Internet-Protokoll v4

Die Adresse für das Internet

IPv4 (Internet Protocol Version 4) ist das grundlegende Adressierungsprotokoll, das die Kommunikation im Internet und in den meisten lokalen Netzwerken ermöglicht. Es ist auf der Internetschicht des TCP/IP-Modells angesiedelt und hat eine zentrale Aufgabe: jedem Gerät eine eindeutige Adresse zu geben, damit Datenpakete korrekt zugestellt werden können. Stell dir das Internet wie ein riesiges, weltweites Postsystem vor. Damit ein Brief (dein Datenpaket) ankommt, braucht er eine exakte Empfängeradresse – genau diese Adresse liefert IPv4.

Die Struktur einer IPv4-Adresse

Eine IPv4-Adresse ist eine 32-Bit-Zahl, die zur besseren Lesbarkeit für Menschen in vier Blöcke zu je 8 Bit (Oktette) aufgeteilt und in Dezimalschreibweise dargestellt wird. Jeder Block wird durch einen Punkt getrennt.

• Struktur: Oktett.Oktett.Oktett.Oktett
• Beispiel: 192.168.1.101
• Wertebereich: Da jedes Oktett aus 8 Bits besteht, kann es 2⁸ = 256 verschiedene Werte annehmen, also Zahlen von 0 bis 255.

Eine IPv4-Adresse besteht immer aus zwei Teilen:

• Netzanteil: Identifiziert das spezifische Netzwerk, in dem sich ein Gerät befindet (vergleichbar mit der Postleitzahl und dem Straßennamen).
• Hostanteil: Identifiziert das einzelne Gerät (den Host) innerhalb dieses Netzwerks (vergleichbar mit der Hausnummer).

Ein praktisches Beispiel: Die Adresse 192.168.1.101 könnte bedeuten, dass sich das Gerät mit der "Hausnummer" 101 in der "Straße" 192.168.1.0 befindet.

Der IPv4-Header: Der "Briefumschlag" für Datenpakete

Jedes Datenpaket, das über IPv4 versendet wird, erhält einen Header – quasi den Briefumschlag mit allen wichtigen Informationen für den Transport. Die wichtigsten Felder darin sind:

• Version: Eine 4-Bit-Zahl, die hier immer den Wert 4 hat, um das Protokoll als IPv4 zu kennzeichnen.
• Internet Header Length (IHL): Gibt die Länge des Headers an, da dieser durch optionale Felder variieren kann.
• Time to Live (TTL): Ein Zähler, der die Lebensdauer eines Pakets begrenzt. Jeder Router, den das Paket passiert, verringert den Wert um eins. Erreicht der Zähler null, wird das Paket verworfen. Dies verhindert, dass fehlgeleitete Pakete ewig im Netzwerk umherirren (Endlosschleifen).
• Protocol: Gibt an, an welches Protokoll der Transportschicht die Daten nach Ankunft übergeben werden sollen, z.B. an TCP (Wert 6) oder UDP (Wert 17).
• Source Address: Die 32-Bit-IPv4-Adresse des Absenders.
• Destination Address: Die 32-Bit-IPv4-Adresse des Empfängers.

Adresstypen: Wer soll das Paket bekommen?

IPv4 kennt verschiedene Adresstypen, um unterschiedliche Kommunikationsszenarien zu ermöglichen:

• Unicast: Die häufigste Form. Ein Paket wird von einem Sender an genau einen Empfänger gesendet. Dies ist wie ein normaler Brief an eine einzelne Person.
• Broadcast: Ein Paket wird von einem Sender an alle Geräte in einem lokalen Netzwerk gesendet. Das ist wie ein Rundschreiben, das an alle Haushalte in einer Straße verteilt wird.
• Multicast: Ein Paket wird von einem Sender an eine bestimmte Gruppe von Empfängern gesendet, die sich zuvor für den Empfang registriert haben. Stell es dir wie ein Magazin-Abo vor: Nur wer es bestellt hat, bekommt die Zeitschrift zugeschickt.
• Private und öffentliche Adressen:
  • Private Adressen werden in lokalen Netzwerken (LANs) verwendet (z.B. dein Heimnetzwerk). Sie sind nicht im öffentlichen Internet routbar. Die Adressbereiche 10.0.0.0 bis 10.255.255.255, 172.16.0.0 bis 172.31.255.255 und 192.168.0.0 bis 192.168.255.255 sind dafür reserviert. So wie es in vielen Städten eine "Hauptstraße 1" gibt, können private Adressen in verschiedenen lokalen Netzwerken wiederverwendet werden.
  • Öffentliche Adressen sind weltweit einmalig und werden benötigt, um im Internet zu kommunizieren. Dein Internetanbieter weist deinem Router eine solche Adresse zu.

Begrenzter Adressraum: Die Adressen werden knapp

Der größte Nachteil von IPv4 ist sein begrenzter Adressraum. Mit 32 Bits können theoretisch "nur" etwa 4,3 Milliarden eindeutige Adressen erzeugt werden. Angesichts der explosionsartigen Zunahme von internetfähigen Geräten wie Smartphones, Laptops, Servern und Milliarden von IoT-Geräten (Internet of Things) sind diese Adressen praktisch aufgebraucht. Technologien wie Network Address Translation (NAT) helfen zwar, das Problem zu umgehen, indem sie vielen Geräten hinter einer einzigen öffentlichen IP-Adresse den Zugang zum Internet ermöglichen, aber sie lösen nicht das grundlegende Problem der Knappheit. Die langfristige Lösung ist der Nachfolger IPv6, der einen praktisch unerschöpflichen Adressraum bietet.

Fehlende moderne Funktionen

IPv4 wurde in den 1980er Jahren entwickelt und ist daher nicht für alle Anforderungen moderner Netzwerke optimal ausgelegt.

• Quality of Service (QoS): IPv4 bietet keine standardisierte Möglichkeit, Datenpakete zu priorisieren. Stell dir eine Autobahn vor, auf der ein Krankenwagen im selben Stau steht wie ein Fahrrad. Für zeitkritische Anwendungen wie Videokonferenzen oder Online-Gaming, die eine geringe Verzögerung benötigen, ist das ein erheblicher Nachteil.
• Sicherheit: Sicherheitsfunktionen wie Verschlüsselung und Authentifizierung sind nicht fest im IPv4-Protokoll verankert. Sie müssen durch zusätzliche Protokolle (wie IPsec) implementiert werden, was die Konfiguration komplexer macht.