Fachinformatik/ Adressierung

Internet Protokoll Adressen

Damit ein Gerät im Internet kommunizieren kann, benötigt es:

• Eine eigene IP-Adresse samt zugehöriger Netzmaske. Mit der IP-Adresse kann das Gerät kontaktiert werden und Antworten auf Anfragen erhalten. Die Netzmaske ist zur Unterscheidung von Adressen im eigenen, lokalen Netz und Adressen in anderen Netzen erforderlich.
• Eine default Gateway-Adresse (immer im eigenen Netz). An die MAC-Adresse des Gateways − meist ein Router − werden alle Frames adressiert, die in ein anderes Netz geroutet werden sollen.
• Die IP-Adresse eines Name-Servers zur Namens- bzw. Adressauflösung. Prinzipiell ist zur Kommunikation das Domain Name System (DNS) nicht erforderlich, in der Praxis (Host- und Domainnamen, zugehörige Zertifikate) aber essentiell.

Im Folgenden betrachten wir die Struktur und Notation der Adressen der Internet-Protokolle IPv4 und IPv6.

IPv4

Aufbau und Notation

Adresse:

• Länge: 32 Bits, also 4 Oktette (Bytes)
• Schreibweise: Dotted-Decimal, jedes Oktett wird als Zehnerzahl zwischen 0 und 255 dargestellt.
  Beispiel: 1100 0000.1010 1000.0000 0010.0110 0100 ↔ 192.168.2.100

Netzmaske: Alle Bits, die für alle Geräte im gleichen, lokalen Netz identisch sind, erhalten eine 1, die restlichen eine 0.

• Schreibweise: Entweder Dotted-Decimal oder als /X, wobei X die Anzahl der 1-Bits in der Netzmaske angibt (CIDR-Notation, CIDR-Suffix).
  Beispiel: 1111 1111.1111 1111.1111 1111.0000 0000 ↔ 255.255.255.0 ↔ /24

IPv6

Aufbau und Notation

Adresse:

• Länge: 128 Bits, also 16 Oktette (Bytes)
• Schreibweise: Jedes Oktett wird durch zwei Nibble/Quartette hexadezimal geschrieben und immer 2 Byte werden in durch Doppelpunkte getrennten Böcken dargestellt. Um unter anderem führende Nullen in Blöcken nicht schreiben zu müssen, gibt es Verkürzungsregeln.
  Beispiel: fe80:0000:0000:0000:0222:4dff:fda6:ca34 gekürzt: fe80::222:4dff:fda2:ca34

Netzmaske: Wie bei IPv4-Adressen erhalten alle Bits, die für alle Geräte im gleichen, lokalen Netz identisch sind, eine 1, die restlichen eine 0.

• Schreibweise: Nur in CIDR-Notation als CIDR-Suffix /X, wobei wieder X die Anzahl der 1-Bits in der Netzmaske angibt.
  Beispiel: /64

Informationen aus IP-Adresse und Netzmaske extrahieren

Netz- und Hostbits

Die Netzmaske zerteilt jede IP-Adresse in einen Netz- und einen Host(an)teil. Aus der Anzahl der Bits für den jeweiligen Anteil lässt sich die Anzahl der Netz- bzw. Hostadressen berechnen. Bezeichnet $n$ die Anzahl der Netzbits und $h$ die Anzahl der Hostbits, so gilt für die Anzahl der Netzadressen: $2^{n}$ und für die Anzahl der Hostadressen $2^{h}$. Die Summe aus Netz- und Hostbits muss immer die Länge der IP-Adresse ergeben. Bei IPv4 gilt also die Beziehung $n+h=32$ und bei IPv6 entsprechend $n+h=128$.

Netz- und Broadcast-Adresse

Von den Hostadressen haben die erste und die letzte Adresse eine besondere Bedeutung: Die erste Adresse (alle Hostbits = 0) wird als Netzadresse bezeichnet. Die letzte Adresse (alle Hostbits = 1) verwendet man als Broadcast-Adresse. Unter der Broadcast-Adresse werden alle Rechner des Netzes angesprochen. Auch die Netzadresse gilt als reserviert und somit werden von der Gesamtzahl der Hostadressen beide Adressen abgezogen, um die Anzahl der nutzbaren Adressen zu erhalten. Einige Beispiele:

Subnetzmaske		Netz-/Hostbits	# Netze	# nutzbare Adressen
/30	255.255.255.240	NNNN NNNN.NNNN NNNN.NNNN NNNN.NNNN NNHH	2³⁰ = 1073741824	2² - 2 = 2
/24	255.255.255.0	NNNN NNNN.NNNN NNNN.NNNN NNNN.HHHH HHHH	2²⁴ = 16777216	2⁸ - 2 = 254
/20	255.255.240.0	NNNN NNNN.NNNN NNNN.NNNN HHHH.HHHH HHHH	2²⁰ = 1048576	2¹² - 2 = 4094
/16	255.255.0.0	NNNN NNNN.NNNN NNNN.HHHH HHHH.HHHH HHHH	2¹⁶ = 65536	2¹⁶ - 2 = 65534
/10	255.192.0.0	NNNN NNNN.NNHH HHHH.HHHH HHHH.HHHH HHHH	2¹⁰ = 1024	2²² - 2 = 4194302
/8	255.0.0.0	NNNN NNNN.HHHH HHHH.HHHH HHHH.HHHH HHHH	2⁸ = 256	2²⁴ - 2 = 16777214

• Netzadresse aus IP-Adresse bestimmen
• Best-Practices: besondere Adressen

Subnetting

In diesem Abschnitt untersuchen wir, wie man ein vorgegebenes Netz in Subnetze (jeweils gleicher oder auch unterschiedlicher Subnetz-Größe) unterteilen kann.

Netze zerteilen

Um ein gegebenes Netz in Subnetze gleicher Größe zu zerteilen, widmen wir Hostbits in Netzbits um. Mit jedem umgewidmeten Hostbit verdoppeln wir die Anzahl der Netze, halbieren gleichzeitig aber die Anzahl der Adressen pro Netz.

Beispiel

Wir zerlegen das Netz 192.168.100.0/24 in Subnetze. Die jeweilige Anzahl der Subnetze berechnet sich aus der Anzahl der zusätzlichen Netzbits, z.B. 2¹=2, 2²=4, 2³=8 und 2⁴=16. Die Anzahl der Adressen pro Subnetz findet man aus den verbleibenden Hostbits. Nach Abzug der Netzadresse (alle Hostbits = 0) und der Broadcastadresse (alle Hostbits = 1) erhält man die Anzahl der nutzbaren Adressen. Eine dieser Adressen wird normalerweise an das Gateway (Router) vergeben, sodass in einem Netz mit $2^{h}$ Adressen ($h$ ist die Anzahl der Hostbits) letztlich $2^{h}-3$ Adressen für Hosts zur Verfügung stehen.

#Netze	Subnetzmaske		Netz-/Hostbits	Netz (H = 0)	Broadcast (H = 1)	#Adressen
2⁰ = 1	/24	255.255.255.0	.HHHH HHHH	.0	Netzadresse + 255	2⁸ = 256
2¹ = 2	/25	255.255.255.128	.NHHH HHHH	.0000 0000, .1000 0000 → .0, .128	Netzadresse + 127	2⁷ = 128
2² = 4	/26	255.255.255.192	.NNHH HHHH	.0, .64, .128, .192	Netzadresse + 63	2⁶ = 64
2³ = 8	/27	255.255.255.224	.NNNH HHHH	.0, .32, .64, .96 .128, .160, .192, .224	Netzadresse + 31	2⁵ = 32
2⁴ = 16	/28	255.255.255.240	.NNNN HHHH	.0, .16 .32, .48, .64, .80, .96, .112, .128, …, .240	Netzadresse + 15	2⁴ = 16

Merke: Wir bezeichnen die sich aus $h$ Hostbits ergebenden $2^{h}$ Adressen als Adressblock. Aus $n$ Netzbits resultieren $2^{n}$ Adressblöcke Netzadresse: Alle Hostbits sind 0, Netze durch Netzbits hochzählen. Erste nutzbare Adresse: Netzadresse + 1 (niederwertigstes Hostbit = 1). Broadcastadresse: Alle Hostbits sind 1 Letzte nutzbare Adresse: Broadcastadresse - 1 (niederwertigstes Hostbit = 0). Auf die Broadcastadresse folgt die nächste Netzadresse. Zwischen den Netzadressen liegen immer $2^{h}$ Adressen, wobei $h$ die Anzahl der Hostbits angibt.

Variable Length Subnet Masking

Aufteilung eines Oktetts mittels VLSM.

Variable Length Subnet Masking (VLSM).

Soll das ursprüngliche Netz in Subnetze unterschiedlicher Größe zerlegt werden, wendet man die Technik des Variable Length Subnet Masking (VLSM) an.

Vorgehen

1. Sortiere die Netze beginnend mit dem größten Netz.
2. Bestimme für jedes Netz die (maximale) Anzahl der Adressen, d.h. die Adressblock-Größe sowie die zugehörige Netzmaske.
3. Ermittle aufsteigend alle gesuchten Adressen.

Regeln zur Ermittlung der Adressen: Erste Netzadresse (Subnet Zero): Alle Netz- und Hostbits sind 0 Folgende Netzadressen: $\mathrm {Netzadresse} (n+1)=\mathrm {Netzadresse} (n)+\mathrm {\#Adressen} (n)$ Alles Weitere aus den Netzadressen berechnen: $\mathrm {Erste\_nutzbare\_Adresse} =\mathrm {Netzadresse} +1$ $\mathrm {Broadcastadresse} (n)=\mathrm {Netzadresse} (n+1)-1$ $\mathrm {Letzte\_nutzbare\_Adresse} =\mathrm {Broadcastadresse} -1$ Link-Netze (Transfernetze) werden ganz am Ende des Adressraumes platziert.

Beispiel

Netz	Subnetzmaske	#Adressen	Netzadresse	1. Adresse	letzte Adr.	Broadcast
A	/25	128	.0	.1	.126	.127
B	/26	64	.128	.129	.190	.191
C	/27	32	.192	.193	.222	.223
D	/28	16	.224	.225	.238	.239
E	/29	8	.240	.241	.246	.247
F	/30	4	.248	.249	.250	.251
G	/30	4	.252	.253	.254	.255

Ein /24-Netz steht zur Verfügung und soll in Subnetze (bereits sortiert) mit A: 81, B: 47, C: 20, D: 12, E: 5 sowie zwei Link-Netze (F und G, mit je 2 Adressen) zerlegt werden.

Lösung

Die Lösung ist in der Tabelle rechts dargestellt. Aus der Spalte Subnetzmaske werden die Anzahl der Adressen (#Adressen) berechnet.

Anschließend, beginnend mit der ersten Netzadresse (hier das Subnet-Zero), ermittelt man alle Netzadressen.

Alle weiteren Adressen errechnen sich dann aus den bereits bekannten Adressen mittels Addition bzw. Subtraktion von eins.

Bemerkung: Im Beispiel wird der Adressraum vollständig ausgenutzt. Streicht man eines der Netze, so verbleibt freier Adressraum zwischen dem letzten „normalen“ Netz und den Link-Netzen.

Aufgaben

Netzmasken Dotted-Decimal

1. Begründen Sie, welche der folgenden Netzmasken nicht zulässig sind. Bestimmen Sie für gültige Netzmasken die CIDR-Schreibweise und die Anzahl der Adressen, die im jeweiligen Netz frei vergeben werden können:
   1. 250.250.250.0
   2. 255.255.254.0
   3. 255.255.240.0
   4. 255.255.255.224
   5. 254.255.255.0
   6. 255.255.255.128
   7. 256.256.256.240
   8. 255.255.255.192
2. Geben Sie alle zulässigen Werte (dezimal, binär) des dritten Oktetts einer Netzmaske an, wenn die ersten beiden Oktette den Wert 255 haben und das letzte Oktett nur 0-Bits enthält. Wie viele Adressen sind in den jeweiligen Netzen für Nodes nutzbar?
3. Bestimmen Sie die Netzmaske (Dotted-Decimal) und die Netzadresse für die folgenden IP-Adressen:
   1. 192.168.1.4/24, 172.16.9.4/16, 10.25.139.45/8
   2. 160.215.39.14/20, 160.215.39.14/22, 160.215.39.14/24
   3. 212.15.99.4/11
   4. 234.150.9.3/28, 234.150.9.20/28, 234.150.9.49/28, 234.150.9.149/28, 234.150.9.249/28
4. Zwei Router sollen über ein sog. Transfernetz so verbunden werden, daß kein drittes Gerät hinzugefügt werden kann.
   1. Geben Sie die passende Netzmaske an.
   2. Die Netzwerkkarte des ersten Routers hat die IP-Adresse 192.168.3.17. Bestimmen Sie die IP-Adresse des zweiten Routers.
   3. Geben Sie die IP-Adressen dreier weiterer Transfernetze an, die in den ersten drei Oktetts mit 192.168.3 übereinstimmen.
   4. Ermitteln Sie, wie viele verschiedene Transfernetze bei Vorgabe der ersten drei Oktetts gebildet werden können.

Netze zerlegen

Zerlege das Netz in gleich große Subnetze. Gib jeweils Netzadresse, Netzmaske, die erste und letzte Adresse sowie die Broadcastadresse in einer Tabelle an:

• 192.168.1.0/24 in vier Subnetze
• 10.1.128.0/17 in acht Subnetze

✘ Lösung ✔

Lösungsvorschlag
Haha, keine Lösung, sondern noch eine Aufgabe: Erstelle die Musterlösung als Tabelle für die Aufgaben oben und lösche dann diese Aufgabe.

VLSM

1. Erstelle einen Netzplan (eine logische Skizze der Netzwerke) für das Beispiel oben.
2. Im Beispiel oben benötigt das Netz A nun nur 55 nutzbare Adressen. Erstelle die Tabelle aller Subnetze entsprechend dem Beispiel.
3. Löse generierte Aufgaben: Übungsgenerator VLSM.
4. Entwerfe selbst eine möglichst komplizierte Aufgabe und erstelle als Lösung den zugehörigen Netzplan sowie die Tabelle aller Subnetze.

---