Um private IP-Adressbereiche und das Routing von Netzwerkpaketen
geht es in der einhundertvierzigsten Episode des
Anwendungsentwickler-Podcasts. TL;DR An meinem Heimnetz mit einer
FRITZ!Box zeige ich dir, wie Geräte mit privaten IPv4-Adressen
Daten aus dem Internet empfangen: NAT ersetzt die private
Absenderadresse durch die öffentliche Adresse des Routers und
ordnet Antworten dem passenden Gerät zu. Durch Routing gelangen
Pakete über mehrere Netzwerkknoten zum Ziel, wobei dein Client das
Default Gateway per DHCP erfahren kann. Mit Traceroute kannst du
diesen Weg nachvollziehen, indem das Programm Pakete mit
schrittweise erhöhtem TTL-Wert verschickt. Kapitelmarken [00:00:00]
Einführung in das Thema Routing [00:00:32] Rückblick auf DNS und
DHCP [00:01:47] Vom Browseraufruf zum Antwortpaket [00:02:43] Warum
IPv4-Adressen knapp sind [00:03:38] Private IP-Adressen und ihre
Erreichbarkeit [00:05:30] Die privaten IPv4-Adressbereiche
[00:09:06] Der vollständige Bereich von 172.16 bis 172.31
[00:10:00] Das Heimnetz am Beispiel der FRITZ!Box [00:11:24]
Öffentliche Absenderadresse durch NAT [00:14:37] Zwei IP-Adressen
und Network Address Translation [00:16:39] Antworten mithilfe der
NAT-Tabelle zuordnen [00:17:54] Einen Internetzugang mit mehreren
Geräten teilen [00:19:19] Direkte Erreichbarkeit und Sicherheit
[00:20:00] Routing zu Zielen außerhalb des eigenen Netzes
[00:22:29] Default Gateway und Netzwerkknoten [00:24:32] Pakete
über mehrere Router weiterleiten [00:26:28] Das Default Gateway per
DHCP verteilen [00:27:30] Gateway und Router im ISO-OSI-Modell
[00:29:59] Aufgaben der FRITZ!Box im Heimnetz [00:30:39] Traceroute
und tracert [00:32:43] TTL begrenzt den Weg eines Pakets [00:36:08]
Wie Traceroute die Zwischenstationen ermittelt [00:38:52] Warum
sich Routen verändern können [00:39:29] Rückblick auf die
Netzwerkgrundlagen [00:42:14] Bedeutung für Prüfung und Praxis
[00:43:03] Routing bei IPv6 [00:43:21] Ausblick und Feedback Inhalt
Private IP-Adressbereiche Da es im aktuellen Standard IPv4 nicht
genug IP-Adressen für alle Teilnehmer auf der Welt gibt, muss eine
Möglichkeit geschaffen werden, IP-Adressen abgeschlossen vom
Internet zu vergeben, um interne Netzwerke betreiben zu können. Es
gibt einige fest definierte IP-Adressbereiche, die im Internet
nicht verfügbar sind: die privaten IP-Adressbereiche 10.0.0.0,
172.16.0.0 (bzw. genauer 172.16.0.0 bis 172.31.255.255) und
192.168.0.0. Aber wenn sie im Internet nicht verfügbar sind, wie
kommt man dann ins Netz? Routing und NAT Es wird ein Gerät
benötigt, dass zwischen das private und das öffentliche Netz
geschaltet wird: ein Router. Der "übersetzt" quasi zwischen Intra-
und Internet. Private IP-Adressen sind im Internet nicht auffindbar
(sie werden nicht "geroutet"). Daher ersetzt der Router auf dem
Hinweg die private Quell-IP-Adresse des Clients durch seine eigene
öffentliche IP-Adresse des Internetanschlusses (z.B. per DSL oder
Kabel). An diese kann der Webserver die Antwort auf die Anfrage
dann zurückschicken. Wenn dann später die Antwort des Webservers im
Router eintrifft, muss dieser die Ziel-IP-Adresse des Pakets wieder
auf die private IP-Adresse des Clients setzen und das Paket an
diesen weiterleiten. Dafür muss sich der Router "merken", welcher
Client welche Anfrage an welchen Server gestellt hat, damit er die
Antworten passend zuordnen kann. Dieses Prinzip heißt NAT (Network
Address Translation) und ermöglicht mehreren Clients mit
verschiedenen privaten IP-Adressen über einem gemeinsamen Router
mit einer einzigen öffentlichen IP-Adresse ins Internet zu
gelangen. Auch der Router hat meist keine direkte Verbindung zum
Zielserver, sondern muss die Pakete auf eine "Reise" durch das
Netzwerk schicken, bis es (ggfs. über mehrere weitere Router
hinweg) beim Ziel ankommt. Aber woher weiß der Router, an welchen
anderen Router er das Paket ggfs. schicken muss? Das Default
Gateway ist der "nächste Knoten" im Netzwerk auf dem Weg zur
Zieladresse. Dieser wird immer angesprungen, wenn der Zielknoten
nicht direkt erreichbar ist. Diese Übersetzung kann man beliebig
fortführen. Ein Client muss dazu nur die Adresse seines Routers
kennen, der dann wiederum einen Router kennt, der dann das weitere
Routing übernimmt usw. Irgendwann landet das Paket bei einem
Knoten, der direkt mit dem Ziel kommunizieren kann, und es wird
zugestellt. In unserem Heimnetzwerk übernimmt die Fritzbox übrigens
mehrere Rollen gleichzeitig: DHCP- und DNS-Server sowie Router und
Default Gateway. Gateways müssen nicht immer Router sein, aber de
facto sind sie es heute so gut wie immer, da die historische
Aufgabe, Netzwerke unterschiedlicher Technologien (z.B. IP und
IPX/SPX) miteinander zu verbinden, durch den flächendeckenden
Einsatz von IP nicht mehr benötigt wird. Mit dem Kommandozeilentool
tracert (oder traceroute unter Linux) kann man den Weg zum Ziel
über alle Knoten dazwischen verfolgen. Dazu wird der TTL-Eintrag
(Time to live) des IP-Pakets genutzt, den jeder Knoten automatisch
herunterzählt. Bei 0 angekommen wird das Paket verworfen. Dabei
wird aber eine Info an den Sender mit der Adresse des verwerfenden
Knotens geschickt. tracert verschickt nun der Reihe nach Pakete mit
TTL 1, 2, 3, 4 usw. und gibt die Adressen der verwerfenden Knoten
aus. Literaturempfehlungen Im guten alten IT-Handbuch für
Fachinformatiker* werden in Kapitel 4 Netzwerkgrundlagen die
meisten hier genannten Inhalte ausführlich erläutert. In meinem
Buchclub gehe ich auf die Inhalte auch noch einmal im Detail ein. *
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Private IP-Adresse Router Gateway (Informatik)
Netzwerkadressübersetzung Time to Live Zusammenfassung Vom Browser
ins Internet Wenn ich eine Adresse im Browser eingebe, liefert DNS
die zugehörige IP-Adresse. Mein Client erhält seine eigene
IP-Adresse per DHCP, das auch weitere Netzwerkeinstellungen
verteilt. Zu Hause übernimmt meine FRITZ!Box diese Aufgaben. Damit
eine Webseite im Browser erscheint, müssen die Antworten des
Zielservers wieder bei meinem Client ankommen. Dabei spielt die
Absenderadresse eine Rolle: Der Server schickt seine Antwort an die
IP-Adresse, von der die Anfrage stammt. Private IPv4-Adressen
IPv4-Adressen sind 32 Bit lang. Daraus ergeben sich etwas mehr als
vier Milliarden mögliche Adressen, die für alle Geräte weltweit mit
jeweils eigener öffentlicher Adresse zu knapp sind. In einem
privaten Netzwerk kannst du Adressen aus reservierten Bereichen
vergeben. Diese werden im öffentlichen Internet nicht
weitergeleitet. Weil getrennte Heimnetze oder Firmennetze dieselben
privaten Adressen vergeben können, lässt sich daraus kein weltweit
eindeutiges Ziel ableiten. Diese Bereiche solltest du für die
Praxis und deine Prüfung kennen: 10.0.0.0 bis 10.255.255.255: Die
letzten drei Oktette umfassen 24 Bit und damit ungefähr 16
Millionen Adressen. 172.16.0.0 bis 172.31.255.255: Auch ein Teil
des zweiten Oktetts gehört zum verfügbaren Bereich. 192.168.0.0 bis
192.168.255.255: Die letzten beiden Oktette umfassen 16 Bit und
damit ungefähr 65.000 Adressen. Heimrouter verwenden häufig diesen
Bereich. Bei meiner FRITZ!Box lautet die private Adresse
beispielsweise 192.168.178.1. Ein Client kann per DHCP die Adresse
192.168.178.2 erhalten. Geräte im selben Netzwerksegment können
direkt miteinander kommunizieren, etwa dein Computer mit einem
Drucker im WLAN. NAT: Adressen für den Internetzugang übersetzen
Damit mein Client Antworten aus dem Internet erhält, übernimmt die
FRITZ!Box Network Address Translation, kurz NAT. Im beschriebenen
Heimnetz besitzt sie dafür eine private Adresse für das lokale
Netzwerk sowie eine öffentliche Adresse vom Internetanbieter. Eine
Anfrage und ihre Antwort durchlaufen dabei folgende Schritte: Mein
Client übergibt das Paket für den externen Zielserver an die
FRITZ!Box. Bevor sie es ins Internet weiterleitet, ersetzt sie die
private Absenderadresse durch ihre eigene öffentliche IP-Adresse.
In einer internen Tabelle hält sie fest, welchem Client die Anfrage
zugeordnet ist. Der Zielserver schickt seine Antwort an die
öffentliche Adresse der FRITZ!Box. Anhand ihrer Tabelle ermittelt
die FRITZ!Box den passenden Client, trägt dessen private Adresse
als Ziel ein und leitet die Antwort ins Heimnetz weiter. Der
externe Server sieht dabei die öffentliche Adresse der FRITZ!Box.
Die ursprüngliche private Absenderadresse wurde im Paket
überschrieben. Wenn mehrere Geräte gleichzeitig auf denselben
Dienst zugreifen, muss die FRITZ!Box jede Antwort dem richtigen
Gerät zuordnen. So können viele Clients einen Internetzugang mit
einer öffentlichen IPv4-Adresse teilen. Das verringert den Bedarf
an öffentlichen Adressen. Durch ihre privaten Adressen sind die
internen Geräte aus dem öffentlichen Internet heraus nicht direkt
erreichbar. Ein Zugriff auf die öffentliche Adresse erreicht
zunächst die FRITZ!Box, deren mögliche Sicherheitsfehler weiterhin
eine Rolle spielen. Routing und Default Gateway Liegt die
Zieladresse außerhalb des eigenen Netzwerksegments, übergibt mein
Client das Paket an einen Router. Im Heimnetz übernimmt die
FRITZ!Box diese Rolle als Default Gateway, also als nächster Knoten
für solche Pakete. Die FRITZ!Box leitet das Paket zum nächsten
Router beim Internetanbieter weiter. Über weitere Knoten gelangt es
schließlich zum Zielserver. Das Internet lässt sich dabei als Graph
vorstellen, dessen Netzwerkgeräte über Verbindungen miteinander
verknüpft sind. Dein Client kann die Adresse des Default Gateways
per DHCP erhalten. Sobald diese Einstellung vorliegt, weiß er, an
welchen Router er Pakete für Ziele außerhalb seines eigenen
Netzwerks übergeben soll. Gateway und Router Für die IHK-Prüfung
solltest du die Begriffe genauer auseinanderhalten können: Ein
Gateway kann zwischen unterschiedlichen Netzwerken beziehungsweise
Protokollen übersetzen und auf verschiedenen Schichten des
ISO-OSI-Modells arbeiten. Ein Router arbeitet auf OSI-Schicht 3,
auf der auch IP angesiedelt ist. ...
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