Definition Was ist ein Subnetz?

Ein Subnetz ist ein physikalisch oder logisch abgegrenzter Teil eines größeren Computernetzwerks. Beim IP-Subnetting werden zusammenhängende IP-Adressräume in kleinere, logisch getrennte Adressräume aufgeteilt. Diese Aufteilung ist eine wichtige Grundlage für effiziente, sichere und skalierbare IP-Netzwerke. Doch wie funktioniert Subnetting genau, und warum ist es so wichtig?

Bei einem Subnetz (im Englischen: Subnetwork oder kurz Subnet) handelt es sich um einen physikalisch oder logisch abgegrenzten Teil eines größeren Computernetzwerks. Innerhalb eines Subnetzes können die Geräte direkt miteinander kommunizieren. Für die Kommunikation zwischen Geräten unterschiedlicher Subnetze ist eine vermittelnde Instanz wie ein Router erforderlich. Grundsätzlich ist der Begriff Subnetz technikneutral und kann für Netzwerke mit unterschiedlichen Technologien oder Protokollen verwendet werden. Aufgrund der Dominanz des Internetprotokolls im heutigen Netzwerkumfeld ist bei der Verwendung des Begriffs Subnetz in der Regel ein IP-Subnetz gemeint.

Der Vorgang des Aufteilens größerer Netzwerke und zusammenhängender IP-Adressräume in kleinere, logisch abgeschlossene Einheiten wird als Subnetting bezeichnet. Subnetting ist ein fundamentales Konzept moderner Netzwerktechnik und eine wichtige Grundlage für effiziente, sichere und skalierbare Netzwerke. Es kommt sowohl in privaten IPv4- und IPv6-Netzen als auch im öffentlichen Internet zum Einsatz und sorgt für mehr Kontrolle und Sicherheit, höhere Leistung (weniger Broadcast-Traffic) und eine bessere Strukturierung der Netzwerke. Darüber hinaus reduziert Subnetting die Verschwendung von IP-Adressen. Oftmals bilden Subnetze geografische oder organisatorische Strukturen ab. Ein Subnetz kann beispielsweise alle Rechner eines Standorts oder einer Abteilung eines Unternehmens beinhalten. Das Internet in seiner heutigen Form wäre ohne Subnetting undenkbar.

Typische Beispiele für das Aufteilen von Netzwerken in Subnetze sind:

• Trennung der Netzwerke verschiedener Abteilungen eines Unternehmens

• Trennung von Produktions-, Entwicklungs- und Testumgebungen

• Bereitstellung eines Gastnetzwerks

• Einrichtung verschiedener Sicherheitszonen

• Segmentierung der Netze verschiedener Kunden im Rechenzentrum eines Service- oder Cloud-Providers

Kurzer Rückblick auf die Entstehung des IP-Subnetting

Bis Anfang der 1990er-Jahre existierten zur Einteilung der IPv4-Adressen in Host- und Netzanteil Netzklassen mit festen Längen. Klasse-A-Netze waren von 0.0.0.0 bis 127.255.255.255 definiert und hatten die Netzmaske 255.0.0.0. Der Netzanteil dieser Adressen war durch das erste Byte gekennzeichnet, der Rest stand für die Adressierung von Endgeräten zur Verfügung. Darüber hinaus gab es noch Klasse-B-Netze von 128.0.0.0 bis 191.255.255.255 mit der Netzmaske 255.255.0.0 und Klasse-C-Netze von 192.0.0.0 bis 223.255.255.255 mit der Maske 255.255.255.0. Bei Klasse-B-Netzen waren die ersten beiden Bytes der Netzanteil und bei Klasse-C-Netzen die ersten drei Bytes. Dementsprechend war bei einem Klasse-C-Netz nur ein Byte für die Adressierung von Endgeräten verfügbar. Klasse-D- und Klasse-E-Adressen waren für Multicast-Anwendungen und besondere Zwecke reserviert.

Aufgrund der festen Einteilung der Netzklassen war es zur Unterscheidung der verschiedenen Netzwerke nicht nötig, die Subnetzmaske mit anzugeben. Die IANA (Internet Assigned Numbers Authority) vergab die IP-Adressen zu der Zeit der festen Netzklassen in Form von ganzen IP-Netzen. Große internationale Konzerne erhielten Klasse-A-Netze, kleinere Unternehmen Klasse-B- oder Klasse-C-Netze.

Da die Unternehmen die zugeteilten Netzwerke aufgrund von unterschiedlichen Standorten und internen Strukturen in kleinere Blöcke aufteilen mussten, verwendeten sie intern individuelle Netzmasken zur Erstellung von Subnetzen. Die Netzmaske wurde so zur Subnetzmaske und war immer dann mit anzugeben, wenn unternehmensintern ein Subnetz adressiert war. Nur in Kombination von IP-Adresse und Subnetzmaske war ersichtlich, in welchem Subnetz sich ein Endgerät im Unternehmensnetzwerk befand.

Durch die starke Verbreitung des Internets und den rasch knapp werdenden Adressraum erwies sich das Konzept fester Netzklassen schnell als zu unflexibel und ressourcenaufwendig. Seit 1993 gilt daher im Internet das so genannte Classless-Inter-Domain-Routing-Verfahren (CIDR-Verfahren). Dieses Verfahren erlaubt bitvariable Netzmasken und die Aufteilung der Netze in unterschiedliche Teilnetze. Voraussetzung für das Classless Inter-Domain Routing ist, dass IP-Netzwerke immer mit der zugehörigen Netzmaske gekennzeichnet sind. Durch die Standardisierung des Subnetting konnte die IANA nun flexibel einzelne Subnetze vergeben. Durch Supernetting oder Route Aggregation lassen sich mehrere kleine Netze wieder zusammenfassen.

Aus welchen Gründen wird Subnetting betrieben?

Subnetting wird aus verschiedenen Gründen betrieben. Wie im vorigen Kapitel beschrieben, ist es aus der Notwendigkeit entstanden, effizienter mit den zur Verfügung stehenden IP-Adressen umzugehen und die Verschwendung von Netz- und Hostadressen zu reduzieren.

Weitere wichtige Gründe für das Subnetting sind die Strukturierung der Netzwerke und die Optimierung des Routings. Würden die IP-Adressen wahllos vergeben und nicht mithilfe von Subnetzen strukturiert, müssten die Router für jedes Teilnetz und jeden Host eigene Routen kennen, über die die Endgeräte oder Netze erreicht werden können. Riesige Routingtabellen und ineffiziente Routingverfahren wären die Folge. Ein neuer Host oder ein neues Teilnetz müsste auf allen Routern bekannt gemacht werden, über die er kommunizieren möchte. Deshalb ist es sinnvoll, Netzwerke nach organisatorischen Strukturen oder lokalen Gegebenheiten aufzuteilen. Diese Aufteilung berücksichtigt, wie viele Endgeräte sich in einem Teilnetz befinden sollen. Subnetting bietet hierfür alle benötigten Funktionen. Die einzelnen Teilnetze mit ihren Endgeräten lassen sich durch die Anwendung eines logischen und übergreifenden Adresskonzepts in größere Netze zusammenfassen. Dadurch reduziert sich die Anzahl der Routingeinträge in den Routern. Bei einer sinnvollen Einteilung der Subnetze ist eine Vielzahl an Endgeräten oder Subnetzen über nur einen einzigen Routingeintrag eines Zwischenrouters erreichbar.

Darüber hinaus gibt es weitere Gründe, warum die Einteilung in IP-Subnetze sinnvoll ist. Kurz zusammengefasst wird Subnetting aus folgenden Gründen betrieben:

• effizientere Ausnutzung der verfügbaren IP-Adressräume und Reduzierung der Adressverschwendung

• bessere Strukturierung der Netzwerke (zum Beispiel durch logische Gruppierung der Netzwerkendgeräte nach Standorten, Abteilungen oder Funktionen)

• Optimierung des Routings durch Zusammenfassen von Teilnetzen

• Verbesserung der Netzwerkleistung durch Reduzierung des Broadcast-Verkehrs

• mehr Kontrollmöglichkeiten und höhere Sicherheit durch Netzwerksegmentierung und Abgrenzung der Teilnetze zum Beispiel über Router oder Firewalls (wichtig zum Beispiel für die IT-Governance und Umsetzung von Zero-Trust-Konzepten)

Wie funktioniert IPv4-Subnetting?

Eine IPv4-Adresse ist 32 Bit lang und wird in vier dezimalen Blöcken mit jeweils acht Bit dargestellt. Jeder Block kann einen Wertebereich von 0 bis 255 einnehmen. Ein Beispiel für eine IPv4-Adresse ist 192.168.5.5. Um eine IPv4-Adresse aufgrund des Classless Inter-Domain Routings eindeutig zu beschreiben, muss zusätzlich eine Information zur Länge des Netzanteils und des Hostanteils vorhanden sein. Diese Aufgabe übernimmt die Netzmaske. Sie ist ebenfalls 32 Bit lang. Die Netzmaske bestimmt durch die in der Maske gesetzten Bits, an welcher Stelle die Auftrennung zwischen Netz- und Hostanteil stattfindet.

Für die Darstellung von IPv4-Adressen mit ihren Netzmasken haben sich bestimmte Schreibweisen etabliert. Je nachdem, in welcher Form die Netzmaske dargestellt ist, ob als Viererfolge von Bytes oder in der Suffix-Schreibweise, die die Länge des Präfix, also den Netzwerkanteil einer Adresse (die Anzahl der 1er-Bits in der Netzmaske) angibt, sehen die beiden typischen Schreibweisen folgendermaßen aus:

• Schreibweise IPv4-Adresse und Netzmaske: 192.168.5.5 / 255.255.255.0

• Schreibweise IPv4-Adresse mit Suffix (Präfixlänge): 192.168.5.5/24

Dort, wo die Bitfolge von 1 auf 0 umspringt, erfolgt die Trennung des Netz- und Hostanteils. Die Subnetzmaske 255.255.255.0 trennt die IP-Adresse nach dem dritten Byte und ermöglicht im letzten Byte die Adressierung von bis zu 253 Hosts. Von der Maximalanzahl 255 sind zwei Adressen abzuziehen, da die jeweils erste und letzte Adresse (.0 und .255) nicht für die Adressierung von Endgeräten genutzt werden. Bei diesen beiden Adressen handelt es sich um die Netz- und die Broadcast-Adresse, über die alle Endgeräte in einem Netz erreichbar sind. Unter bestimmten Umständen sind Netz- und Broadcast-Adressen für die Adressierung von Endgeräten verwendbar. In der Regel nimmt man davon jedoch Abstand.

Das Verlängern der Netzmaske um ein Bit lässt zwei neue Subnetze entstehen. Die Verlängerung um zwei Bits generiert vier Subnetze. Drei Bits ermöglichen die Aufteilung in bis zu acht verschiedene Teilnetze. Die Subnetzmaske kann als eine Art Schablone interpretiert werden, die über die Adresse gelegt wird. Das kleinstmögliche Standardsubnetz ist durch die Subnetzmaske 255.255.255.252 (/30) gekennzeichnet. Es gestattet die Vergabe von zwei Hostadressen. Die anderen beiden der insgesamt vier möglichen Adressen sind die Netzadresse und die Broadcast-Adresse. Speziell für Punkt-zu-Punkt-Verbindungen können auch Subnetze mit der Subnetzmaske 255.255.255.254 (/31) und mit nur zwei mögliche IP-Adressen, ohne separate Netzwerk- oder Broadcast-Adresse, eingerichtet werden.

Alle IP-Adressen, bei denen der Netzanteil identisch ist, befinden sich im gleichen Subnetzwerk. Damit alle Hostadressen im Netzwerk eindeutig sind, darf die Hostadresse nicht mehrfach vergeben sein. Die Kommunikation zwischen den Geräten in einem gemeinsamen Subnetzwerk ist möglich, ohne dass ein Router den Verkehr über die Netzwerkgrenzen hinaus routen muss.

Soll eine Kommunikation zwischen verschiedenen Subnetzen stattfinden, wird ein Router benötigt. Dieser wird über seine IP-Adresse im betreffenden Subnetz erreicht. Oft ist pro Netz oder Subnetz nur ein Router vorhanden, der sämtlichen Verkehr in andere Netzwerke vermittelt. Dieser Router nennt sich Default Gateway und ist von den Endgeräten immer dann anzusprechen, wenn sie Ziele außerhalb des eigenen Netzwerks oder Subnetzes erreichen möchten.

Wie funktioniert IPv6-Subnetting?

Im Gegensatz zu IPv4 dient Subnetting bei IPv6-Netzen nicht zur Behebung von Adressknappheit, sondern zur Strukturierung der Netzwerke. Prinzipiell funktioniert das IPv6-Subnetting aber genauso wie das IPv4-Subnetting, denn bei IPv6-Adressen gilt in puncto Netz- und Hostanteil das gleiche Grundprinzip. Die IPv6-Adresse ist allerdings mit 128 Bit (16 Byte) deutlich länger. Für die Kennzeichnung von Host- und Netzanteil hat sich bei IPv6 von Beginn an die Präfix-Darstellung durchgesetzt.

Die Schreibweise einer IPv6-Adresse erfolgt in hexadezimaler Form, aufgeteilt in acht Mal 16 Bit. Im Gegensatz zu IPv4-Adressen steht zwischen den Blöcken kein Punkt, sondern ein Doppelpunkt. Die Schreibweise einer IPv6-Adresse sieht beispielsweise folgendermaßen aus:

2001:0db5:85b5:07a5:0000:9b1c:0155:6222/64

Bestehen einzelne Blöcke nur aus Nullen, lassen sich diese durch zwei Doppelpunkte ausblenden. Die Beispieladresse oben lässt sich also auch folgendermaßen schreiben:

2001:0db5:85b5:07a5::9b1c:0155:6222/64

Netz- und Hostanteile einer IPv6-Adresse nennen sich Präfix und Interface Identifier. Die Segmentierung in Präfix und Interface Identifier erfolgt über die Angabe der Präfixlänge, mit einem Slash getrennt, direkt hinter der Adresse. Die Präfixlänge 64 besagt, dass die ersten 64 Bit der IPv6-Adresse der Netzanteil und die zweiten 64 Bit der Hostanteil (Interface Identifier) sind.

Ein typisches Beispielszenario für IPv6-Subnetting ist die Strukturierung eines von einem Internet Service Provider zugewiesenen /48- oder /56-Netzwerks in mehrere interne /64-Subnetze. /64 ist die Standardgröße für ein Subnetz und bietet genügend Adressen zur Adressierung von Endgeräten. Über die Bit-Grenze von 64 geht man beim IPv6-Subnetting in der Regel nicht hinaus. In diesem Beispielszenario können die Bits zwischen 49 beziehungsweise zwischen 57 und 64 genutzt werden, um bis zu 65.536 (2 hoch 16) beziehungsweise 256 (2 hoch 8) Subnetze zu erstellen.

Beispiel:
Ein ISP teilt einem Kunden das Netzwerk 2001:0db5:85b5:3200::/56 zu. Daraus lassen sich 256 Subnetze mit Präfixlänge 64 von 2001:0db5:85b5:3200::/64 bis 2001:0db5:85b5:32ff::/64 für verschiedene Abteilungen bilden.

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