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【基礎から学び直すITインフラ入門】#4 IPアドレッシング

    hiro

    4記事目です。閲覧数とか見れるんだけど、機械学習の記事を書いていた時と比べると明らかに違う。やっぱりAIは人気なのか。
    では、始めます。前回記事は ↓ から。

    はじめに

    前回は、トランスポート層のTCPとUDPについて学びました。
    今回は、インターネット層のIPアドレッシングについて見ていきます。IPアドレスはネットワーク上の住所に例えられますが、効率的なルーティングを実現するために、どのような仕組みがあるか見ていきましょう。

    インターネット層の役割

    はじめに、インターネット層の役割についておさらいしましょう。
    【基礎から学び直すITインフラ入門】#1ネットワークの階層モデル で紹介した、TCP/IPモデルにおけるインターネット層となります。


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    TCP/IPモデル インターネット層

    インターネット層の主な役割:

    1. 論理アドレスの管理: IPアドレスによる識別

    2. ルーティング: 異なるネットワーク間でのパケット転送

    IPアドレスとは？

    IPアドレスは、ネットワーク上の各デバイスを識別するための論理的な住所です。

    MACアドレスとの違い

    MACアドレス：
    MACアドレスはネットワークカード自体に割り当てられた識別子のため、通常はどこに接続しても変わりない。

    IPアドレス：
    ネットワークの構成や接続先によって動的に割り当てられることも多く、
    同じ端末でも接続するネットワークが変われば変わる。

    IPアドレスの基本

    IPアドレスの構造

    IPv4アドレスは32ビット(4バイト)の数値です。
    各オクテット(8ビット)は 0〜255 の範囲を示します。

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    IPアドレスの構造

    ネットワーク部とホスト部

    IPアドレスはネットワーク部とホスト部と呼ばれる、2つの部分から構成されています。

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    ネットワーク部とホスト部

    ネットワーク部: どのネットワークかを表現しています。
    ホスト部: そのネットワーク内のどのデバイスかを表現しています。

    サブネットマスク

    IPアドレスのどこまでがネットワーク部で、どこからがホスト部かを示すのがサブネットマスクです。IPアドレスとビット単位でAND演算することで、どのネットワークに属しているかを判定するために使われます。

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    サブネットマスク 例

    また、サブネットマスクはCIDR (Classless Inter-Domain Routing)表記と呼ばれる、視覚的にわかりやすい形式でも表現できます。

    サブネットマスク：255.255.255.0
    CIDR：    /24 (=先頭24bitがネットワーク部という意味となります。)

    プライベートIPとパブリックIP

    続いて、プライベートIPとパブリックIP(グローバルIP)についてです。
    プライベートIPとは、会社や家庭などで各自で設定することができるIP範囲で、インターネット上でルーティングされることはない、文字通りプライベートな空間です。
    パブリックIPとは、プライベートIP範囲や一部の予約済みIPを除く、すべてのIPアドレスのことを指し、インターネット上で一意の値でISP（Internet Service Provider）から提供されます。

    プライベートIPの範囲
    10.0.0.0 〜 10.255.255.255 (10.0.0.0/8)
    172.16.0.0 〜 172.31.255.255 (172.16.0.0/12)
    192.168.0.0 〜 192.168.255.255 (192.168.0.0/16)

    NAT (Network Address Translation)

    プライベートIPアドレスを使うデバイスがインターネットにアクセスするには、NATが必要です。


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    NAT IP変換の流れ

    NATの動作:

    1. 送信時: プライベートIP:ポート → パブリックIP:ポート に変換

    2. NATテーブルに記録: 対応関係を保存

    3. 受信時: パブリックIP:ポート → プライベートIP:ポート に逆変換

    NATを利用する背景としては、1つのパブリックIPで複数デバイスが通信可能となるためIPアドレスの節約ができることや、副次的にはなりますが、内部ネットワーク構造が外部から見えなくすることでの、セキュリティ強化の意味合いがあります。

    IPv6 アドレス

    IPv6アドレスとは、インターネット上の機器を識別するための次世代のIPアドレスです。
    IPv4アドレスは、約43億個しかなく、スマートフォンやIoT機器の普及により 枯渇しており、その後継として設計されています。

    IPv6アドレスの表記
    IPv6アドレスは、128ビットで構成されるため、理論上、ほぼ無限に近い数(約340澗個)のアドレスを利用可能です。16進数をコロン（:）で区切って表記します。
    例： 2001:0db8:85a3:0000:0000:8a2e:0370:7334

    このようにIPv6アドレスを利用すれば、IPアドレスを節約する必要もなく、NATを利用しないエンドツーエンドの通信が実現することも見込まれます。
    ※先ほど触れた、NATでのセキュリティ強化はあくまで副次的なものなので、本来はFWなどで担保してあげる必要があります。

    さいごに

    今回は、インターネット層における IPアドレスの構成について見てきました。
    何となく理解したつもりでいても、こうして言葉にしようとすると、上手く言語化できないところもかなり出てきました。こうした、脳にしわが刻まれる瞬間は汁が出ますね。

    次回はルーティングについて詳しく見ていきます。パケットがどのように経路を選択して転送されていくのか追っていきましょう。


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