Kommunikationsnetzwerke Subnets Holger Wache SS 2007 Die sieben Ebenen des OSI Modell zur Beschreibung der einzelnen Netzwerkschichten 7 Schichten von Kabel bis Applikation Wird selten voll ausgeführt 1
Adressklassen Zusammenfassung Adressklassen Man kann die Klassenzugehörigkeit einer IP-Adresse am ersten Zahlenblock, dem ersten Oktett, erkennen. Klasse Netzwerk-ID Anzahl Netzwerke Anzahl Hosts A 1 bis 126 126 16.777.214 B 128 bis 191 16.384 65.534 C 192 bis 223 2.097.152 254 2
Schreibweise einer IPv6-Adresse IPv4 Adresse in dezimaler Schreibweise: 80.130.234.185 IPv6 in hexadezimaler Notation mit Doppelpunkten geschrieben, die die Adresse in acht Blöcke mit einer Länge von jeweils 16 Bit unterteilen. 2001:0db8:85a3:08d3:1319:8a2e:0370:7344 Agenda Subnets 3
Subnetze Subnets Theorie und Praxis Was sind Subnets Die Aufgabe der Subnet-Mask Die Form des Subnet-Mask Funktionsweise eines Subnets:Ein Beispiel Planung von Subnets Berechnung der Subnet-IDs 4
Was sind Subnets? Wie bereits erwähnt, ist die Anzahl der verfügbaren Netzwerk-IDs und damit auch der Host-IDs begrenzt. Alle Rechner im gleichen logischen Netzwerk benötigen die gleiche Netzwerk-ID. Bei einer Klasse-C-Netzwerk-ID, beispielsweise 201.10.75.0, könnten 254 verschiedene Host-IDs erzeugt werden. Wenn eine Firma aber tatsächlich aufgrund der Verwendung von Gateways nur ein- oder zwei offizielle Adressen benötigt, würden die restlichen Adressen praktisch ungenutzt bleiben. Das ist aufgrund der Adressknappheit aber nicht sinnvoll. Die Lösung heißt Subnetting, d.h. man teilt eine Netzwerk-ID in mehrere Teil- oder Unternetze auf, die dann wiederum ihre eigenen Hosts verwalten. Subnets für A- und B-Netze Das Gleiche kann man auch mit Klasse-A- und B-Adressen machen. Hier ist die Motivation nicht die Adressknappheit, sondern die ungünstige Ausnutzung der Netzwerk-IDs. Vor einiger Zeit, als es noch Klasse-A- und B-Adressen gab, haben einige wenige große Firmen beispielsweise eine Klasse-A-Adresse, z.b. 65.0.0.0, erhalten. Damit ca. 16 Mio. Host-IDs verwalten. Nur hat die Sache einen Haken, denn ein einziges logisches Netzwerk mit bis zu 16 Mio. Hosts macht keinen Sinn und ist auch aus Performance-Gründen nicht umsetzbar. Auch hier sind Subnets die Lösung. Man teilt die vorhandene Klasse-A-Netzwerk-ID in eine Reihe von Teilnetzen auf, sodass wiederum genügend Unternetze entstehen, die ihre eigenen Hosts verwalten (z.b. ein Subnet pro Abteilung oder Niederlassung, etc.). 5
Fazit: Warum Subnets? Man hebt durch Subnets im Prinzip die Aufteilung in die Adressklassen (A,B und C) auf und bildet Zwischenklassen. Durch diese Zwischenklassen erhält man wesentlich mehr Netzwerk-IDs und kann die Größe der Netzwerke in Bezug auf die Anzahl der darin enthaltenen Hosts bedarfsorientierter vornehmen. CIDR: Einführung des ClasslessInterDomainRoutings (frühe 1990er) Die Standard Subnet-Mask Die Subnet-Mask spielt bei der Installation von Netzwerken eine zentrale Rolle. Um die Funktion einer Subnet-Mask zu verstehen, sollte man verstehen, wie die Pakete zwischen zwei Hosts ausgetauscht werden. Hierbei werden grundsätzlich zwei Varianten unterschieden: Quell- und Ziel-Host befinden sich im gleichen Netzwerk. Man sagt auch, der Ziel-Host befindet sich im lokalen Netzwerk. In diesem Fall können die Daten direkt an den Ziel-Host weitergeleitet werden. Quell- und Ziel-Host befinden sich in unterschiedlichen Netzwerken, die durch Router verbunden sind. Man sagt auch, der Ziel-Host befindet sich in einem Remote-Netzwerk. In diesem Fall werden die Daten an den Router des lokalen Netzwerks weitergeleitet, um den Ziel-Host in einem Remote- Netzwerk zu finden (Routing). 6
Die Aufgabe der Subnet-Mask Und um festzustellen, wo sich der Ziel-Host befindet wird die Subnet-Mask benötigt. Alle Hosts im gleichen Netzwerk müssen die gleiche Netzwerk-ID haben. Die Aufteilung von Netzwerk- und Host-ID erfolgt ja normalerweise aufgrund der Adressklassen. Grundsätzlich braucht man demnach nur die ersten acht Bit bzw. die erste Dezimalzahl der IP-Adresse zu betrachten. Damit bestimmt man die Adressklasse (A, B oder C) und es ist klar, welche Oktette der IP-Adresse für die Netzwerk-ID und welche für die Host-ID verwendet werden. Bei einer Adresse der Klasse B, beispielsweise 128.98.77.3, entsprechen die ersten beiden Oktette (128.98) der Netzwerk-ID. Es ist Aufgabe der Subnet-Mask, intern zu bestimmen, welcher Teil der IP-Adresse zur Netzwerk-ID und welcher zur Host-ID gehört. Form der Subnet-Maske Die Subnet-Mask besteht wie die IP-Adresse aus 32 Bit, die ebenfalls in vier Blöcken durch Punkte getrennt dargestellt werden. Eine Subnet-Mask überlagert (maskiert) alle Bits der IP-Adresse, die zur Netzwerk-ID gehören. Alle Bits, die überlagert werden, werden auf den Wert 1 gesetzt (dezimal 255) und die restlichen Bits auf den Wert 0. Die nachfolgende Tabelle zeigt die Subnet-Masks, die sich daraus für die verschiedenen Adressklassen ergeben, sowohl in Binär- als auch in Dezimal-Schreibweise. Klasse Subnet-Mask - Dezimal Subnet-Mask - Binär A 255.0.0.0 11111111.00000000.00000000.00000000 B 255.255.0.0 11111111.11111111.00000000.00000000 C 255.255.255.0 11111111.11111111.11111111.00000000 7
Anwendung der Netzwerkmaske Verknüpfen der IP-Adresse mit der Netzmaske mittels binären AND ergibt den Netzwerkteil 10010101. 10110010. 10010010. 10011010 11111111. 11100000. 00000000. 00000000 10010101. 10100000. 00000000. 00000000 Verknüpfen der IP-Adresse mit der invertierten Netzmaske mittels binärem AND ergibt den Hostanteil 10010101. 10110010. 10010010. 10011010 00000000. 00011111. 11111111. 11111111 00000000. 00010010. 10010010. 10011010 Übung Subnets 8
Standardmässige und benutzerdefinierte Subnets Wozu ist die Subnet-Mask eigentlich notwendig, wenn sich über die erste Zahl der IP-Adresse die Klasse und damit die Netzwerk-ID bestimmen lässt? Man muss bei Subnet-Masks zwischen den standardmässigen und den benutzerdefinierten unterscheiden. Bei den letzten werden die Klassengrenzen aufgehoben und Zwischenklassen erzeugt. Die Subnet-Mask bestimmt, welche Bits für die Netzwerk-ID und welche für die Host-ID verwendet werden. Binär betrachtet heisst es, dass man bei einer Adresse der Klasse A nicht die ersten acht Bit für die Netzwerk-ID nimmt, sondern z.b. zwölf Bit. Dadurch erhält man zusätzliche Unternetze (Subnets) mit entsprechend weniger Hosts. Funktionsweise eines Subnets: Ein Beispiel Ausgangspunkt ist eine vorhandene Netzwerk-ID irgendeiner Adressklasse, beispielsweise der Klasse B mit der Netzwerk-ID 130.100.0.0. Der dazugehörige Standard ist die 255.255.0.0. Dezimal Binär IP-Adresse 130.100.0.0 10000010.01100100.00000000.00000000 255.255.0.0 11111111.11111111.00000000.00000000 Standardmäßig lassen sich also mit dieser Netzwerk-ID 216=65.536 minus 2 (alle Host-Bits dürfen weder 0 noch 1 sein), also insgesamt 65.534 gültige Host-IDs verwalten. Diese Netzwerk-ID lässt sich nun dazu verwenden, mehrere Teilnetze zu erstellen. Um das zu machen, nimmt man einfach noch ein paar Bits der Host-ID zur Netzwerk-ID dazu, z.b. zwei zusätzliche Bits. 9
Funktionsweise eines Subnets: Ein Beispiel (II) Um das zu machen, nimmt man einfach noch ein paar Bits der Host-ID zur Netzwerk-ID dazu, z.b. zwei zusätzliche Bits. Dezimal Binär IP-Adresse 130.100.0.0 10000010.01100100.00000000.00000000 255.255.192.0 11111111.11111111.11000000.00000000 Damit erhält man zusätzlich zwei Bits für die Netzwerk-ID und zwei Bits weniger für die Host-ID. Die zwei zusätzlichen Bits in der Netzwerk-ID bringen 2 2-2 = 4 2 = 2 zusätzliche Teilnetze mit jeweils 214=16.384 2=16.382 Hosts pro Subnet. Für die Host-ID bleiben ja nicht mehr die beiden kompletten letzten Oktette, wie bei einer Standard Klasse-B-Adresse, sondern nur noch 16 Bit minus der zwei Bit, also 14 Bit für die Teilnetze. Anzahl Subnets 2? According to the RFC 950 standard the subnet values consisting of all zeros and all ones are reserved, reducing the number of available subnets by 2. However due to the inefficiencies introduced by this convention it is generally no longer used and is only relevant when dealing with some legacy equipment. [wikipedia 2007] http://en.wikipedia.org/wiki/subnetwork 10
Fazit benutzerdefinierter Subnets So ist es klar geworden, dass eine benutzerdefinierte Subnet-Mask nur relativ wenig anschaulich ist, wenn man mit Dezimalwerten arbeitet und mit binären Werten erkennt man sofort, wie die Netzwerk-ID aufgeteilt wird. Das Ganze lässt sich je nach Bedarf auch anders aufteilen, als jetzt in diesem Beispiel dargestellt. Je mehr Bits zur Netzwerk-ID dazu kommen, desto weniger Bits bleiben für die Host-IDs. Das bedeutet, je mehr Bits zur Netzwerk- ID dazu kommen, in desto mehr Teilnetze kann man die Ausgangs-Netzwerk-ID aufteilen und um so weniger Hosts können in den jeweiligen Netzen unterschieden werden. Fazit benutzerdefinierter Subnets (II) Weniger Netzwerke Mehr Hosts / Netzwerk Mehr Netzwerke Weniger Hosts / Netzwerk 11
Planung von Subnets Bevor die Subnet-Mask für Ihre Netzwerk-ID berechnen berechnet wird, sind einige Informationen notwendig. 1. Wie viele logische Netzwerke, d.h. wie viele Subnets sind benötigt? 2. Wie viele Hosts sollen pro Netzwerk/Subnet maximal verwaltet werden können? IP-Adressen sind nicht nur für Rechner, sondern auch beispielsweise für Router, Drucker etc. benötigt. Netzwerke können wachsen. Daher soll bei der Berechnung der Subnet-Masken, auch den möglichen zukünftigen Bedarf berücksichtigt werden. Planung von Subnets: Ein Planspiel Nehmen wir an, Sie haben eine Adresse der Klasse B, z.b. 130.100.0.0, dann wäre die Standard-Subnet-Mask die 255.255.0.0. Damit lässt sich genau ein logisches Netzwerk mit insgesamt 65.534 Hosts realisieren. Die Anforderung könnte aber beispielsweise sein, dass Sie mindestens 100 Subnets damit verwalten sollen, in denen mindestens 400 Hosts je Subnet enthalten sein müssen. Die Aufgabe besteht jetzt darin, eine benutzerdefinierte Subnet- Mask zu bestimmen, die genau diesen Anforderungen entspricht. Wie geht man an das Problem heran? 12
Planung von Subnets: Ein Planspiel (II) Die benutzerdefinierte Subnet-Mask würde etwa folgendes Aussehen haben: 255.255.xxx.0. Das bedeutet also, dass der Wert im 3. Oktett zu berechnen ist. Binär betrachtet suchen wir eine Aufteilung von 1 und 0 für das 3. Oktett, die durch Kombinationsmöglichkeiten die Anforderungen erfüllt. Es werden insgesamt 100 Subnets gesucht, d.h. wie viele Bits des 3. Oktetts werden gebraucht, um die Zahl 100 dezimal darzustellen? Ein anderer Ansatz ist auch möglich: Wie viele Bits benötige ich, um mindestens 100 Kombinationsmöglichkeiten zu erreichen? Die Antwort ist in jedem Fall sieben: 2 7 = 128! Binär sieht der fehlende Wert in der Subnet-Mask folgendermaßen aus: 11111110. Dezimal entspricht das dem Wert 254. Die benutzerdefinierte Subnet-Mask sieht demnach folgendermaßen aus: 255.255.254.0. Planung von Subnets: Ein Planspiel (III) Die Aufgabe ist aber noch nicht ganz fertig, denn die 2. Bedingung, dass mindestens 400 Hosts pro Subnet möglich sind, muss noch überprüft werden. In diesem Beispiel handelt es sich und eine Netzwerk-ID der Klasse B und das Subnetting findet im 3. Oktett statt. Damit bleibt ein Bit des 3. Oktetts und die kompletten acht Bit des 4. Oktetts für die Host-ID übrig. Daraus kann man dann mit der Formel 2 9 =512 2=510 Hosts ermitteln. Mit dieser benutzerdefinierten Subnet-Mask lässt sich die Aufgabe also lösen! 13
Berechnung der Subnet-ID Im nächsten Schritt wird ein Verfahren gezeigt, mit dem die Subnet- ID berechnet werden kann. Bei der Subnet-ID geht es nun darum, die Grenzen zwischen den verschiedenen Subnets zu finden. Oder anders ausgedrückt, es werden die Bereiche berechnet, ab welcher IP-Adresse ein Subnet beginnt und bei welcher das Subnet endet. Ausgangspunkt für das Verfahren ist eine Netzwerk-ID und die benutzerdefinierte Subnet-Mask. Als Grundlage nehmen wir folgende Daten an: Als Netzwerk-ID nehmen wir die 130.100.0.0 der Klasse B mit der dazugehörigen benutzer-definierten Subnet-Mask, das ist die 255.255.224.0. Binär: 11111111.11111111.11100000.00000000 Berechnung der Subnet-ID (II) Entscheidend ist das 3. Oktett, über das das Subnetting eingeleitet wird. Die ersten drei Bit für die Subnets werden hergenommen und die verbleibenden fünf Bit plus die acht Bit des folgenden Oktetts für die Host-ID. Mit dieser Subnet-Mask lassen sich genau 2 3 =8 2=6 Subnets realisieren. Bei welchen IP-Adressen liegen die Grenzen zwischen den verschiedenen Subnets? Da die Subnets immer gleich groß sind, wird ein Inkrement gesucht, das immer konstant hoch zählt. Dieses Inkrement ist sehr einfach in der binären Darstellung Subnet- Mask zu finden. Im dritten Oktett ist die 224 binär dargestellt als Bitfolge 11100000. Der Wert des niederwertigen Bit der Bits, die für die Subnets genommen werden, entspricht dem Inkrement. 14
Berechnung der Subnet-ID (III) In diesem Beispiel sind die ersten drei Bit mit dem Wert 1 für die Subnets zuständig. Das niederwertige Bit ist immer das letzte, also hier das 3. Bit. Der Wert dieses Bits ist 32 und das ist dann das Inkrement, mit dem die Subnet-ID berechnet werden kann. Mit dem gefundenen Inkrement, lassen sich dann die Subnet-IDs berechnen, also die Anfangspunkte der einzelnen Subnets. Man beginnt mit dem Wert 0 und addiert dann das Inkrement so lange, bis die Zahl 256 erreicht wird. Die letzte Zahl, die 256, streicht man dann wieder, da ja nur maximal die Zahl 255 mit acht Bit dargestellt werden kann. Die Berechnung soll nur helfen, die letzte gültige Subnet-ID sicher zu erkennen. Berechnung der Subnet-ID (IV) Subnets Subnet-ID Subnet-ID Bemerkung dezimal binär 1. Subnet 0 00000000 ungültig, da alle drei Bit des Subnets 0 sind 2. Subnet 32 00100000 1. gültige Subnet-ID 3. Subnet 64 01000000 2. gültige Subnet-ID 4. Subnet 96 01100000 3. gültige Subnet-ID 5. Subnet 128 10000000 4. gültige Subnet-ID 6. Subnet 160 10100000 5. gültige Subnet-ID 7. Subnet 192 11000000 6. gültige Subnet-ID 8. Subnet 224 11100000 ungültig, da alle drei Bit des Subnets 1 sind (Subnet-Mask) 15
Berechnung der Subnet-ID (V) Das erste Subnet ist ungültig, da die drei Bit (fett gedruckt), aus denen die Subnet-ID (das Teilnetz) abgeleitet wird, den Wert 0 haben. Alle Bits der Netzwerk-ID (in einem Teilnetz die Subnet-ID) dürfen nicht den Wert 0 haben, da damit das komplette Teilnetzwerk angesprochen würde und nicht ein einzelner Host. Das letzte Subnet ist ungültig, da die drei Bit (fett gedruckt), aus denen die Subnet-ID (das Teilnetz) abgeleitet wird, den Wert 1 haben. Alle Bits der Netzwerk-ID (in einem Teilnetz die Subnet-ID) dürfen nicht den Wert 1 haben, da diese für Rundsendungen (Broadcasts) reserviert sind. Berechnung der Subnet-ID (VI) Nun sind noch die Dezimalzahlen der Host-IDs für jedes Subnet zu berechnen. Von acht theoretisch möglichen Subnets immer nur sechs nutzbar sind. Das Subnet mit der ID 000 und jenes mit der ID 111 sind wie bereits erläutert ungültig. Subnet Subnet-IDs 1. Host-ID letzte Host-ID Ungültig 0 130.100.0.1 130.100.31.254 1. Subnet 32 130.100.32.1 130.100.63.254 2. Subnet 64 130.100.64.1 130.100.95.254 3. Subnet 96 130.100.96.1 130.100.127.254 4. Subnet 128 130.100.128.1 130.100.159.254 5. Subnet 160 130.100.160.1 130.100.191.254 6. Subnet 192 130.100.192.1 130.100.223.254 ungültig 224 130.100.224.1 130.100.255.254 16
Übung Subnets Weitere Links http://jodies.de/ipcalc http://library.mobrien.com/net.shtml 17