Netzwerktechnik

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IPv4 Grundlagen — Adressen, Adressräume, Diagnose

Warum brauchen wir überhaupt IP-Adressen?

Bevor wir uns das Format einer IP-Adresse ansehen, stellen wir die wichtigere Frage: Warum gibt es sie überhaupt? Die Antwort liegt im Grundproblem jeder Kommunikation — egal ob im Postwesen, im Telefonnetz oder in einem Computernetz. Das Grundproblem: Wer spricht mit wem? Bei TechShop24 möchte ein Mitarbeiter aus dem Vertrieb auf den Lager-PC zugreifen, um eine aktuelle Lieferliste zu öffnen. Beide Rechner stehen im selben Firmennetz — aber wie findet das Datenpaket aus dem Vertriebsbüro genau diesen einen Lager-PC unter den rund 80 anderen Geräten im Netz? Im Netzwerk laufen alle Pakete über dieselbe Verkabelung. Jeder Switch und jeder Router muss anhand jedes einzelnen Pakets entscheiden: Gehört das hierhin oder dorthin? Damit das funktioniert, muss in jedem Paket eine eindeutige Zieladresse stehen. Genau das ist die Aufgabe der IP-Adresse.

Analogie: Hausnummern in einer Straße

Damit ein Brief beim richtigen Empfänger landet, braucht er Stadt, Straße und Hausnummer. Ohne diese Information weiß der Postbote nicht, wohin er ihn tragen soll — auch wenn er den Brief selbst in der Hand hält.

Im Netzwerk ist es genauso: Jedes Datenpaket trägt eine Zieladresse (die IP-Adresse des Empfängers). Würden zwei Häuser in derselben Straße die gleiche Hausnummer tragen, käme die Post bei einem von beiden falsch an. Genauso darf eine IP-Adresse in einem Netzwerk nur einmal vergeben sein — sonst entsteht ein IP-Konflikt und die Kommunikation bricht zusammen.

IP-Adresse

Eine eindeutige numerische Kennung, mit der ein Gerät in einem IP-Netzwerk angesprochen werden kann. Sie übernimmt im Netzwerk die Rolle einer Postanschrift: Jedes Datenpaket trägt sie als Ziel- und Absenderangabe mit sich.

So sieht das in der Praxis aus

Das folgende Diagramm zeigt einen kleinen Ausschnitt aus dem Büronetz von TechShop24. Vier Geräte hängen an einem Switch — und jedes hat eine eigene, eindeutige IP-Adresse. Wenn der Vertriebs-PC die Datei Lieferliste.xlsx vom Lager-PC laden möchte, wird ein Paket mit der Zieladresse 192.168.1.20 auf den Weg geschickt. Der Switch sieht die Adresse, weiß genau, an welchem seiner Ports der Lager-PC hängt, und leitet das Paket dorthin weiter.

Merke

Jedes Gerät in einem IP-Netzwerk braucht eine eindeutige IP-Adresse, damit Datenpakete ihr Ziel finden. Doppelte Adressen führen zum IP-Konflikt, bei dem die Kommunikation für eines oder beide Geräte aussetzt.

Vertiefung:Was passiert eigentlich bei einem IP-Konflikt?

Wenn zwei Geräte versehentlich dieselbe IP haben (z. B. weil jemand neben dem DHCP-Server noch eine statische IP fest eingetragen hat), schicken beide auf eingehende Pakete eine Antwort. Der Absender bekommt dann zwei widersprüchliche Antworten zurück — die Verbindung wird instabil, manche Pakete kommen an, andere nicht.

Windows zeigt in solchen Fällen die Meldung „Ein anderer Computer in diesem Netzwerk hat dieselbe IP-Adresse". Die Lösung: einer der beiden bekommt eine neue Adresse. In der Praxis vergibt man kritische statische IPs nur außerhalb des DHCP-Pools, z. B. die 192.168.1.2 – 192.168.1.49 für statisch vergebene Server-IPs und ab 192.168.1.50 aufwärts den DHCP-Pool.

Vertiefung: Warum reicht nicht der Gerätename?

Berechtigte Frage: Warum gibt es nicht einfach einen Computernamen wie „Lager-PC" als Adresse? Tatsächlich gibt es solche Namen — aber unter der Haube müssen sie immer in eine numerische IP übersetzt werden. Genau dafür gibt es DNS (Domain Name System). Wenn Sie www.daa.de in den Browser tippen, fragt Ihr Rechner zuerst einen DNS-Server: „Welche IP gehört zu diesem Namen?" — und kommuniziert dann mit der IP, nicht mit dem Namen.

Der Grund: Numerische Adressen sind viel schneller zu verarbeiten und einfacher in Routing-Tabellen abzubilden. Namen sind komfortabel für Menschen, IP-Adressen sind effizient für Maschinen.

Reflexion

Schauen Sie Ihren Router zuhause an: Wie viele Geräte sind aktuell verbunden? (Tipp: Im Router-Webinterface, oft erreichbar über http://fritz.box oder http://192.168.1.1.) Was würde passieren, wenn zwei dieser Geräte zufällig die gleiche IP-Adresse hätten?

Aufbau einer IPv4-Adresse

Aufbau einer IPv4-Adresse

Jetzt schauen wir uns an, wie eine IP-Adresse aufgebaut ist. IPv4 steht für Internet Protocol Version 4. Es ist das Protokoll, das seit 1981 die Adressierung im Internet regelt — und auch in nahezu jedem Heim- und Firmennetz dieser Welt zum Einsatz kommt. Was bedeutet „32 Bit" eigentlich? Eine IPv4-Adresse ist im Kern eine 32-stellige Binärzahl — also eine Folge aus 32 Nullen und Einsen. Jede dieser Stellen heißt Bit (kurz für „binary digit"). Die Designer von IP haben sich 1981 für genau 32 Bit entschieden, weil das einen Adressraum von 232 ≈ 4,3 Milliarden möglichen Adressen ergibt. Zur damaligen Zeit galt das als verschwenderisch großzügig — die ganze Welt kannte nur ein paar tausend vernetzte Computer. Heute wissen wir: 4,3 Milliarden Adressen reichen nicht, um jedes Smartphone, jeden Drucker und jeden Smart-Toaster der Welt direkt im Internet anzusprechen. Genau deshalb gibt es Tricks wie NAT und private Adressbereiche, die wir in den späteren Slides ansehen.

Bit

Die kleinste digitale Informationseinheit. Ein Bit kann genau zwei Zustände annehmen: 0 oder 1. Acht Bit zusammen bilden ein Byte oder ein Oktett.

Oktett

Eine Gruppe von 8 Bit. Eine IPv4-Adresse besteht aus genau vier Oktetten, durch Punkte getrennt. Pro Oktett sind 28 -> 256 Werte möglich (von 0 bis 255). Der Begriff stammt vom lateinischen octo -> acht.

Client-Server-Modell

Eigenschaft	Wert
Adresslänge	32 Bit (entspricht 4 Byte)
Schreibweise für Menschen	Vier Dezimalzahlen, durch Punkte getrennt (z. B. 192.168.1.100)
Wertebereich pro Oktett	0 bis 255 (also 256 mögliche Werte)
Theoretischer Adressraum	2³² ≈ 4.294.967.296 Adressen
Standardisiert in	RFC 791 (September 1981)
Nachfolger	IPv6 (128 Bit, 2128 Adressen — eine fast unvorstellbar große Zahl)

Wie liest man eine IPv4-Adresse? Sie sehen die Adresse 192.168.1.100? Was Sie da lesen, sind vier separate Zahlen, die durch Punkte getrennt sind. Jede dieser vier Zahlen ist ein Oktett — also ein 8-Bit-Block. Die Punkte selbst gehören technisch nicht zur Adresse, sie sind nur Trennzeichen für die menschliche Lesbarkeit.

Wertebereich pro Oktett

Eine Adresse wie 192.168.1.300 ist formal ungültig: Mehr als 255 lässt sich in 8 Bit nicht darstellen (255 -> 11111111). In freien Aufgaben fällt das selten als Falle auf — niemand schreibt versehentlich 300. Wirklich wichtig wird die 8-Bit-Grenze später beim Subnetting (IT-III.03), wenn Sie Subnetzmasken berechnen und Hostzahlen pro Subnetz ableiten. Dort lohnt es sich, die Wertigkeiten 128 64 32 16 8 4 2 1 wirklich im Kopf zu haben.

Merke

Eine IPv4-Adresse ist eine 32-Bit-Zahl. Die Punkt-Schreibweise mit vier Zahlen zwischen 0 und 255 ist nur eine Lese-Hilfe für uns Menschen — der Rechner sieht intern immer 32 Nullen und Einsen am Stück.

Vertiefung: Wer hat IP eigentlich erfunden?

Vint Cerf und Bob Kahn entwickelten ab 1973 im Auftrag der US-Verteidigungsbehörde DARPA die Vorläufer von TCP/IP. Ziel war ein ausfallsicheres Netz, das auch dann noch funktioniert, wenn Teile davon zerstört sind — Kontext war der Kalte Krieg.

Aus diesem Forschungsnetz (ARPANET) wurde später das Internet — und IPv4 ist bis heute das wichtigste Adressierungsprotokoll. Beide erhielten 2004 den Turing-Award (so etwas wie der „Nobelpreis der Informatik") für diese Arbeit.

Vertiefungen: Was ist mit IPv6

IPv6 ist der offizielle Nachfolger von IPv4 und nutzt 128-Bit-Adressen — das sind 2128 ≈ 340 Sextillionen mögliche Adressen. Das wäre genug, um jeden Sandkorn-großen Punkt der Erdoberfläche mit einer eigenen IP zu versorgen.

Trotzdem ist IPv4 nach wie vor allgegenwärtig: Praktisch jedes Heim- und Firmennetz arbeitet intern mit IPv4. IPv6 wird parallel betrieben und ist heute besonders bei Mobilfunkanbietern und großen Cloud-Providern verbreitet. Sie werden in dieser Lerneinheit ausschließlich IPv4 betrachten — IPv6 ist Stoff einer eigenen Einheit.