Was ist CIDR? Klassenloses Routing, Präfixe und Aggregation

Eine Route wie 203.0.113.0/24 wirkt wie eine bloße Kurzschreibweise, doch die Idee dahinter entschärfte eine Krise, die Anfang der 1990er Jahre das Wachstum des Internets ins Stocken zu bringen schien. Dieser Artikel erklärt, warum die ursprüngliche klassenbasierte Adressierung scheiterte, was ein Präfix tatsächlich aussagt, wie sich benachbarte Blöcke zu einer Route zusammenfassen lassen und warum ein Router stets die spezifischste Route bevorzugt, die er kennt. Für die Rechnerei beim Aufteilen eines Blocks in Subnetze ist der Subnetzrechner schneller als jede Erklärung; hier geht es darum, wie das System funktioniert und warum.

Das Problem mit Class A, B und C

Der ursprüngliche IPv4-Plan, definiert in RFC 791, ordnete Netzwerke anhand der führenden Bits einer Adresse in Klassen ein. Wie RFC 4632 schildert, erlaubte Class A 128 Netzwerke mit je etwa 16,7 Millionen Adressen, Class B 16.384 Netzwerke mit je 65.536 Adressen und Class C etwa 2,1 Millionen Netzwerke mit 254 nutzbaren Hosts. Zwischen 254 und 65.534 Hosts gab es nichts.

Eine mittelgroße Organisation steckte fest. Ein Class-C-Netz war für die meisten Organisationen zu klein und ein Class-B-Netz zu groß, doch Class B passte für den Einsatz mit Subnetting am besten, sodass die Nachfrage nach Class-B-Nummern ausuferte. Im November 1991 gründete die IETF die Gruppe ROAD (Routing und Adressierung). Bis Januar 1992 hatte sie drei Probleme benannt: Der Class-B-Raum ging zur Neige, die Routing-Tabellen wuchsen über das hinaus, was Software, Hardware und Betreiber bewältigen konnten, und der 32-Bit-Adressraum würde irgendwann erschöpft sein. Ihre Arbeit mündete in RFC 1338 und danach in RFC 1519 (September 1993).

CIDR, Classless Inter-Domain Routing, sollte die ersten beiden Probleme entschärfen, nicht das dritte. RFC 4632, die Überarbeitung von 2006, sagt, der Plan sei als kurzfristige Antwort gedacht gewesen, die etwa drei bis fünf Jahre tragen sollte, bis eine langfristige Lösung gefunden wäre. Mehr als dreißig Jahre später ist es immer noch die Notation, die Router und Cloud-Konsolen verwenden.

Was ein Präfix aussagt

In CIDR wird ein Adressblock als Adresse, Schrägstrich und Präfixlänge geschrieben: die Anzahl der führenden Bits, die das Netzwerk kennzeichnen. Die übrigen Bits kennzeichnen die Hosts darin. 192.0.2.0/24 legt 24 Bit fest und lässt 8 übrig, der Block umfasst also 2^8 = 256 Adressen. Jedes Bit, das dem Präfix hinzugefügt wird, halbiert den Block; jedes entfernte Bit verdoppelt ihn. Ein klassenbasiertes Netzwerk war nichts anderes als ein Block, dessen Präfixlänge durch die ersten Bits erzwungen wurde, stets /8, /16 oder /24. CIDR hob diesen Zwang auf, sodass eine Organisation, die etwa tausend Adressen braucht, ein /22 mit 1.024 Adressen erhalten kann statt eines Class-B-Netzes.

Aggregation: eine Route statt vieler

Die andere Hälfte von CIDRs Zweck betraf das Routing. Hält ein Provider einen großen Block und gibt Teile davon an Kunden weiter, braucht der Rest des Internets nur eine Route auf den gesamten Block statt einer pro Kunde. RFC 4632 sagt, Präfixe sollen der zugrunde liegenden Topologie des Internets ungefähr folgen, damit Aggregation möglich ist; deshalb werden sie im Allgemeinen entlang der Beziehungen zwischen Provider und Kunde vergeben.

Aggregation funktioniert nur, wenn die Blöcke zueinander passen. Zwei benachbarte /24-Blöcke verschmelzen nur dann zu einem /23, wenn der erste auf einer geraden Grenze beginnt. 192.168.0.0/24 und 192.168.1.0/24 lassen sich zu 192.168.0.0/23 zusammenfassen. 192.168.1.0/24 und 192.168.2.0/24 nicht, weil kein /23 bei 192.168.1.0 beginnt. Der kleinste einzelne Block, der beide abdeckt, ist 192.168.0.0/22, der auch 192.168.0.0/24 und 192.168.3.0/24 umfasst, Adressen, die Ihnen möglicherweise nicht gehören. Diese Ausrichtungsregel ist der praktische Grund, Adressen schon zu Beginn der Netzwerkplanung in Blöcken mit einer Zweierpotenz als Größe zu vergeben.

Longest Match: warum die spezifischste Route gewinnt

Überlappen sich Routen, braucht der Router eine Entscheidungsregel. RFC 4632 hält fest, dass die Weiterleitung im Internet nach dem Longest-Match-Prinzip erfolgt: Von allen Routen, deren Präfix das Ziel enthält, wird die mit dem längsten Präfix verwendet. Angenommen, eine Tabelle enthält 10.0.0.0/8 über Router A, 10.1.0.0/16 über Router B und 10.1.2.0/24 über Router C.

• Ein Paket für 10.1.2.9 passt auf alle drei Routen und folgt dem /24 zu C.
• Ein Paket für 10.1.9.9 passt auf das /8 und das /16 und folgt dem /16 zu B.
• Ein Paket für 10.9.9.9 passt nur auf das /8 und geht an A.

RFC 4632 (Abschnitt 5.1) ergänzt zwei Regeln. Ein Netzwerk, das über mehrere Provider erreichbar ist, muss sein eigenes Präfix ausdrücklich ankündigen, statt sich im Aggregat eines einzelnen Providers zu verstecken. Und ein Router, der ein Aggregat erzeugt, muss Pakete verwerfen, die auf das Aggregat, aber auf keine seiner spezifischeren Routen passen, da sonst Verkehr für nicht erreichbare Teile des Blocks in Schleifen laufen kann.

Details, über die man weiterhin stolpert

• Nutzbare Hosts. Ein Block aus 2^(32−n) Adressen verliert normalerweise zwei: die Netzwerkadresse und die Broadcast-Adresse. Ein /30 hat daher zwei nutzbare Hosts. RFC 3021 erlaubt /31-Präfixe auf Punkt-zu-Punkt-Verbindungen, bei denen beide Adressen nutzbar sind.
• Auch private Bereiche sind CIDR-Blöcke. RFC 1918 reserviert 10.0.0.0/8, 172.16.0.0/12 und 192.168.0.0/16. Der mittlere Block reicht nur von 172.16.0.0 bis 172.31.255.255, eine Adresse wie 172.32.0.1 ist also öffentlich.
• Subnet Zero. RFC 950 (1985), geschrieben für die klassenbasierte Ära, riet davon ab, Subnetze zu vergeben, deren Subnetzfeld nur aus Nullen oder nur aus Einsen bestand. RFC 1878 (1995) bezeichnet diese Praxis als veraltet, und moderne Software kann jedes definierbare Subnetz nutzen.
• IPv6 verwendet eine ähnliche Notation. RFC 4291 verlangt für alle Unicast-Adressen 64-Bit-Interface-Identifier, mit Ausnahme derjenigen, die mit dem Binärwert 000 beginnen; ein gewöhnliches IPv6-Subnetz ist daher ein /64, und die Adressplanung findet in den Bits darüber statt.

Quellen und weiterführende Literatur

• RFC 4632: Classless Inter-domain Routing (CIDR): The Internet Address Assignment and Aggregation Plan (Fuller and Li, 2006)
• RFC 1519: Classless Inter-Domain Routing (CIDR): an Address Assignment and Aggregation Strategy (Fuller, Li, Yu and Varadhan, 1993)
• RFC 950: Internet Standard Subnetting Procedure (Mogul and Postel, 1985)
• RFC 1878: Variable Length Subnet Table For IPv4 (Pummill and Manning, 1995)
• RFC 3021: Using 31-Bit Prefixes on IPv4 Point-to-Point Links (Retana, White, Fuller and McPherson, 2000)
• RFC 1918: Address Allocation for Private Internets (Rekhter et al., 1996)
• RFC 4291: IP Version 6 Addressing Architecture (Hinden and Deering, 2006)
• Kevin R. Fall and W. Richard Stevens, TCP/IP Illustrated, Volume 1: The Protocols, 2nd edition (Addison-Wesley, 2011)
• Larry L. Peterson and Bruce S. Davie, Computer Networks: A Systems Approach (Morgan Kaufmann)