IPv4

IPv4 (Internet Protocol Version 4), früher einfach IP, ist die vierte Version des Internet Protocols (IP). Es war die erste Version des Internet Protocols, welche weltweit verbreitet und eingesetzt wurde und bildet eine wichtige technische Grundlage des Internets. Es wurde in RFC 791 im Jahr 1981 von Jon Postel definiert.

IPv4 benutzt 32-Bit-Adressen, daher sind maximal 4.294.967.296 eindeutige Adressen möglich. IPv4-Adressen werden üblicherweise dezimal in vier Blöcken geschrieben, zum Beispiel 207.142.131.235. Je Block werden 8 Bit zusammengefasst; somit ergibt sich für jeden Block ein Wertebereich von 0 bis 255. Bei der Weiterentwicklung IPv6 werden 128-Bit-Adressen verwendet. Es ist aber heute (2007) noch nicht sehr verbreitet.

Eine IP-Adresse wird in einen Netzwerkteil und einen Host-(Adressen-)teil geteilt. Rechner sind im selben IP-Netz, wenn der Netzwerkteil ihrer Adresse gleich ist – das ist eine Voraussetzung, dass diese Rechner direkt miteinander kommunizieren können. Im selben Netz darf keine Host-Adresse doppelt vergeben sein.

Für die Kommunikation zwischen unterschiedlichen Netzen wird ein Router benötigt. Den Adressteil vergibt der zuständige Administrator für jedes teilnehmende Gerät verschieden. Oft wird die Vergabe des Adressteils von einem so genannten DHCP-Server übernommen. Die Netzadresse vergibt der Besitzer oder Planer des Netzwerkes. Im Internet ist das IANA (Internet Assigned Numbers Authority) für die Vergabe der Netzadressen zuständig.

Ein typisches Netzwerk trennt die 32 Bit in einen 24-Bit-Netzwerk und einen 8-Bit-Adressteil (früher Klasse-C-Adressen). Die genaue Aufteilung zwischen Netzteil und Adressteil wird in Form der Subnetmask angegeben (zum Beispiel 255.255.255.0). Eine alternative Notation ist zum Beispiel 192.168.0.0/24; die '24' bedeutet, dass die linken 24 Bits der Subnetmask gleich 1 sind.

Früher gab es fest vorgeschriebene Einteilungen für Netzwerkklassen mit einer festen Länge. Diese Einteilung erwies sich allerdings als zu unflexibel, so dass man seit 1993 dazu übergegangen ist, sie bitvariabel im Classless Inter-Domain Routing-Verfahren durchzuführen. Heutzutage kann man genaugenommen nicht mehr von Klasse-A/B/C-Netzwerken sprechen, allerdings ist es im allgemeinen Sprachgebrauch erhalten geblieben und viele netzwerkfähige Betriebssysteme bestimmen die Standardnetzmaske anhand der alten Klassifikation.

Zwei Host-Adressen fallen immer weg – die erste Adresse (zum Beispiel 192.168.0.0) bezeichnet das Netz selber, die letzte Adresse (zum Beispiel 192.168.0.255) ist für den Broadcast (alle Teilnehmer werden angesprochen) reserviert.

Ein IP-Paket besteht aus einem Header und den eigentlichen Daten. Der Datenteil enthält in der Regel ein weiteres Protokoll, meist TCP, UDP oder ICMP. Die maximale Länge der Daten beträgt 65535 Bytes (216-1-minimale Headerlänge). Normalerweise beschränkt der Sender die Paketlänge auf diejenige des zugrundeliegenden Mediums. Bei Ethernet beträgt die so genannte MTU (Maximum Transmission Unit) 1500 Bytes, da ein Ethernet-Datenblock maximal 1518 Bytes lang sein darf und 18 Bytes vom Ethernet selbst belegt werden. Für IP (Header und Daten) stehen also nur 1500 Bytes zur Verfügung. Deshalb ist die Länge von IP-Paketen oft auf 1500 Bytes festgesetzt.

Andere Netzwerke können die Paketlänge weiter beschränken. In diesem Fall bietet IP die Option, IP-Pakete zu fragmentieren. Jedes Paket erhält vom Sender eine Kennung (die Fragment-ID). Ein Router kann ein langes Paket aufteilen, weil das Zielnetzwerk Pakete dieser Länge nicht überträgt. Der Empfänger kann die Fragmente anhand der Kennung und der Senderadresse identifizieren und wieder zusammenfügen.

IPv4 unterscheidet nicht zwischen Endgeräten (Hosts) und Vermittlungsgeräten (Router). Jeder Computer und jedes Gerät kann gleichzeitig Endpunkt und Router sein. Ein Router verbindet dabei verschiedene Netzwerke. Die Gesamtheit aller über Router verbundenen Netzwerke bildet das Internet (siehe auch Internetworking).

IPv4 ist für LANs und WANs gleichermaßen geeignet. Ein Paket kann verschiedene Netzwerke vom Sender zum Empfänger durchlaufen, die Netzwerke sind durch Router verbunden. Anhand von Routingtabellen, die jeder Router individuell pflegt, wird der Netzwerkteil einem Zielnetzwerk zugeordnet. Die Einträge in die Routingtabelle können dabei statisch oder über Routingprotokolle dynamisch erfolgen. Die Routingprotokolle dürfen dabei sogar auf IP aufsetzen.

Bei Überlastung eines Netzwerks oder einem anderen Fehler darf ein Router Pakete auch verwerfen. Pakete desselben Senders können bei Ausfall eines Netzwerks auch alternativ geroutet werden. Jedes Paket wird dabei einzeln geroutet, was zu einer erhöhten Ausfallsicherheit führt.

Beim Routing über IP können daher

* einzelne Pakete verloren gehen
* Pakete doppelt beim Empfänger ankommen
* Pakete verschiedene Wege nehmen
* Pakete fragmentiert beim Empfänger ankommen.

Wird TCP auf IP aufgesetzt (d. h. die Daten jedes IP-Pakets enthalten ein TCP-Paket, aufgeteilt in TCP-Header und Daten), so wird neben dem Aufheben der Längenbeschränkung auch der Paketverlust durch Wiederholung korrigiert. Doppelte Pakete werden erkannt und verworfen. Die Kombination TCP mit IP stellt dabei eine zuverlässige bidirektionale Verbindung eines Datenstroms dar.

IP ist eng verknüpft mit dem ICMP-Protokoll, das zur Fehlersuche und Steuerung eingesetzt wird. ICMP setzt auf IP auf, das heißt ein ICMP-Paket wird im Datenteil eines IP-Pakets abgelegt. Eine IP-Implementierung enthält stets auch eine ICMP Implementierung. Wichtig ist zum Beispiel die ICMP Source-Quench-Mitteilung, die den Sender über das Verwerfen von Paketen aufgrund einer Überlastung eines Routers informiert. Da jedes IP-Paket die Quell-Adresse enthält, können Informationen an den Sender zurück übermittelt werden. Dieser kann nach einem Source-Quench die Paketsendefrequenz verringern und so die Notwendigkeit eines weiteren Verwerfens minimieren oder vermeiden.

ICMP kann zusammen mit dem Don't-Fragment-Bit des IP-Pakets auch eingesetzt werden, um die maximale Paketgröße MTU eines Übertragungsweges zu ermitteln (so genannte PMTU Path Maximum Transmission Unit). Dies ist die MTU desjenigen Netzwerkes mit der kleinsten MTU aller passierten Netzwerke. Dadurch kann auf Fragmentierung verzichtet werden, wenn der Sender nur Pakete mit der maximalen Größe der PMTU erzeugt.

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