IPv6

IT 12.4 – Netzwerke · Einheit 9 von Teil B „TCP/IP“

Lernziele

Du kannst begründen, warum IPv6 eingeführt wurde, und die Größe der Adressräume von IPv4 und IPv6 vergleichen.
Du kannst zwischen Hexadezimal- und Dualschreibweise umrechnen.
Du kannst IPv6-Adressen nach den Regeln kürzen, vollständig ausschreiben und auf Gültigkeit überprüfen.
Du kannst Netzanteil (Präfix) und Geräteanteil einer IPv6-Adresse bestimmen.
Du kannst besondere IPv6-Adressen erkennen und Unterschiede zwischen IPv4 und IPv6 beschreiben.

Die Adressen gehen aus

Eine IPv4-Adresse hat 32 Bit. Als IPv4 Anfang der 1980er-Jahre festgelegt wurde, gab es nur wenige tausend Rechner, die miteinander vernetzt waren. Heute hat fast jeder Mensch ein Smartphone, dazu kommen Laptops, Fernseher, Autos, Sensoren und Server.

Im Jahr 2011 hat die zentrale Vergabestelle für Internetadressen (IANA) die letzten freien IPv4-Blöcke verteilt. Die Vergabestelle für Europa (RIPE NCC) hatte 2019 keine IPv4-Adressen mehr zu vergeben.

Reichen 32 Bit wirklich nicht? Und wie viel mehr bringt ein neues System?

Erkunden: Wie viele Adressen braucht die Welt?

Bevor du weiterliest: Rechnet und überlegt zu zweit. Die Erklärungen weiter unten helfen euch erst danach, eure Ergebnisse einzuordnen.

Erkundung: 32 Bit, 128 Bit mittel

a) Berechne, wie viele verschiedene IPv4-Adressen es mit 32 Bit gibt. Vergleiche mit der Weltbevölkerung (über 8 Milliarden Menschen) und beurteile, ob das reicht.

b) Eine IPv6-Adresse hat 128 Bit. Ermittle, wie oft der gesamte IPv4-Adressraum in den IPv6-Adressraum passt. Eine Zweierpotenz als Ergebnis genügt.

c) Eine IPv6-Adresse in Dualschreibweise hätte 128 Stellen. Entwickelt eine kürzere Schreibweise, aus der man die Bits trotzdem leicht ablesen kann.

d) Diese IPv6-Adresse ist in ihrer üblichen, vollständigen Form angegeben:

2001:0db8:0000:0000:0000:0000:0000:0001

Schlagt Regeln vor, mit denen man sie kürzer schreiben kann. Überprüft bei jeder Regel, ob man die vollständige Adresse eindeutig zurückgewinnen kann.

Tipp 1

Zu c): Fasst immer einige Bits zu einem Zeichen zusammen. Wie viele verschiedene Zeichen braucht ihr für 4 Bits? Reichen dafür die Ziffern 0 bis 9?

Tipp 2

Zu d): Viele Zeichen sind Nullen. Probiert aus: Was passiert, wenn man an zwei Stellen viele Nullen weglässt? Weiß man dann noch, wie viele es an welcher Stelle waren?

Lösung (mögliche Ergebnisse)

Warum IPv6?

Mit 32 Bit gibt es nur etwa 4,3 Milliarden IPv4-Adressen. Das reicht für die heutige Zahl an Geräten nicht. Eine Notlösung kennst du aus Einheit 7: private Adressen, die der Router beim Übergang ins Internet durch seine eigene öffentliche Adresse ersetzt. Das macht vieles umständlicher, weil Geräte von außen nicht direkt erreichbar sind.

IPv6 (Internet Protocol Version 6) ist der Nachfolger von IPv4. Es wurde 1998 festgelegt und wird heute neben IPv4 eingesetzt. Eine IPv6-Adresse hat 128 Bit. Das ergibt 2¹²⁸ ≈ 3,4 · 10³⁸ Adressen, mehr als genug für jedes Gerät, das man sich vorstellen kann.

Hexadezimalzahlen

128 Bit sind zu lang, um sie dual aufzuschreiben. Man fasst deshalb je 4 Bit zu einer Hexadezimalziffer zusammen (kurz: Hex-Ziffer). Das Hexadezimalsystem hat 16 Ziffern: 0 bis 9 und a bis f.

Hex	0	1	2	3	4	5	6	7	8	9	a	b	c	d	e	f
dezimal	0	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12	13	14	15
dual	0000	0001	0010	0011	0100	0101	0110	0111	1000	1001	1010	1011	1100	1101	1110	1111

Umrechnen zwischen Hex und Dual geht Ziffer für Ziffer, denn jede Hex-Ziffer steht für genau 4 Bit.

Beispiel: c3 → c = 1100, 3 = 0011 → 11000011. Dezimal ist das 12 · 16 + 3 = 195.

Aufbau einer IPv6-Adresse

Eine IPv6-Adresse besteht aus 8 Blöcken zu je 16 Bit. Jeder Block wird mit 4 Hex-Ziffern geschrieben. Die Blöcke werden durch Doppelpunkte getrennt.

2001:0db8:0a1b:0000:0000:0000:00c4:0010

Statt einer Subnetzmaske wie bei IPv4 gibt man bei IPv6 immer das Präfix an, zum Beispiel /64.

Kürzungsregeln

Weil IPv6-Adressen oft viele Nullen enthalten, darf man sie kürzen:

Führende Nullen in einem Block dürfen wegfallen. Aus 0db8 wird db8, aus 00c4 wird c4, aus 0000 wird 0.
Eine Folge von Blöcken, die nur aus Nullen bestehen, darf durch :: ersetzt werden. Das darf nur einmal in einer Adresse vorkommen. Sonst wüsste man nicht, wie viele Null-Blöcke an welcher Stelle fehlen.

Für die kürzeste Schreibweise gelten außerdem diese Empfehlungen (RFC 5952):

:: ersetzt die längste Folge von Null-Blöcken. Sind zwei gleich lang, die erste.
Ein einzelner Null-Block wird nicht durch :: ersetzt, sondern als 0 geschrieben.
Buchstaben werden klein geschrieben.

Beispiel:

Schritt	Adresse
vollständig	`2001:0db8:0a1b:0000:0000:0000:00c4:0010`
führende Nullen weg	`2001:db8:a1b:0:0:0:c4:10`
Null-Blöcke durch `::`	`2001:db8:a1b::c4:10`

Ausschreiben geht rückwärts: Zähle die Blöcke, die dastehen. :: steht für so viele Null-Blöcke, dass es zusammen 8 werden. Dann füllst du jeden Block vorne mit Nullen auf 4 Ziffern auf.

Netzanteil und Geräteanteil

Wie bei IPv4 besteht eine IPv6-Adresse aus Netzanteil und Geräteanteil. Die Grenze gibt das Präfix an.

Fast immer gilt bei IPv6: /64. Die ersten 64 Bit (4 Blöcke) sind der Netzanteil, die letzten 64 Bit (4 Blöcke) der Geräteanteil. Der Geräteanteil heißt bei IPv6 auch Interface-ID (Kennung der Netzwerkschnittstelle).

Beispiel: 2001:db8:a1b:7:20c:29ff:fe3a:b11/64

Netzanteil: die ersten 4 Blöcke 2001:db8:a1b:7, also das Netz 2001:db8:a1b:7::/64
Geräteanteil: 20c:29ff:fe3a:b11

Ein Internetanbieter gibt einem Kunden meist ein größeres Präfix, zum Beispiel /48 oder /56. Daraus bildet der Kunde eigene /64-Netze. Weil die Grenzen meist auf Blockgrenzen liegen, muss man bei IPv6 selten dual rechnen.

Besondere Adressen

Adresse oder Bereich	Bedeutung
`::1`	Loopback: das eigene Gerät (wie 127.0.0.1 bei IPv4)
`::`	unbestimmt: „noch keine Adresse“
`fe80::/10`	link-lokal: gilt nur im eigenen Netz, wird nie weitergeleitet. Jede Netzwerkschnittstelle hat eine solche Adresse.
`fd00::/8`	lokal eindeutig: für eigene Netze, ähnlich wie die privaten IPv4-Adressen
`2000::/3`	global: öffentliche Adressen im Internet (beginnen mit 2 oder 3)
`2001:db8::/32`	nur für Beispiele in Büchern und Anleitungen, wie auf dieser Seite
`ff00::/8`	Multicast: Nachricht an eine Gruppe von Geräten

IPv6 hat keinen Broadcast. Statt einer Nachricht an alle gibt es Multicast an bestimmte Gruppen, zum Beispiel „alle Router in diesem Netz“. So müssen nicht alle Geräte jede Nachricht verarbeiten.

Wie bekommt ein Gerät seine Adresse?

Bei IPv6 kann sich ein Gerät seine Adresse selbst bilden: Der Router teilt im Netz das Präfix mit, zum Beispiel 2001:db8:a1b:7::/64. Das Gerät ergänzt einen eigenen Geräteanteil, oft eine Zufallszahl, die regelmäßig wechselt, damit man das Gerät nicht verfolgen kann. Das nennt man automatische Konfiguration (englisch SLAAC). Alternativ verteilt ein Server die Adressen, wie bei IPv4 (DHCP, Einheit 10).

Heute laufen IPv4 und IPv6 meist gleichzeitig auf denselben Geräten. Das nennt man Dual-Stack.

IPv4 und IPv6 im Vergleich

	IPv4	IPv6
Länge	32 Bit	128 Bit
Anzahl Adressen	etwa 4,3 · 10⁹	etwa 3,4 · 10³⁸
Schreibweise	4 Dezimalzahlen mit Punkten	8 Hex-Blöcke mit Doppelpunkten, kürzbar
Netzanteil	Subnetzmaske oder Präfix	nur Präfix, meist /64
an alle im Netz	Broadcast	kein Broadcast, Multicast an Gruppen
Adressen für eigene Netze	private Adressen, Router ersetzt sie (Einheit 7)	genug öffentliche Adressen für jedes Gerät
Kopfdaten	mindestens 20 Byte	Grundkopf immer 40 Byte

Üben: IPv6-Trainer

Hier bekommst du immer neue Aufgaben zum Kürzen, Ausschreiben, Umrechnen und zum Netzanteil. Wähle unten eine Aufgabenart aus, wenn du gezielt üben möchtest.

Selbstkontrolle – keine Bewertung. Es wird nichts gespeichert.

Lösungsweg zeigen

Aufgabenart:Noch keine Aufgabe geprüft

Aufgaben

Aufgabe 1: Hex, dual, dezimal leicht

a) Rechne die Hex-Ziffern a, f und 9 in Dualzahlen mit 4 Stellen um.

b) Rechne den Block 2a3f in eine Dualzahl mit 16 Stellen um.

c) Rechne 1111 0000 1010 0001 in einen Hex-Block um.

d) Rechne ff ins Dezimalsystem um.

Lösung

Aufgabe 2: Kürzen mittel

Schreibe die Adressen so kurz wie möglich.

a) 2001:0db8:0000:0000:0000:0000:0000:0001
b) fe80:0000:0000:0000:020c:29ff:fe3a:0b11
c) 2001:0db8:0000:0042:0000:0000:0000:00ff
d) 2001:0db8:0000:0000:00a0:0000:0000:0001

Tipp 1

Erst in jedem Block die führenden Nullen weglassen. Dann die längste Folge von Null-Blöcken suchen.

Tipp 2

Zu d): Es gibt zwei gleich lange Folgen von Null-Blöcken. Welche wird nach der Empfehlung ersetzt?

Lösung

Aufgabe 3: Ausschreiben leicht

Schreibe die Adressen vollständig aus (8 Blöcke mit je 4 Ziffern).

a) 2001:db8::8:800:200c:417a
b) ::1
c) fd12:3456:789a:1::42

Lösung

Aufgabe 4: Gültig oder nicht? mittel

Überprüfe, ob es sich um gültige IPv6-Adressen handelt. Begründe bei ungültigen Adressen.

a) 2001:db8::1::2
b) 2001:db8:0:0:0:0:0:0:1
c) fe80::1g
d) 2001:DB8::ABCD
e) 2001:db8:12345::1
f) ::

Lösung

Aufgabe 5: Netz und Gerät mittel

Ein Laptop hat die Adresse 2001:db8:acad:12:a1b2:c3ff:fed4:e5f6/64.

a) Gib den Netzanteil als Netz mit Präfix an.

b) Gib den Geräteanteil an.

c) Berechne, wie viele verschiedene Geräteanteile es in einem /64-Netz gibt, und vergleiche mit dem gesamten IPv4-Adressraum.

d) Ein Drucker hat 2001:db8:acad:13::5/64. Entscheide, ob er im selben Netz wie der Laptop liegt.

Tipp 1

/64 bedeutet: die ersten 4 Blöcke sind der Netzanteil. Schreibe die Adresse dafür, falls nötig, vollständig aus.

Lösung

Aufgabe 6: Netze für eine Schule schwer

Eine Schule bekommt vom Anbieter das Präfix 2001:db8:abcd::/48. Jedes Netz in der Schule soll ein /64 sein.

a) Berechne, wie viele /64-Netze die Schule bilden kann.

b) Gib die ersten drei Netze und das letzte Netz an.

c) Vergleiche mit Einheit 8: Erläutere, warum die Planung bei IPv6 einfacher ist als bei IPv4.

Tipp 1

Von /48 bis /64 sind es 16 Bit, also genau ein Block. Welcher Block wird hochgezählt?

Lösung

Aufgabe 7: Ist jedes Gerät jetzt angreifbar? schwer

Ein Mitschüler sagt: „Bei IPv4 sind meine Geräte zu Hause durch die privaten Adressen geschützt, weil man sie von außen nicht erreichen kann. Mit IPv6 hat jedes Gerät eine öffentliche Adresse. Dann kann jeder im Internet direkt auf meinen Laptop zugreifen. IPv6 ist also unsicherer.“

Nimm Stellung.

Tipp 1

Unterscheide zwei Fragen: Hat ein Gerät eine Adresse, die im Internet gilt? Und: Lässt der Router Verbindungen von außen überhaupt durch?

Tipp 2

Denke auch an die zufälligen, wechselnden Geräteanteile aus dem Abschnitt „Wie bekommt ein Gerät seine Adresse?“.

Lösung

Aufgabe 8: Die Regeln an einem eigenen Beispiel erklären mittel

In Prüfungen heißt es zum Beispiel: „Erklären Sie anhand eines selbst entwickelten Beispiels die Regeln der verkürzten Schreibweise.“

a) Entwickle eine vollständige IPv6-Adresse aus dem Bereich 2001:db8::/32, an der man alle Regeln zeigen kann. Erkläre die Regeln Schritt für Schritt an deiner Adresse.

b) Begründe an deiner Adresse, warum :: nur einmal vorkommen darf.

Tipp 1

Deine Adresse braucht Blöcke mit führenden Nullen, zwei Folgen von Null-Blöcken mit unterschiedlicher Länge und möglichst einen einzelnen Null-Block.

Tipp 2

Zu b): Schreibe deine Adresse einmal mit zwei :: und versuche, sie wieder auszuschreiben. Wie viele Möglichkeiten gibt es?

Lösung (Beispiel)

Zusammenfassung

IPv4 hat nur etwa 4,3 Milliarden Adressen. IPv6 hat 128 Bit, also etwa 3,4 · 10³⁸ Adressen.
Eine Hex-Ziffer (0–9, a–f) steht für genau 4 Bit.
Eine IPv6-Adresse hat 8 Blöcke zu je 16 Bit (4 Hex-Ziffern), getrennt durch Doppelpunkte.
Kürzen: führende Nullen weglassen; eine Folge von Null-Blöcken durch :: ersetzen, die längste, bei Gleichstand die erste.
Meist /64: 64 Bit Netzanteil, 64 Bit Geräteanteil (Interface-ID).
Besondere Adressen: ::1 (eigenes Gerät), fe80:: (link-lokal), fd00::/8 (eigene Netze), 2001:db8:: (Beispiele). Kein Broadcast, stattdessen Multicast.

Selbstcheck

Geh die Fragen ehrlich durch. Wenn du bei einer unsicher bist, lies den verlinkten Abschnitt noch einmal oder bearbeite die passende Aufgabe.

Kannst du begründen, warum IPv6 eingeführt wurde, und die Adressräume vergleichen? → Warum IPv6?, Erkundung
Kannst du zwischen Hex und Dual umrechnen? → Hexadezimalzahlen, Aufgabe 1
Kannst du IPv6-Adressen kürzen, ausschreiben und auf Gültigkeit prüfen? → Kürzungsregeln, Aufgabe 2, Aufgabe 3, Aufgabe 4, Aufgabe 8, Trainer
Kannst du Netzanteil und Geräteanteil bestimmen? → Netzanteil und Geräteanteil, Aufgabe 5, Aufgabe 6
Kannst du besondere Adressen erkennen und IPv4 mit IPv6 vergleichen? → Besondere Adressen, Vergleich, Aufgabe 7

Wortspeicher

Begriff	Bedeutung in einfachen Worten
IPv6	Nachfolger von IPv4 mit 128-Bit-Adressen
Hexadezimalsystem	Zahlensystem mit 16 Ziffern (0–9, a–f); eine Ziffer = 4 Bit
Block	einer der 8 Teile einer IPv6-Adresse, 16 Bit, 4 Hex-Ziffern
`::`	Kurzform für eine Folge von Null-Blöcken, nur einmal pro Adresse erlaubt
Präfix	Länge des Netzanteils, meist /64
Interface-ID	Geräteanteil einer IPv6-Adresse
Loopback (`::1`)	Adresse für das eigene Gerät
link-lokale Adresse	Adresse ab `fe80::`, gilt nur im eigenen Netz
Multicast	Nachricht an eine Gruppe von Geräten; ersetzt bei IPv6 den Broadcast
automatische Konfiguration (SLAAC)	Gerät bildet seine Adresse selbst aus dem Präfix des Routers
Dual-Stack	IPv4 und IPv6 laufen gleichzeitig

Quellen

Hessisches Kultusministerium: Kerncurriculum Fachoberschule, Fachrichtung Technik, Schwerpunkt Informationstechnik, Themenfeld 12.4 Netzwerke (Stand November 2022).
IPv6 nach RFC 8200 (zuerst RFC 2460, 1998), Adressarchitektur nach RFC 4291, Schreibweise nach RFC 5952, Adressen für Dokumentation nach RFC 3849, lokal eindeutige Adressen nach RFC 4193, automatische Konfiguration nach RFC 4862.
Ende des freien IPv4-Adressvorrats: IANA (Februar 2011), RIPE NCC (November 2019).
Texte, Beispiele, Aufgaben und IPv6-Trainer sind selbst erstellt.