Internetprotokoll und Adressierung

Das Internetprotokoll ermöglicht eine verbindungslos, nach bestem Wissen und Gewissen (best-effort) erfolgende Zustellung von Paketen über miteinander verbundene Netzwerke, wobei jede Schnittstelle mit einer IP-Adresse identifiziert wird, deren Struktur das hierarchische Routing ermöglicht, das das globale Internet skalierbar macht.

Definition

Das Internetprotokoll ist das Protokoll der Netzwerkschicht, das Datagramme von einer Quelle zu einem Zielhost über ein Internetwork unter Verwendung eines Best-Effort-, verbindungslosen Dienstes liefert; eine IP-Adresse ist der hierarchische numerische Identifikator, der einer Netzwerkschnittstelle zu diesem Zweck zugewiesen wird.

Scope

Dieses Thema behandelt den Datagramm-Dienst der Netzwerkschicht: die IPv4- und IPv6-Paketformate, die Bedeutung und Struktur von IP-Adressen, Subnetting und Classless Inter-Domain Routing (CIDR) für die hierarchische Adresszuweisung, Fragmentierung und unterstützende Mechanismen wie DHCP für die Adresszuweisung und NAT für die Adressfreigabe. Es behandelt die Adressierung als Grundlage, auf der das Routing aufbaut, und schließt die Routing-Algorithmen und -Protokolle selbst aus, die separat behandelt werden.

Core questions

• Welches Dienstmodell bietet IP, und was bedeutet Best-Effort-Zustellung?
• Wie sind IPv4- und IPv6-Adressen strukturiert, und wie unterscheiden sich ihre Paketformate?
• Wie ermöglichen Subnetting und CIDR eine hierarchische, aggregierbare Adressierung?
• Wie werden Adressen Hosts zugewiesen, zum Beispiel über DHCP?
• Welche Probleme führten zu IPv6 und zu Mechanismen wie NAT?

Key concepts

• Best-Effort-Zustellung
• IPv4- und IPv6-Paketformate
• IP-Adressen
• Netzwerk- und Host-Anteile
• Subnetting
• Classless Inter-Domain Routing (CIDR)
• Fragmentierung und Reassemblierung
• DHCP
• Netzwerkadressübersetzung (NAT)

Key theories

Verbindungsloser Best-Effort-Datagramm-Dienst

IP leitet jedes Datagramm unabhängig weiter, ohne Garantie für Zustellung, Reihenfolge oder Timing; diese Einfachheit hält den Netzwerkkern zustandslos und robust und verlagert Zuverlässigkeit und Reihenfolge auf die Transportschicht der Endhosts.

Hierarchische Adressierung und CIDR

IP-Adressen sind in Netzwerk- und Host-Teile unterteilt, sodass Router viele Adressen unter einem einzigen Präfix aggregieren können; Classless Inter-Domain Routing verallgemeinert dies mit variablen Präfixlängen und bremst das Wachstum der Routing-Tabellen.

Adressraumerweiterung mit IPv6

IPv6 ersetzt die 32-Bit-Adressen von IPv4 durch 128-Bit-Adressen und einen vereinfachten Header, löst die Adresserschöpfung und fügt Funktionen wie die zustandslose Autokonfiguration hinzu, während es während eines langen Übergangs mit IPv4 koexistiert.

Clinical relevance

Die IP-Adressierung ist die Grundlage der Erreichbarkeit im Internet: Jedes verbundene Gerät benötigt eine Adresse, und die Art und Weise, wie Adressen zugewiesen und aggregiert werden, bestimmt die Größe und Stabilität des globalen Routing-Systems. Die Adresserschöpfung führte zur Einführung von NAT und zur laufenden Migration zu IPv6, Entscheidungen, die das Netzwerkdesign, die Sicherheit und die Konnektivität für Milliarden von Geräten prägen.

History

IPv4 wurde in RFC 791 (1981) mit einem 32-Bit-Adressraum und einem anfänglichen klassenbasierten Zuweisungsschema spezifiziert. Das schnelle Internetwachstum führte zu CIDR (Mitte der 1990er Jahre), um das Wachstum der Routing-Tabellen und die Adresserschöpfung zu verlangsamen, und zu NAT, um knappe Adressen zu teilen. IPv6 mit 128-Bit-Adressen wurde in den 1990er Jahren entwickelt und als RFC 8200 (2017) finalisiert, und seine Einführung hat seitdem stetig zugenommen.

Debates

NAT als Notlösung versus End-to-End-Adressierung

Die Netzwerkadressübersetzung verlängerte die Lebensdauer von IPv4, indem sie vielen Hosts ermöglichte, eine Adresse zu teilen, aber sie bricht das End-to-End-Adressierungsprinzip und erschwert die Peer-to-Peer-Konnektivität; Befürworter von IPv6 argumentieren, dass die Wiederherstellung global eindeutiger Adressen die richtige Lösung ist.

Key figures

• Jon Postel
• Vinton Cerf
• Steve Deering
• Robert Hinden

Seminal works

• rfc791
• rfc8200
• kurose2021

Frequently asked questions

Was bedeutet Best-Effort-Zustellung?

Best-Effort bedeutet, dass IP versucht, jedes Datagramm zuzustellen, aber keine Garantien gibt: Pakete können verloren gehen, dupliziert, verzögert oder neu geordnet werden. Dies hält das Netzwerk einfach und widerstandsfähig und überlässt es höheren Schichten, wie TCP, Zuverlässigkeit und Reihenfolge hinzuzufügen, wenn eine Anwendung diese benötigt.

Warum verwenden wir noch IPv4, wenn IPv6 existiert?

Die Einführung von IPv6 erfordert die Aktualisierung von Hosts, Routern und Anwendungen im gesamten Internet, daher war der Übergang schrittweise. Techniken wie NAT ermöglichen es IPv4, trotz Adressknappheit weiter zu funktionieren, und IPv4 und IPv6 laufen nebeneinander; die Migration geht weiter, anstatt auf einmal zu geschehen.