Unterschiede zwischen IPv4 und IPv6

Das Internetprotokoll (IP) dient als wichtigster Regelsatz für die Datenübertragung über Netzwerkgrenzen hinweg. Seine Hauptfunktion besteht darin, Geräten eindeutige Adressen zuzuweisen und Daten über das Internet von einem Gerät zum anderen zu leiten.

IP hat sich im Laufe der Jahre weiterentwickelt. IPv4 war die erste weltweit eingesetzte Hauptversion und IPv6 war ihr Nachfolger, der die Einschränkungen von IPv4 beheben sollte. Das Verständnis der Unterschiede zwischen diesen beiden Versionen ist für Netzwerkingenieure, IT-Experten und alle, die an der digitalen Transformation von Unternehmen beteiligt sind, von entscheidender Bedeutung.

Der Hauptunterschied zwischen IPv4 und IPv6 besteht in der 32-Bit-Adressierung von IPv4, die etwa 4,3 Milliarden eindeutige Adressen zulässt, während IPv6 ein 128-Bit-Schema verwendet, um eine praktisch unbegrenzte Anzahl von Geräten mit verbesserter Sicherheit und Effizienz zu unterstützen.

Lassen Sie uns alle Unterschiede zwischen IPv4 und IPv6 verstehen:

Übersicht über IPv4

Das 1981 eingeführte Internet Protocol Version 4 (IPv4) ist der Eckpfeiler der Datenkommunikation in vernetzten Umgebungen. IPv4 verwendet ein 32-Bit-Adressschema, das etwa 4,3 Milliarden eindeutige Adressen ermöglicht.

Während diese Zahl in den Anfangstagen des Internets ausreichend schien, reichte dieser Adressraum aufgrund des explosionsartigen Wachstums der Zahl vernetzter Geräte schnell nicht mehr aus, was zu einer möglichen Erschöpfung der Adressen führte.

Warum wurde IPv6 erfunden?

Um die Einschränkungen von IPv4 zu überwinden, wurde 1999 IPv6 eingeführt. IPv6 verwendet einen 128-Bit-Adressraum, wodurch die Anzahl der möglichen Adressen deutlich auf ungefähr 340 Sextillionen (3,4 x 10^38) erhöht wird. Dies ist eine wesentliche Verbesserung, um dem zukünftigen Wachstum der Zahl internetfähiger Geräte weltweit gerecht zu werden.

Diese enorme Erweiterung des Adressraums ist der Hauptgrund für die Entwicklung und schrittweise Einführung von IPv6.

Vergleich der Adressgrößen von IPv4 und IPv6

IPv4-Adressen sind 32 Bit lang und werden dezimal als vier durch Punkte getrennte Zahlen dargestellt (z. B. 192.168.1.1). Im Gegensatz dazu sind IPv6-Adressen 128 Bit lang und werden hexadezimal als acht Gruppen von vier durch Doppelpunkte getrennten hexadezimalen Ziffern dargestellt (z. B. 2001:0db8:85a3:0000:0000:8a2e:0370:7334).

Der IPv4-Adressraum bringt Einschränkungen mit sich, die bei seiner Einführung nicht erkennbar waren. Mit dem Aufkommen des Internets der Dinge (IoT) und einer zunehmend vernetzten Welt kann das IPv4-Protokoll nicht mehr jedes Gerät ausreichend ansprechen. IPv6 mit seinem größeren Adressraum ermöglicht Milliarden von Geräten, eine eindeutige öffentliche IP-Adresse zu haben, wodurch die Notwendigkeit der Netzwerkadressübersetzung (Network Address Translation, NAT) entfällt, eine gängige Praxis, die in IPv4-Netzwerken zur Bekämpfung der Adressüberlastung eingesetzt wird.

Detaillierter Vergleich von IPv4 und IPv6 im Header-Format und der Paketverarbeitung

IPv4-Header haben eine variable Länge (20-60 Byte) und enthalten mehrere Felder, die in IPv6-Headern nicht vorhanden sind. IPv6-Header sind auf 40 Byte festgelegt und sollen die Verarbeitung vereinfachen und beschleunigen, indem unnötige Optionen entfernt und in optionalen Erweiterungsheadern platziert werden.

IPv4 ermöglicht Paketfragmentierung sowohl durch den Absender als auch durch Zwischenrouter. Dies kann zu Ineffizienzen und erhöhter Latenz führen. IPv6 vereinfacht dies, indem es nur dem Absender erlaubt, Pakete zu fragmentieren. Dadurch werden die Belastung und Komplexität der Router verringert und die allgemeine Netzwerkleistung verbessert.

IPv4-Header:

Variable Länge: IPv4-Header sind in ihrer einfachsten Form 20 Bytes lang, können aber aufgrund optionaler Felder und Optionen auf bis zu 60 Bytes erweitert werden.
Felder: Sie enthalten Felder wie Version, Header-Länge, Servicetyp, Gesamtlänge, Identifikation, Flags, Fragment-Offset, Time to Live (TTL), Protokoll, Header-Prüfsumme, Quelladresse, Zieladresse und Optionen (sofern vorhanden). Das Vorhandensein von Optionen kann die Header-Größe erhöhen und die Header-Verarbeitung erschweren.
Zersplitterung: Sowohl Absender als auch Zwischenrouter können Pakete fragmentieren, wenn die Paketgröße die maximale Übertragungseinheit (MTU) des Netzwerkpfads überschreitet. Dies kann möglicherweise zu Problemen wie Fragmentierungs-Overhead führen und die Wahrscheinlichkeit eines Paketverlusts erhöhen.
Prüfsumme: Enthält ein Prüfsummenfeld, das nur den Header abdeckt. Diese Prüfsumme muss bei jedem Router neu berechnet werden, wenn das Paket durchläuft, was den Verarbeitungsaufwand erhöht.

IPv6-Header:

Feste Länge: IPv6-Header sind immer 40 Byte lang und verfügen über einen optimierten Ansatz.
Felder: Sie enthalten weniger Felder: Version, Verkehrsklasse, Flussbezeichnung, Nutzlastlänge, nächster Header, Hop-Limit, Quelladresse und Zieladresse.
Vereinfachte Verarbeitung: Die feste Größe und die reduzierte Anzahl von Feldern in IPv6-Headern ermöglichen eine schnellere Verarbeitung durch Router. Optionen sind nicht im Header enthalten, sondern werden mithilfe von Erweiterungsheadern behandelt, die nur vom Zielknoten verarbeitet werden, wodurch die Verarbeitungslast bei jedem Hop entlang des Paketpfads reduziert wird.
Zersplitterung: Bei IPv6 führen Router keine Fragmentierung durch. Wenn ein Paket die MTU überschreitet, wird es verworfen und eine ICMPv6-Meldung „Paket zu groß“ an den Absender zurückgesendet. Der Absender ist für die Fragmentierung verantwortlich. Dieser Ansatz reduziert die Komplexität und den Ressourcenbedarf von Routern.
Keine Header-Prüfsumme: IPv6 enthält keine Header-Prüfsumme. Die Fehlerprüfung wird an die Transportschichten delegiert, was den Verarbeitungsaufwand bei jedem Hop reduziert und das Routing beschleunigt.

Zusätzliche Hinweise zu IPv6-Erweiterungen:

Flussbezeichnung: Das Flussbezeichnungsfeld in IPv6-Headern wird verwendet, um Pakete zu identifizieren, die zum selben Fluss gehören, um die Dienstgüte (QoS) zu verbessern, was in IPv4 nicht verfügbar ist. Diese Funktion ist besonders für Echtzeitanwendungen nützlich.
Hop-Limit: Ersetzt das Feld Time to Live (TTL), um die Lebensdauer eines Pakets zu bestimmen. Das Hop-Limit wird von jedem Router, der das Paket weiterleitet, um eins verringert. Wenn das Hop-Limit Null erreicht, wird das Paket verworfen.
Verkehrsklasse: Ähnlich wie der Diensttyp in IPv4 wird dieses Feld zum Festlegen der Priorität des Pakets verwendet.

Diese Verbesserungen und Änderungen von IPv4 zu IPv6 beheben nicht nur die Einschränkungen der vorherigen Protokollversion, sondern verbessern auch die Effizienz und Funktionalität des Netzwerkdienstes in einer zunehmend vernetzten Welt.

Sicherheitsverbesserungen von IPv4 auf IPv6:

Bei der Entwicklung von IPv4 wurde nicht an Sicherheit gedacht, weshalb für sichere Kommunikation zusätzliche Protokolle wie IPsec erforderlich sind. IPv6 bietet mit IPsec eine in das Protokoll integrierte Sicherheit, die verschlüsselten Datenverkehr und authentifizierte Kommunikation nativ unterstützt. Dadurch ist IPv6 grundsätzlich sicherer als IPv4.

Sicherheit ist ein entscheidender Aspekt, der IPv6 deutlich von seinem Vorgänger IPv4 unterscheidet.

IPv4-Sicherheitsübersicht:

Ersten Entwurf: IPv4 wurde entwickelt, als das Internet noch nicht so weit verbreitet war wie heute und Sicherheit kein vorrangiges Anliegen war. Daher fehlen IPv4 inhärente Sicherheitsfunktionen, sodass zusätzliche Sicherheitsmaßnahmen erforderlich sind.
Abhängigkeit von Anwendungen: Die Sicherheit in IPv4-Netzwerken hängt stark von Protokollen und Anwendungen höherer Schichten ab. Beispielsweise erfordert eine sichere Kommunikation über IPv4 normalerweise die Implementierung von Transport Layer Security (TLS) oder Secure Sockets Layer (SSL).
IPsec (optional): IPsec ist für IPv4 verfügbar, ist jedoch nicht obligatorisch und muss explizit konfiguriert und von beiden Endpunkten unterstützt werden. IPsec in IPv4 kann Datenflüsse zwischen einem Hostpaar (Host-zu-Host), zwischen einem Sicherheitsgatewaypaar (Gateway-zu-Gateway) oder zwischen einem Sicherheitsgateway und einem Host (Gateway-zu-Host) verschlüsseln.

IPv6-Sicherheitsverbesserungen:

Obligatorisches IPsec: Im Gegensatz zu IPv4 ist IPv6 nativ integriert und somit eine obligatorische Protokollkomponente. Diese Anforderung stellt sicher, dass jedes IPv6-Gerät IPsec unterstützen kann, obwohl nicht erforderlich ist, dass IPsec in allen Kommunikationen verwendet wird. Die obligatorische Unterstützung für IPsec bietet robuste Optionen für Datenvertraulichkeit, Datenintegrität und Datenursprungsauthentifizierung.
End-to-End-Verschlüsselung und Authentifizierung: Die Integration von IPsec in IPv6 ermöglicht End-to-End-Verschlüsselung und Authentifizierung. Dies ist eine erhebliche Verbesserung gegenüber IPv4, wo Middleboxes wie NAT-Geräte die Fähigkeit von IPsec, den Datenverkehr zu sichern, behindern können. Mit IPv6 bleibt das End-to-End-Prinzip des Internets erhalten, was Sicherheit und Datenschutz verbessert.
Vereinfachte Header-Struktur: Die vereinfachte Header-Struktur von IPv6, die nicht unbedingt erforderliche Felder in Erweiterungsheader verschiebt, rationalisiert die Paketverarbeitung bei Zwischenroutern. Dieses Design minimiert das Potenzial für Sicherheitslücken im Zusammenhang mit der Header-Verarbeitung und reduziert die Angriffsfläche, indem die Anzahl der Aktionen begrenzt wird, die ein Zwischengerät an den Paketen ausführen kann.

Zusätzliche Sicherheitsprotokolle:

Sichere Nachbarerkennung (SEND): IPv6 führt das Secure Neighbor Discovery-Protokoll ein, eine Erweiterung des Neighbor Discovery Protocol (NDP), das für die Interaktion zwischen benachbarten Knoten auf derselben Verbindung von entscheidender Bedeutung ist. SEND fügt NDP Sicherheit hinzu, was entscheidend ist, um verschiedene Angriffe wie Router-Spoofing und Umleitung zu verhindern. SEND verwendet kryptografische Methoden, um die Legitimität der zwischen Nachbarn ausgetauschten Nachrichten sicherzustellen.
Router-Werbung – Sicherheit: IPv6 verfügt über erweiterte Funktionen zum Sichern von Router-Anzeigen, die für die automatische Konfiguration von Geräten im Netzwerk von entscheidender Bedeutung sind. Im Gegensatz zu IPv4, wo Router-Anzeigen anfällig für Spoofing sind, kann IPv6 mit SEND diese Nachrichten authentifizieren und so Schutz vor böswilligen Router-Konfigurationen bieten.

Bereitstellen der IPv6-Sicherheit:

Firewalls und Netzwerksicherheit: Die Umstellung auf IPv6 erfordert Aktualisierungen der Firewall-Konfigurationen und anderer Netzwerksicherheitstools, um das neue Protokoll verarbeiten zu können. Die unterschiedliche Paketstruktur und Adressierung von IPv6 erfordert spezielle, auf den Datenverkehr zugeschnittene Regeln, um die Sicherheitsparität mit IPv4-Netzwerken aufrechtzuerhalten.
Schul-und Berufsbildung: Angesichts der Komplexität und der neuen Funktionen von IPv6 müssen IT-Experten aktuelle Schulungen zu IPv6-Sicherheitsfunktionen und Best Practices erhalten. Eine angemessene Wissensverbreitung stellt sicher, dass Netzwerke wirksam gegen sich entwickelnde Bedrohungen geschützt sind.

IPv6 bietet im Vergleich zu IPv4 erhebliche Verbesserungen in puncto Sicherheit, vor allem aufgrund der obligatorischen Unterstützung von IPsec und Verbesserungen wie SEND. Diese Fortschritte beheben nicht nur die Sicherheitsmängel von IPv4, sondern entsprechen auch den modernen Anforderungen an mehr Privatsphäre und Sicherheit bei der Internetkommunikation.

Netzwerkkonfiguration und -verwaltung: Übergang von IPv4 zu IPv6

Der Übergang von IPv4 zu IPv6 umfasst verschiedene Aspekte der Netzwerkkonfiguration und -verwaltung, die alle eine entscheidende Rolle bei der Gewährleistung eines reibungslosen Übergangs bei gleichzeitiger Verbesserung der Netzwerkfunktionen spielen.

IPv6 behebt nicht nur die Einschränkungen von IPv4 in Bezug auf Skalierbarkeit und Adressraum, sondern bringt auch erhebliche Verbesserungen bei der Netzwerkkonfiguration und -verwaltung. Diese Verbesserungen verringern den Verwaltungsaufwand, verbessern die Netzwerkflexibilität und erhöhen zwangsläufig die Sicherheit. Damit ist IPv6 eine robuste Grundlage für die zukünftige Entwicklung der Internet-Infrastruktur.

Bei der Umstellung auf IPv6 geht es daher nicht nur darum, mehr Geräte unterzubringen; es geht auch darum, Netzwerke besser verwaltbar und sicherer zu machen und sie auf die nächste Generation von Internetanwendungen vorzubereiten.

Übersicht zur IPv4-Netzwerkkonfiguration:

Manuelle und DHCP-Konfiguration:

IPv4 erfordert, dass Netzwerkadministratoren die Netzwerkeinstellungen auf jedem Gerät manuell konfigurieren oder das Dynamic Host Configuration Protocol (DHCP) verwenden, um IP-Adressen und andere Netzwerkeinstellungen automatisch zuzuweisen. DHCP vereinfacht zwar die Verwaltung, ist aber immer noch auf einen zentralen Server angewiesen, um IP-Informationen zu verteilen, was eine einzelne Fehlerquelle darstellen kann.

Subnetting und Adressverwaltung:

Komplexe Subnetzbildung: IPv4-Netzwerke erfordern häufig komplexe Subnetting-Schemata, um begrenzte Adressräume effizient zu nutzen. Dies kann den Verwaltungsaufwand erhöhen, da die Verwaltung und Optimierung dieser Subnetze häufig manuell und fehleranfällig erfolgt.
Netzwerkadressübersetzung (NAT): Aufgrund des begrenzten Adressraums verwendet IPv4 NAT in großem Umfang, damit mehrere Geräte in privaten Netzwerken eine einzige öffentliche IP-Adresse gemeinsam nutzen können. Dieser Ansatz spart zwar Adressraum, erschwert jedoch die Netzwerkverwaltung und behindert die End-to-End-Konnektivität und bestimmte Protokolle.

Verbesserungen der IPv6-Netzwerkkonfiguration:

Automatische Adresskonfiguration ohne Status (SLAAC):

Automatische Netzwerkkonfiguration: IPv6 führt SLAAC ein, das es Geräten ermöglicht, sich automatisch im Netzwerk zu konfigurieren, ohne dass serverbasierte Mechanismen wie DHCP erforderlich sind. Jedes Gerät kann seine eigene Adresse basierend auf dem von lokalen Routern bekannt gegebenen Netzwerkpräfix und seiner eigenen Hardwareadresse (MAC) generieren.
EUI-64-Format: Der automatische Konfigurationsprozess verwendet häufig das EUI-64-Format, bei dem die 48-Bit-MAC-Adresse des Geräts auf 64 Bit erweitert wird, um die Schnittstellenkennung der 128-Bit-IPv6-Adresse zu bilden. Diese Methode vereinfacht die Einrichtung und Integration des Geräts in das Netzwerk.

Verbessertes DHCP (DHCPv6):

Optionale Verwendung: Während SLAAC eine schnelle und effiziente Möglichkeit bietet, Geräte zu adressieren, ist DHCPv6 weiterhin für Szenarien verfügbar, in denen detailliertere Konfigurationen an Clients übertragen werden müssen, z. B. DNS-Einstellungen, Domänennamen und andere Netzwerkparameter.
Zustandsbehaftete Konfiguration: DHCPv6 kann in einem Statusmodus verwendet werden, um Adresszuweisungen zu verfolgen. Dies ist in verwalteten Netzwerkumgebungen hilfreich, in denen eine detaillierte Clientkonfiguration und -überwachung erforderlich ist.

Neukonfiguration und Neunummerierung des Netzwerks:

Einfachere IP-Neuzuweisung: Der riesige Adressraum und die flexible Architektur von IPv6 erleichtern die Neunummerierung von Netzwerken, also die Änderung der von Geräten in einem Netzwerk verwendeten IP-Adressen. Mit IPv6 können ganze Subnetze mit minimaler Unterbrechung neu nummeriert werden, was größtenteils auf die Unterstützung mehrerer Adressen pro Schnittstelle durch das Protokoll zurückzuführen ist.

Komplexität verringern und Verwaltung vereinfachen:

Hierarchische Adresszuordnung:

Strukturierte Adressierung: IPv6 unterstützt eine stärker hierarchische IP-Adressstruktur, die die Routenaggregation bei Internet-Routern verbessert und die Größe der Routingtabellen reduziert. Dadurch wird das globale Routingsystem effizienter und skalierbarer.
Lokale Adressierung: IPv6 führt außerdem Link-Local- und eindeutige lokale Adressen ein, die die lokale Kommunikation erleichtern, oft ohne dass eine globale Adresskonfiguration erforderlich ist. Dies ist insbesondere für interne Netzwerkkonfigurationen und die Diensttrennung nützlich.

Sicherheits- und Netzwerkrichtlinien:

Verbesserte Sicherheitskonfiguration: Dank nativer Unterstützung für IPsec ermöglicht IPv6 Netzwerkadministratoren die Implementierung robuster Sicherheitsrichtlinien direkt in der IP-Schicht, einschließlich verschlüsseltem Netzwerkverkehr und authentifizierter Kommunikation zwischen Hosts.
Durchsetzung von Netzwerkrichtlinien: Die Möglichkeit, Sicherheit auf der IP-Ebene einzubetten, vereinfacht die Durchsetzung von Netzwerksicherheitsrichtlinien und reduziert die Abhängigkeit von Protokollen der oberen Ebenen und Sicherheitsmaßnahmen auf Anwendungsebene.

17 Unterschiede zwischen IPv4 und IPv6

Besonderheit	IPv4	IPv6
Adresslänge	32 Bit	128 Bit
Adressierungstyp	Numerisch, dargestellt in Dezimalnotation mit Punkten (z. B. 192.168.1.1)	Alphanumerisch, hexadezimal dargestellt (z. B. 2001:0db8::1)
Adressen insgesamt	Etwa 4,3 Milliarden	Ungefähr 3,4 x 10^38
Header-Felder	12 Felder variabler Länge	8 Felder mit fester Länge
Header-Länge	20 bis 60 Bytes, variabel	40 Bytes, fest
Prüfsumme	Enthält ein Prüfsummenfeld zur Fehlerprüfung.	Kein Prüfsummenfeld; wird von Layer 2/3-Technologien gehandhabt
Sicherheit	Enthält ein Prüfsummenfeld zur Fehlerprüfung	IPsec ist integriert und bietet native Sicherheitsfunktionen
Zersplitterung	Wird sowohl vom Absender als auch vom Router ausgeführt	Wird nur vom Absender durchgeführt
Adresskonfiguration	Manuelle Konfiguration oder DHCP	Stateless Address Autoconfiguration (SLAAC) oder DHCPv6
Broadcast-Adressierung	Verwendet Broadcast-Adressen	Verwendet kein Broadcast, sondern stattdessen Multicast
IP-zu-MAC-Auflösung	Verwendet ARP (Address Resolution Protocol)	Verwendet NDP (Neighbor Discovery Protocol)
Mobilität	Eingeschränkter Support, erfordert mobile IP	Bessere Unterstützung mit integrierten Mobilitätsfunktionen
Netzwerkadressübersetzung (NAT)	Effizienter durch hierarchische Adressierung, die eine Routenaggregation ermöglicht	Nicht erforderlich aufgrund des großen Adressraums
Routing-Effizienz	Weniger effizient aufgrund der flachen und nicht-hierarchischen Adressstruktur	Effizienter durch hierarchische Adressierung, die eine Routenaggregation ermöglicht
Subnetzbildung	Verwendet Subnetting und CIDR (Classless Inter-Domain Routing)	Verwendet CIDR; aufgrund des großen Adressraums ist kein herkömmliches Subnetting erforderlich
Übergangsmechanismen	N / A	Beinhaltet Dual-Stack-, Tunneling- und Übersetzungstechniken
Einfache Verwaltung	Erfordert eine sorgfältige Verwaltung von IP-Adressen und Subnetzen	Vereinfachte Verwaltung durch Autokonfiguration und zahlreiche IP-Adressen

Abschluss

IPv6 ist nicht nur eine Notwendigkeit, weil IPv4 erschöpft ist; es stellt auch einen bedeutenden Fortschritt in Bezug auf Netzwerkdesign und -leistung dar. Seine Einführung ist entscheidend für die zukünftige Skalierbarkeit und Sicherheit des Internets. In Zukunft wird die Einführung von IPv6 für alle Beteiligten in der vernetzten Welt unabdingbar sein.