Internet Protocol

Grundidee und Einordnung

Das Internet Protocol (IP, deutsch Internetprotokoll) ist ein weit verbreitetes Netzwerkprotokoll für das Versenden von Datenpaketen innerhalb lokaler und weltweiter Netzwerke. Es bildet die Grundlage des Internets. Im TCP/IP-Modell gehört es zur Internetschicht, im OSI-Modell zur Vermittlungsschicht (Network Layer).

IP ist verbindungslos: Zwischen den Kommunikationspartnern wird kein dauerhafter Zustand eingerichtet. Jedes Paket wird eigenständig behandelt und kann deshalb auch einen anderen Weg zum Ziel nehmen. IP arbeitet unabhängig vom konkreten Übertragungsmedium. Im Protokollstapel liegt es über Netzzugangstechniken wie Ethernet und unter Transportprotokollen wie TCP und UDP; Anwendungen verwenden darüber beispielsweise HTTP, IMAP, SMTP oder DNS.

Verbreitet sind zwei eigenständige Versionen, IPv4 und IPv6. Sie können unabhängig voneinander oder parallel betrieben werden. Ihr wichtigster Unterschied ist die Größe des Adressraums. Maßgebliche Standards sind RFC 791 für IPv4 von 1981 und RFC 8200 für IPv6 von 2017.

Adressierung, Subnetze und Routing

IP ist die erste Schicht der Internetprotokollfamilie, die nicht vom Übertragungsmedium abhängt. Mit IP-Adressen und bei IPv4 einer Subnetzmaske (subnet mask), bei IPv6 einer Präfixlänge, lassen sich Computer zu logischen Einheiten zusammenfassen. Diese Einheiten heißen Subnetze.

Die logische Adressierung ermöglicht es, Computer auch in großen Netzwerken anzusprechen und IP-Pakete an sie zu senden. Sie ist die Grundlage des Routing, also der Wegewahl und Weiterleitung von Netzwerkpaketen.

Ein Knoten (node) ist ein IP-fähiges Netzwerkgerät. Ein Router ist ein Knoten, der IP-Pakete weiterleitet; bei IPv4 wurde für ein Gerät zur Weiterleitung zwischen Netzen auch der Begriff Gateway verwendet. Ein Host ist ein Knoten, der kein Router oder Gateway ist, normalerweise also ein Endgerät.

Vergabe öffentlicher Adressen

Öffentliche IP-Adressen müssen im Regelfall weltweit eindeutig sein. Ihre Vergabe wird daher von der Internet Assigned Numbers Authority (IANA) geregelt. Die IANA delegiert große Adressblöcke an Regional Internet Registries (RIRs). Diese vergeben Subnetze daraus an Local Internet Registries (LIRs).

Zu den LIRs gehören etwa Internetdienstanbieter. Sie teilen ihren Adressbereich weiter auf und vergeben kleinere Subnetze oder einzelne Adressen an Kunden. Der IPv4-Adressraum ist weitgehend aufgebraucht; im Februar 2011 vergab die IANA die letzten Adressblöcke an die RIRs.

Entwicklung von IPv4 und IPv6

Im Mai 1974 veröffentlichten Vint Cerf und Bob Kahn eine Forschungsarbeit über ein Protokoll zur Kommunikation zwischen unterschiedlichen paketvermittelten Netzen. Hosts führten darin ein Übertragungskontrollprogramm (transmission control program, TCP) aus, das einen kontinuierlichen Datenstrom zwischen Prozessen sicherstellen sollte. Gateways formten Pakete an Netzwerkgrenzen um. Die erste vollständige Spezifikation erschien im Dezember 1974 als RFC 675.

Das zunächst einheitliche Übertragungskontrollprogramm wurde später geteilt: Das Internetprotokoll übernahm die Host-zu-Host-Kommunikation, das Transmission Control Protocol (TCP) die Prozess-zu-Prozess-Kommunikation. Daraus entstand das TCP/IP-Referenzmodell. Beim Einsatz von TCP/IP im Arpanet am 1. Januar 1983 trugen IP-Pakete die Versionsnummer 4; frühere Versionen waren nicht verbreitet.

Frühe Entwürfe sahen mindestens 4 Bit Netzadresse, 16 Bit Hostadresse und 24 Bit Portnummer vor. Später wurden IP-Adressen auf 32 Bit festgelegt, zunächst mit 8 Bit Netzadresse und 24 Bit Hostadresse. Die Portnummer wurde zu TCP verschoben und auf 16 Bit verkürzt. RFC 791 führte Netzklassen ein, um Netz- und Hostteil flexibler aufzuteilen. Jon Postel vergab Netzadressen; diese Aufgabe wurde später als Internet Assigned Numbers Authority bezeichnet.

Wegen der erwarteten Adressknappheit begann Anfang der 1990er Jahre die Entwicklung von IPv6. IPv4 verwendet 32-Bit-Adressen, also etwa 4 Milliarden beziehungsweise 4,3·10^9 Adressen. IPv6 verwendet 128-Bit-Adressen, also etwa 340 Sextillionen beziehungsweise 3,4·10^38 Adressen. Versionsnummer 5 war bereits durch das experimentelle Internet Stream Protocol belegt; die Nummern 7 bis 9 standen für später aufgegebene IPv4-Nachfolger. IPv6 verbreitet sich langsamer als IPv4. Betriebssysteme und Standardsoftware unterstützen beide Protokolle, Übergangsmechanismen erlauben ihren gemeinsamen Betrieb. Seit dem World IPv6 Day 2011 und dem World IPv6 Launch Day 2012 bieten namhafte Websites und Internetdienstanbieter IPv6 an.

Zuverlässigkeit, Paketgröße und Fragmentierung

Die Internetprotokolle gehen davon aus, dass einzelne Netzelemente und Übertragungsmedien unzuverlässig sein können und dass Verbindungen sowie Knoten dynamisch verfügbar sind. Router leiten Pakete nur zu direkt erreichbaren, bekannten Übergängen weiter, indem sie Zieladressen mit Routenplanungspräfixen vergleichen. IP bietet deshalb lediglich beste Übergänge und keine Zusicherung einer zuverlässigen Zustellung. Da jedes Paket unabhängig weitergeleitet wird, können Pakete derselben Übertragung unterschiedliche Wege nehmen.

IPv4 schützt den Protokollkopf eines Datenpakets mit einer Prüfsumme. Ein Routingknoten berechnet sie; ist sie ungültig, verwirft er das Paket. Eine Meldung an den Endknoten ist nicht nötig, jedoch erlaubt das Internet Control Message Protocol (ICMP) solche Meldungen. IPv6 besitzt keine Prüfsumme im Protokollkopf und kann dadurch beim Routing schneller verarbeitet werden. Die oberen Schichtprotokolle müssen Zuverlässigkeitsprobleme behandeln; ein Host kann Daten beispielsweise zurückhalten und vor der Auslieferung an den Empfänger korrigieren.

Auch ein verfügbarer Übertragungsweg garantiert nicht, dass er die benötigte Datenübertragung leisten kann. Eine wichtige technische Grenze ist die Maximum Transmission Unit (MTU), die maximale erlaubte Paketgröße eines Übertragungsabschnitts. Anwendungen sollen daher passende Übertragungseigenschaften verwenden. IPv6 kann die maximale Übertragungseinheitsgröße einer lokalen Verbindung und des gesamten Pfads zum Ziel ermitteln und nutzen.

TCP kann seine Segmentgröße so einstellen, dass die entstehenden Frames nicht größer als die MTU sind. Bei UDP und ICMP wird die MTU-Größe dagegen nicht berücksichtigt. Sind IP-Pakete zu groß, kann IPv4 sie auf IP-Ebene in kleinere Einheiten zerlegen. Dieser Vorgang heißt IP-Fragmentierung.