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Was ist eine IP-Adresse? IPv4, IPv6, private und öffentliche Adressen erklärt

Verständliche Einführung in IP-Adressen: IPv4, IPv6, Subnetze, MAC, DHCP, private und öffentliche Adressen, NAT sowie Linux-Befehle zur Prüfung.

Eine IP-Adresse ist eine logische Adresse für eine Netzwerkschnittstelle in einem IP-Netzwerk. Sie hilft dabei, Datenpakete einem Ziel zuzuordnen und über Router zwischen verschiedenen Netzen weiterzuleiten. IP steht für Internet Protocol, ein Netzwerkprotokoll für Adressierung und Paketweiterleitung.

Eine IP-Adresse gehört normalerweise zu einer Netzwerkschnittstelle oder einer aktuellen Netzwerkkonfiguration, nicht dauerhaft und exklusiv zu einem physischen Computer. Ein Gerät kann mehrere Adressen besitzen: zum Beispiel eine Adresse für Ethernet, eine weitere für WLAN, eine VPN-Adresse sowie IPv4- und IPv6-Adressen gleichzeitig.

Für IP-basierte Kommunikation benötigt die Schnittstelle eine passende Konfiguration. Dazu gehören je nach Netzwerk unter anderem eine IP-Adresse mit Präfix oder Subnetzmaske, ein Standardgateway und DNS-Server.

Wie IP-Adressen Daten zustellen

Beim Versand eines Datenpakets prüft ein Gerät, ob sich das Ziel im eigenen lokalen Netz befindet. Ist das der Fall, wird das Paket direkt über die lokale Netzwerkschnittstelle zugestellt. Liegt das Ziel in einem anderen Netz, sendet das Gerät das Paket an das Standardgateway. Das ist normalerweise der lokale Router.

Router lesen die Ziel-IP-Adresse und wählen anhand ihrer Routingtabellen den nächsten Weg. So kann ein Paket mehrere Netze durchqueren, bevor es das Zielnetz erreicht. DNS erfüllt dabei eine andere Aufgabe: Es übersetzt Namen wie einen Domainnamen in IP-Adressen.

IPv4: Aufbau und Schreibweise

IPv4 ist Version 4 des Internet Protocol. Eine IPv4-Adresse ist 32 Bit lang. Sie wird üblicherweise als vier durch Punkte getrennte Dezimalwerte geschrieben:

10.0.30.217

Jeder der vier Werte ist ein Oktett, also eine Gruppe aus 8 Bit. Ein Oktett kann Werte von 0 bis 255 darstellen. Vier Oktette ergeben 4 × 8 = 32 Bit.

Die Adresse 10.0.30.217 entspricht in Binärdarstellung:

10       . 0        . 30       . 217
00001010 . 00000000 . 00011110 . 11011001

Die Dezimaldarstellung ist für Menschen kompakter. Im Inneren arbeiten Netzwerkgeräte mit den einzelnen Bits.

Netzwerkanteil, Hostanteil und Präfix

Eine IP-Adresse wird erst zusammen mit ihrer Präfixlänge eindeutig in Netz- und Hostanteil aufgeteilt. Die CIDR-Notation schreibt die Anzahl der Netzbits hinter einen Schrägstrich. Bei IPv4 steht /24 für 24 Netzbits und 8 Hostbits.

Die entsprechende klassische Subnetzmaske zu /24 lautet 255.255.255.0. Die ersten drei Oktette gehören zum Netzanteil, das letzte Oktett zum Hostanteil.

In einem klassischen IPv4-Subnetz bezeichnet die Netzadresse das Subnetz selbst. Die Broadcast-Adresse spricht alle Hosts dieses Subnetzes an. Deshalb stehen bei einem einfachen /24-Netz normalerweise 254 Hostadressen zur Verfügung. Moderne Netzwerke verwenden CIDR und variable Präfixlängen statt einer zentralen Einteilung in historische Klassen A, B und C.

IP-Adresse und MAC-Adresse

Eine MAC-Adresse ist eine hardware-nahe Adresse einer Netzwerkschnittstelle. Sie wird benötigt, wenn ein Gerät einen anderen Teilnehmer im lokalen Netz erreichen muss. Bei IPv4 ermittelt ARP die passende MAC-Adresse zu einer lokalen IP-Adresse. Bei IPv6 übernimmt Neighbor Discovery vergleichbare Aufgaben und unterstützt zusätzlich die Nachbarerkennung.

MAC-Adressen sind nicht zwingend unveränderlich. Betriebssysteme können sie ändern, virtuelle Maschinen können eigene MAC-Adressen verwenden und WLAN-Geräte nutzen häufig zufällige MAC-Adressen zum Schutz der Privatsphäre.

Statische und dynamische IP-Konfiguration

Bei einer statischen IP-Konfiguration werden die Netzparameter manuell eingetragen oder dauerhaft reserviert. Typische Einsatzfälle sind Server, Drucker, Router, Switches und andere Netzwerkgeräte, die dauerhaft unter derselben lokalen Adresse erreichbar sein sollen.

Bei einer dynamischen Konfiguration übernimmt meist DHCP die Zuweisung. Ein DHCP-Server stellt typischerweise folgende Informationen bereit:

• IP-Adresse
• Präfixlänge oder Subnetzmaske
• Standardgateway
• DNS-Server

Die Adresse wird als DHCP-Lease für eine bestimmte Zeit vergeben. Nach Ablauf kann sie verlängert werden. Je nach Netzwerk kann sich die Adresse dabei ändern. Eine DHCP-Reservierung bindet eine bestimmte lokale Adresse an die Netzwerkschnittstelle eines Geräts. Das verbindet die automatische Verwaltung von DHCP mit einer meist gleichbleibenden Adresse und ist oft besser als eine direkt manuell gesetzte Adresse.

Private IPv4-Adressen

Private IPv4-Adressen sind für interne Netze reserviert. Sie werden im öffentlichen Internet nicht geroutet und können in vielen voneinander getrennten Netzen gleichzeitig vorkommen. Deshalb kann beispielsweise in Millionen Heimnetzen die Adresse 192.168.1.1 verwendet werden.

Eine private Adresse ist also innerhalb ihres lokalen Netzes gültig, aber nicht weltweit eindeutig. Für den Zugang zum Internet wird häufig NAT eingesetzt.

Öffentliche IP-Adressen und Internetzugang

Eine öffentliche IP-Adresse ist global eindeutig und grundsätzlich im Internet routbar. Bei einem typischen Anschluss weist der ISP, also der Internetanbieter, dem Router eine öffentliche Adresse an seiner WAN-Seite zu. Die Geräte im LAN verwenden dagegen private Adressen.

Öffentliche Adressen können dynamisch vergeben werden und sich bei einer neuen Verbindung oder nach einer Zwangstrennung ändern. Manche Anbieter bieten gegen Aufpreis oder in bestimmten Tarifen eine statische öffentliche Adresse an.

Öffentlich bedeutet nicht automatisch, dass ein Gerät aus dem Internet direkt erreichbar ist. Router, NAT, Providerregeln und Firewalls können eingehende Verbindungen blockieren. Außerdem kann ein Anschluss hinter Carrier-Grade NAT (CGNAT) liegen. Dabei teilen sich mehrere Anschlüsse eine öffentliche IPv4-Adresse, sodass der eigene Router keine direkt erreichbare öffentliche IPv4-Adresse besitzt.

NAT im Heimnetz

NAT steht für Network Address Translation. Ein Heimrouter verwaltet häufig eine öffentliche WAN-Adresse und mehrere private LAN-Adressen. Bei einer ausgehenden Verbindung ersetzt er die private Quelladresse und oft auch den Quellport durch seine öffentliche Adresse und einen zugeordneten Port. Antwortpakete kann er dadurch dem richtigen internen Gerät zuordnen.

Ein Laptop könnte beispielsweise 192.168.178.25 verwenden, während der Router die Verbindung über seine vom Provider zugewiesene öffentliche Adresse ins Internet weiterleitet.

Für viele eingehende IPv4-Dienste ist eine Portweiterleitung nötig. Sie ordnet einen Port der öffentlichen Routeradresse einem Dienst im LAN zu, etwa 192.168.1.10. Zusätzlich müssen Dienst und Firewall korrekt konfiguriert sein. NAT ist jedoch nicht dasselbe wie eine Firewall: NAT übersetzt Adressen und Ports, während eine Firewall Verbindungen anhand von Regeln erlaubt oder blockiert.

IPv6-Grundlagen

IPv6 ist Version 6 des Internet Protocol. Eine IPv6-Adresse ist 128 Bit lang und wird hexadezimal in durch Doppelpunkte getrennten Gruppen geschrieben:

2001:db8:1234:0001:0000:0000:0000:0020/64

Führende Nullen innerhalb einer Gruppe dürfen weggelassen werden:

2001:db8:1234:1:0:0:0:20/64

Eine zusammenhängende Folge von Nullgruppen darf einmal pro Adresse durch :: ersetzt werden:

2001:db8:1234:1::20/64

Die Schreibweise :: darf nicht mehrfach in derselben Adresse vorkommen, weil sonst nicht eindeutig wäre, wie viele Nullgruppen gemeint sind.

2001:db8:1234:1::20/64 ist ein Beispiel für eine globale Unicast-Adresse. Der Bereich 2001:db8::/32 ist speziell für Dokumentation reserviert. fe80::1 ist eine Link-Local-Adresse und gilt nur auf dem direkt verbundenen Link. Unique-Local-Adressen aus fc00::/7, häufig sichtbar als fd..., sind für interne IPv6-Netze gedacht.

IPv4 und IPv6 werden in der Praxis häufig parallel als Dual Stack betrieben. IPv6 benötigt normalerweise kein NAT, aber eingehende Verbindungen müssen weiterhin durch eine Firewall geschützt und ausdrücklich erlaubt werden.

Wichtige Adressarten und Sonderbereiche

Multicast adressiert eine Gruppe von Empfängern. IPv4 verwendet dafür unter anderem 224.0.0.0/4, IPv6 den Bereich ff00::/8. Multicast ist nicht dasselbe wie Broadcast und wird für bestimmte Dienste und Protokolle verwendet.

IP-Adressen unter Linux prüfen

Mit ip lassen sich lokale Schnittstellen, Adressen und Routen untersuchen:

ip address show
ip addr show dev eth0
ip -4 addr
ip -6 addr
ip route
ip -6 route

Der tatsächliche Schnittstellenname kann beispielsweise enp0s3 oder wlan0 lauten. In der Ausgabe markieren Adressen mit 127. die IPv4-Loopback-Schnittstelle. ::1 ist die IPv6-Loopback-Adresse. Private IPv4-Adressen beginnen häufig mit 10., 172.16. bis 172.31. oder 192.168.. Eine Adresse aus 169.254.0.0/16 weist auf IPv4-Link-Local hin.

In ip route zeigt die Zeile mit default normalerweise das IPv4-Standardgateway. Für IPv6 steht die Standardroute in ip -6 route.

Die von außen sichtbare Adresse ist nicht zwingend die lokale Adresse des Rechners. Sie kann über einen externen Dienst oder eine DNS-Abfrage ermittelt werden:

curl -4 https://api.ipify.org
curl -6 https://api64.ipify.org
dig +short myip.opendns.com @resolver1.opendns.com

Die ersten beiden Befehle fragen einen externen Dienst ab. Der letzte Befehl benötigt gegebenenfalls das Paket dig. Eine externe Abfrage zeigt die Adresse, die dieser Dienst wahrnimmt. Bei NAT ist das typischerweise die öffentliche Adresse des Routers und nicht die private Adresse des Rechners.

Für eine erste Verbindungs- und Routenprüfung eignet sich:

ping -c 4 1.1.1.1 && ip route get 1.1.1.1

Der Test mit einer IP-Adresse prüft die IP-Konnektivität ohne DNS-Namensauflösung. ip route get zeigt, welche Schnittstelle und Route für das Ziel verwendet werden.

Typische Probleme und Lösungen

Adresse aus 169.254.x.x

Eine Adresse aus 169.254.0.0/16 entsteht häufig, wenn kein DHCP-Server erreichbar ist. Prüfe Kabel, WLAN, VLAN und DHCP-Dienst:

ip -4 addr
ip route

Stelle zuerst die lokale Verbindung oder den DHCP-Dienst wieder her. Eine statische Konfiguration sollte nur mit bekannten Netzparametern gesetzt werden.

Lokale Adresse vorhanden, aber kein Internet

Prüfe in ip route, ob eine default-Route existiert. Teste anschließend eine bekannte IP-Adresse und danach einen Domainnamen. Funktioniert die IP, aber nicht der Name, liegt das Problem wahrscheinlich bei DNS. Funktioniert bereits die IP nicht, kommen Gateway, Router oder Providerverbindung infrage.

Host im gleichen Netz nicht erreichbar

Vergleiche IP-Adresse und Präfix beider Geräte. Prüfe außerdem VLAN-Zuordnung, lokale Firewalls, doppelte Adressen sowie ARP- oder Neighbor-Discovery-Einträge. Mit ip route get <zieladresse> lässt sich die gewählte lokale Route untersuchen.

Dienst im Heimnetz von außen nicht erreichbar

Eine private Adresse wie 192.168.1.10 ist aus dem Internet nicht direkt routbar. Prüfe, ob der Dienst im LAN funktioniert, ob eine Portweiterleitung und passende Firewallregel existieren und ob der Router eine eigene öffentliche WAN-Adresse besitzt. Weichen WAN-Adresse und extern ermittelte Adresse ab, kann CGNAT die Ursache sein.

Verbindung nach manueller Konfiguration ausgefallen

Häufig sind Adresse, Präfix, Gateway oder DNS falsch. Vergleiche die Werte mit einer funktionierenden DHCP-Konfiguration und prüfe mit ip addr sowie ip route, ob die Adresse im richtigen Subnetz liegt und nicht bereits von einem anderen Gerät verwendet wird. Für eine gleichbleibende lokale Adresse ist eine DHCP-Reservierung oft die robustere Lösung.

Häufige Missverständnisse

• Eine IP-Adresse identifiziert meist eine Netzwerkschnittstelle oder Konfiguration, nicht dauerhaft einen physischen Computer.
• Eine DHCP-Adresse kann sich ändern. Auch die öffentliche Adresse eines Provideranschlusses ist häufig dynamisch.
• Private Adressen sind nicht weltweit eindeutig und werden im öffentlichen Internet nicht geroutet.
• Eine öffentliche IP-Adresse garantiert keine Erreichbarkeit von außen. NAT, Routerregeln, Providerfilter und Firewalls können Zugriffe verhindern.
• Die sichtbare Adresse einer Website muss nicht zum eigentlichen Server gehören. Sie kann einem Router, Reverse Proxy oder Load Balancer zugeordnet sein.
• IP-Adresse und MAC-Adresse sind unterschiedliche Adressarten: IP ermöglicht logisches Routing, MAC die Zustellung auf dem lokalen Link.

Kurz zusammengefasst

IPv4-Adressen bestehen aus 32 Bit und werden als vier Dezimal-Oktette geschrieben. IPv6-Adressen sind 128 Bit lang und verwenden hexadezimale Gruppen. Präfix oder Subnetzmaske teilen eine Adresse in Netz- und Hostanteil. Private Adressen gelten in internen Netzen, öffentliche Adressen sind grundsätzlich global routbar. DHCP erleichtert die automatische Konfiguration, NAT verbindet viele private Geräte über eine öffentliche IPv4-Adresse mit dem Internet. Für die Praxis ist außerdem wichtig, dass ein Gerät mehrere IP-Adressen besitzen kann und dass eine öffentliche Adresse nicht automatisch direkte Erreichbarkeit bedeutet.

Weitere Grundlagen zum Thema findest du unter Was ist eine IP-Adresse?