Grundlagen der Netzwerktechnik: IP-Routing, IPv4 und IPv6

Verbindungsorientierte vs. verbindungslose Kommunikation

Verbindungslos (Datagramm-orientiert)

• Das Paket enthält Quell- und Zieladresse.
• Der Router muss keine Zustandsinformationen über Verbindungen speichern.
• Routing-Tabellen ändern sich dynamisch je nach Netzwerkverkehr.
• Schwieriger bei der Fehlerbedienung und -steuerung.

Verbindungsorientiert

• Erfolgt durch eine virtuelle Verbindungs-Identifikationsnummer.
• Jede virtuelle Schaltung erfordert ein Feld in der Routing-Tabelle.
• Definiert einen virtuellen Pfad, der bestehen bleibt, bis er verloren geht oder gesättigt ist.
• Einfacher bei ausreichenden Ressourcen für jede virtuelle Verbindung.

Internet: Definition

Verbundnetze mit Anwendungen, die eine gemeinsame Schnittstelle unabhängig von der physikalischen Struktur des zugrunde liegenden Netzes nutzen.

IP-Routing auf einem Host

Eingehende Pakete werden analysiert, um festzustellen, ob der lokale Host der Empfänger ist:

• Wenn ja, wird das Paket verarbeitet und an die obere Schicht weitergeleitet.
• Ansonsten: Wenn der Computer ein Router ist, wird das Paket gemäß dem Routing-Algorithmus an den nächsten Knoten gesendet.
• Andernfalls wird das Paket verworfen.

IPv4-Header

• Version (4 Bits): Unterscheidung zwischen IPv4 und IPv6.
• IHL (4 Bits): Länge des Headers in 32-Bit-Worten. Maximal 60 Bytes, Mindestlänge 20 Bytes.
• Art der Dienstleistung (8 Bits): Indikator für die Dienstgüte (QoS).
• Länge (16 Bit): Definiert die Gesamtlänge des IP-Pakets (max. 65.535 Bytes).
• Feld-ID (16 Bit): Identifiziert das Datagramm bei Fragmentierung.
• Bit DF (Don't Fragment): Verhindert die Fragmentierung des Pakets.
• Bit MF (More Fragment): Zeigt an, ob weitere Fragmente folgen.
• Fragment Offset (13 Bit): Hilft beim Zusammensetzen fragmentierter Datagramme.
• Lifetime (TTL): Gibt die Lebensdauer des Pakets an. Jeder Router dekrementiert den Wert; bei 0 wird das Paket verworfen.
• Protokoll: Zeigt das Protokoll der oberen Schicht an.
• Prüfsumme (16 Bit): Erkennt Fehler im Header.
• Quell- und Zieladresse (je 32 Bit).
• Optionen: Variable Länge für zusätzliche Funktionen.

Multicast: Performance

Ein aktiver Prozess auf einem Host muss die Netzwerkkarten anweisen, Teil einer bestimmten Gruppe zu werden. Die Software ordnet die Multicast-Adresse einer physikalischen Adresse zu. Router nutzen das IGMP (Internet Group Management Protocol), um Multicast-Pakete in andere Netzwerke weiterzuleiten.

CIDR (Classless Inter-Domain Routing)

CIDR verwendet die VLSM-Technik (Variable Length Subnet Masking), um IP-Adressen effizienter zuzuweisen. Durch die Aggregation mehrerer Präfixe zu Supernets wird die Anzahl der Einträge in globalen Routing-Tabellen reduziert.

Private IP-Adressen (RFC 1597)

Private Adressen sind für interne Unternehmensnetzwerke reserviert und nicht im Internet routbar:

• Klasse A: 10.0.0.0 bis 10.255.255.255
• Klasse B: 172.16.0.0 bis 172.31.255.255
• Klasse C: 192.168.0.0 bis 192.168.255.255

NAT-Problematik

NAT (Network Address Translation) bricht das Ende-zu-Ende-Prinzip des Internets. Probleme entstehen bei Protokollen, die IP-Adressen im Nachrichtentext mitsenden (z. B. FTP), oder durch die Begrenzung der gleichzeitigen Verbindungen pro öffentlicher IP-Adresse.

Ziele von IPv6

• Unterstützung von Millionen von Hosts.
• Reduzierung der Routing-Tabellengröße.
• Vereinfachung des Protokolls.
• Verbesserte Sicherheit (Authentifizierung und Vertraulichkeit).
• Bessere Dienstgüte (QoS).

IPv6-Header

Der Header hat eine feste Größe von 40 Bytes und enthält:

• Traffic Class (8 Bits): Priorität.
• Flow Label (20 Bits): Dienstgüte.
• Next Header (8 Bits): Typ des folgenden Headers.
• Hop Limit (8 Bits): Entspricht der TTL.
• Quell- und Zieladresse (je 128 Bits).

IPv6-Erweiterungsheader

IPv6 ermöglicht flexible Erweiterungsheader, um neue Funktionen schrittweise hinzuzufügen. Der "Next Header"-Wert verweist auf den jeweils folgenden Header.

Typen von IPv6-Adressen

• Unicast: Identifiziert eine einzelne Schnittstelle.
• Multicast: Identifiziert eine Gruppe von Schnittstellen; das Paket wird an alle zugestellt.
• Anycast: Identifiziert eine Gruppe von Schnittstellen; das Paket wird an die topologisch nächste Schnittstelle zugestellt.

IPv6-Übergangsmechanismen

1. Dual Stack: Knoten unterstützen sowohl IPv4 als auch IPv6 gleichzeitig.
2. Tunneling: Kapselung von IPv6-Paketen in IPv4-Pakete zur Übertragung über IPv4-Infrastrukturen.
3. Übersetzung: Mechanismen zur Kommunikation zwischen reinen IPv4- und IPv6-Knoten.