IP（IPv4 / IPv6）

ネットワーク層 (L3)。世界中のホストを一意に識別するIP アドレスと、 パケットを宛先まで運ぶルーティングの話。

IP の役割

• アドレッシング: ホストに番号を振る
• ルーティング: 宛先まで経路を選ぶ
• パケット転送: ベストエフォート（届く保証なし）
• 信頼性 / 順序保証は上位の TCP に任せる

IPv4 アドレス

32 ビット = 4 バイト。8 ビットずつドットで区切って10 進表記。

192.168.1.10
└─┘ └─┘ └┘ └┘
 8b  8b  8b 8b
      

合計 2^32 ≒ 43 億。これでは足りないので NAT で延命中、根本対策は IPv6。

サブネットマスク / プレフィックス

IP アドレスは「ネットワーク部 + ホスト部」に分けて使う。境界を示すのがサブネットマスク。

IP:    192.168.1.10
Mask:  255.255.255.0   ← 上 24 ビットがネットワーク部

→ 192.168.1.0/24
   └────────────┘
   ネットワーク (256 アドレス分)
      

現代はCIDR 表記「/24」が標準。ビット数だけで表せる。

よく使うプレフィックス

ネットワークアドレスとブロードキャスト

• 各サブネットの最小がネットワーク (e.g. 192.168.1.0)
• 各サブネットの最大がブロードキャスト (e.g. 192.168.1.255)
• これら 2 つはホストに割り当てない（だから /24 は 254 ホスト）

プライベート IP / グローバル IP

家庭やオフィスの内部用はプライベートアドレスを使う（RFC 1918）。

NAT（Network Address Translation）

プライベート IP のホストが、ルーター上で1 つのグローバル IP に変換されてインターネットに出る仕組み。

• NAT: 1:1 変換（ほぼ使わない）
• NAPT (PAT): ポートも変換し、多対 1。家庭用ルーターはこれ
• 外側からは区別がつかないためセキュリティ上の副次効果あり
• NAT 越しの P2P は難しい（→ STUN/TURN、WebRTC）

IPv4 ヘッダ（簡略）

+--------+--------+----+--------+--------+
| Ver    | IHL    |TOS | Length |
+--------+--------+----+--------+--------+
| ID              | Flags | Fragment Offset
+-----------------+-------+----------------
| TTL    | Proto  | Header Checksum
+--------+--------+-----------------------+
| 送信元 IP (32 bit)
+----------------------------------------
| 宛先 IP (32 bit)
+----------------------------------------
| Options (可変) | Padding
+----------------+-----------------------+
| データ
      

• TTL: 通過できるルータ数の上限。0 になったら捨てられる（traceroute はこれを使う）
• Protocol: 6=TCP, 17=UDP, 1=ICMP
• Fragment: MTU 超過で分割した断片の管理

ICMP

IP の制御・診断用プロトコル。エラー通知や疎通確認に使う。

• Echo Request / Reply — ping
• Destination Unreachable — 届かない
• Time Exceeded — TTL 切れ（traceroute で使う）
• Redirect — 経路が違う
• Fragmentation Needed — Path MTU Discovery

ルーティング

ルーターはルーティングテーブルを見てパケットの次の行先（ネクストホップ）を決める。 最も長く一致するエントリ（longest prefix match）が選ばれる。

ルーティングテーブル例

Destination     Gateway       Genmask         Iface
0.0.0.0         192.168.1.1   0.0.0.0         eth0   (デフォルト)
192.168.1.0     0.0.0.0       255.255.255.0   eth0   (直接接続)
10.0.0.0        10.1.1.1      255.0.0.0       eth1   (静的)
      

0.0.0.0/0（デフォルトルート）

どのエントリにも一致しないとき送る先。家庭ではルーター（インターネット側）を指す。

動的ルーティングプロトコル

• RIP: 距離（ホップ数）。古い・小規模
• OSPF: リンク状態。企業内
• EIGRP: Cisco 独自
• BGP: AS 間。インターネット全体の経路はこれで動いている

BGP とインターネット

インターネットはAS (Autonomous System) という単位の組織（ISP / クラウド事業者）が BGP で経路を交換することで全体として繋がっている。

• 各 AS には番号 (ASN) が付与される。例: AWS=16509、Cloudflare=13335
• BGP の誤設定で世界中で障害が起きることがある（経路ハイジャック）
• RPKI / ROA でルート認証が進行中

DHCP

IP アドレス・サブネット・デフォルトゲートウェイ・DNS を自動配布するプロトコル。

1. DHCP DISCOVER（クライアントがブロードキャスト）
2. DHCP OFFER（サーバが提案）
3. DHCP REQUEST（クライアントが要求）
4. DHCP ACK（確定）

IPv6

128 ビット = 2^128 ≒ 3.4×10^38 個。アドレス枯渇問題を根本解決。

2001:0db8:85a3:0000:0000:8a2e:0370:7334
└────┘└────┘└────┘└────┘└────┘└────┘└────┘└────┘
  16b  16b   16b  16b  16b  16b   16b  16b   = 128b
      

表記の省略

• 各ブロックの先頭 0 を省略 — 2001:db8:85a3:0:0:8a2e:370:7334
• 連続する 0 ブロックは:: に短縮（1 回だけ）— 2001:db8:85a3::8a2e:370:7334
• ループバックは ::1
• 未指定は ::

IPv6 の主要範囲

• 2000::/3 — グローバルユニキャスト
• fe80::/10 — リンクローカル（同一リンク内）
• fc00::/7 — ユニークローカル（プライベート相当）
• ff00::/8 — マルチキャスト
• ::1/128 — ループバック

IPv6 の特徴

• ヘッダがシンプルになって処理が速い
• NAT 不要が原則（アドレスが余ってる）
• SLAAC（Stateless Address Autoconfiguration）で DHCP なしでもアドレス取れる
• IPsec が組み込み標準
• ARP の代わりに NDP（ICMPv6 上）
• fragmentation は送信元のみ（経路ルータでは行わない）

URL 中の IPv6

コロンと URL の区切り文字が衝突するため角括弧で囲む:

http://[2001:db8::1]:8080/path

Dual Stack / 移行

現代のネットワークは IPv4 と IPv6 が両方動くデュアルスタックが主流。 モバイルキャリアや一部 ISP は IPv6 中心 + IPv4 NAT64 で動かしている。

Happy Eyeballs

ブラウザは IPv6 と IPv4 の両方を並列に試して速い方を採用する仕組み（RFC 8305）。 IPv6 が遅い環境でも体感を悪くしない。

確認コマンド

# 自分の IP
ip a                  # Linux
ifconfig              # 古典版

# ルーティングテーブル
ip route              # Linux
netstat -rn           # macOS
route print           # Windows

# ICMP 疎通
ping 8.8.8.8
ping6 2001:4860:4860::8888

# 経路追跡
traceroute example.com
traceroute6 example.com

よくあるトラブル