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IP Adressen, Netzwerkklassen, Netzmasken und Subnetze

 
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GrayGhost
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BeitragVerfasst am: 12.06.2007, 17:20    Titel: IP Adressen, Netzwerkklassen, Netzmasken und Subnetze Antworten mit Zitat

IP Adressen, Netzwerkklassen, Netzmasken und Subnetze

Einführung

Der erste Teil dieses Beitrags behandelt den grundsätzlichen Aufbau einer IP Adresse und erklärt die Begriffe Netzwerkklasse, Netzwerkadresse und Hostadresse. Im zweiten Teil wird der Sinn und Zweck einer Subnetzmaske erläutert. Mit den daraus gewonnenen Kenntnissen ist es dir dann möglich, innerhalb eines Netzwerkes durch den gezielten Einsatz von Subnetzmasken, Subnetze zu definieren und die zum Subnetz gehörenden Hostadressen sowie die Broadcast Adresse zu berechnen.

Ich setze für das Verständnis dieses Artikels grundlegende Kenntnisse des Binären Zahlensystems sowie der Boolschen Algebra voraus.


Aufbau der IP Adresse

Ich werde in diesem Artikel eine spezielle Syntax verwenden:

110nnnnn.nnnnnnnn.nnnnnnnn.hhhhhhhh

Dabei steht das n für ein Netzwerkbit und das h für ein Hostbit. Die Ziffern am Anfang definieren die Netzwerkklasse.

Um die IP Adressierung verstehen zu können, musst du zunächst einmal wissen, dass die Adresse aus zwei Teilen besteht, der Netzwerkadresse und der Hostadresse. Welcher Teil der Adresse das Netzwerk und welcher den Host definiert, wird durch die Subnetzmaske festgelegt.

Grundsätzlich baut sich die IP Adresse aus 32 Bit auf, wobei jeweils 8 Bit (entspricht einem Byte) in einer Gruppe zusammengefasst und durch einen Punkt voneinander getrennt werden. Diese Bytes werden auch "Oktetts" genannt.

11000000.10101000.00000000.00101111

Diese Schreibweise ist natürlich sehr lang und schwer zu merken, daher hat man sich darauf geeinigt die 4 Oktetts dezimal zu scheiben. Das oben gezeigte Beispiel sieht im dezimalen Zahlenbereich so aus:

192.168.0.47

Aber woran kann man nun erkennen, welcher Anteil von dieser Adresse das Netzwerk und welcher Anteil den Host (Computer) definiert?

Zunächst möchte ich dir zeigen, wie du ermitteln kannst zu welcher Netzwerkklasse die Netzwerkadresse gehört.

Grundsätzlich sind Adressen im Bereich 0.0.0.0 bis 255.255.255.255 denkbar. Binär sieht das dann so aus:
00000000.00000000.00000000.00000000 bis 11111111.11111111.11111111.11111111

Entscheidend ist zunächst einmal das erste Bit. Ist dieses 0, so gehört die Adresse zum Class A Netz. Dabei betrachte ich nur das erste Byte. Für das Class A Netz kann dies also Werte von 00000000 bis 01111111 annehmen. Für die Umrechnung in das dezimale Zahlensystem nehme ich der Einfachheit halber den XP Taschenrechner im wissenschaftlichen Mode. Es ergibt sich dann der Bereich von 0 bis 127. Damit gehören alle Adressen von 0.0.0.0 bis 127.255.255.255 zum Class A Netz.

Um es noch einmal zu verdeutlichen, Mit der Adresse 127.255.255.255 sind alle Bits, bis auf das erste auf 1 gesetzt 01111111.11111111.11111111.11111111. Die nächst höhere Binärzahl ist nun 10000000.00000000.00000000.00000000 und das entspricht der dezimalen Adresse 128.0.0.0

Damit sind wir in der nächsten Netzwerkklasse für die gilt, dass die ersten beiden Bits 10 sind.

Betrachten wir wieder das erste Byte. Dieses darf Werte im Bereich 10000000 bis 10111111 annehmen. In der dezimalen Schreibweise ergibt sich damit für das Class B Netz ein Bereich von 128.0.0.0 bis 191.255.255.255

Für das Class C Netz gilt die Regel, dass die ersten beiden Bits 1 und das dritte Bit 0 sein muss. Damit ist ein Bereich von 11000000 bis 11011111 möglich, dezimal umgerechnet 192.0.0.0 bis 223.255.255.255

Damit haben wir schon mal die Netzwerkklassen A, B und C kennengelernt. Du fragst dich sicherlich was nun mit den Adressen von 224.0.0.0 bis 255.255.255.255 los ist. Diese sind für besondere Aufgaben reserviert, zum Beispiel für Multicast und Streaming. Diesen Bereich werde ich in diesem Artikel nicht näher erläutern.

Eingangs hatte ich gesagt, dass jede IP Adresse sowohl das Netzwerk als auch den Host definiert, sich die IP Adresse denzufolge aus zwei Teilen zusammensetzt. Die beiden Teile werden duch die sogenannte Netzmaske bestimmt. Grundsätzlich hat jede Netzwerkklasse eine Standard-Netzmaske.

Class A Net: 255.0.0.0
Class B Net: 255.255.0.0
Class C Net: 255.255.255.0

Im nächsten Abschnitt werde ich dir zeigen, wie mit Hilfe der Netzmaske der Netzwerk und der Host Teil voneinander getrennt werden.


Funktionsweise der Netzmaske

Für einen Rechner ist es sehr einfach mit Hilfe der Netzmaske die Netzwerkadresse aus der IP Adresse zu extrahieren. Hierzu muss der Rechner nur die Bits der IP Ádresse mit der Netzmaske UND verknüpfen. Falls du dich mir der Boolschen Algebra auskennst, dann brauchst du wohl keine weitere Erklärung. Wenn du noch nie etwas von logischen Verknüpfungen gehört hast, dann gehe zunächst mal zu folgendem Artikel: kommt bald Smile

Ich nehme als Beispiel eine beliebige IP Adresse aus dem Class C Netz, z,B, 192.168.10.20 Zu dieser Adresse gehört standardmäßig die Netzmaske 225.225.225.0 Ich werde diese beiden dezimalen Ausdrücke in binärer Weise untereinander schreiben:

11000000.10101000.00001010.00010100
11111111.11111111.11111111.00000000

Die einfache Regel der UND Verknüpfung sagt, dass nur dann eine 1 als Ergebnis herauskommt, wenn zwei Einsen übereinander stehen. Ansonsten ist das Ergebnis 0. Prüfe jetzt mal die jeweils übereinander stehenden Bits.

11000000.10101000.00001010.00010100 UND
11111111.11111111.11111111.00000000 ergibt:
11000000.10101000.00001010.00000000

Das Netzwerk hat also die Adresse 192.168.10.0

Daraus ergibt sich schon mal eine Regel, die Adresse des Netzwerks darf nicht als Hostadresse für einen Rechner verwendet werden.Vermeide also in 192.168.X.X Netzwerken die Adresse 192.168.X.0


Private IP Adressen

Die Tatsche, dass die Länge der IP Adresse auf 32 Bit beschränkt ist, hat zur Folge, dass die Adressen in der Zwischenzeit knapp werden. Zwar können mit 32 Bit theoretisch 4.294.967.296 Adressen vergeben werden, aber leider wurde in der Vergangenheit sehr großzügig mit der Vergabe der Adressen umgegangen. Es war ja vor 20 Jahren noch überhaupt nicht abzusehen, mit welcher Geschwindigkeit sich das Internet durch den rasanten Zuwachs von privaten PCs erweitern würde.

Feste IP Adressen wurden daher großzügig gleich bereichsweise vergeben. Es war zum Beispiel üblich einer Institution oder Universität gleich einen ganzen Adressbereich der Art 13.x.x.x zu geben, was schon einer Anzahl von 16.777.216 Hostadressen entspricht. Selbst meine Firma besitzt einen Adressenbereich im Class B Netz mit der Netzmske 255.255.0.0 (10nnnnnn.nnnnnnnn.hhhhhhhh.hhhhhhhh). Damit sind 65.536 Adressen möglich, die wir aber wohl niemals brauchen werden. Diese Politik der Adressvergabe hat die Anzahl der frei verfügbaren IP Adressen stark reduziert.

Als nun in den Jahren der Bedarf an IP Adressen immer mehr anstieg, wurde nach Möglichkeiten gesucht den Adressverbrauch zu reduzieren. Dabei wurde schnell erkannt, dass innerhalb der Universitäten, Institutionen und Firmen zwar eine große Zahl von Rechnern miteinander vernetzt werden mussten, aber keine Notwendigkeit bestand jeden dieser Rechner über eine eigene, weltweit eindeutige Adresse mit dem Internet zu verbinden. Es reicht in der Regel aus, ein firmeneigenes Intranet aufzubauen und dieses dann über einen sogenannten Proxy-Server oder einen Router mit dem WWW (world wide web) zu verbinden.

Die Regel, dass jeder Rechner innerhalb eines Netzwerks eine eindeutige Adresse besitzen muss, gilt allerdings auch in abgeschlossenen Netzen. Der Gedanke, man könne in abgeschlossenen Netzen einfach beliebige Adressen verwenden, ist an sich richtig, allerdings besteht immer die Gefahr, dass ein solches Netz auf irgendeinem Weg zufällig oder absichtlich mit dem WWW Verbindung bekommen könnte. In diesem Fall gäbe es dann üble Adresskonflikte. Daher wurden spezielle Adressbereiche definiert, die ausschließlich für private Netze gedacht sind und im Internet ignoriert (also nicht weitergeleitet) werden. Man spricht dabei von den "private address ranges". In jeder Netzwerkklasse wurde ein solcher privater Adressbereich eingerichtet.

Private Class A Net Adressen:
Adressbereich: 10.0.0.0 bis 10.255.255.255
Netz Maske: 255.0.0.0
Netzwerkbits: 8, Hostbits: 24
Syntax: 0nnnnnnn.hhhhhhhhh.hhhhhhhh.hhhhhhhh
Anzahl der Rechner: 16.777.214

Private Class B Net Adressen:
Adressbereich: 172.16.0.0 bis 172.31.255.255
Netz Maske: 255.255.0.0
Netzwerkbits: 16, Hostbits: 16
Syntax: 10nnnnnn.nnnnnnnn.hhhhhhhh.hhhhhhhh
Anzahl der Rechner: 65.534

Private Class C Net Adressen:
Adressbereich: 192.168.0.0 bis 192.168.255.255
Netz Maske: 255.255.255.0
Netzwerkbits: 24, Hostbits: 8
Syntax: 110nnnnn.nnnnnnnn.nnnnnnnn.hhhhhhhh
Anzahl der Rechner: 254

Zusätzlich zu diesen Netzwerkklassen gibt es noch einen LINKLOCAL Class B Adressbereich, der unter der Abkürzung APIPA bekannt ist. Dieser Adressbereich wird von Windows Computern verwendet, wenn die IP Zuweisung auf "automatisch" gesetzt ist, aber der Computer keinen DHCP Server finden kann. APIPA Adressen sind wie die privaten IP Adressen nicht route-fähig.

APIPA (Automatic Private IP Addressing)
Adressbereich: 169.254.0.0 bis 169.254.255.255
Netz Maske: 255.255.0.0
Netzwerkbits: 16, Hostbits: 16
Syntax: 10nnnnnn.nnnnnnnn.hhhhhhhh.hhhhhhhh
Anzahl der Rechner: 65.534


Subnetz Masken

Im vorhergehenden Abschnitt habe ich die privaten Adressbereiche vorgestellt. Für den privaten Anwender ist der Bereich des Class C Netzes wohl das geeignetste da es mit einer Anzahl von 254 Hosts in jedem Fall ausreichen dürfte. Mittlere Firmen könnten aber schon Probleme mit der Anzahl der möglichen Hostadressen bekommen. Allerdings ist in diesem Fall das Class B Netz mehr als ausreichend. Ich kann mir kaum ein Intranet vorstellen, dass mehr als 65534 Rechner umfasst.

Die Frage ist nun, was ist ein Subnetz und in welchen Fällen wendet man ein solches an. Stell dir einfach mal ein Netzwerk mit 1000 Rechnern vor. Dies ist für viele Firmen eine durchaus realistische Zahl. Wie kann man so viele Rechner in einem Netzwerk verbinden? Zunächst wirst du zugeben, dass es keine Hubs oder Switches mit so vielen Ports gibt. Auch eine Kaskadierung mehrerer Switsches (Hintereinanderschaltung über Uplinkports) dürfte scheitern, da schnell die zulässige Leitungslänge für ein Ethernet Segment überschritten wird. Ein weiteres Problem ist die Tatsache, dass mit zunehmender Leitungslänge und Anzahl der Rechner, die Wahrscheinlichkeit von Kollisionen von TCP Paketen auf dem LAN steigt. Es gilt somit das Netzwerk in einzelne Segmente zu unterteilen, also Teilnetze zu bilden, die dann untereinander verbunden werden. Damit verringert sich die Leitungslänge pro Segment und die Wahrscheinlichkeit von Collisionen. Da sich Kollisionen immer nur innerhalb eines Teilnetzes (Segments) negativ auswirken, hat die Bildung von Teilnetzen auch dann einen Vorteil, wenn die angeschlossenen Rechner viel Traffic auf dem LAN erzeugen.

Wie weiter oben schon erwähnt, wird der Bereich durch Netzwerkmasken in Teilbereiche gegliedert (A,B, C Netz). Mit Hilfe der Subnetzmasken ist es nun möglich diese Netzklassen nochmals in Teilnetze zu unterteilen. Diese Teilnetze nennen sich dann Subnetze. Ich will es mal so formulieren:

<center>Ein Subnetz ist ein Teilnetz einer Netzwerkklasse.</center>

Betrachte dir mal die Bitmaske des Class C Netzes an:

110nnnnn.nnnnnnnn.nnnnnnnn.hhhhhhhh

Woran wir gebunden sind, ist der Bereich des Netzes (192.168.0.0 bis 192.168.255.255). Die ersten drei Bytes bilden die Netzwerkadresse, wobei die ersten zwei festgelegt sind. Das dritte Byte kann innerhalb des privaten Class C Netzes die Werte von 0 bis 255 annehmen. Es ist also schon damit möglich 256 verschiedene Netzwerke aufzubauen, die jeweils 254 Rechner umfassen können. Jedes dieser Netze kann wiederum durch eine Erweiterung der Subnetzmaske In Subnetze unterteilt werden.

Ich werde in meinem Beispiel die Netzwerkadresse 192.168.0.X verwenden und zeigen, wie diese in 8 Subnetze gegliedert werden kann.


Berechnung einer Subnetzmaske

Wie im vorherigen Abschnitt schon gesagt, soll eine Subnetzmaske erstellt werden, die das Netz mit der Adresse 192.168.0.0 in weitere 4 Netze unterteilt. Die Netzmaske des Class C Netzes ist 255.255.255.0. Daran kann nichts geändert werden. Für die zu erstellende Maske bleibt also nur das letzte Byte übrig, mit dem du normalerweise die Hosts adressierst. Um nun weitere Netze definieren zu können, musst du ein paar Bits dieses letzten Oktetts opfern. Um 4 Zahlen binär darzustellen, brauchst du 2 Bits (00, 01,10,11). Damit bleiben für die Hosts 6 Bits übrig. Die Bitmaske sieht also so aus:

110nnnnn.nnnnnnnn.nnnnnnnn.sshhhhhh (s steht für Subnetz Masken Bit). Weiter oben hast du schon gelernt, dass die auf "1" gsetzten Maskenbits das Netzwerk bestimmen. Also muss nun das letzte Byte deiner Subnetzmske 11000000 lauten. Rechne diese binäre Zahl in das dezimalsystem um und du erhälst: 192. Damit ist die gesuchte Subnetzmaske 255.255.255.192. Mit den verbleibenden 6 Hostbits können nun genau 63 Adressen gebildet werden, allerdings ist die höchte Adresse in jedem Netzwerk dem Broadcast vorbehalten. Das Netzwerk kann also maximal 62 Rechner umfassn.

Bei der Berechnung gehe ich jetzt so vor:

Die beiden höchsten Bits des letzten Bytes bestimmen die vier Subnetze und können folgende Werte annehmen: 00, 01, 10 und 11. Die folgenden sechs Bits liegen im Bereich 000000 bis 111111. Das bedeutet, dass die Subnetze die folgenden binären Wertebereiche annehmen können:

1. Netz 00000000 bis 00111111 ( 0 bis 63 )
2. Netz 01000000 bis 01111111 ( 64 bis 127 )
3. Netz 10000000 bis 10111111 ( 128 bis 191 )
4. Netz 11000000 bis 11111111 ( 192 bis 255 )


Da die jeweils niedrigste Adresse des Bereichs die Netzwerk Identifikationsadresse ist und die höchste Adresse für den Broadcast reserviert ist, erhältst du also innerhalb des Netzwerks 192.168.0.X die folgenden 4 Adressbereiche:

<div align="center">
<table border="1" cellpadding="5" width="80%"><tr><td>Subnetz Adresse</td><td>Subnetz Maske</td><td>Größe</td><td>Host Adressbereich</td><td>Broadcast</td></tr><tr><td>192.168.0.0</td><td>255.255.255.192</td><td>62</td><td>192.168.0.1 bis 192.168.0.62</td><td>192.168.0.63</td></tr><tr><td>192.168.0.64</td><td>255.255.255.192</td><td>62</td><td>192.168.0.65 bis 192.168.0.126</td><td>192.168.0.127</td></tr><tr><td>192.168.0.128</td><td>255.255.255.192</td><td>62</td><td>192.168.0.129 bis 192.168.0.190</td><td>192.168.0.191</td></tr><tr><td>192.168.0.192</td><td>255.255.255.192</td><td>62</td><td>192.168.0.193 bis 192.168.0.254</td><td>192.168.0.255</td></tr></table>

</div>

MfG
Erhard Olszok aka GrayGhost
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