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IPv4 vs. IPv6: Adresslänge, Header, Adresskonfiguration, NAT und IPsec

IPv4 und IPv6 sind beide Protokolle der Vermittlungsschicht, die Pakete an ihr Ziel zustellen. IPv4-Adressen sind 32 Bit lang und ergeben nur etwa 4,3 Milliarden Adressen, daher wurde es üblich, dass viele Geräte über private Adressen und NAT eine globale Adresse teilen. IPv6 erweitert die Adressen auf 128 Bit, vereinfacht den Header auf feste 40 Byte und schafft die Aufteilung von Paketen (Fragmentierung) durch Router auf dem Weg ab. Die beiden sind jedoch nicht kompatibel: Ein reines IPv4-Gerät und ein reines IPv6-Gerät können nicht direkt miteinander kommunizieren. Der Übergang kombiniert daher Dual Stack (beide gleichzeitig betreiben), Tunneling (Pakete des einen in Paketen des anderen transportieren) und Adressumsetzung wie NAT64.

MerkmalIPv4IPv6
Adresslänge und -anzahl32 Bit: 2 hoch 32 (etwa 4,3 Milliarden) Adressen128 Bit: 2 hoch 128 (etwa 3,4×10^38) Adressen
SchreibweiseVier 8-Bit-Dezimalzahlen, durch Punkte getrennt (z. B. 192.0.2.1)Acht 16-Bit-Gruppen in Hexadezimalschreibweise (Basis 16), durch Doppelpunkte getrennt; führende Nullen jeder Gruppe und eine Folge von Nullgruppen als :: können weggelassen werden (z. B. 2001:db8::1)
HeaderVariable Länge von 20 bis 60 Byte, mit Optionen und Header-PrüfsummeFest 40 Byte ohne Prüfsumme; Optionen werden als Erweiterungsheader angehängt; das Gegenstück zur TTL ist das Hop Limit
FragmentierungNicht nur die Quelle, auch Router auf dem Weg können Pakete aufteilen (sofern das DF-Bit nicht gesetzt ist)Router fragmentieren nicht; nur die Quelle teilt Pakete mithilfe eines Erweiterungsheaders auf; die Link-MTU beträgt mindestens 1280 Byte
Automatische AdresskonfigurationZuweisung per DHCP (oder manuelle Einstellung)SLAAC, bei dem der Host seine Adresse selbst aus den Informationen der Router Advertisements (RA) bildet, oder DHCPv6; eine Link-Local-Adresse entsteht immer automatisch
Auflösung von MAC-AdressenARP, das per Broadcast anfragtNeighbor Discovery (NDP) von ICMPv6, das per Multicast anfragt
NATUm den Adressmangel auszugleichen, ist das Teilen einer globalen Adresse über private Adressen und NAPT üblichDa Adressen reichlich vorhanden sind, so ausgelegt, dass jedes Gerät eine globale Adresse erhält und mit derselben Adresse Ende-zu-Ende kommuniziert; NAT wird in der Regel nicht verwendet
ZieltypenUnicast, Broadcast, MulticastUnicast, Multicast, Anycast; Broadcast gibt es nicht, Multicast übernimmt seine Rolle
IPsecOptional, bei Bedarf ergänztFrühe Anforderungen machten die Implementierung verpflichtend, die aktuellen Anforderungen (RFC 8504) empfehlen sie. Ob es tatsächlich genutzt wird, hängt bei beiden von der Konfiguration ab

Die Zahlenwerte sind typische Größenordnungen und variieren je nach Prozessgeneration und Produkt.

Wann welche Variante?

IPv4
Wird weiterhin in vielen Netzwerken und Diensten verwendet, daher muss es auf absehbare Zeit von nahezu jedem Gerät unterstützt werden. Wegen der knappen Adressen wird es zusammen mit privaten Adressen und NAT eingesetzt.
IPv6
Wenn vielen Geräten ohne NAT globale Adressen gegeben werden sollen oder ein neues Netzwerk aufgebaut wird. In der Praxis wird es meist als Dual Stack neben IPv4 eingeführt.

Häufige Fragen

Kann ein IPv6-Gerät direkt mit einem IPv4-Gerät kommunizieren?

Nein. Headerformat und Adresslänge unterscheiden sich, und die beiden sind nicht kompatibel. Viele Netzwerke nutzen Dual Stack, geben Geräten also sowohl IPv4- als auch IPv6-Adressen und verwenden jeweils das, was zur Gegenseite passt. Damit ein reines IPv6-Gerät einen reinen IPv4-Server erreicht, werden Umsetzungsmechanismen wie NAT64 und DNS64 verwendet. Um IPv6-Pakete über ein IPv4-Netzwerk zu transportieren, verpackt Tunneling sie in IPv4-Pakete.

Wird bei IPv6 kein NAT verwendet?

Es kann verwendet werden, ist aber in der Regel nicht nötig. Der Hauptgrund für die Verbreitung von NAT bei IPv4 war der Adressmangel, während IPv6 jedem Gerät reichlich globale Adressen geben kann. Von außen beginnende Verbindungen einzuschränken, ist Aufgabe einer Firewall, nicht von NAT. NAT verschlüsselt keinen Verkehr und schützt für sich allein nicht vor Angriffen von außen.

Was ändert sich bei DNS mit IPv6?

A-Records ordnen einem Namen eine IPv4-Adresse zu, AAAA-Records eine IPv6-Adresse. Dual-Stack-Geräte fragen meist beide ab und verwenden IPv6, wenn sie darüber verbinden können, andernfalls IPv4.

Warum werden IPv6-Adressen hexadezimal (zur Basis 16) geschrieben?

Weil 128 Bit in Dezimalschreibweise sehr lang wären. Die Adresse wird in acht 16-Bit-Gruppen aufgeteilt, jede als vier Hexadezimalziffern (Basis 16) geschrieben. Führende Nullen jeder Gruppe können entfallen, und eine Folge reiner Nullgruppen kann einmal zu :: verkürzt werden. So lässt sich etwa 2001:0db8:0000:0000:0000:0000:0000:0001 als 2001:db8::1 schreiben.

Verständnis prüfen

Welche Schreibweise kürzt die IPv6-Adresse 2001:0db8:0000:0000:0000:0000:0000:0001 gemäß den Abkürzungsregeln richtig ab?

  1. A2001:db8:1
  2. B2001:db8::1
  3. C2001:db8::0::1
Antwort und Erläuterung anzeigen

Antwort: B. 2001:db8::1

Eine IPv6-Adresse ist 128 Bit lang (IPv4: 32 Bit) und wird in acht Gruppen zu 16 Bit geteilt, die jeweils als vierstellige Hexadezimalzahl geschrieben werden. Es gibt zwei Abkürzungsregeln: Führende Nullen jeder Gruppe dürfen entfallen (0db8→db8, 0001→1), und eine Folge aufeinanderfolgender Null-Gruppen darf ein einziges Mal durch „::“ ersetzt werden. Hier werden die fünf Null-Gruppen von der dritten bis zur siebten zusammengefasst, was 2001:db8::1 ergibt. „::“ zweimal zu verwenden ist unzulässig, weil dann unklar wäre, wie viele Null-Gruppen jedes davon vertritt. „2001:db8:1“ hat nur drei Gruppen, und es fehlt das „::“, das ausgelassene Null-Gruppen kennzeichnet; es ließe sich daher als andere Adresse lesen und ist falsch.

Welche der folgenden IPv4-Adressen liegt in einem privaten Adressbereich?

  1. A172.32.0.1
  2. B192.168.100.1
  3. C11.1.1.1
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Antwort: B. 192.168.100.1

Die in RFC 1918 festgelegten privaten Adressbereiche sind 10.0.0.0/8, 172.16.0.0/12 (172.16.0.0 bis 172.31.255.255) und 192.168.0.0/16. Sie dürfen in Organisationen und Haushalten frei verwendet werden, und da im Internet keine Routen zu ihnen bekannt gegeben werden, können viele Organisationen dieselben Adressen mehrfach nutzen. Für die Kommunikation mit dem Internet übersetzt die NAT des Routers sie in globale Adressen. Bei 172.32.0.1 liegt das zweite Oktett außerhalb von 16–31, die Adresse gehört also nicht zu 172.16.0.0/12, und 11.1.1.1 liegt außerhalb von 10.0.0.0/8.

Heimrouter für Breitbandanschlüsse führen NAPT (IP-Masquerading) durch, eine Form der NAT (Network Address Translation). Was ermöglicht NAPT?

  1. AMehrere Geräte im Haushalt können, unterschieden durch Portnummern, gleichzeitig eine globale IP-Adresse gemeinsam nutzen und mit dem Internet kommunizieren
  2. BDer Verkehr zwischen den Geräten im Haushalt und dem Internet wird verschlüsselt und kann unterwegs nicht abgehört werden
  3. CJedem Gerät im Haushalt wird automatisch eine eigene globale IP-Adresse zugewiesen
Antwort und Erläuterung anzeigen

Antwort: A. Mehrere Geräte im Haushalt können, unterschieden durch Portnummern, gleichzeitig eine globale IP-Adresse gemeinsam nutzen und mit dem Internet kommunizieren

NAT (Network Address Translation) schreibt die Quell- oder Zieladressen von Paketen um, die einen Router passieren. NAPT schreibt neben den IP-Adressen auch die Portnummern um und hält die Zuordnung von „interner Adresse und Port“ zu „externem Port“ in einer Übersetzungstabelle fest. So können mehrere Geräte mit privaten Adressen gleichzeitig die eine globale Adresse des Routers nutzen. Zurückkommende Pakete werden anhand der Tabelle an das richtige Gerät zugestellt. Es werden nur Adressen umgeschrieben, nichts wird verschlüsselt. Außerdem haben von außen begonnene Verbindungen keinen Eintrag in der Tabelle und erreichen interne Geräte deshalb zunächst nicht; um intern einen Server bereitzustellen, sind Einstellungen wie eine Portweiterleitung nötig.

  1. Welche Beschreibung der Aufgabe von ARP ist richtig?
  2. Welche Beschreibung der Aufgabe von TTL (Time To Live) im IPv4-Header ist richtig?
  3. In welcher Reihenfolge laufen die Nachrichten ab, wenn ein Gerät per DHCP eine IP-Adresse bezieht?

Übungsfragen zu Grundlagen der Computernetzwerke

Wichtige Begriffe erklärt

CIDR (Classless Inter-Domain Routing)
Verfahren, die Länge des Netzanteils einer IP-Adresse frei als Bitzahl (Präfixlänge) nach einem Schrägstrich festzulegen, wie in 192.168.1.0/24, sowie diese Schreibweise.
Subnetzmaske (Subnet Mask)
32-Bit-Wert, der angibt, wie viele obere Bits einer IP-Adresse das Netzwerk bezeichnen (Netzanteil). Geschrieben etwa als 255.255.255.0, was /24 in CIDR-Notation entspricht.
NAT (Network Address Translation)
Technik, die die IP-Adressen von Paketen umschreibt, die einen Router passieren. Die Variante, die auch Portnummern umschreibt, sodass viele Geräte eine globale Adresse teilen können, heißt NAPT (IP-Masquerading).
DHCP (Dynamic Host Configuration Protocol)
Protokoll, das Geräten, die sich mit einem Netzwerk verbinden, automatisch und befristet IP-Adresse, Subnetzmaske, Standardgateway, DNS-Server und weitere Einstellungen zuweist.
ARP (Address Resolution Protocol)
Protokoll, das anhand der IP-Adresse die MAC-Adresse eines Geräts im selben Netzwerk ermittelt. Die Anfrage wird per Broadcast gesendet, und das passende Gerät antwortet.
MAC-Adresse
48-Bit-Adresse, die bei Ethernet und WLAN Geräte innerhalb desselben Netzwerks bezeichnet. Die oberen 24 Bit kennzeichnen den Hersteller, und sie wird bei der Herstellung jeder Schnittstelle zugewiesen.
DNS (Domain Name System)
System, das Domainnamen wie www.example.com den für die Kommunikation verwendeten IP-Adressen zuordnet und verteilt von Servern auf der ganzen Welt verwaltet wird.

Verwandte Vergleiche