Um jemanden Daten über digitale Netzwerke zu senden, brauchen Sie ebenso wie beim Briefversand die richtige Adresse – in diesem Fall allerdings eine IP-Adresse. So werden die Datenpakete mit einer IP-Adresse versehen – genau so, wie man Briefumschläge mit einer Postanschrift auszeichnet, damit der Brief den Empfänger erreicht. Anders als Postadressen sind ihre digitalen Pendants allerdings nicht an einen bestimmten Ort gebunden, sondern werden dem Netzwerkgerät beim Verbindungsaufbau automatisch oder manuell zugewiesen. Bei diesem Prozess spielt das sogenannte Internet Protocol (im Deutschen oftmals auch als IP-Protokoll betitelt) eine wichtige Rolle.
Das Internet Protocol, kurz IP, ist das primäre Protokoll der Internetprotokollfamilie und damit von elementarer Bedeutung für den Nachrichtenaustausch in Computernetzwerken. Das verbindungslose Protokoll, das 1974 vom Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE) veröffentlicht und in RFC 791 als Standard spezifiziert wurde, soll in erster Linie den erfolgreichen Paketversand vom Absender zum Adressaten gewährleisten. Zu diesem Zweck gibt das Internet Protocol ein Format vor, das die Art der Beschreibung dieser Datenpakete (auch IP-Datagramme genannt) definiert.
Das Internet Protocol (IP) ist ein verbindungsloses Protokoll, das als wichtiger Bestandteil der Internetprotokollfamilie – einer Sammlung von rund 500 Netzwerkprotokollen – für die Adressierung und Fragmentierung von Datenpaketen in digitalen Netzwerken verantwortlich ist. Gemeinsam mit dem Transportprotokoll TCP (Transmission Control Protocol) bildet IP die Grundlage des Internets. Um ein Paket vom Absender zum Adressaten zu senden, definiert das Internet Protocol eine Paketstruktur, die die zu verschickenden Daten zusammenfasst. So legt das Protokoll fest, auf welche Art und Weise Informationen über Quelle und Ziel der Daten beschrieben werden, und trennt diese Informationen im IP-Header von den eigentlichen Nutzdaten. Ein solches Paketformat wird auch als IP-Datagramm bezeichnet.
1974 veröffentlichte das Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE) eine Forschungsarbeit der amerikanischen Informatiker Robert Kahn und Vint Cerf, die ein Protokoll-Modell für die gegenseitige Paket-Netzverbindung auf der Basis des Internet-Vorgängers ARPANET beschrieb. Hauptkomponente dieses Modells war neben dem Übertragungskontrollprotokoll TCP erstmals auch das IP-Protocol, das – zuzüglich einer speziellen Abstraktionsschicht – die Kommunikation über verschiedene physikalische Netze hinwegerlaubte. In der Folgezeit wurden immer mehr Forschungsnetzwerke auf Basis dieser als „TCP/IP“ bezeichneten Protokollkombination zusammengeschlossen, die 1981 endgültig im RFC 791 als Standard spezifiziert wurde.
Wer sich in der heutigen Zeit mit der Beschaffenheit einer solchen IP-Adresse auseinandersetzt, um beispielsweise Rechner im lokalen Netzwerk adressierbar zu machen, stößt auf die zwei Varianten IPv4 und IPv6. Dabei handelt es sich jedoch keineswegs um die vierte bzw. sechste Generation des IP-Protokolls, auch wenn dieses in der Vergangenheit umfassende Veränderungen erlebt hat. Bei IPv4 handelt es sich nämlich de facto sogar um die erste offizielle Version des Internet Protocol, während die Versionsnummer einzig aus dem Umstand resultiert, dass die vierte Ausgabe des TCP-Protokolls genutzt wird. IPv6 ist wiederum der direkte Nachfolger von IPv4 – die Entwicklung des Protokolls IPv5 wurde aus ökonomischen Gründen vorzeitig eingestellt.
Auch wenn es neben IPv4 und IPv6 keine weiteren Versions-Releases gibt, so ist das Internet Protocol wie bereits erwähnt seit 1974 (als es noch nicht eigenständig existierte und Bestandteil von TCP war) dennoch überarbeitet worden. Im Wesentlichen konzentrierte man sich dabei darauf, den Verbindungsaufbau und die Adressierung zu optimieren. So hob man beispielsweise schon früh die Bit-Länge der Host-Adressen von 16 auf 32 Bit an, wodurch der Adressraum auf rund vier Milliarden mögliche Vertreter ausgeweitet wurde. Das zukunftsweisende IPv6 lässt mit seinen 128-Bit-Adressfeldern sogar ca. 340 Sextillionen – eine Zahl mit 37 Nullen – verschiedene Adressen zu, womit der Bedarf an Internetadressen langfristig gedeckt ist.
Wie bereits erwähnt, sorgt das Internet Protocol dafür, dass jedem Datenpaket die wichtigen strukturellen Eigenschaften in der Kopfzeile vorangestellt und dem passenden Transportprotokoll (typischerweise TCP) zugeordnet werden. Der Kopfdatenbereich wurde für Version 6 grundlegend überarbeitet, weshalb man zwischen dem IPv4- und dem IPv6-Header unterscheiden muss.
Jeder IP-Header beginnt also immer mit einer 4 Bit langen Angabe der Versionsnummer des Internet Protocols – IPv4 oder IPv6. Es folgen weitere 4 Bits, die Informationen über die Länge der Kopfzeile (IP Header Length) enthalten, da diese nicht konstant ist. Die Gesamtlänge errechnet sich dabei immer aus diesem Wert multipliziert mit 32 Bit. Der kleinstmögliche Wert 5 steht also für eine Header-Länge von 160 Bit (entspricht 20 Byte). In diesem Fall sind keinerlei Optionen hinzugefügt. Das Maximum ist der Wert 15 bzw. 480 Bit (entspricht 60 Byte). Die Bits 8 bis 15 (Type of Service) können Anweisungen zur Behandlung und Priorität des Datagramms beinhalten. Hier kann der Host also beispielsweise angeben, wie wichtig ihm Punkte wie Zuverlässigkeit, Durchsatz und Verzögerung bei der Datenübertragung sind.
Die Gesamtlänge gibt an, wie groß das Datenpaket insgesamt ist, addiert mit anderen Worten also die Größe der Nutzdaten zur Header-Länge. Da das Feld eine Länge von 16 Bit hat, liegt die maximale Grenze bei 65.635 Byte. Im RFC 791 ist ferner festgelegt, dass jeder Host in der Lage sein muss, mindestens 576 Bytes zu verarbeiten. Ein IP-Datagramm kann auf dem Weg zum Zielhost von Routern und anderen Geräten nach Belieben fragmentiert werden, wobei die Fragmente jedoch nicht kleiner als die genannten 576 Bytes werden sollten. Die weiteren Felder des IPv4-Kopfes haben folgende Bedeutung:
Der Kopfdatenbereich des IPv6-Protokolls hat im Gegensatz zu dem Header seines Vorgängers eine feste Größe von 320 Bit (40 Bytes). Separat können – zwischen dem Standard-Header und den Nutzdaten – zusätzliche, seltener benötigte Informationen angehängt werden. Diese Erweiterungs-Kopfzeilen (Extension Header) sind mit dem Optionsfeld des IPv4-Protokolls zu vergleichen und können jederzeit angepasst werden, ohne den eigentlichen Header verändern zu müssen. Unter anderem lassen sich auf diese Weise Paket-Routen bestimmen, Fragmentierungsinformationen angeben oder die verschlüsselte Kommunikation via IPSec in die Wege leiten. Eine Header-Prüfsumme existiert – unter anderem zugunsten der Performance – nicht.
Der eigentliche IP-Header beginnt, wie auch bei IPv4, mit der 4 Bit langen Versionsnummer des Internet Protocols. Das nachfolgende Feld „Traffic Class“ ist mit dem „Type of Service”-Eintrag in der älteren Protokollvariante gleichzusetzen. Diese 8 Bit informieren den Zielhost also wie in der Vorgängerversion über die qualitative Verarbeitung des Datengramms, wobei sogar dieselben Regeln gelten. Neu in IPv6 ist das Flow Label (20 Bit), mit dessen Hilfe es möglich ist, Datenströme aus zusammenhängenden Datenpaketen zu identifizieren, um Bandbreite zu reservieren und das Routing zu optimieren. Die folgende Auflistung erläutert die weiteren Header-Informationen des verbesserten IP-Protokolls:
2001:0db8:85a3:08d3:1319:8a2e:0370:7344.Damit die Datagramme in ihrem Header die elementare Angabe von Ausgangs- und Zieladresse überhaupt vornehmen können, müssen selbige zunächst an die Netzwerkteilnehmer vergeben werden. Dabei gilt es traditionell, zwischen internen und externen bzw. öffentlichen IP-Adressen zu unterscheiden. Für erstere, die der Kommunikation in lokalen Netzwerken dienen, sind drei Adressbereiche reserviert:
Für IPv6-Netzwerke ist das Präfix „fc00::/7“ vorgesehen. Adressen dieser Bereiche werden im Internet nicht geroutet und können daher in privaten Netzen oder Firmennetzwerken frei ausgewählt und genutzt werden. Die Zuordnung einer Adresse gelingt entweder permanueller Eingabe oder findet automatisch statt, sobald sich ein Gerät mit dem Netzwerk verbindet – sofern die automatische Adresszuordnung aktiviert und ein DHCP-Server im Einsatz ist. Mithilfe einer Subnetzmaske kann ein solches lokales Netzwerk darüber hinaus wahlweise in weitere Bereiche segmentiert werden.
Externe IP-Adressen werden Routern automatisch vom jeweiligen Internetprovider vergeben, wenn diese sich mit dem Internet verbinden. Alle Geräte, die über einen gemeinsamen Router im Internet unterwegs sind, greifen dementsprechend auf dieselbe externe IP zurück. Üblicherweise vergeben die Provider alle 24 Stunden eine neue Internetadresse aus einem Adressbereich, der ihnen wiederum von der IANA zugeteilt wurde. Das gilt auch für das quasi unerschöpfliche Arsenal von IPv6-Adressen, das nur teilweise für die normale Nutzung freigegeben ist. Ferner wird es nicht nur in private und öffentliche Adressen unterteilt, sondern zeichnet sich durch wesentlich vielseitigere Einstufungsmöglichkeiten in sogenannte Gültigkeitsbereiche (Address Scopes) aus:
Immer wenn ein Datenpaket via TCP/IP verschickt werden soll, findet automatisch eine Überprüfung der Gesamtgröße statt. Liegt diese über der Maximum Transmission Unit (dt. maximale Übertragungseinheit) der jeweiligen Netzwerkschnittstelle, werden die Informationen fragmentiert, also in kleinere Datenblöcke zerlegt. Diese Aufgabe übernimmt entweder der sendende Host (IPv6) oder ein zwischengeschalteter Router (IPv4). Standardmäßig wird das Paket vom Empfänger zusammengesetzt, wofür dieser auf die im IP-Header bzw. im Extension-Header hinterlegten Fragmentierungsinformationen zurückgreift. In Ausnahmefällen kann das Reassembling (dt. Wieder-Zusammensetzen) auch von einer Firewall übernommen werden, insofern diese entsprechend konfiguriert ist.
Da IPv6 die Fragmentierung im Allgemeinen nicht mehr vorsieht und die Fragmentierung durch Router nicht mehr erlaubt, muss das IP-Paket bereits vor dem Verschicken eine angemessene Größe haben. Erreichen einen Router IPv6-Datagramme, die über der Maximum Transmission Unit liegen, verwirft er diese und informiert den Absender in Form einer ICMPv6-Nachricht des Typs 2 „Packet Too Big“ (dt. Paket [ist] zu groß). Die datenverschickende Anwendung kann nun entweder kleinere, nicht fragmentierte Pakete erstellen oder eine Fragmentierung in die Wege leiten. Anschließend wird dem IP-Paket der passende Extension-Header hinzugefügt, damit der Zielhost die einzelnen Fragmente nach dem Empfang auch wieder zusammensetzen kann.
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