback = Rückschleife). Mit einem Ping auf die Loopback kann manquasi einen Ping auf sich selbst durchführen und damit eine Minimalfunktion von IP ohne Netz nachweisen. Abb : Ping auf Loopbackinterface 11.6 Multicastadressen der Klassen D und E Klasse D: 1110 xxxx. xxxx xxxx. xxxx xxxx. xxxx xxxx Die Multicastadressen der Klassen D und E sind hier nur der Vollständigkeit halber erwähnt. Klasse E: 1111 xxxx. xxxx xxxx. xxxx xxxx. xxxx xxxx Abb : Struktur der Multicastadressen der Klassen D und E 80

6 11. IP-Adressierung mit IPv IP-Adressierung am Beispiel der Klasse C Netzadresse Die Adressvergabe folgt immer dem gleichen Schema: Die Netz- und die Broadcastadresse dürfen nicht an Hosts vergeben werden. Jeder Host im Netz erhält eine eindeutige Hostadresse. Abb : Adressbeispiele für das Klasse C- Netz IP- in Netz Erster Host ter Host Vorletzter Host Letzter Host Broadcast Hostadressen dürfen nicht doppelt vergeben werden. Der Bereich der Host-ID reicht in unserem Beispiel von 1 bis IP-Adressierung am Beispiel der Klasse B Netzadresse Der Bereich der Host-ID reicht in unserem Beispiel von 0.1 bis oder 1 bis dezimal IP-Adressierung am Beispiel der Klasse A Netzadresse Der Bereich der Host-ID reicht in unserem Beispiel von bis oder 1 bis dezimal. Abb : Adressbeispiele für das Klasse B- Netz Abb : Adressbeispiele für das Klasse A- Netz IP- in Netz Erster Host ter Host Vorletzter Host Letzter Host Broadcast IP- in Netz Erster Host ter Host Vorletzter Host Letzter Host Broadcast

7 Klasse A: Klasse B: 0nnn nnnn. ssss hhhh. hhhh hhhh. hhhh hhhh 10nn nnnn. nnnn nnnn. ssss hhhh. hhhh hhhh Klasse C: 110n nnnn. nnnn nnnn. nnnn nnnn. ssss hhhh Abb : Prinzip des Subnetting am Beispiel von vier Subnetzbits IP Subnetting (Subnetzbildung) Die Einteilung der IP-n in Klassen hat eine festgelegte Zahl von Hosts je Netz zur Folge Anwendungsbeispiel 1 Subnetting im Klasse C-Netz Eine Firma, die eine öffentliche Klasse C-Netzadresse, z.b , gekauft hat, möchte nicht alle möglichen 254 Hosts in einem Netz betreiben. Abteilungen (Personalabteilung, Einkauf, Verkauf, Lager, Buchhaltung) sollen logisch voneinander getrennt werden. Die Firma hat zurzeit 100 PCs im Einsatz mit maximal 25 PCs in einer Abteilung. Die Lösung, weitere Netzadressen der Klasse C zu kaufen, verbietet sich aus Kostengründen und der Verfügbarkeit öffentlicher IP- n. Ein gangbarer Weg ist die Unterteilung des Klasse C-Netzes in fünf Teilnetze (Subnetze). Die Lösung für das Anwendungsbeispiel 1 folgt nach allgemeinen Erläuterung zum Subnetting Prinzip des Subnetting Beim Subnetting werden Hostbits aus dem Hostbereich entlehnt und zu Subnetzbits gewandelt. Die Netz-ID setzt sich aus den Netzund den Subnetzbits zusammen, der Bereich für die Host-ID wird um die Anzahl der Subnetzbits verringert. In Abbildung werden je vier Hostbits entlehnt. Die Subnetzmaske hat für alle Netz- und Subnetzbits eine duale 1 und für alle Hostbits eine duale 0, s. Abbildung Abb : Subnetting und Subnetzmaske Klasse A: 0nnn nnnn. ssss hhhh. hhhh hhhh. hhhh hhhh SM: Klasse B: 10nn nnnn. nnnn nnnn. ssss hhhh. hhhh hhhh SM: Klasse C: 110n nnnn. nnnn nnnn. nnnn nnnn. ssss hhhh SM:

8 11. IP-Adressierung mit IPv Regeln für die Subnetzbildung Wir entlehnen wenigstens zwei Subnetzbits von den Hostbits. Die Subnetzbits folgen unmittelbar den Netzbits. Die Subnetzmaske beginnt links mit einem 1er-Block für die Netz-ID, gefolgt von einem 0er-Block für die Host-ID. Es müssen wenigstens zwei Hostbits übrig bleiben. Das Subnetz 0, alle Subnetzbits = 0 darf nicht verwendet werden. Das letzte Subnetz, alle Subnetzbits = 1 darf nicht verwendet werden Lösung zum Anwendungsbeispiel 1 Subnetting im Klasse C-Netz Die Firma hat fünf Abteilungen, wir müssen deshalb fünf Subnetze realisieren. Entlehnen wir drei Bits, können wir 23-2 = 6 Subnetze erhalten. Es reicht also, drei Subnetzbits zu entlehnen, es verbleiben fünf Hostbits. Wir müssen jetzt noch prüfen, ob die fünf Hostbits ausreichen, die Abteilungshosts zu adressieren. Es verbleiben 25 2 = 30 Hosts je Subnetz. Maximal 25 Hosts je Abteilung waren vorgegeben, es sind im ungünstigsten Fall fünf Hosts in Reserve adressierbar. Insgesamt sind durch die Subnettingmaßnahme sechs Subnetze mit jeweils 30 Hosts je Subnetz möglich. Durch das Subnetting haben wir = 74 Hostadressen weniger zur Verfügung als ohne Subnetting. Die IP-Adressierung mit Klassen und Subnetzen geht verschwenderisch mit den knappen IP-n um. In unserem Beispiel war die Klasse C- vorhanden und die gestellte Aufgabe konnte mit Reserven gelöst werden. Nun zur konkreten Lösung Ermittlung der Subnetzmaske Die Netz-ID wurde um drei Bit verlängert, es verbleiben fünf Bit für den Hostbereich. Die Subnetzmaske wurde entsprechend angepasst, SM = Subnetz 110n nnnn. nnnn nnnn. nnnn nnnn. sssh hhhh SM: Abb : Struktur der Klasse C- mit drei Subnetzbits und Subnetzmaske Subnetz-ID dezimal binär binär dezimal Abb : Subnetze im Klasse C-Netz bei drei Subnetzbits 83

9 Subnetz Subnetz Abb : Subnetzadressen im Klasse C-Netz, , bei drei Subnetzbits IP- binär Subnetz Erster Host Host Vorletzter Host Letzter Host Broadcast Abb : IP-n für das Subnetz 1 in binärer Darstellung Ermittlung der Subnetzadressen Ermittlung der IP-n für das Subnetz 1 Bei drei Binärstellen gibt es acht Möglichkeiten. Alle Subnetzbits 0 und alle Subnetzbits 1 ergeben Subnetze, die nicht genutzt werden können, sie sind in Abbildung rot dargestellt. In dezimaler Zählweise haben wir Subnetz 0 bis Subnetz 7. Die Subnetz-ID stellt die Subnetze stellenrichtig im letzten Oktett dar. Die vollständigen IP-Subnetzadressen sind in Abbildung wiedergegeben. Der unveränderliche Teil der IP-, die Netz-ID, ist in Abbildung blau dargestellt, der variable Teil, die Host-ID, schwarz. Die nutzbaren Host-IDs reichen von 1 bis 30. Die Broadcast-IP- adressiert alle Hosts in diesem Subnetz. IP-Adr. in Dezimal-Punktnot. Subnetz Erster Host Host Vorletzter Host Letzter Host Broadcast Abb : IP-n für das Subnetz 1 in dezimaler Darstellung 84

10 11. IP-Adressierung mit IPv4 IP- binär Subnetz Erster Host Host Vorletzter Host Letzter Host Broadcast Abb : IP-n für das Subnetz 5 in binärer Darstellung IP-Adr. in Dezimal-Punktnot. Subnetz Erster Host Host Vorletzter Host Letzter Host Broadcast Abb : IP-n für das Subnetz 5 in dezimaler Darstellung Ermittlung der IP-n für das Subnetz 5 Die Vorgehensweise ist die gleiche wie für das Subnetz 1, lediglich die Subnetzbits müssen auf das Subnetz 5 geändert werden. Klasse B: Anwendungsbeispiel 2 Subnetting im Klasse B-Netz Aufgabenstellung Eine größere Stadt hat 50 Schulen mit maximal 280 PCs an einer Schule. Sie möchte intern, in ihrem Intranet, mit einer privaten Klasse B-, hier , arbeiten und allen Schulen den Internetzugang ermöglichen. Die Schulen sollen logisch getrennt sein. Diese logische Trennung kann über die IP-Adressierung erfolgen. Abb : Struktur einer Klasse B- mit sieben Subnetzbits und Subnetzmaske 10nn nnnn. nnnn nnnn. ssss sssh. hhhh hhhh SM: Lösung Zunächst ist die Anzahl der Hostbits zu klären. Mit neun Hostbits kann ich 29-2 = 510 Hosts adressieren. Bei neun Hostbits sind je Schule maximal 510 Hostadressen möglich, das ist ausreichend. Eine Klasse B- hat insgesamt 16 Hostbits, davon sind neun für die Hosts reserviert. Es verbleiben sieben Bits. Wenn wir den Netzanteil um diese sieben Bit vergrößern, können wir die Schulen logisch trennen. Es sind 27-2 = 126 Subnetze nutzbar und damit 126 Schulen möglich. In Abbildung ist die Struktur einer Klasse B- mit Subnetzbits dargestellt. Ein Bit kann noch vom Subnetzbereich in den Hostbereich verschoben werden. Diese Entscheidung hängt davon ab, ob mehr Hosts je Schule oder mehr Subnetze für Schulen benötigt werden. Die Netz-ID wurde um sieben Bit verlängert, es verbleiben neun Bit für den Hostbereich. Die Subnetzmaske wurde entsprechend angepasst, SM =

11 Subnetzadressen in Binärdarstellung Die Subnetzadresse vom Subnetz 0 ist identisch mit der Klasse B-Netzadresse. Das letzte Subnetz ist die IP-Broadcastadresse: An alle Subnetze im Netz IP- binär Subnetz 0: Subnetz 1: Subnetz 2: Subnetz 126, vorletztes Subnetz: Subnetz 127, letztes Subnetz: Abb : Subnetze im Klasse B-Netz bei sieben Subnetzbits Subnetzadressen in IP- in Dezimal- Punktnotation Subnetz 0: Subnetz 1: Subnetz 2: Subnetz 126, vorletztes Subnetz: Subnetz 127, letztes Subnetz : Abb : Subnetze im Klasse B- Netz bei sieben Subnetzbits Beispieladressen für das Subnetz 1 in binärer Darstellung Beim Übergang vom 255. Host zum 256. Host kommen wir in das 3. Oktett, s. Abbildung IP- binär Subnetz 50: Erster Host: Zweiter Host: Host Host Letzter Host: Broadcast : Abb : Beispieladressen für das Subnetz 1 in binärer Darstellung 86

12 11. IP-Adressierung mit IPv4 Subnetz 1: Erster Host: Zweiter Host: Host Host IP- in Letzter Host: Broadcast : Abb : Beispieladressen für das Subnetz 1 in Dezimal- Punktnotation Beispieladressen für das Subnetz 1 in Dezimal- Punktnotation IP- binär Subnetz 1: Erster Host: Zweiter Host: Host Host Letzter Host: Broadcast: Abb : Beispieladressen für das Subnetz 1 in binärer Darstellung Beispieladressen für das Subnetz 50 in binärer Darstellung Beim Übergang vom 255. Host zum 256. Host kommen wir in das 3. Oktett, hier am Beispiel des 262. Host gezeigt, s. Abbildung IP- in Subnetz 50: Erster Host: Zweiter Host: Host Host Letzter Host: Broadcast: Beispieladressen für das Subnetz 1 in Dezimal- Punktnotation Abb : Beispieladressen für das Subnetz 50 in 87