IPv4: Wissenswertes zu Funktionsweise, Adressknappheit und mehr

Was ist IPv4?

Jedes Gerät, das mit dem Internet verbunden ist – ob Computer, Smartphone oder Server – benötigt eine IP-Adresse, um Daten senden und empfangen zu können. Wenn Sie beispielsweise eine Website aufrufen, wird Ihre Anfrage über mehrere Netzwerke an den Server der Website weitergeleitet – basierend auf den IP-Adressen von Absender und Empfänger.

Jedes Datenpaket, das über das Internet gesendet wird, enthält die IP-Adresse des Absenders und des Empfängers. Diese Adressen ermöglichen es Routern, die Daten korrekt weiterzuleiten, sodass die Information ihr Ziel erreicht.

IPv4 (Internet Protocol Version 4) ist die vierte Version des Internetprotokolls und wurde bereits in den 1980er-Jahren entwickelt. Es ist aktuell die am weitesten verbreitete Methode, um Geräte im Internet eindeutig zu adressieren.

So sind IPv4-Adressen aufgebaut

Eine IPv4-Adresse ist eine 32-Bit-Zahl, die in vier Segmente (sogenannte Oktette) zu jeweils 8 Bit unterteilt ist. Jedes dieser Oktette kann eine Zahl von 0 bis 255 darstellen. Die Oktette werden durch Punkte getrennt, was das übliche Format ergibt, wie z. B. „192.168.1.1“ – in Binärform „11000000.10101000.00000000.00000001“. 

Das Binärformat wird hauptsächlich für technische Berechnungen, wie z. B. das Erstellen von Subnetzen, verwendet. Die Dezimaldarstellung der IPv4-Adresse (beispielhaft „192.168.1.1“) ist das Format, das User im Alltag sehen und verwenden. IPv4-Adressen bestehen aus zwei Teilen:

• Netzwerkanteil: Identifiziert das Netzwerk, in dem sich das Gerät befindet. Alle Geräte in einem Netzwerk teilen sich denselben Netzwerkanteil.
• Hostanteil: Identifiziert das einzelne Gerät (den Host) innerhalb dieses Netzwerks. So kann jedes Gerät eine eindeutige Adresse innerhalb seines Netzwerks erhalten.

Die sogenannte Subnetzmaske spielt eine wichtige Rolle, wenn es darum geht, den Netzwerk- und Hostanteil einer IPv4-Adresse zu bestimmen. Eine typische Subnetzmaske sieht aus wie eine IPv4-Adresse, z. B. „255.255.255.0“. Diese Maske teilt den Adressraum in zwei Teile:

• „255“ in der Subnetzmaske zeigt an, dass die entsprechenden Oktette zum Netzwerkanteil gehören.
• „0“ zeigt an, dass diese Oktette zum Hostanteil gehört.

Im hier gezeigten Beispiel „192.168.1.1“ mit der Subnetzmaske „255.255.255.0“ wäre der Netzwerkanteil also „192.168.1“ und der Hostanteil „1“. Das bedeutet wiederum, dass sich das Gerät im Netzwerk „192.168.1.0“ befindet und die individuelle Adresse „1“ hat.

Darum gehen die IPv4-Adressen aus

Der Hauptgrund für die Erschöpfung der IPv4-Adressen liegt in ihrer Struktur. Mit 32 Bit bietet IPv4 insgesamt 4.294.967.296 Adressen (4,3 Milliarden). Auf den ersten Blick scheint dies eine große Zahl zu sein. Aber dieser Raum ist durch verschiedene Faktoren eingeschränkt:

• Reservierte Adressbereiche: Viele IPv4-Adressen sind für spezielle Zwecke reserviert und stehen nicht für die allgemeine Nutzung zur Verfügung. Dazu gehören private Adressbereiche (z. B. „192.168.x.x“), die nur in lokalen Netzwerken verwendet werden, sowie Adressen, die für Multicast, Loopback und die Forschung reserviert sind.
• Ineffiziente Nutzung: In den frühen Tagen des Internets wurden IP-Adressen oft in großen Blöcken an Organisationen vergeben, die diese nicht effizient eingesetzt haben. Dadurch wurden viele Adressen lange Zeit nicht optimal verwendet oder blieben ungenutzt.

Das Wachstum des Internets lässt IPv4-Adressen knapp werden

Ein weiterer entscheidender Faktor für die Erschöpfung der IPv4-Adressen ist das explosive Wachstum des Internets. In den letzten Jahrzehnten ist die Zahl der vernetzten Geräte enorm gestiegen. Dabei geht es nicht nur um Computer und Smartphones, sondern auch um die wachsende Anzahl von IoT-Geräten wie intelligente Thermostate, Überwachungskameras, Haushaltsgeräte und Autos, die alle eine IP-Adresse benötigen.

Übergangslösungen wie NAT

Um dem Problem der IPv4-Knappheit zu begegnen, wurde Network Address Translation (NAT) als vorübergehende Lösung eingeführt. NAT ermöglicht es mehreren Geräten in einem privaten Netzwerk, dieselbe öffentliche IPv4-Adresse zu teilen. 

Wenn Geräte innerhalb eines privaten Netzwerks miteinander kommunizieren, nutzen sie private IP-Adressen (z. B. „192.168.x.x“). Erst wenn sie mit dem Internet kommunizieren, wird ihre Kommunikation über eine öffentliche IP-Adresse weitergeleitet.

Obwohl NAT effektiv dazu beigetragen hat, den Bedarf an öffentlichen IPv4-Adressen zu verringern, handelt es sich um eine Übergangslösung, die langfristig kein Patentrezept für die Adressknappheit bietet. Daher wurde IPv6 entwickelt.

Die IPv4-Netzklassen

IPv4-Adressen sind in verschiedene Netzklassen unterteilt, die festlegen, wie die Adressen für unterschiedliche Netzwerke verwendet werden. Diese Netzklassen wurden in den Anfangstagen des Internets eingeführt, um den Adressraum besser zu organisieren und die Adressen effizienter zu verteilen. 

Jede Klasse hat ihre eigene Struktur und eignet sich für bestimmte Arten von Netzwerken, je nach Größe und Anzahl der benötigten Hosts (Geräte im Netzwerk). Die Netzklassen A, B, und C sind hierbei die am häufigsten verwendeten Klassen.

• Klasse A ist ideal für Netzwerke mit vielen Hosts. Aufgrund der großen Anzahl verfügbarer Hostadressen wurde diese Klasse ursprünglich großen Institutionen, Universitäten oder Regierungsstellen zugewiesen.
• Klasse B bietet eine gute Balance zwischen Netzwerkgröße und Anzahl der Hosts und ist für mittelgroße Organisationen gedacht.
• Klasse C ist am weitesten verbreitet und ideal für kleine Netzwerke, in denen eine überschaubare Anzahl von Geräten verwendet wird.
• Klasse D ist für Multicast reserviert. Multicast ist besonders nützlich in Anwendungen wie Video-Streaming oder Online-Konferenzen, bei denen die gleichen Daten an mehrere Empfänger gesendet werden müssen.
• Klasse E ist für experimentelle und zukünftige Zwecke reserviert. Diese Adressen werden derzeit nicht für allgemeine Netzwerkoperationen verwendet.

Was bedeutet die Netzklasse für Ihr Unternehmen?

Für Unternehmen ist es wichtig zu wissen, welche Netzklasse am besten zu den eigenen Anforderungen passt. Netzklassen A, B und C bieten je nach Größe und Struktur des Netzwerks flexible Möglichkeiten:

• Große Organisationen mit vielen Geräten greifen oft auf private Klasse-A-Adressen zurück (z. B. „10.0.0.0/8“).
• Mittlere Unternehmen verwenden meist Klasse-B-Adressen (z. B. „172.16.0.0/12“), da sie eine gute Balance zwischen Netzgröße und der Anzahl der Hosts bieten.
• Kleine Betriebe nutzen häufig Klasse-C-Adressen (z. B. „192.168.0.0/16“), die in Heimnetzwerken und kleineren Büroumgebungen verwendet werden.

Moderne Entwicklung: CIDR (Classless Inter-Domain Routing)

Viele Netzwerke benötigten keine ganze Klasse-A- oder Klasse-B-Adresse. Nutzen sie diese trotzdem, führt dies zu einer Verschwendung von IP-Adressen. Um diese Ineffizienz zu beheben, wurde CIDR (Classless Inter-Domain Routing) entwickelt. 

CIDR ermöglicht eine flexiblere Zuweisung von IP-Adressen, indem es die Netzklassen auflöst und Adressbereiche variabler gestaltet. Anstatt feste Klassen zu verwenden, wird der Netzwerkanteil durch eine Subnetzmaske definiert, die die Anzahl der verfügbaren Adressen besser an die tatsächlichen Bedürfnisse anpasst.

Häufig gestellte Fragen

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