IPv4 / サブネット

32 ビットのアドレス空間を使い切る話と、ヘッダの全フィールド、CIDR / VLSM、サブネット計算、特殊アドレスまで。 IPv4 を「ヘッダの 1 ビットまで読める」レベルに。

IPv4 ヘッダの全フィールド

 0                   1                   2                   3
 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
|Version|  IHL  |    DSCP   |ECN|         Total Length          |
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
|         Identification        |Flags|     Fragment Offset     |
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
|  Time to Live |    Protocol   |        Header Checksum        |
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
|                       Source Address                          |
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
|                    Destination Address                        |
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
|                    Options                    |    Padding    |
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
      

クラスフルアドレッシング（歴史）

昔は最初の数ビットでクラスを決めていた。今は CIDR で過去の話だが用語だけ残っている。

CIDR（Classless Inter-Domain Routing）

プレフィックス長を /n で表す現代の方式（RFC 4632）。クラス境界に縛られず、任意のビット境界で分割できる。

CIDR の読み方

192.168.10.0/24
└──────────┘└┘
  ネットワーク部 (24 bit)
                ホスト部 (32 - 24 = 8 bit)

→ ネットワーク数: 1
→ ホスト数: 2^8 - 2 = 254
      

VLSM（Variable Length Subnet Mask）

1 つの大きな割当を異なる大きさのサブネットに分けて使う技法。クラスフル時代は同一マスク必須だった。

10.0.0.0/16 を分割
├── 10.0.0.0/24    (社員 PC, 254 台)
├── 10.0.1.0/24    (サーバ, 254 台)
├── 10.0.2.0/26    (会議室 Wi-Fi, 62 台)
├── 10.0.2.64/26   (ゲスト Wi-Fi, 62 台)
└── 10.0.3.0/30    (ルータ間 P2P, 2 台)
      

サブネット計算

マスクから計算するコツ

2 進数で考えるのが一番速い。/24 = 上 24 ビットが 1。

/24  → 11111111.11111111.11111111.00000000 = 255.255.255.0
/26  → 11111111.11111111.11111111.11000000 = 255.255.255.192
/28  → 11111111.11111111.11111111.11110000 = 255.255.255.240
/30  → 11111111.11111111.11111111.11111100 = 255.255.255.252
      

暗算用の表（最後のオクテット）

例: 192.168.1.130/27 が属するサブネット

1. /27 のブロックサイズ = 32
2. 130 を 32 で割る: 130 ÷ 32 = 4 余り 2 → 4 番目のブロック
3. ブロック開始: 32 × 4 = 128
4. サブネット: 192.168.1.128/27
5. ブロードキャスト: 192.168.1.159
6. 有効ホスト範囲: 192.168.1.129 〜 192.168.1.158（30 個）

サブネット内の特殊アドレス

• ネットワークアドレス（最小） — 192.168.1.0（/24 の場合）
• ブロードキャスト（最大） — 192.168.1.255
• 有効ホスト — その間（254 個）
• /31 は例外で 2 アドレスとも使える（P2P 用、RFC 3021）

特殊アドレス一覧

ループバック

• 127.0.0.1 = localhost（最も使う）
• 実際は 127.0.0.0/8 全体がループバック扱い（127.1.2.3 でも自分に帰る）
• OS のループバックインタフェース lo / lo0 を経由
• 外には出ない（NIC を経由しない）

ブロードキャスト

3 種類

• 限定ブロードキャスト: 255.255.255.255 — 同一リンク内全員へ。ルータ越えなし
• ディレクト・ブロードキャスト: 192.168.1.255 — 特定サブネットの全員。現代はルータでブロックされる
• サブネット・ブロードキャスト: 自サブネット内宛て

使われ方

• DHCP DISCOVER（IP 取得前にサーバ探し）
• ARP Request
• NetBIOS / mDNS の発見

ブロードキャストドメイン

ブロードキャストが届く範囲。L2 スイッチでは越える、L3 ルータでは止まる。 VLAN で論理分割するとブロードキャストドメインも分かれる。

マルチキャスト

• 224.0.0.0/4 — マルチキャスト範囲
• 224.0.0.1 — 全ホスト（同リンク内）
• 224.0.0.2 — 全ルータ
• 224.0.0.5 / 224.0.0.6 — OSPF
• 224.0.0.9 — RIPv2
• 224.0.0.18 — VRRP
• 224.0.0.251 — mDNS
• 239.0.0.0/8 — 組織内マルチキャスト（プライベート）
• IGMP でグループ参加管理

IPv4 と MAC のマッピング

• IP マルチキャストアドレスから MAC アドレスへの変換規則:
• 01:00:5E:xx:xx:xx の下位 23 ビットに IP の下位 23 ビットをコピー

ARP の詳細

IP → MAC を解決するプロトコル。詳細は 物理・データリンク 参照。 ここでは IPv4 視点での補足。

Gratuitous ARP（無償 ARP）

起動時や IP 変更時に「自 IP の MAC はこれです」と誰も尋ねていないのにブロードキャスト。 ARP テーブルの強制更新、IP 重複検知、HSRP/VRRP のフェイルオーバー通知に使われる。

Proxy ARP

ルータが「他の IP に対して『私が代わりに応答』する」。 サブネットを跨いだ透過接続を実現するが、現代ではあまり使われない。

断片化（Fragmentation）の詳細

なぜ起きるか

経路上の MTU が小さいリンクに大きいパケットが来ると、分割しないと送れない。

分割の仕組み

• 送信元 / 経由ルータが分割
• 各断片に同じ Identification
• Fragment Offset で位置（8 バイト単位）
• MF (More Fragments) flag: 続きあり = 1、最後 = 0
• 受信側で再構成（タイムアウトあり、揃わなければ捨てる）

DF (Don't Fragment) フラグ

立てると経由ルータが分割せずにICMP Fragmentation Needed を返す。 この情報を受けて送信元が MTU を学習する仕組みが PMTUD。 詳細は ICMP ページ。

断片化の問題

• 1 つの断片が落ちると全体が無効
• ルータの処理負荷
• FW が断片を扱いづらい
• 断片化攻撃（teardrop、micro-fragments）
• 現代では「分割されないように送る」が原則。TCP は MSS で調整

MTU と MSS

• MTU: L3 で運べる最大バイト数。Ethernet で 1500
• MSS (Maximum Segment Size): TCP データの最大サイズ。MSS = MTU - 20 (IP) - 20 (TCP) = 1460
• TCP は SYN 時に MSS をネゴ
• VPN / トンネルで MTU が縮むので調整が必要（例: 1400）

TTL の用途

• 無限ループ防止: ルーティングループに入っても 0 で止まる
• 初期値は OS で異なる: Linux=64, Win=128, 一部=255
• TTL から経由ホップ数がだいたい分かる
• traceroute はこれを 1, 2, 3... と増やして応答を集める

Header Checksum

ヘッダの整合性チェック。各ホップで再計算される（TTL が変わるため）。 IPv6 では削除された（上位層の検査と冗長なため）。

IPv4 アドレス枯渇の現実

• 2011 年に IANA の在庫が枯渇
• 2015 年に各 RIR（地域インターネットレジストリ）でも枯渇
• 中古市場で 1 個 $30〜50 で売買
• クラウド事業者の Elastic IP / Static IP は保持に課金される
• 延命策: NAT、CGN、IPv6 への移行

10 進 / 2 進 / 16 進の変換

IPv4 アドレスは 10 進ドット表記が標準だが、ヘッダや tcpdump では 16 進や 2 進も出てくる。

確認コマンド

# Linux のサブネット計算
ipcalc 192.168.1.130/27
sipcalc 192.168.1.0/24

# 手元の IP
ip -4 a
ifconfig | grep "inet "

# サブネットマスクを CIDR で表示
ip route | grep -v default

# ARP テーブル
arp -an
ip neigh

# 重複 IP 検知
arping -c 3 192.168.1.10

Node.js で IPv4 操作

import { isIPv4, isIP } from "node:net"

isIPv4("192.168.1.1")     // true
isIP("::1")               // 6
isIP("not.an.ip")         // 0

// 数値化
function ipToInt(ip: string) {
  return ip.split(".").reduce((acc, oct) => (acc << 8) | parseInt(oct), 0) >>> 0
}
ipToInt("192.168.1.1") // 3232235777

よくあるトラブル