IPv4 vs. IPv6 – Der Unterschied erklärt

Das Internet besteht aus Milliarden von Geräten, die über verschiedene Netzwerke miteinander verbunden sind. Um die Kommunikation zu ermöglichen, müssen alle Geräte eindeutig identifizierbar sein.

Dies geschieht über IP-Adressen. IP steht für Internet Protocol. Was ist das Internet Protocol?

Das Internetprotokoll regelt, wie Daten über das Internet geroutet und adressiert werden.

Ein Bestandteil des Internetprotokolls ist die IP-Adresse. Eine IP-Adresse ist eine eindeutige Dezimal- oder Hexadezimalzahl, die einem mit dem Internet verbundenen Gerät zugewiesen wird. Alle Geräte im Internet verwenden IP-Adressen, um sich gegenseitig zu finden und miteinander zu verbinden. 

Ohne IP-Adresse ist die Interaktion mit einem Gerät im Internet nicht möglich. Aus diesem Grund sind IP-Adressen notwendig. 

Heute werden hauptsächlich zwei Arten von IP-Adressen verwendet: IPv4 und IPv6. IPv4 ist die am häufigsten verwendete, ältere und ausgereiftere Version, während IPv6 die neuere und bessere Version ist.

Natürlich haben Sie sich vielleicht gefragt: „Warum gibt es zwei Versionen?“ und noch wichtiger: „Wo liegen die Unterschiede?“ Wir werden ab sofort beide Fragen beantworten.

Was ist IPv4

IPv4-Adressen sind 32-Bit-Dezimalzahlen. Das Format dieser Adressen besteht aus vier durch Punkte getrennten Zahlensegmenten von 0 bis 255. Beispiel:

192.168.1.1

Das ist eine IPv4-Adresse. 

Der Adressraum von IPv4, also die Anzahl der möglichen eindeutigen Kombinationen, beträgt etwa 4 Milliarden. Leider sind aufgrund der zunehmenden Verbreitung von Smartphones und IoT-Geräten weit mehr als 4 Milliarden Geräte im Internet. 

Infolgedessen ist der IPv4-Adressraum vollständig ausgeschöpft, sodass neuen Geräten keine eindeutige IPv4-Adresse zugewiesen werden kann. Geräte müssen daher ältere Adressen wiederverwenden, sofern diese verfügbar sind, und auf unvollkommene Lösungen wie NAT zurückgreifen. Dieses Phänomen wird als IPv4-Erschöpfung bezeichnet.

Was ist IPv6

IPv6-Adressen stellen einen weiteren Versuch dar, mit dem gesättigten Adressraum von IPv4 umzugehen. Deshalb besteht eine IPv6-Adresse aus einer 128-Bit-Hexadezimalzahl. 

IPv6-Adressen bestehen aus acht Segmenten, sogenannten Oktetten. Jedes Oktett kann einen Hexadezimalwert zwischen 0000 und FFFF haben. Jedes Segment ist durch ein Semikolon getrennt. So sieht eine typische IPv6-Adresse aus:

2001:0db8:85a3:0000:0000:8a2e:0370:7334

In IPv6 können alle Oktette, die nur Nullen enthalten, ausgeblendet werden, und auch alle Nullen am Anfang des Oktetts können ausgeblendet werden. Das obige Beispiel kann also auch so aussehen:

2001:db8:85a3:8a2e:370:7334

Der Adressraum von IPv6 beträgt 300 Dezillionen. Das ist eine astronomische Anzahl eindeutiger IP-Adressen.. 

Warum wurde IPv6 erstellt?

IPv6 wurde entwickelt, um das Problem des begrenzten Adressraums in IPv4 zu lösen. Lassen Sie uns das genauer betrachten.

Das IPv4-Adressraum-Dilemma und NAT

Der gesamte Adressraum von IPv4 ist ausgeschöpft. Die für die Vergabe von IP-Adressen an verschiedene ISPs zuständige Organisation (Ripe NCC) erklärte, dass der IPv4-Adressraum im November 2019 offiziell erschöpft sei.

Um mit dem schnell schrumpfenden Adressraum umzugehen, wurde eine Technik namens NAT (Network Address Translation) entwickelt. Diese Technik ermöglicht es mehreren Geräten, dieselbe IP-Adresse zu verwenden. 

Die NAT-Technik wurde in den 1990er Jahren entwickelt, da die Erschöpfung von IPv4 zu diesem Zeitpunkt bereits feststand.

Durch die Verwendung von NAT entstanden auch die sogenannten öffentlichen und privaten IP-Adressen. Eine private IP-Adresse wird einem einzelnen Gerät zugewiesen. Sie wird jedoch nicht im Internet geteilt, sondern nur innerhalb eines internen Netzwerks verwendet. Daher ist es möglich, dass viele Geräte in verschiedenen Netzwerken dieselbe private IP-Adresse haben.

Die öffentliche IP-Adresse ist einem Internetzugangspunkt (Ihrem Heimrouter oder WLAN-Gerät) zugewiesen. Alle mit einem Zugangspunkt verbundenen Geräte verwenden dessen öffentliche IP-Adresse, um sich mit dem restlichen Internet zu verbinden.

Der Access Point weiß anhand seiner MAC-Adresse, wie er den Datenverkehr an das richtige Gerät weiterleitet. Er kann alle Anfragen nach Internetressourcen und deren Ursprungsgerät verfolgen, sodass der gesamte eingehende Datenverkehr einer bestimmten Internetressource automatisch an das Gerät umgeleitet wird, von dem er stammt.

Sie können Ihre öffentliche IP-Adresse mit einem Online-Tool überprüfen. Diese Tools können Ihre öffentliche IP-Adresse überprüfen und Ihnen melden. In einer NAT-Konfiguration sollte die Verwendung solcher Tools für alle Geräte die gleiche IP-Adresse zurückgeben.

Um Ihre private IP zu überprüfen, müssen Sie Systembefehle wie ipconfig in der Eingabeaufforderung oder im Terminal verwenden. 

Die Probleme mit NAT

Obwohl NAT eine Lösung darstellt, ist es ziemlich fehlerhaft. Im Folgenden sind einige seiner Mängel aufgeführt, die den Wechsel zu IPv6 erforderlich machen.

• Komplexe Konfiguration: Das Einrichten und Verwalten von NAT kann kompliziert sein, insbesondere bei großen Netzwerken.
• Unterbricht die direkte Kommunikation: NAT unterbricht die End-to-End-Kommunikation und verursacht Protokollprobleme (z. B. VoIP- oder P2P-Apps).
• Leistungsaufwand: NAT fügt zusätzliche Verarbeitung hinzu, was die Netzwerkleistung verlangsamen kann.
• Probleme mit einigen Protokollen: Protokolle wie IPsec und FTP erfordern zusätzliche Verfahren und Anstrengungen, um gut mit NAT zu funktionieren.
• Begrenzte öffentliche IPs: Die gemeinsame Nutzung einer einzigen öffentlichen IP-Adresse durch viele Geräte kann die Anzahl gleichzeitiger Verbindungen einschränken.
• Schwer zu verfolgende Geräte: Es ist schwierig nachzuvollziehen, welches interne Gerät für eine Aktion verantwortlich ist, da mehrere Geräte eine öffentliche IP teilen.
• Probleme mit P2P-Anwendungen: Peer-to-Peer-Apps haben aufgrund von NAT-Einschränkungen oft Probleme, eine Verbindung herzustellen.
• Herausforderungen bei Hosting-Diensten: Hosting-Dienste hinter NAT erfordern komplizierte Konfigurationen wie Portweiterleitung.
• Keine starke Sicherheitslösung: NAT verbirgt interne IPs, bietet aber keine echten Sicherheitsmaßnahmen wie Verschlüsselung.

Wie löst IPv6 diese Probleme?

Wie bereits erwähnt, umfasst der Adressraum von IPv6 300 Dezillionen. Das sind 33 Nullen nach der 300. So sieht das aus:

300,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000

Das ist ein riesiger Adressraum. Tatsächlich reicht er aus, um allen Geräten weltweit eine eindeutige IP-Adresse zuzuweisen und trotzdem noch genügend Platz zu haben. Das bedeutet, dass auch NAT nicht mehr erforderlich ist. Mit IPv6 können wir somit alle Nachteile von NAT vermeiden.

Worin unterscheiden sich IPv4 und IPv6?

Nachdem wir nun die Grundlagen zu IPv4 und IPv6 kennen, wollen wir uns die wichtigsten Unterschiede ansehen.

Dinge wie den Unterschied im Format und Adressraum kennen wir bereits, deshalb lassen wir sie weg. 

Header-Komplexität

Wie alle anderen Netzwerkprotokolle verfügt auch das Internetprotokoll über Header. Header liefern wichtige Informationen für die Verarbeitung der Nutzlast des Protokolls.

Bei IPv4 ist die Header-Größe deutlich größer, was Routern mehr Arbeit bei der Verarbeitung von IPv4-Paketen abverlangt. Hier sind einige wichtige Komponenten eines IPv4-Headers.

• Es hat zwölf Felder
• Enthält sowohl Quell- als auch Zieladressen, wobei jede Adresse 32 Bit lang ist
• Definiert die Time-to-Live (TTL) jedes Pakets
• Verfügt über eine Header-Prüfsumme zur Fehlererkennung
• Bietet verschiedene Möglichkeiten, Funktionen hinzuzufügen, was jedoch auch zu mehr Komplexität führt.

IPv6 hingegen hat viel einfachere Header.

• Es hat nur acht Felder.
• Kein Prüfsummenfeld, da die Fehlerbehandlung auf eine andere Ebene des OSI-Modells verlagert ist.
• Kein Optionsfeld. Um weitere Funktionen hinzuzufügen, werden stattdessen Erweiterungsheader verwendet.
• Hat Header mit fester Länge.

Sicherheitsfunktionen

Sicherheit ist heute ein integraler Bestandteil des Internets, wurde aber ursprünglich nur nachträglich berücksichtigt. 

IPv4 war standardmäßig unsicher. IPsec wurde erst später entwickelt, um IP-Pakete zu verschlüsseln. Daher muss IPsec in IPv4 manuell konfiguriert werden.

IPv6 hingegen verfügt über integrierte Verschlüsselung und Authentifizierung und ist daher standardmäßig sicherer. 

Broadcasting und Multicasting

IPv4-Pakete werden in einem Netzwerk broadcastet. Broadcast bedeutet, dass ein Signal an alle Geräte im Netzwerk gesendet wird, unabhängig davon, ob es für sie bestimmt war oder nicht. Geräte, die nichts mit den betreffenden Paketen zu tun haben, ignorieren diese, während die anderen sie nutzen.

Broadcasting überlastet das Netzwerk durch unnötigen Datenverkehr und ist daher keine gute Lösung.

IPv6-Pakete hingegen werden Multicast statt Broadcast gesendet. Multicast unterscheidet sich von Broadcast dadurch, dass Pakete nur an bestimmte Geräte und nicht an das gesamte Netzwerk übertragen werden. Es ist eine effizientere Lösung und reduziert Netzwerküberlastungen.

Fragmentierungsbehandlung

Paketfragmentierung bezeichnet die Aufteilung eines Pakets in mehrere kleinere Pakete (Fragmente), um die Übertragung an ein Netzwerksegment zu gewährleisten. 

Fragmentierung ist erforderlich, wenn Netzwerksegmente Pakete über einer bestimmten Größe nicht verarbeiten können. 

Bei IPv4 wird die Fragmentierung von Routern übernommen. Sie müssen die Fragmentierung verarbeiten, was zu Verzögerungen führt.

Bei IPv6 übernimmt der Absender die Fragmentierung. Er erstellt Pakete mit optimaler Größe, sodass diese nicht fragmentiert werden müssen. Dies reduziert den Verarbeitungsaufwand der Router und sorgt für effizienteres und schnelleres Routing.

Kompatibilität

IPv4 und IPv6 sind nicht miteinander kompatibel. Sie können kein IPv6-Paket über ein IPv4-Netzwerk senden und umgekehrt.

Da IPv4 jedoch deutlich weiter verbreitet ist, muss IPv6-Verkehr in IPv4-Netzwerken funktionieren.

Zwei heute gängige Lösungen sind:

• Dual-Stack – Geräte nutzen gleichzeitig IPv4 und IPv6.
• Tunneling – IPv6-Verkehr wird in IPv4-Pakete verpackt und über ein IPv4-Netzwerk gesendet.

IPv4 vs. IPv6 im Vergleich

Fazit

So, die Unterschiede zwischen IPv4 und IPv6. IPv6 wird immer häufiger eingesetzt, daher ist es ratsam, sich darüber zu informieren. Die größten Hürden bei der Einführung von IPv6 sind die Kosten für die Modernisierung der Netzwerkinfrastruktur, um IPv6-Funktionalität zu ermöglichen. In einigen Jahren wird dies jedoch kein Problem mehr sein, da Regierungen und Internetanbieter an der Ersetzung alter Infrastruktur arbeiten. Damit schließen wir unsere Diskussion über IPv4 und IPv6 ab.