4.4 レッスン 1

IPアドレスは（MACアドレスと同様に）データパケットがどこから来てどこに行くかを示す方法です。IPv4は（IPの）元のプロトコルです。IPv4アドレスは32ビットで、論理上は4,294,967,296個のアドレスが使えますが、一部の範囲はブロードキャスト（特定のネットワーク内の全ての受信者に届けられる）やマルチキャスト（ブロードキャストと同様だがラジオのように選局することが必要）、私的利用などのために特別に予約されているため、利用できるアドレスはずっと少なくなっています。

IPv4アドレスを表記するときは、ドットで区切った4つの数値を使います。それぞれの数値の範囲は、0から255です。いくつかを例示します:

これらの数値は、技術的には8つのビットを表しています。すなわち、上記のアドレスは次のようにも書けます:

実際には10進数表記が使われますが、サブネットを理解するためにはビット単位の表現も有用です。

ルーティングを行うために、IPアドレスをネットワーク部とホスト部の2つに分けて考えます。ネットワーク部は、デバイスが属するネットワークを識別するもので、パケットをそのネットワークに届けるルーティングに使用します。ホスト部は、あるネットワークにおけるデバイスを識別するもので、到着したリンク層ネットワークにおいて特定の受信者にパケットを引き渡すために使用します。

IPアドレスはいつでもサブネットとホスト部に分けられます。そこで、どこで分割するかを示すために サブネットマスク を使います。前述のIPアドレスの2進数表現を、再度見ていきましょう:

IPアドレスに対して、サブネットマスクではネットワーク部にあたるビットを 1 に、ホスト部にあたるビットを 0 にセットします。

実際には、ネットマスクも10進数表記します。

これは、ネットワークの範囲 192.168.0.0 から 192.168.0.255 を意味します。ネットマスクにおける先頭からの3つの数値は全てのビットが1ですが、IPアドレスに変更はありません。

サブネットマスクには、CIDR （Classless Inter-Domain Routing/サイダー）と呼ばれる別の表記方法もあります。この表記方法は、サブネットマスクに何ビットを使用するかを、IPアドレスの後に示すものです。例では 32ビットの内の24ビットを 1 にセットしていますから、CIDR表記では 192.168.0.1/24 となります。

先に述べましたが、IPv4アドレス空間の一部は、特別な用途のために予約されています。その1つがプライベートアドレスで、以下のサブネットがそれに当たります:

これらのサブネット内のアドレスは、誰でも使用することができます。その代わり、これらのサブネットは多くのネットワークで同時に使用される可能性があるので、公共のインターネット上ではルーティングされません。

今日、ほとんどのネットワークは内部アドレス（訳注: プライベートアドレスと同じ意味）を使用しています。これにより、外部アドレスを割り当てなくても、内部ネットワークでの通信が可能です。今日のインターネット接続では、1つの外部IPv4アドレスのみを使用します。ルーターは、パケットをインターネットに転送する際に、全ての内部アドレスをその1つの外部IPアドレスにマップします。これを NAT （Network Address Translation/ナット）と呼びます。NATの特別な場合として、ルーターが（複数かつ任意の）内部アドレスを1つの外部アドレスにマップすることを マスカレード （masquerade）と呼びます。この役割は、内部ネットワークのあらゆるデバイスが、インターネット上の任意のIPアドレスに接続できるようにすることです。

コンピュータにIPv4アドレスを設定するには、主に2つの方法があります。アドレスを手作業で割り当てるか、DHCP （Dynamic Host Configuration Protocol/ディ・エイチ・シー・ピー）で自動割り当てを行うか、です。

DHCPを使用すると、中央のサーバーがどのアドレスをどのデバイスに割り当てるかを制御します。サーバーは、DNSサーバーのIPアドレスやデフォルトのルーターのIPアドレスなど、ネットワークに関する他の情報をデバイスに提供したり、より複雑な設定によって、ネットワークからオペレーティングシステムを起動することもできます。多くのシステムではDHCPがデフォルトで有効になっていますから、ネットワークに接続したときにはすでにIPアドレスを持っている可能性が高いでしょう。

ip addr add コマンドを使って、インターフェイスに手動でIPアドレスを追加することもできます。ここでは、インターフェイス ens33 にアドレス 192.168.0.5 を割り当ててみましょう。ネットワークのネットマスクは 255.255.255.0 で、CIDR表記では /24 になります。

続いて、ip addr show コマンドでアドレスが追加されたことを確認してみましょう。

上の実行例では lo インターフェイスと ens33 インターフェイスに、アドレスが割り当てられています。

デバイスへの到達性を確認するには ping コマンドを使います。これは エコー要求 （echo request）という特別な種類のメッセージを送り、送信者は受信者に応答を求めます。2つのデバイスのが接続に成功すると、受信者はエコー応答を返送して、接続を確認します。

-c 3 パラメータは3つのエコー要求を送った後に ping を停止します。オプションを指定しないと、ping は永遠に実行を続けるので、 Ctrl+C を押して止める必要があります。

ルーティングとは、パケットが送信元のネットワークから宛先のネットワークに到達するまでのプロセスです。それぞれのデバイスはルーティングテーブルを維持していて、そこには、デバイスが接続しているリンク層のネットワーク経由で至ることができるIPネットワークと、ルーターにパケットを渡して中継して貰うことで至ることができるIPネットワークのリストが収められています。テーブルの最後には、デフォルトルート として、他のルートに一致しなかったパケットをすべて受け取るルーターが定義されています。

接続しようとするときに、デバイスは宛先のIPアドレスをルーティングテーブルで探します。アドレスが一致すれば、いずれかのリンク層ネットワーク、ないしはルーティングテーブルに掲載されているルーターに宛てて、パケットが送出されます。

ルーター自体もルーティングテーブルを維持しています。パケットを受け取ると、自分自身のルーティングテーブルから宛先アドレスを探し、パケットを次のルーターに送ります。パケットが宛先ネットワークのルーターに届くまで繰り返されます。このパケットの旅に関与するルーターそれぞれを ホップ （hop）と呼びます。最後のルーターは、ルーティングテーブルから宛先アドレスが直接接続されているリンクを見つけて、パケットをそのリンクのインターフェイスから送出するのです。

ほとんどのホームネットワークでは、ISP （internet service provider）から提供された1台のルーターしか出口がありません。この場合、デバイスは、直接接続されているネットワーク宛てではない全てのパケットをホームルーターに送信し、ホームルーターはそれをプロバイダのルーターにさらに転送します。これがデフォルトルートの例です。

ip route show コマンドは、現在のIPv4ルーティングテーブルを表示します:

デフォルトルートを設定するには、デフォルトのゲートウェイとなるルーターのアドレスが必要です。例えば、ルーターのアドレスが 192.168.0.1 だとすると、以下のコマンドでデフォルトルートを設定します。

再度、ip route show を実行して確認しましょう:

アドレスは、4桁の16進数のグループをコロンで区切った8つのグループで表記します:

表記を簡単にするため、グループ毎に先頭のゼロは省略できます。ただし、各グループは少なくとも1桁の数字が必要です:

また、ゼロのグループが連続する場合には、そのグループ全体を :: で置き換えることができます:

ただし、:: による置き換えは、アドレス毎に1回限りです。

IPv6アドレスの前半64ビットを ルーティングプレフィックス （routing prefix）と呼び、ルーターがデバイスが属するネットワークを識別して送り先への経路を決定するために使われます。サブネット化はプレフィックス部のみを使って行われます。ISPは通常 /48 ないし /58 のプレフイックスを顧客に割り当て、残りの 16 ないし 8 ビットを内部のサブネットに使用します。

IPv6には主要なプレフィックスが3種類あります:

プレフィックスはデバイスがどのネットワークに属するかを示しますが、ネットワーク内のデバイスを列挙するためにインターフェイス識別子を使います。IPアドレスの後半64ビットが、IPv4アドレスの後半と同様の、インターフェイス識別子となります。

IPv6アドレスを手動で割り当てる場合は、インターフェイス識別子がアドレスの一部となります。アドレスの自動割り当てを使用すると、デバイス識別子は、乱数から選択されるか、デバイスのリンク層アドレスから導出されます。つまり、IPv6アドレスの中に、リンク層アドレスのバリエーションが含まれることがあります。

IPv4と同様に、IPv6もアドレスを手作業ないし自動的に割り当てられます。ただし、IPv6では自動構成に DHCPv6 と SLAAC （Stateless Address Autoconfiguration）の2種類があります。

SLAACは、2つの自動構成方法の中では簡単で、IPv6規格の中に含まれています。デバイスは、新しい 近隣探索プロトコル （Neighbor Discovery Protocol）のメッセージを使って、通信相手を見つけたり、ネットワークの情報を要求するメッセージを送ります。ネットワーク情報を返すのはルーターで、IPv6プレフィックスを含んでいます。デバイスはそのプレフィックスと自身が選択したインターフェイス識別子を組み合わせてアドレスを生成し、まだ未使用であればそのアドレスを使用します。なお、デバイスは選択した実際のアドレスをルーターにフィードバックすることは行いません（訳注: ステートレスの由来です）。

一方、DHCPv6は（IPv4の）DHCPをIPv6にあわせてアップデートしたものです。毎回同じアドレスを同じクライアントに渡したり、SLAACよりも多くのオプションをクライアントに送ることができるなど、クライアントに渡す情報をより細かく制御することができます。なお、クライアントはアドレスを使用するためにDHCPv6サーバーの明示的な許可を得る必要があります。

IPv6アドレスを手動でインターフェイスに割り当てる方法は、IPv4の場合と同じです。

割り当てがうまくいったことを確認するには、IPv4と同じく ip addr show コマンドをいます。

実行例には、リンクローカルアドレス fe80::010c:29ff:fe33:3b25/64 も表示されています。

IPv4と同様に、ping コマンドで IPv6でのデバイス間の到達可能性を確認できます。

リンクローカルアドレスを再度確認するには、同じく ping を使用します。しかし、すべてのインターフェースはプレフィックス fe80::/64 を使用するので、アドレスと共にインターフェイス名を指定する必要があります。