IPアドレスの構造

IPアドレスとは？

グローバルIPアドレスについて全く同じアドレスをもつコンピューターが複数台存在してしまうと, 「コンピューターを識別する」という目的が果たせないので, 番号の重複を防ぐために ICANN(アイキャン)という機関が中心となってグローバルIPアドレスを管理しています.

プライベートIPアドレス

会社や仮定などのLAN内のネットワーク（＝イントラネット）に限って利用可能なIPアドレスは自由に使うことが出来ます.

• 自由に使用できるとはいえ組織内で一意でない場合は, 宛先を混同して正常に通信できないので一意に割り当てる必要があります.
• このIPアドレスが割り当てられた機器はインターネットでは通信を行えないため, インターネット通信を行うためには, アドレス変換技術(NAT, Network Address Translation)などでグローバルIPを持つ機器に中継してもらう必要がある

Network Address Translation

まず基本として, プライベートIPアドレスのままではLAN内にある端末からインターネットにあるサーバーにアクセスできません. インターネットを介した通信を実現するにあたって, ローカルのデバイス目線だと

1. ルーターが, 送信元のプライベートIPアドレス（内部のIPアドレス）をグローバルIPアドレス（外部のIPアドレス）に書き換えて送信
2. 宛先のサーバーからは, そのグローバルIPアドレスを持つ端末が送信元に見えるかたちで通信のやり取り
3. サーバーからの応答を受け取ったルーターは, 宛先のグローバルIPアドレスをNATテーブルに従ってプライベートIPアドレスに再変換

sequenceDiagram
    participant A AS PC<br>192.168.10.1
    participant B AS NATルーター<br>221.220.123.45
    participant C AS github.com<br>192.30.255.112

    A->>B: 192.168.10.1から<br>192.30.255.112へ
    B->>B: 発信元を<br>221.220.123.45へ変換

    rect rgb(128, 128, 128)
    note right of B: Internet
      B->>C: 221.220.123.45から<br>192.30.255.112へ
      C->>B: 192.30.255.112から<br>221.220.123.45へ
    end
    B->>B: レスポンス宛先を<br>192.168.10.1へ変換
    B->>A: 192.30.255.112から<br>192.168.10.1へ

通信時にIPアドレスが書き換えられるので, 外部ネットワークに対して内部ネットワークを隠蔽できるという特徴があります. またLAN内にある端末には外部ネットワークから直接アクセスできなくなるのでセキュリティーを高められます. そのため, プライベートIPアドレスがバレてしまっても特段問題はありません.

Network Address and Port Translation

例としてGlobal IP address 202.10.101.11をもつ同一LAN内に以下の２つの端末とNAPTルーター以下のような形で存在するとする

• NAPTルーター: 192.168.10.1
• 端末 A: 192.168.10.2, GitHub.comへアクセスしたい
• 端末 B: 192.168.10.3, Google.comへアクセスしたい

NATは, あくまでもプライベートアドレスとグローバルアドレスを1対1で変換するものなので, 同時にアクセスしたい場合は端末の数だけグローバルアドレスが必要になる. NAPTはプライベートアドレス端末で利用しているTCP/UDPのポート番号理利用して, ルーターが持つ1つのグローバルIPアドレスと適当なポート番号に書き換えることで同じ一つのグローバルアドレスを使いながら, 同時に複数のプライベートアドレス端末からの通信を実現します.

ネットワークアドレスの変換例

NAPTではプライベートIPアドレス及びそのポート番号とグローバルIPアドレス及びそのポート番号の対応を管理することでIPマスカレード機能を実現しています.

---
title: NAPT
---
classDiagram
    class Terminal_A
      Terminal_A : Local IP 192.168.10.2
      Terminal_A : Port 2000
      Terminal_A : アクセス先 GitHub.com
    class Terminal_B
      Terminal_B : Local IP 192.168.10.3
      Terminal_B : Port 2000
      Terminal_B : アクセス先 Google.com
    class NAPT
      NAPT: Local IP 192.168.10.1 
      NAPT: Global IP 202.10.101.11
    note for NAPT "以下のようにNAPTテーブルを保持<br>(Local IP & Port)&#9:&#9;(Global IP&Port)<br>192.168.10.2.2000: 202.10.101.11.20000<br>192.168.10.3.2000: 202.10.101.11.20001"
    Terminal_A <--> NAPT
    Terminal_B <--> NAPT
      NAPT <--> Github: 送信元を202.10.101.11.20000として通信 
      NAPT <--> Google: 送信元を202.10.101.11.20001として通信

IPアドレスのクラス

IPアドレスは, クラスA, クラスB, クラスC, クラスD, クラスEの5つのアドレスクラスに分類されます. これらのクラスでは以下の項目が定義されています:

• ネットワーク部とホスト部の範囲
• アドレス範囲
• 用途

• ネットワーク部が小さいほど, ホスト部が大きくなるので大きなネットワークになる
• 例: クラスCではホスト部が8bitなので, $256 - 2 = 254$ 個のIPアドレスのみネットワーク内で割り当てることができる

使用禁止されているアドレス

自分自身を表すループバックアドレスとして, IPv4では一般に 127.0.0.1を用いるが実際には 127.0.0.0/8 のネットワーク番号を持つIPアドレスはクラスの関係上すべてループバックアドレスとして使用できてしまいます. そのため, 127.0.0.0/8はネットワークアドレスとして使用禁止されているIPアドレスと事実上なっています. なお, IPv6では ::1 がループバックアドレスが定義されており, IPv4での無駄が改善されています.

IPv4

IPアドレスには, 32 bitで表現される「IPv4」と128 bitで表現される「IPv6」の２種類があります. 従来から用いられているIPv4の構造は基本的には次のような構造になっています:

ネットワーク部とホスト部の関係

サブネットマスク: ネットワーク部とホスト部の境目

IPアドレスにおいてネットワークアドレスに割り当てるbit数を定義するために使われるのが, サブネットマスクという32 bitの数値です. サブネットマスクには, 以下のような3つの表記方法があります 192.168.10.100

• CIDR表記, アドレスプレフィックス表記 : /24
• 10進数表記: 255.255.255.
• 2進数表記: 11111111.11111111.11111111.00000000

1
2
3
4
5
# 10進数
255.255.255.128

# 2進数
11111111.11111111.11111111.10000000

ネットワークアドレスの集約

ネットワークの規模が大きくなって, サブネットワークの数が増えてくると, ルーティングテーブルに登録するネットワーク数も多くなり, 多くのメモリを必要とします. ルート集約を行うと複数のネットワークアドレスを1つのネットワークアドレスに集約して対向側のルータへ通知することができるため, ルーティングアップデートで伝える情報が減り, 収束時間を短縮することも可能になるというメリットがあります.

このネットワークの集約を可能にした技術のことがCIDRです.

CIDRによって, 例えば 200.0.0.0/24 ～ 200.0.7.0/24 の8つのネットワークを, 1つのネットワークに集約をして 200.0.0.0/21 として扱うことができます. 例えば401個のホストを同じネットワークで管理したいとき, クラスBのネットワークを付与するのではなく, 必要としているIPアドレスの数と同じくらいの数となるよう, 連続する複数のクラスCのネットワークを1つのネットワークとして割り当てれば(= 2つのクラスCを集約する), IPアドレス空間を有効利用できるようになります.

1
2
3
4
5
#192.168.10.0/24
11000000 10101000 00001010 00000000

#192.168.58.0/24
11000000 10101000 00111010 00000000

予約済みIPアドレス: ネットワークアドレス, ブロードキャストアドレス, ループバックアドレス

IPアドレスには, コンピュータなどのホストに割り当てられない, 特別な用途で使用するものがあります.

• ネットワークアドレス: ホスト部の bit が全て 0 のアドレス
• ブロードキャストアドレス: ホスト部の bit が全て 1 のアドレス
• ループバックアドレス: 127.0.0.1 のアドレス

が予約済みIPアドレスです.

ネットワークアドレス

ブロードキャストアドレス

ループバックアドレス

ループバックアドレスは自分自身のサービスが動作しているかどうかを確認したり, 自分自身のコンピュータ上で動作しているサービスへ接続したりする場合に利用します. また, ループバックアドレスのIPアドレスには、「localhost」という単純なホスト名が割り当てられています.

なので, JekyllやJupyterといったサービスをローカルで立ち上げると

1
http://127.0.0.1:port/

とServer addressが表示されますが, localhost:portに対してアクセスしても同じサービスを利用することが出来ます.

References

• TCP/IPの絵本 第2版 ネットワークを学ぶ新しい9つの扉, 株式会社アンク 著
• ネットワークエンジニアとして > Network Study 1