Wir kommunizieren täglich mithilfe von IP-Adressen, wissen als Nicht-ITler:in aber recht wenig darüber. Ohne Internetprotokolle wäre der Datenaustausch über das Internet jedoch nicht möglich. Auch viele spannende Bereiche wie Interconnection, Internet of Things (IoT), Edge Computing wären ohne den neuen IPv6-Standard ebenfalls undenkbar. Es lohnt sich also, sich näher mit Internetprotokollen zu beschäftigen, und sei es nur, um seinen Router daheim selbst konfigurieren zu können. In unserem Artikel erläutern wir die Unterschiede der beiden Internetprotokolle und gehen auf die Vorteile ein, die der neue IPv6 Standard bietet.
Wichtige Definitionen
Internetprotokolle
Internetprotokolle ermöglichen die Vermittlung von Datenpaketen in in einem dezentralen und paketorientierten Netzwerk (das sog. „Routing“). Die Adressierung der Datenpakete funktioniert über eine IP-Adresse in Verbindung mit der Subnetzmaske. Eine IP-Adresse ist eine eindeutige Zahlenfolge, die jedem Gerät in einem TCP-/IP-Netzwerk zugewiesen wurde. Alle Netzwerk-Teilnehmer haben also eine eigene IP-Adresse.
Statische und Dynamische IP-Adressen
Man unterscheidet zwischen „Statischer IP-Adresse“ und „Dynamischer IP-Adresse“. Statische IP-Adressen werden manuell gesetzt, da sie danach eigentlich nicht wieder verändert werden müssen. Beispielsweise erhalten Server eine statische IP-Adressen vom Internet Service Provider (ISP), weil diese permanent erreichbar sein müssen.
Normale Rechner und PDAs erhalten dagegen dynamische IP-Adressen, weil diese nicht permanent erreichbar sein müssen. Dynamische IP-Adressen werden von einem DHCP-Server automatisch vergeben. DHCP steht für “Dynamic Host Configuration Protocol” und dient dazu, IP-Adressen in einem TCP/IP-Netzwerk zu verwalten und an die anfragenden Hosts zu verteilen. Mit DHCP kann jede IP-Host die IP-Adresskonfiguration von einem DHCP-Server anfordern und sich selber automatisch konfigurieren. Beim PC-Neustart kann sich die dynamische IP-Adresse vom PC demnach ändern. Die Anfrage startet automatisch, sobald ein DHCP Server oder Router für diesen Rechner erreichbar ist.
IPv4 vs. IPv6
Zur Zeit existieren zwei Varianten von IP-Adressen (IPv4 und IPv6). Die 32 Bit lange IPv4-Adresse wird durch vier Quartile, d.h. durch Punkte getrennte Dezimalzahlen (z. B. 192.168.13.1) dargestellt, während IPv6 deutlich größere 128 Bit lang ist und neben Zahlen (0-9) auch Buchstaben (a-f) enthält. Auf IPv4 sind wir in unserem Subnetting-Artikel bereits näher eingegangen. In diesem Beitrag wollen wir uns etwas mehr mit dem neueren Internetprotokoll IPv6 beschäftigen.
Der neue IPv6-Standard wurde seit dem World IPv6 Day 2011 auch in Deutschland für Endnutzer zugänglich gemacht. Die Spezifikationen sind jedoch bereits im Dezember 1998 in RFC 2460 fertiggestellt worden.
IPv6 erscheint durch seine acht-gliedrige Hexadezimal-Schreibweise zunächst deutlich komplexer als IPv4 (z. B. 2001:0db8:85a3:0000:8a2e:0070:7334), lässt sich anhand von Regeln aber etwas vereinfacht darstellen. Für das eben genannte Beispiel wäre 2001:db8:85a3::8a2e:70:7334 eine kürzere Schreibweise, da Nullen am Anfang eines Blocks oder auch für den gesamten Block weggelassen werden können. Grob betrachtet, bestimmen die ersten 64 Bit in IPv6 die Netzwerk-Adresse, ähnlich zur Net-ID in IPv4 und die hinteren 64 Bit den Extended Unique Identifier (EUI-64TM), der vergleichbar mit der IPv4 Host-ID ist.
Wie wir bereits wissen, sieht das IPv4-Protokoll eine maximale Größe von 32 Bit für seine IP-Adressen vor. Das ergibt etwa 4,2 Mrd verfügbare Kombinationsmöglichkeiten für IP-Adressen: Zwei potenziert durch die Bit-Anzahl 32 (232). Das klingt zunächst viel, tatsächlich ist die maximale Anzahl von IPv4-Adressen bereits seit mehreren Jahren aufgebraucht. Denn die Anzahl vorhandener Server und Endgeräte nimmt stark zu. Aus diesem Grund wurde das IPv6-Protokoll 1999 eingeführt. Mit seinen 128 Bit hat der neue IPv6-Standard einen Umfang von etwa 340 Sextillionen IP-Adressen. Das ist eine Zahl mit 36 (!!) Nullen. Diese Zahl ist schwer zu ermessen, darum ein Mal zum Vergleich: die Erde hat eine Oberfläche von etwa 5,114 mm2. Jedes Sandkorn der Erde könnte mit IP46 eine eigene IP-Adresse erhalten und es blieben dann noch einige übrig. IPs werden uns also nicht so schnell wieder ausgehen. Der Wechsel von IPv4 auf IPv6 vollzieht sich stetig, jedoch langsam, weil noch immer ein großer Teil alter Hardware über IPv4 am Netz hängt. Die Einführung des IPv6-Standards bringt neben ausreichender IP-Adressen für alle Endgeräte und IoT jedoch weitere Vorteile mit sich. Auf diese Vorteile wollen wir im folgenden Abschnitt etwas näher eingehen.
Vorteile von IPv6
Effizienteres Routing
IPv6 reduziert die Größe von Routing-Tabellen und macht das Routing effizienter und hierarchischer. Mit IPv6 werden die Präfixe der Netzwerke von ISP Kunden zu einem einzigen Präfix zusammengefasst. Das eine Präfix wird dann im IPv6-Internet bekannt gegeben, wodurch die Größe der Routing-Tabellen außerhalb des Gates verringert wird. Darüber hinaus wird in IPv6-Netzwerken das Subnetting, also die Fragmentierung, vom Quellgerät und nicht vom Router verarbeitet.
Effizientere Paketverarbeitung
Der vereinfachte Paket-Header von IPv6 macht die Paketverarbeitung effizienter. Im Vergleich zu IPv4 enthält IPv6 keine Prüfsumme auf IP-Ebene, sodass die Prüfsumme nicht bei jedem Router-Hop neu berechnet werden muss. Darüber hinaus verfügen die meisten Transportschichten, welche die End-to-End-Konnektivität verarbeiten, über eine Prüfsumme um Fehlererkennung zu ermöglichen. Allerdings wirkt sich der IPv6-Header bei Ethernet-Verbindungen durch einen höherer Bandbreitenverbrauch negativ aus. Für VoIP sollten 15-30 Prozent mehr Bandbreite eingeplant werden.
Gerichtete Datenflüsse
Positiv auf die Netzwerkbandbreite wirkt sich hingegen die Multicast-Unterstützung von IPv6 aus. Im Gegensatz zu Broadcast können mit Multicast bandbreitenintensive Datenpaketflüsse (wie Multimedia-Streams) gleichzeitig an mehrere Ziele gesendet werden, wodurch jede Menge Netzwerkbandbreite gespart wird. Desinteressierte Hosts müssen keine Broadcast-Pakete mehr verarbeiten. Darüber hinaus verfügt der IPv6-Header über ein neues Feld mit dem Namen Flow Label, mit dem Pakete identifiziert werden können, die zum selben Flow gehören.
Vereinfachte Netzwerkkonfiguration
Die automatische Adresskonfiguration (Adresszuweisung) ist wie bereits erwähnt in IPv6 schon integriert. Ein Router sendet das Präfix der lokalen Verbindung in seinen Routerankündigungen. Ein Host kann seine eigene IP-Adresse generieren, indem er seine MAC-Adresse (Link-Layer), die in das 64-Bit-Format Extended Universal Identifier (EUI) konvertiert wurde, an die 64 Bit des lokalen Verbindungspräfixes anfügt. Bei IPv6 benötigt die IP-Konfiguration somit eigentlich keinen DHCP-Dienst. Dafür gibt es die Stateless Address Autoconfiguration (SLAAC).
Unterstützung für neue Dienste
Durch den Wegfall der NAT (Network Address Translation) wird die echte End-to-End-Konnektivität auf der IP-Ebene wieder hergestellt, wodurch neue, wertvolle Dienste ermöglicht werden. Peer-to-Peer-Netzwerke sind einfacher zu erstellen und zu warten, und Dienste wie VoIP und Quality of Service (QoS) werden robuster.
Sicherheit
IPSec, das Vertraulichkeit, Authentifizierung und Datenintegrität bietet, ist in IPv6 integriert. Aufgrund ihres Potenzials, Malware zu übertragen, werden IPv4-ICMP-Pakete häufig von Unternehmensfirewalls blockiert. ICMPv6, die Implementierung des Internet Control Message Protocol für IPv6, kann jedoch zulässig sein, da IPSec auf die ICMPv6-Pakete angewendet werden kann.
Warum verzögert sich die Übernahme von IPv6?
Google zufolge liegt die Adoptionsrate von IPv6 bei 20-22 % weltweit. Immerhin 32% sind es in den USA. Laut World IPv6 Launch sind derzeit 30% der Alexa Top 1000-Websites über IPv6 erreichbar. Der „Stand of IPv6 Deployment 2017“ Bericht nennt Komplexität, Kosten und Zeitaufwand als die am häufigsten genannten Gründe von Unternehmen, die noch nicht IPv6 einsetzen. Darüber hinaus haben sich einige Projekte aufgrund der Softwarekompatibilität verzögert.
Fazit
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass IPv6 viele Verbesserungen zu IPv4 mit sich gebracht hat. Das IPv6-Protokoll kann Pakete effizienter verarbeiten, die Leistung verbessern und die Sicherheit erhöhen. Internetdienstanbieter können damit die Größe ihrer Routing-Tabellen reduzieren, indem sie hierarchischer gestaltet werden.
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