Was ist IPv4 und wie wandelt man IPv6 in IPv4 um?

Was ist IPv4?

Am 22. November 1977 wurde die erste Demonstration dessen, was später das Internet werden sollte, in Betrieb genommen. Die Demonstration verband das Advanced Research Projects Agency Network (ARPANET) mit der University of Southern California, dem University College London und dem San Francisco Bay Area Packet Radio Net über Satellitenverbindungen, Funkverbindungen und Unterseekabel und stützte sich auf einen neuen Standard: Internet Protocol Version 4 oder IPv4.

Von einem unbekannten Autor - Computer History Museum, Public Domain(Wikimedia)

IPv4 war die erste Hauptversion eines wichtigen Kommunikationsprotokolls der Netzwerkschicht des Internetprotokolls, das oft als TCP/IP-Modell bezeichnet wird. Das Konzept der Netzwerkschicht besteht darin, Datagramme (Datenpakete) über Netzwerkgrenzen hinweg weiterzuleiten und zu routen. Neben IPv4 bietet das TCP/IP-Modell weitere Protokolle, die eine Vielzahl von Kommunikationsdiensten unterstützen, z. B. Routing von Internetnetzwerken, Statusmeldungen und die Ermittlung der Netzwerkkonfiguration.

Bericht in der Zeitschrift Computerworld vom Oktober 1975 über den "Kampf um Zugangsstandards" zwischen Datagrammen und virtuellen Schaltungen (über Wikipedia)

In den so genannten Protokollkriegen der 70er, 80er und 90er Jahre standen sich das TCP/IP-Modell und das OSI-Modell gegenüber. Der Krieg wurde de facto vom TCP/IP-Lager gewonnen, und zwar aufgrund kommerzieller Faktoren wie der Flexibilität bei der Implementierung sowie des Umfangs und der Geschwindigkeit der Einführung im Vergleich zur bürokratischen und viel starreren Struktur des OSI-Modells.

Die Struktur des TCP/IP-Modells

Um die Frage zu beantworten, was IPv4 ist, müssen wir seinen Platz im TCP/IP-Modell verstehen. Diese Architektur, die von der untersten (physischer Transport) bis zur obersten (Unterstützung von Endbenutzeranwendungen) reicht, besteht aus:

• Die Verbindungsschicht legt fest, wie die Kommunikation innerhalb eines einzelnen Netzsegments abläuft. Die Verbindungsschicht der Internet-Protokollsuite entspricht in etwa einer Kombination aus der Datenverbindungsschicht (Schicht 2) und der physikalischen Schicht (Schicht 1) des OSI-Modells.
• Die Internet-Schicht ist für die Internet-Verarbeitung zwischen unabhängigen Netzen zuständig. Auf dieser Schicht werden IPv4 und sein Nachfolger, das Internetprotokoll Version 6(IPv6), eingesetzt. Die OSI-Netzwerkschicht ist fast identisch mit der Internetschicht von TCP/IP.
• Die Transportschicht sorgt für die Host-to-Host-Kommunikation. Hier befinden sich das Transmission Control Protocol (TCP), das einen zuverlässigen verbindungsorientierten Datenaustausch gewährleistet, und das User Datagram Protocol (UDP), das einen geringeren Overhead, aber unzuverlässige Verbindungen ermöglicht. Der Zusammenhang zwischen der Transportschicht von TCP/IP und dem OSI-Modell ist nur teilweise gegeben.
• Die Anwendungsschicht stellt Protokolle und Schnittstellenmethoden bereit, die die Kommunikation zwischen Prozessen auf hoher Ebene unterstützen, z. B. HTTP und HTTPS, LDAP, MQTT, SMTP, POP, DNS, DHCP und FTP. Die Anwendungsschicht der Internet-Protokollsuite ist zwar nicht ganz deckungsgleich mit dem OSI-Modell, aber sie ist eine Kombination aus der Sitzungs- und der Präsentationsschicht von OSI.

Wie Daten ab- oder aufsteigend durch das TCP/IP-Modell gekapselt werden (siehe RFC 1122)

Internet-Protokoll

Nachdem wir uns das TCP/IP-Modell angesehen haben, können wir nun genauer sagen, was IPv4 ist, indem wir uns ansehen, was das Internetprotokoll im Allgemeinen ist. Das in RFC 791 beschriebene Internetprotokoll ist ein verbindungsloser Datagrammdienst in der Internetschicht des TCP/IP-Modells mit zwei grundlegenden Funktionen: Adressierung und Fragmentierung. Die Aufgaben der Internet-Schicht sind:

• Bei ausgehenden Paketen, die von der Transportebene empfangen werden, wählt die Internetschicht den nächsten Host (oder Gateway) aus und sendet das Paket mit dem hinzugefügten IP-Header an die entsprechende Implementierung der Verbindungsschicht
• Bei eingehenden Paketen, die von der Verbindungsschicht empfangen werden, sendet die Internetschicht die Nutzlast (die IP-Daten) an das entsprechende Protokoll der Transportschicht
• Bereitstellung von Fehlererkennungs- und Diagnosediensten

Verbindungslos bedeutet, dass jedes Paket von einem Endpunkt zu einem anderen weitergeleitet wird, ohne dass zuvor eine Verbindung aufgebaut werden muss. Eine Folge des verbindungslosen Dienstes ist, dass bei fehlenden oder fehlerhaften Paketen die Fehlerkorrektur von einem übergeordneten Dienst wie TCP übernommen werden muss.

Genauer gesagt unterstützt IPv4 die Fragmentierung und Defragmentierung von Daten in und aus Paketen auf der Grundlage der größten Paketgröße oder maximalen Übertragungseinheit (MTU), die von der zugrunde liegenden Verbindungsschicht bereitgestellt wird. Es ist erwähnenswert, dass dies in der IPv6-Spezifikation gestrichen wurde, so dass die Endpunkte nun eine Pfad-MTU-Ermittlung durchführen müssen, die auf der Transportschicht erfolgt.

Struktur von IP-Datagrammen (mit freundlicher Genehmigung von Kcchao, CC BY-SA 3.0 Lizenz)

IPv4 vs. IPv6

Zum Senden und Empfangen von Datagrammen verwendet IPv4 32-Bit-Adressen, die in der Regel in punktierter Vierer-Notation ausgedrückt werden, also: x.x.x.x, wobei jedes x ein Acht-Bit-Wert von 0 bis 255 ist. Die 32-Bit-Adressierung bietet einen Adressraum von 2^32 oder 4.294.967.296 Adressen.

So groß ein Adressraum von rund 4,3 Milliarden auch klingen mag, für das künftige Internet reicht er bei weitem nicht aus. Zunächst einmal wurden 18 Millionen IPv4-Adressen als private Adressräume in lokalen Netzen reserviert (siehe RFC 1918), so dass die Weiterleitung von einem lokalen Adressraum in das öffentliche Internet die Verwendung von Network Address Translation (NAT) erfordert. Hinzu kommt, dass in den letzten Jahren Milliarden neuer Netze und Geräte für das Internet der Dinge (IoT) hinzugekommen sind und die Art und Weise, wie IP-Adressenblöcke an Internetdiensteanbieter und andere große Organisationen vergeben wurden, dazu geführt hat, dass der Internet Assigned Numbers Association (IANA), der Organisation, die den Internet-Adressraum verwaltet, im Jahr 2011 die IPv4-Adressen ausgingen.

Um das Problem der Erschöpfung der IP-Adressen zu lösen, wurde das Internetprotokoll Version 6 (IPv6, siehe RFC 2460 und RFC 8200) entwickelt. Im Vergleich zwischen IPv4 und IPv6 ist der Adressraum um Größenordnungen größer, da IPv6 128-Bit-Adressen verwendet, die theoretisch 2^128 oder etwa 340 Milliarden Milliarden Milliarden Milliarden (3,4×10^38) eindeutige Adressen ermöglichen. Mit der enormen Vergrößerung des Adressraums gehen neue Leistungs- und Konfigurationsmerkmale sowie eine verbesserte Sicherheit einher, die IPv6 für das künftige Internet weitaus geeigneter machen.

Zusammenfassend lässt sich also sagen, dass IPv4 viel einfacher zu implementieren und zu verwalten ist, aber für das Internet der Zukunft ist IPv6 mit einem viel größeren Adressraum und einem ausgefeilteren Routing und Verbindungsmanagement der Gewinner. IPv6 löst zwar das Problem der Erschöpfung des Adressraums, führt aber neue Probleme ein, da IPv4 und IPv6 inkompatible Protokolle sind. Dies hat zur Folge, dass die Umstellung des gesamten Internets auf IPv6-Adressen zumindest in den nächsten Jahren praktisch unmöglich ist, so dass wir in der Lage sein müssen, IPv6- in IPv4-Adressen umzuwandeln und umgekehrt.

Öffentliche Telekommunikation löst IPv4-Erschöpfung und spart ~ 2 Millionen Dollar

Wie man IPv6 in IPv4 umwandelt

Trotz der erheblichen Vorteile von IPv6 gegenüber IPv4 müssen Internet-Diensteanbieter und große Unternehmen weiterhin IPv4 unterstützen, da die Umstellung der bestehenden Infrastruktur auf IPv6 Jahre dauern wird. Außerdem ist die Umstellung auf IPv6 teuer, und die Umstellung einiger älterer Subsysteme in Unternehmen ist möglicherweise gar nicht möglich. Das bedeutet, dass wir noch lange Zeit mit IPv4 leben müssen. Internet-Diensteanbieter und Unternehmen müssen beide Protokolle unterstützen und in der Lage sein, IPv6 in IPv4 und umgekehrt zu konvertieren, was mit Hilfe der Carrier-Grade Network Address Translation (CGNAT) geschieht.

CGNAT wurde entwickelt, um IPv6 transparent in IPv4 zu konvertieren und geografisch verteilte IPv4-Netzwerke über eine IPv6-Infrastruktur zu überbrücken. Zu den weiteren Funktionen, die CGNAT neben der Fähigkeit zur Konvertierung von IPv6 in IPv4 bieten muss, gehören die Unterstützung von Tunneling-Protokollen wie NAT64/DNS64, DS-Lite, Lw4o6, 6rd, MAP-T und MAP-E, die transparente Unterstützung von Application Level Gateways (ALGs) für FTP, TFTP, RSTP, PPTP, SIP, ICMP, MGCP, DNS, H.323 und ESP sowie die Bereitstellung von DDoS-Schutz.

Wie A10 Networks helfen kann

Um IPv6 in IPv4 zu konvertieren und alle Protokolle und Dienste im Unternehmensmaßstab zu unterstützen, bietet A10 Networks Thunder® CGN, eine fortschrittliche CGNAT-Lösung, die die IPv4-Konnektivität erweitert, die IPv6-Migration unterstützt und die Gesamtbetriebskosten reduziert. Lesen Sie den A10-Leitfaden zur IPv4-Erhaltung und IPv4-zu-IPv6-Migration sowie das IPv4-Kostenkalkulationstool.