ネットワークを学ぶ

開発101

Ryo Nakagami

2026年06月16日

ネットワーク基礎

ネットワーク基礎
- TCP/IPの概要
- アプリケーション層
- トランスポート層
- ネットワーク層
- データリンク層
- 物理層
- ルーティング
ネットワーク実践

コンピューターネットワークとは

コンピューターネットワークとは，コンピューター同士をケーブルや電波など何かしらの手段でつないで，様々なデータをやり取りできる状態にしたもの
ネットワークのおかげで，Webサービス，電子メール，ファイル共有，SSHなどの通信サービスが成立している

① LAN（Local Area Network）

自宅や社内など狭い範囲を結ぶネットワーク
Wi-Fi・Ethernet でルーター配下の機器を相互接続
社内限定のWebサイトやファイル共有システム（イントラネット）の基盤として利用される

② WAN（Wide Area Network）

拠点間など広域を結ぶネットワーク
ルーターの WAN 側から ISP 経由で外部へ接続

③ インターネット

世界中の LAN・WAN を相互接続した巨大な網
IP・BGP を基盤に異なるネットワーク同士を中継

ネットワーク接続の基盤: NIC

コンピューターをネットワークに接続するには，接続部分にNIC(Network Interface card)という機器が必要
各 NIC には製造時にメーカーによる固有番号 MAC(Media Access Control)アドレスが割り当てられている

Network Interface card

① NICはコンピューターとネットワークをつなぐ玄関口

送信時：コンピューター内部のデータ（ビット列）を，ネットワークを流れる信号（光や電圧）に変換
受信時：受信した信号をビット列へ戻す

② 接続の方式は有線・無線で異なる

有線LANでは Ethernet ケーブルを介して接続する
無線LANでは Wi-Fi の電波を介して接続する
いずれも物理的な接続を担うのが NIC

③ NICはMACアドレスで相手を識別

MACアドレスは各NICに固有の識別番号
同一ネットワーク内では，このMACアドレスで送信先・送信元を特定する

ネットワーク上のコンピューター同士が通信するためのルール

通信プロトコル

データ通信は，「データをデジタル信号にする」→「送り先に届ける」→「信号をデータに戻す」の流れが基本
通信には，送信側と受信側で予め着られたら共通ルール（=プロトコル）が必要

コンピューターネットワークによりファイル転送が可能になる

コンピューターネットワーク活用事例

SFTPサービスとはSFTPクライアントとSFTPサーバーがSFTPというプロトコルを用いてファイル転送をできるようにするサービス
ファイルは1つずつでなくても，まとめて転送可能

TCP/IPの概要

ネットワーク基礎
- TCP/IPの概要
- アプリケーション層
- トランスポート層
- ネットワーク層
- データリンク層
- 物理層
- ルーティング
ネットワーク実践

TCP/IPでは送受信の一連の作業を層に分けて処理している

TCP/IPでは送受信に関わる一連の作業を5層にわけて処理
上の層ほどユーザーに近く，下の層ほど機器に近い作業を担当

各層は役割ごとに代表的なプロトコルを担当する

record1:
  Layer:
    - アプリケーション層
  Description:
    - アプリケーションが扱うデータ形式に変換
    - アプリケーション毎に様々なプロトコルが存在
    - この層は「クライアントとサーバー」という概念を持っている
  Protocol:
    - HTTP・HTTPS・DNS・SMTP・POP3・NTP

record2:
  Layer:
    - トランスポート層
  Description:
    - アプリケーション間の通信を管理し，データをセグメントに分割して送受信する
    - エラー検知・再送・順序制御により通信の信頼性を確保する
  Protocol:
    - TCP・UDP・TLS

record3:
  Layer:
    - ネットワーク層
  Description:
    - 宛先IPを付与してパケット化し，ネットワーク間の最適な経路を決定する
    - 届けたデータの整合性確認は担当しない
  Protocol:
    - IP・ICMP・IPsec

record4:
  Layer:
    - データリンク層
  Description:
    - 同一ネットワーク内で機器同士のデータ送受信を管理する
    - MACアドレスを利用して，次の機器へデータを受け渡す
  Protocol:
    - Ethernet・Wi-Fi（IEEE 802.11）

record5:
  Layer:
    - 物理層
  Description:
    - ビット列を電気・光信号に変換し，ケーブルや電波などの媒体へ送出する
    - 変換方法は通信媒体に依存するため，特定のプロトコルは決められない
  Protocol:
    - IEEE 802.3・光ファイバ

各階層に存在する通信機器などの実態をエンティティと呼ぶ
プロトコルの組み合わせを変えることで，いろいろなアプリケーションや機器に対応できる
- 電子メールの送信: SMTP + TCP + IP
- 電子メールの受信: POP3 + TCP + IP

カプセル化: データと情報をひとまとめにして扱うこと

カプセルのように，データを各層の制御情報で包みながら送信する仕組み
各層の制御情報は受信側の同じ層でのみ使用される
通信を行う際に，上位層から渡されたデータに対して，各階層独自の制御情報（ヘッダー）を付加していく
一個上の層で付与されたヘッダは，下の層ではデータとしてみなされる
受信側では逆に外側から順番に制御情報を取り除く（カプセル化の解除）

データは配送される荷物のように，各層で必要な情報を追加しながら送り先へ届けられる

カプセル化を構成する要素

送信側の各層では，受信側の同じ総出必要となる情報を共通の書式でデータに付加していく
データよりも前に付加した情報をヘッダ，後ろに付加した情報をトレーラと呼ぶ

regmonkey_index:
  title_fontsize: 1.1em
  bullet_fontsize: 0.9em
  numbering: false
  children:
    - title: ヘッダ（Header）
      description:
        - 各層がデータの前に付加する制御情報
        - 宛先・送信元・順序番号など，その層の処理に必要な情報を格納する
      width: [30,70]
    - title: データ（Payload）
      description:
        - 上位層から渡された運ぶべき本体部分
        - 一つ上の層で付与されたヘッダも，下の層ではデータとしてみなされる
      width: [30,70]
    - title: トレーラ（Trailer）
      description:
        - 一部の層がデータの後ろに付加する制御情報
        - 主にデータリンク層で，誤り検出用のチェック情報（FCS）として利用される
        - トレーラーはないこともありえる
      width: [30,70]

ネットワーク通信時には細かく分割してデータを送信する

大容量のデータをそのまま送ると通信路を占有してしまうため，データを扱いやすい小さな単位に分割して送信する
ネットワーク層（インターネット層）でカプセル化され，IPヘッダが付与されたデータのまとまりをパケットと呼ぶ
各層でカプセル化されたデータの単位（PDU：Protocol Data Unit）は，階層ごとに固有の名称を持つ

上位層から順に分割・包み込まれ，最終的に「パケット」などの単位（PDU）としてネットワークを流れる

step-flow__row_height: 4.5em
col_width: [17, 25, 33, 25]
header_font: 1.2em
top-aligned: true
line_height: 1.1
header:
  step: 層
  unit: データ単位（PDU）
  description: 行われる処理
  example: 付与されるヘッダ例
font:
  step: 1.2em
  unit: 1.2em
  description: 1.2em
  example: 1.2em
record:
  - step: ① アプリケーション層
    unit:
      - データ（Data / Message）
    description:
      - Webページやメールなどのデータ本体
      - まだ分割されていないひとまとまりの状態
    example:
      - ヘッダ付与なし（データ本体のまま）
  - step: ② トランスポート層
    unit:
      - セグメント（Segment）
    description:
      - データを扱いやすい大きさに分割
      - TCPヘッダ（ポート番号など）を付与
    example:
      - 送信元・宛先ポート番号
      - シーケンス番号・確認応答番号
  - step: ③ ネットワーク層
    unit:
      - パケット（Packet）
    description:
      - セグメントにIPヘッダ（IPアドレスなど）を付与
      - 経路制御（ルーティング）の最小単位
    example:
      - 送信元・宛先IPアドレス
      - TTL（生存時間）
  - step: ④ データリンク層
    unit:
      - フレーム（Frame）
    description:
      - パケットにMACアドレスを含むヘッダを付与
      - 誤り検出用のトレーラ（FCS）を末尾に付与
    example:
      - 送信元・宛先MACアドレス
      - FCS（誤り検出用・トレーラ）

パケットの旅

データ配送はバケツリレー（Hop-by-Hop 転送）
各ルータ¹は「次にどこへ渡すか」だけを判断してパケットを隣のルータへ手渡す．全体の経路を1台が把握する必要はない．

① LANから別のLANへの旅

同一LAN外への通信は，まずデフォルトゲートウェイ（ルーター）へ転送される．
ルーター間の移動（1ホップ）ごとに，L2のヘッダは書き換わるが，L3パケット（IP宛先）は維持され

② TTL（生存時間）切れによる破

ルーターを1つ通過するたびに，IPヘッダ内のTTL値が1ずつ減算される．
経路ループ等でパケットが迷子になり，TTL=0になった時点でそのルーターがパケットを破棄する

③ 宛先不明による破棄

ルーターの持つ「ルーティングテーブル（経路表）」に，該当する宛先IPの経路情報が存在しない場合．
パケットは即座に破棄され，送信元へエラー（ICMP）が通知される．

アプリケーション層

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- トランスポート層
- ネットワーク層
- データリンク層
- 物理層
- ルーティング
ネットワーク実践

アプリケーションプロトコル

Web閲覧やファイル転送など，利用する通信サービスごとに異なるプロトコル(送受信するデータの形式や通信手順)が利用される
通信時には，トランスポート層のTCPやUDPを介してネットワーク上でデータを送受信

record1:
  プロトコル:
    - HTTP
  役割:
    - WebブラウザとWebサーバー間でWebページ（HTML等）を転送する
  ポート番号:
    - 80 / TCP

record2:
  プロトコル:
    - HTTPS
  役割:
    - TLSで暗号化したHTTP通信を行う
  ポート番号:
    - 443 / TCP

record3:
  プロトコル:
    - DNS
  役割:
    - ドメイン名とIPアドレスを相互変換する（名前解決）
  ポート番号:
    - 53 / UDP・TCP

record4:
  プロトコル:
    - DHCP
  役割:
    - IPアドレス等のネットワーク設定を端末へ自動的に割り当てる
  ポート番号:
    - 67・68 / UDP

record5:
  プロトコル:
    - SMTP
  役割:
    - メールを送信し，メールサーバー間で転送する
  ポート番号:
    - 25 / TCP

record6:
  プロトコル:
    - POP3
  役割:
    - メールをサーバーから端末へダウンロードして受信する
  ポート番号:
    - 110 / TCP

record7:
  プロトコル:
    - IMAP4
  役割:
    - メールをサーバー上に置いたまま閲覧・管理する
  ポート番号:
    - 143 / TCP

record8:
  プロトコル:
    - FTP
  役割:
    - ファイルのアップロード・ダウンロードを行う（制御用とデータ用で2ポート）
  ポート番号:
    - 21・20 / TCP

record9:
  プロトコル:
    - SSH
  役割:
    - 暗号化された通信路で遠隔ログイン・コマンド実行を行う
  ポート番号:
    - 22 / TCP

record10:
  プロトコル:
    - NTP
  役割:
    - コンピュータの時刻をサーバーと同期する
  ポート番号:
    - 123 / UDP

record11:
  プロトコル:
    - SNMP
  役割:
    - "ネットワーク機器の状態を監視・管理する（161: 問い合わせ，162: 通知）"
  ポート番号:
    - 161・162 / UDP

トランスポート層

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- トランスポート層
- ネットワーク層
- データリンク層
- 物理層
- ルーティング
ネットワーク実践

トランスポート層の役割

トランスポート層の役割は，データを適切なアプリケーションへ届けること
アプリケーションから大量のデータが渡された場合は，送信可能な大きさに分割する（TCP: セグメント化，UDP: データグラム化）

TCP: 信用第一（WWW，電子メール）

%%{
  init: {
    'theme': 'base',
    'themeVariables': {
      'fontFamily': 'Meiryo',
      'primaryColor': '#E8F1FE',
      'primaryTextColor': '#1A1A1A',
      'primaryBorderColor': '#428CE6',
      'secondaryColor': '#B4D7FF',
      'tertiaryColor': '#E8F1FE',
      'noteBkgColor': '#FBE7E6',
      'noteTextColor': '#1A1A1A',
      'noteBorderColor': '#D31804',
      'activationBorderColor': '#0E3666',
      'activationBkgColor': '#B4D7FF',
      'sequenceNumberColor': '#FFFFFF',
      'actorBkg': '#0E3666',
      'actorTextColor': '#FFFFFF',
      'actorLineColor': '#575757',
      'labelBoxBkgColor': '#E8F1FE',
      'labelBoxBorderColor': '#428CE6',
      'labelTextColor': '#0E3666',
      'loopTextColor': '#0E3666',
      'signalColor': '#0E3666',
      'signalTextColor': '#1A1A1A'
    },
    'sequence': {
      'useMaxWidth': true,
      'actorMargin': 260,
      'width': 130,
      'height': 28,
      'boxMargin': 4,
      'boxTextMargin': 3,
      'noteMargin': 6,
      'messageMargin': 18
    }
  }
}%%
sequenceDiagram
    participant C as 送信側
    participant S as 受信側
    Note over C,S: ① コネクション確立（3ウェイハンドシェイク）
    C->>S: SYN（接続したい）
    S->>C: SYN/ACK（了解，どうぞ）
    C->>S: ACK（確認OK）
    Note over C,S: ② データ転送（受信確認つき）
    C->>S: データ
    S->>C: ACK（受け取った）
    Note over C,S: ③ コネクション切断
    C->>S: FIN（終了します）
    S->>C: ACK（了解）

UDP: 速さで勝負（IP電話，ストリーミングサービス）

%%{
  init: {
    'theme': 'base',
    'themeVariables': {
      'fontFamily': 'Meiryo',
      'primaryColor': '#E8F1FE',
      'primaryTextColor': '#1A1A1A',
      'primaryBorderColor': '#428CE6',
      'secondaryColor': '#B4D7FF',
      'tertiaryColor': '#E8F1FE',
      'noteBkgColor': '#FBE7E6',
      'noteTextColor': '#1A1A1A',
      'noteBorderColor': '#D31804',
      'activationBorderColor': '#0E3666',
      'activationBkgColor': '#B4D7FF',
      'sequenceNumberColor': '#FFFFFF',
      'actorBkg': '#0E3666',
      'actorTextColor': '#FFFFFF',
      'actorLineColor': '#575757',
      'labelBoxBkgColor': '#E8F1FE',
      'labelBoxBorderColor': '#428CE6',
      'labelTextColor': '#0E3666',
      'loopTextColor': '#0E3666',
      'signalColor': '#0E3666',
      'signalTextColor': '#1A1A1A'
    },
    'sequence': {
      'useMaxWidth': true,
      'actorMargin': 260,
      'width': 130,
      'height': 28,
      'boxMargin': 4,
      'boxTextMargin': 3,
      'noteMargin': 6,
      'messageMargin': 18
    }
  }
}%%
sequenceDiagram
    participant C as 送信側
    participant S as 受信側
    Note over C,S: 確立も確認もなく一方的に送る
    C->>S: データ
    C->>S: 次のデータ
    C->>S: さらにデータ
    Note right of S: 受信確認（ACK）なし<br/>欠落しても再送しない

アプリケーション層の出入り口としてのポート

アプリケーションごとの「出入り口」がポート (Port) であり，通信相手はポート番号を指定してデータを送る
IPアドレスが「どのコンピュータか」を識別するのに対し，ポート番号は「そのコンピュータ内のどのアプリケーションか」を識別
ポート番号を独自に設定することもできるが，よく利用されるサービス向けにはウェルノウンポート (0～1023) が予約されている

record1:
  サービス:
    - Web（HTTP）
  アプリケーション層プロトコル:
    - HTTP
  ポート / トランスポート:
    - 80 / TCP
  説明:
    - 暗号化なしのWebページ閲覧

record2:
  サービス:
    - Web（HTTPS）
  アプリケーション層プロトコル:
    - HTTP over TLS
  ポート / トランスポート:
    - 443 / TCP
  説明:
    - TLSで暗号化されたWebページ閲覧

record3:
  サービス:
    - メール送信
  アプリケーション層プロトコル:
    - SMTP
  ポート / トランスポート:
    - 25 / TCP
  説明:
    - サーバー間でのメール転送

record3b:
  サービス:
    - メール送信（認証付き）
  アプリケーション層プロトコル:
    - SMTP（Submission）
  ポート / トランスポート:
    - 587 / TCP
  説明:
    - メールソフトからサーバーへ送信
    - SMTP-AUTHで認証・STARTTLSで暗号化

record4:
  サービス:
    - メール受信
  アプリケーション層プロトコル:
    - POP3
  ポート / トランスポート:
    - 110 / TCP
  説明:
    - サーバーからメールを取り出す

record5:
  サービス:
    - 名前解決
  アプリケーション層プロトコル:
    - DNS
  ポート / トランスポート:
    - 53 / UDP・TCP
  説明:
    - ドメイン名とIPアドレスの相互変換

record6:
  サービス:
    - リモート接続
  アプリケーション層プロトコル:
    - SSH
  ポート / トランスポート:
    - 22 / TCP
  説明:
    - 暗号化された遠隔ログイン・操作

record7:
  サービス:
    - 時刻同期
  アプリケーション層プロトコル:
    - NTP
  ポート / トランスポート:
    - 123 / UDP
  説明:
    - 機器の時刻をサーバーに合わせる

record8:
  サービス:
    - ファイル転送
  アプリケーション層プロトコル:
    - FTP
  ポート / トランスポート:
    - 21 / TCP（制御）
    - 20 / TCP（データ）
  説明:
    - ファイルのアップロード・ダウンロード
    - 制御用とデータ用で2つのポートを使う

ネットワーク層

ネットワーク基礎
- TCP/IPの概要
- アプリケーション層
- トランスポート層
- ネットワーク層
- データリンク層
- 物理層
- ルーティング
ネットワーク実践

ネットワーク層¹の役割

ネットワーク層の役割は，異なるコンピュータネットワーク間でパケットを目的地へ転送すること
トランスポート層で「セグメント」と呼ばれていたものをデータとして，それにIPヘッダを付与してIPデータグラムを生成する

通信相手を特定する

「誰に届けるか」を決める役割

IPアドレスによって，送信元と宛先のコンピュータを一意に識別する
データリンク層のMACアドレスがリンク内の識別であるのに対し，IPアドレスはネットワークをまたいだ識別を担う
イメージ：宛名（住所）を書く

宛先までの経路を決める

「どの道で届けるか」を決める役割

複数のネットワークを経由して，宛先まで最適な経路でパケットを中継する（ルーティング）
ルータが経路表をもとに，次にどのネットワークへ転送するかを判断する
イメージ：配送ルートを選ぶ

IP プロトコルの役割と特徴

IP（Internet Protocol）は，異なるネットワーク同士を接続した環境でデータを届けるための通信ルール
データはIPデータグラム（IPパケット）という単位で送受信される
送信元・宛先をIPアドレスで識別し，宛先までデータを転送するための経路選択（ルーティング）を可能にする¹

IPプロトコルの特徴

regmonkey_index:
  title_fontsize: 1.1em
  bullet_fontsize: 0.85em
  numbering: true
  children:
    - title: コネクションレス型通信
      description:
        - 通信相手の確認と通信経路設定を行わずに直ちに通信を始める
        - 各データグラムは他のデータグラムと無関係に独立して扱われる
      width: [35,65]
    - title: ベストエフォート型
      description:
        - 到達保証・順序保証・フロー制御・再送制御はいずれも提供しない
        - ヘッダチェックサムによるヘッダ検証のみ行い，エラー検出時はデータグラムを破棄してICMPで通知
      width: [35,65]
    - title: フラグメンテーションと再組立
      description:
        - MTUの小さいネットワークを通過する際，データグラムを分割（フラグメント）して送信する（データリンク層で扱えるサイズより大きいときは分割してからヘッダをつける）
        - 分割されたデータグラムは最終宛先で再組立される
      width: [35,65]
    - title: TTLによるループ防止
      description:
        - 送信者がTTL（Time to Live）値をセットし，経路上の各ノードで減算される
        - TTLがゼロになると該当データグラムは破棄され，ネットワーク内での無限滞留を防ぐ
      width: [35,65]

コンピューターのネットワーク上の住所を示すIPアドレス

IPアドレスは，ネットワーク上の機器を区別するための番号(=コンピューターのネットワーク上の住所)
IPアドレスは，住所でいう「町名」にあたる「ネットワーク部」と，「番地」にあたる「ホスト部」から構成されている
32 bit列からなるIPv4と，128 bit列からなるIPv6がある

IPアドレスがあることで，コンピューター間で通信が可能

NATとはプライベートアドレス¹とグローバルアドレスを1:1に対応変換する仕組み
NATルーターを通過後は送信元が 157.7.184.36 に書き換わる

IPアドレスの構造 (192.168.0.2/24)

192.168.0.2/24 のうち，/24 はCIDR表記²で，ネットワークのbit数を示す
192.168.0.2/24 のうち，先頭24bit（192.168.0）がネットワーク部（町名），残り8bit（.2）がホスト部（番地）
同じネットワーク部を持つ機器は同一ネットワークに属し，ホスト部で個々の機器を識別する

IPv4 vs IPv6

項目	IPv4	IPv6
アドレス長	32 ビット	128 ビット
表記例	`192.168.0.1`（10進法）	`2001:db8::1`（16進法）
アドレス空間	\(2^{32}\) = 約 43 億	\(2^{128}\) = 約 \(3.4 \times 10^{38}\)
自動設定	DHCP が必要	SLAAC で自動設定可能

CIDRの`/n`はネットワーク部のビット数を表す

IPv4 CIDR表記とサブネットマスク

CIDRは，クラスA~CのIPアドレスクラス¹にとらわれずに，ネットワーク部とホスト部の区切りを1 bit単位で設定できる方式のこと
CIDR表記 /n は先頭から n ビットがネットワーク部，残り 32 - n ビットがホスト部であることを表す
サブネットマスクの最終オクテットは255 − ホスト部最大値（2^ホスト部ビット数 − 1）で求められる

CIDR	ホスト部のビット数	ホスト部の最大値 (`2^n − 1`)	計算式	サブネットマスク
/24	8	255	`255 − 255 = 0`	255.255.255.0
/25	7	127	`255 − 127 = 128`	255.255.255.128
/26	6	63	`255 − 63 = 192`	255.255.255.192
/27	5	31	`255 − 31 = 224`	255.255.255.224
/28	4	15	`255 − 15 = 240`	255.255.255.240
/29	3	7	`255 − 7 = 248`	255.255.255.248
/30	2	3	`255 − 3 = 252`	255.255.255.252
/31	1	1	`255 − 1 = 254`	255.255.255.254
/32	0	0	`255 − 0 = 255`	255.255.255.255

サブネットマスクとサブネットワークアドレス

サブネットマスクが 255.255.252.0 のとき，IPアドレス 172.30.123.45 のホストが属するサブネットワークアドレスは？

① CIDR表記への変換

サブネットマスク 255.255.252.0 を2進数に変換: 11111111.11111111.11111100.00000000¹
1が連続する個数を数える → CIDR 表記は /22（\(255-252=3\)より \(8 + 2 = 10\) bitがホスト部とも計算可能）

② ネットワークアドレスの計算

IPアドレス 172.30.123.45 とサブネットマスクの AND 演算
よってサブネットワークアドレスは 172.30.120.0

ネットワークアドレス

ネットワークアドレスとは、ネットワークの代表となるアドレス
IPアドレスのホスト部をすべて 0 にした値で表される
- ネットワークアドレス: 172.30.120.0
- 利用可能ホスト: 172.30.120.1 ～ 172.30.123.254
- ブロードキャストアドレス: 172.30.123.255

ネットワークの細分化

1つの大きなネットワークを複数の小さなネットワークに分ける仕組みをサブネットと呼ぶ
会社などでは，部署ごとにネットワークを分割，来客用Wi-Fiと社内ネットワークを分離を目的に使用される場合が多い

サブネットの作り方

① 必要なサブネット数・ホスト数を決める

何個のサブネットに分割するか，各サブネットに何台接続するかを整理する

② サブネットマスクのビット数を決める

必要サブネット数を2の累乗で上回る最小のビット数 \(n\) を借りる
CIDR表記：元のプレフィックス長 \(+\,n\)

③ 各サブネットのアドレス範囲を割り当てる

ネットワークアドレス・ブロードキャストアドレスを除いた残りがホストに割り当て可能
割り当て可能ホスト数 \(= 2^{(32-\text{prefix})} - 2\)

Quiz: サブネットの分割

問題

クラスC¹のIPアドレスを分割して，10個のサブネットを使用したい．ホスト数が最も多くなるように分割した場合のサブネットマスクはどうなるか？

解答

10個以上のサブネットを作るには

\(2^3 = 8\) 個 → 不足
\(2^4 = 16\) 個 → 十分

したがってホスト部から4bit追加で必要．クラスCのサブネットマスクが/24 であるので

\[ 24 + 4 = 28 \]

よって，\(255 - (2^4 - 1) = 240\)より，255.255.255.240 が答え．

IPv6の表記ルール

① 基本表記

128ビットを16ビットずつ8グループに分割し，:（コロン）で区切る
各グループは16進数で表記
例：2001:0db8:0000:0000:0000:0000:0000:0001

② 省略ルール

先頭の連続する 0 は省略可：0db8 → db8，0001 → 1
連続するゼログループは :: で1か所だけ省略可：0000:0000:0000:0000:0000:0000 → ::
両方を適用：2001:0db8:0000:0000:0000:0000:0000:0001 → 2001:db8::1
2001:db8::3ab::ff01 は二箇所で :: が使用されているので間違った表記

③ CIDR表記（サブネットマスク）

IPv4 同様，/プレフィックス長 でネットワーク部のビット数を示す
/64：通常のLANサブネット　/48：サイト単位　/32：ISPブロック　/128：ホスト1台
例：2001:db8::/32，2001:db8:1:2::/64

fe80:: から始まるIPv6

ip addr コマンドを実行すると，fe80:: で始まるアドレスが表示される場合があります

$ ip addr show eth0
2: eth0: <BROADCAST,MULTICAST,UP>
    inet6 fe80::1a2b:3cff:fe4d:5e6f/64
         scope link

これはリンクローカルアドレスと呼ばれる特殊なIPv6アドレスを示す
1台の機器に割り当てられるIPv6アドレスで，同一リンク（同じネットワークセグメント）内だけで有効
ルーターを越えて転送されない（インターネットには出ていかない）
同じリンク（同じLAN）内であれば他の機器からアクセス可能
NICが起動するとMACアドレスから自動生成される（DHCPもDNSも不要）

IPアドレスの設定

固定で割り当てる方法と，サーバーがクライアントに対して自動に割り当てる方式がある

record1:
  方法:
    - 静的設定
  誰がIPアドレスを決めるか:
    - 人間（管理者）
  備考:
    - OS のネットワーク設定に直接記入する
    - サーバーやルーターなど，アドレスが変わると困る機器に用いる

record2:
  方法:
    - RARP
  誰がIPアドレスを決めるか:
    - RARP サーバー
  備考:
    - クライアントの MAC アドレスに対応する IP アドレスを返す
    - ディスクレス端末などで使われた古い仕組みで，現在は DHCP に置き換えられている

record3:
  方法:
    - DHCP
  誰がIPアドレスを決めるか:
    - DHCP サーバー
  備考:
    - IP アドレスに加えて，サブネットマスク・デフォルトゲートウェイ・DNS サーバーなどの設定も配布する
    - 現在の LAN における自動設定の標準

IPv6 の自動設定：RA の M・O フラグ¹により3方式に分かれる

① SLAAC のみ（M=0・O=0）

RA（ルーター広告）の情報だけでクライアントがアドレスを自動生成（DHCPv6 は使わない）

② ステートレス DHCPv6（M=0・O=1）

アドレスは SLAAC で生成し，DNS サーバーなどの付加情報だけを DHCPv6 が配布する

③ ステートフル DHCPv6（M=1）

IPv4 の DHCP と同様に，DHCPv6 サーバーがアドレスそのものを配布・管理する

DHCPの仕組み

DHCPサーバーがアドレスプールから割当可能なIPアドレスを都度割り当てる

DHCPのポイント

DHCPクライアント：IP設定を持たずに起動し，ネットワーク設定を要求する側（PC・スマホなど）

DHCPサーバー：アドレスプールから空きIPを選び，サブネットマスク・デフォルトゲートウェイ・DNSとあわせて期限付きで貸し出す（家庭ではルーターが兼務）

送信元 0.0.0.0：クライアントは自分のIPアドレスをまだ持っていないため，「未割り当て」を意味する 0.0.0.0 を送信元にする

宛先 255.255.255.255：サーバーのIPアドレスも不明なため，同一セグメント全体に届くブロードキャスト宛に送る（ルーターは越えない）

NAT・NAPTによるIPアドレス変換

NAT（Network Address Translation）は，IPアドレスを別のIPアドレスへ変換する技術
NAPT（Network Address Port Translation）は，IPアドレスとポート番号を変換する技術
家庭用や企業のルーターでは，NAPTを利用して複数の端末が1つのグローバルIPアドレスを共有してインターネットへ接続している

ルーターがIPヘッダの送信元IPアドレスを書き換える
- NAT → ネットワーク層の情報を書き換える

IPヘッダの送信元IPアドレスとTCP/UDPヘッダの送信元ポート番号が書き換えられる
- NAPT → ネットワーク層 + トランスポート層の情報を書き換える
返信パケットを受信した際には，ルーターが変換テーブルを参照して元のIPアドレスやポート番号に復元する

名前解決: Domain Name System(DNS)

数字のIPアドレスとドメイン名を対応させるサービス

DNSの構成

データリンク層

ネットワーク基礎
- TCP/IPの概要
- アプリケーション層
- トランスポート層
- ネットワーク層
- データリンク層
- 物理層
- ルーティング
ネットワーク実践

機器を同一の方法でつなげたひとかたまりをデータリンクという

データリンクとは，同じ通信方式（プロトコル・媒体）で接続された機器のひとかたまり＝1つのリンクセグメント
この「データリンク = 接続方式が共通な範囲」内での通信を管理するのがデータリンク層の役割
- ネットワーク層（IP）は複数のデータリンクをまたいで通信を実現するための仕組み

インターネットはデータリンクの集まり

%%{init: {'theme': 'base',
          'flowchart': { 'padding': 10, 'nodeSpacing': 120, 'rankSpacing': 70, 'htmlLabels': false, 'wrappingWidth': 800 },
          'themeVariables': { 'background': '#ffffff',
                              'primaryColor': '#ffffff',
                              'primaryTextColor': '#1A1A1A',
                              'primaryBorderColor': '#0E3666',
                              'lineColor': '#0E3666',
                              'clusterBkg': '#F2F5F9',
                              'clusterBorder': '#0E3666',
                              'fontFamily': 'Meiryo, sans-serif',
                              'fontSize': '22px' }}}%%
graph LR
    subgraph Global [インターネット]
        direction LR

        subgraph DL1 ["データリンクA<br>（Ethernet）"]
            PC1[PC] --- SW[スイッチ]
            PC2[PC] --- SW
            SW --- R1((ルータ))
        end

        subgraph DL2 ["データリンクB<br>（WAN/PPP）"]
            direction LR
            R1 ===|IPパケットが<br>データリンクを<br>跨いで転送| R2((ルータ))
        end

        subgraph DL3 ["データリンクC<br>（Wi-Fi）"]
            R2 --- AP[アクセスポイント]
            AP -.- SP1[ノートPC]
            AP -.- SP2[iPhone&nbsp;&nbsp;&nbsp;:&nbsp;]
        end
    end

style DL1 fill:#EAF1F8,stroke:#0E3666,stroke-width:2px,stroke-dasharray: 5 5
style DL2 fill:#FBEFE6,stroke:#C2611B,stroke-width:2px,stroke-dasharray: 5 5
style DL3 fill:#EAF1F8,stroke:#0E3666,stroke-width:2px,stroke-dasharray: 5 5
style Global fill:none,stroke:#9AA7B5,stroke-width:1px
style R1 fill:#0E3666,stroke:#0E3666,stroke-width:2px,color:#ffffff
style R2 fill:#0E3666,stroke:#0E3666,stroke-width:2px,color:#ffffff
style SW fill:#ffffff,stroke:#0E3666
style AP fill:#ffffff,stroke:#0E3666

ルータはデータリンクの境界
同じIPパケットでも，通過するデータリンクごとに異なるフレームへ包み直される

データリンクの構成要素

1つのリンクセグメント（データリンク）は，主に以下の3つの要素によって構成される

ノードとNIC

「通信の主体」

通信を行う主体となるPCやルータなどの機器（ノード）
それらを媒体に接続するためのネットワークインターフェース（NIC）

通信媒体

「信号の通り道」

信号が物理的に伝わる道筋
LANケーブルや光ファイバー¹などの有線媒体
電波や赤外線などの無線媒体がある

L2プロトコル

「共通ルール」

同じ媒体上で衝突を防ぎ，データを正しく届けるための共通ルール
EthernetやWi-Fi(802.11)などがこれに該当する

ネットワーク層と物理層の橋渡しとしてのデータリンク層

データリンク層では，データにヘッダを付けたものをフレームと呼ぶ
送信側は，上位から受け取った IP パケットに Header（MAC アドレス等）と FCSを付けてフレームを構成する
受信側は， FCS で誤り検出を行い，宛先MACが自分宛のフレームのみ受け取り，IP パケットを取り出し，上位層へ渡す

PPP: Point-to-Point Protocol

2点間で1:1の通信を行うプロトコル（主に電話回線やISDN，専用回線やATM回線などの通信で使用）
通信にリンク制御プロトコル(LCP)とネットワーク制御プロトコル(NCP)を使用
送信と受信を同時に行うことができる全二重方式(電話のようにやりとりができる ↔︎ トランシーバーのように待ち発生)

PPP 接続シーケンス

%%{
  init: {
    'theme': 'base',
    'themeVariables': {
      'fontFamily': 'Meiryo',
      'primaryColor': '#E8F1FE',
      'primaryTextColor': '#1A1A1A',
      'primaryBorderColor': '#428CE6',
      'secondaryColor': '#B4D7FF',
      'tertiaryColor': '#E8F1FE',
      'noteBkgColor': '#FBE7E6',
      'noteTextColor': '#1A1A1A',
      'noteBorderColor': '#D31804',
      'activationBorderColor': '#0E3666',
      'activationBkgColor': '#B4D7FF',
      'sequenceNumberColor': '#FFFFFF',
      'actorBkg': '#0E3666',
      'actorTextColor': '#FFFFFF',
      'actorLineColor': '#575757',
      'labelBoxBkgColor': '#E8F1FE',
      'labelBoxBorderColor': '#428CE6',
      'labelTextColor': '#0E3666',
      'loopTextColor': '#0E3666',
      'signalColor': '#0E3666',
      'signalTextColor': '#1A1A1A'
    },
    'sequence': {
      'useMaxWidth': true,
      'actorMargin': 260,
      'width': 130,
      'height': 28,
      'boxMargin': 4,
      'boxTextMargin': 3,
      'noteMargin': 6,
      'messageMargin': 18
    }
  }
}%%
sequenceDiagram
    participant C as 接続元
    participant S as 接続先
    Note over C,S: ① リンク確立（LCP）: 通信要求の送信
    C->>S: リンク確立要求
    S->>C: 設定の合意
    Note over C,S: ② 認証フェーズ（PAP/CHAP）: 利用者認証
    C->>S: ユーザー名・パスワード
    S->>C: 認証OK
    Note over C,S: ③ ネットワーク設定（NCP/IPCP）: 通信条件相談
    C->>S: IPアドレス割り当て要求
    S->>C: IPアドレス通知
    Note over C,S: 通信開始: IPパケットの送受信

PPPフレーム

PPPはTCP/IP以外のプロトコルにも対応
ネットワーク層のプロトコルがIPになるとは限らない

データリンク上の機器: MACアドレスを見て転送先を判断

ブリッジ・L2スイッチ・無線LANアクセスポイントはMACアドレステーブルを学習し，宛先のあるポートにのみ転送する
MACアドレスを見ないリピータハブは全ポートに信号を流すため，衝突ドメインを分割できない

record1:
  機器:
    - リピータハブ<br>（物理層）
  役割:
    - 受信した電気信号を増幅・整形し，受信ポート以外の全ポートへ転送
  転送の仕組み:
    - MACアドレスを見ない
    - 宛先に関係なく全ポートに同じ信号を流す
  備考:
    - 全ポートが同一の衝突ドメイン・半二重通信
    - 現在はほぼL2スイッチに置き換えられている

record2:
  機器:
    - ブリッジ
  役割:
    - LANセグメント同士を接続し，フレームを中継
  転送の仕組み:
    - 送信元MACアドレスからポートとMACアドレスの対応を学習
    - 宛先MACアドレスが存在するセグメントにのみ転送
  備考:
    - 衝突ドメインを分割できる
    - ソフトウェア処理が中心で，機能はL2スイッチに引き継がれた

record3:
  機器:
    - L2スイッチ<br>（スイッチングハブ）
  役割:
    - 複数ノードをポート単位で収容し，フレームを高速中継
  転送の仕組み:
    - MACアドレステーブルに基づき宛先ポートにのみ転送
    - 専用ハードウェア（ASIC）で処理する多ポート版ブリッジ
  備考:
    - ポートごとに衝突ドメインを分割・全二重通信が可能
    - VLAN対応機種もある

record4:
  機器:
    - 無線LAN<br>アクセスポイント
  役割:
    - 無線端末を有線LANに接続（無線と有線のフレーム変換）
  転送の仕組み:
    - MACアドレスに基づき無線・有線間を中継（ブリッジとして動作）
  備考:
    - 無線区間はCSMA/CAによる半二重通信
    - IEEE802.1Xの認証装置としても機能する

IEEE 802.1X: LANへの接続を制御する認証技術

ネットワークの入口で正規のユーザや端末だけを接続させるための仕組み

record1:
  構成要素:
    - サプリカント<br>(Supplicant)
  役割:
    - 認証を受けるクライアント
  備考:
    - IEEE802.1Xにおけるクライアント端末，またはクライアントにインストールする認証用ソフトウェア
    - 認証を受けるには対応ソフトウェアが必要だが，近年のOSには標準搭載されていることが多い
  デバイス例:
    - PC

record2:
  構成要素:
    - 認証装置<br>(Authenticator)
  役割:
    - サプリカントと認証サーバの仲介
  備考:
    - IEEE802.1X対応のLANスイッチや無線LANアクセスポイントなど，サプリカントと認証サーバの間に位置するネットワーク機器
    - 認証サーバからの認証結果を受けて，ポート単位でネットワークへのアクセスを許可・遮断する
  デバイス例:
    - 社内LANスイッチ
    - 無線LANアクセスポイント
    - L2スイッチ
    - L3スイッチ

record3:
  構成要素:
    - 認証サーバ<br>(Authentication Server)
  役割:
    - ユーザ・端末の認証を実施
  備考:
    - IEEE802.1X・EAPに対応したRADIUSサーバを用いて認証を行う
  デバイス例:
    - 認証用Linuxサーバ

不正PCのFSへの接続拒否構築例

イーサネットフレームとIPデータグラムの違い

イーサネットフレーム：TCP/IPモデルのリンク層（Network Access Layer）
IPデータグラム：TCP/IPモデルのインターネット層（Internet Layer）

役割と伝送範囲の違い

イーサネットフレーム：同一リンク内（隣接ノード間）の伝送を担い，宛先はMACアドレスで指定する
IPデータグラム：エンドツーエンド（送信元ホストから宛先ホストまで）の伝送を担い，宛先はIPアドレスで指定する
ルータを1つ越えるたびにイーサネットフレームは付け替えられるが，IPデータグラムは終端まで同じヘッダを保持する

右図におけるイーサネットフレームとIPデータグラムの宛先

区間	Ethernet 宛先 / 送信元	IPデータグラム宛先 / 送信元
LAN1（A→ルータ）	MAC3 / MAC1	IP2 / IP1
LAN2（ルータ→B）	MAC2 / MAC4	IP2 / IP1

物理層

ネットワーク基礎
- TCP/IPの概要
- アプリケーション層
- トランスポート層
- ネットワーク層
- データリンク層
- 物理層
- ルーティング
ネットワーク実践

リピーター: ケーブルで流れる電気信号を増幅し波形を整える機器

リピータはケーブルで流れる電気信号を増幅し波形を整えてもう一方のインターフェースから電気信号を流す機器
1つのポートからの信号を増幅するという特性上，半二重通信しかできない
Wi-Fiリピーターはアクセスポイントから受信した無線信号を再送信し，通信可能範囲を広げる機器

Wi-Fi Repeater

① 電波が届かない場所への橋渡し

アクセスポイントからの電波を受信して再送信する
壁や距離の影響で電波が弱い場所でも通信しやすくなる
利用者からは同じ無線LANの一部として利用できる

② 通信速度が低下することがある

Wi-Fiは半二重通信である
シングルバンド構成では実効スループットが理論上約 1/2 に低下する（デュアルバンド構成では別チャネルで回避可能）

ルーティング

ネットワーク基礎
- TCP/IPの概要
- アプリケーション層
- トランスポート層
- ネットワーク層
- データリンク層
- 物理層
- ルーティング
ネットワーク実践

レイヤー3スイッチのルーティング

L3スイッチは，L2スイッチの機能に加えて「ルーティング機能」を搭載している機器（TCP/IP のネットワーク層で動作）
同一組織内の複数の IP ネットワーク（VLAN）を高速に接続する際に利用される
主にLAN同士の接続が役割なので，基本的には，NAT/NAPT は搭載されていない
MAC アドレステーブル・ARP テーブル・ルーティングテーブルを内部に持ち、それらを ASIC¹ によってハードウェア処理しているため，VLAN 間ルーティングを「高速に」行える

VLAN間の転送

受信したEthernetフレームを一旦取り除き，中のIPパケットの宛先IPアドレスから転送先VLANを決定する
送出時は宛先MACアドレスをARPテーブルで解決し，新しいEthernetフレームを付け直して送り出す

同一VLAN内の転送

ルーターとL3スイッチの差分

ネットワーク実践

ネットワーク基礎
- TCP/IPの概要
- アプリケーション層
- トランスポート層
- ネットワーク層
- データリンク層
- 物理層
- ルーティング
ネットワーク実践

VLANを用いたネットワークの分割

LAN利用率の概算

LAN利用率とは，LANの通信帯域のうち，実際にどの程度利用されているかを表す指標
利用率が高い場合は，利用率が高い部署だけを VLAN で分離し通信負荷を分散などのアクションを取る

LAN利用率計算問題

10 Mbps の LAN に A～D の 4 台のノードが接続されている
衝突は考えない
(A, B)，(C, D) の組み合わせで，1,000 byte のファイルを毎秒 60 回送信する
ファイルサイズの 30 % に相当する制御情報が付与されるものとする

LAN利用率: 約12.5%

1回の転送で流れるデータ量：ファイル1000 byte ＋制御情報30% → 1000 × 1.3 = 1300 byte

ビットに換算：1300 byte × 8 = 10,400 bit

1ペアあたりのトラフィック：10,400 bit × 60回/s = 624,000 bps

LAN全体のトラフィック：(A,B)と(C,D)の2ペアが同一LANを共有するので 624,000 × 2 = 1,248,000 bps

利用率：1,248,000 ÷ 10,000,000 = 0.1248 ≒ 12.5%

L3スイッチのフィルタリングルール設定例

各課のPCから自課のFSへのファイル共有 SMB（宛先ポート TCP 445）のみ許可し，FS(ファイルサーバー)を保護する
FSからN社BSへのバックアップは SCP（宛先ポート TCP 22）：広域イーサ回線側の e2 を行き OUT・戻り IN の対で許可
各課PCへのIP割当ては L3SWのDHCP機能（サーバ／リレー）が担い，セグメントごとに 64～254 を配布レンジとする

L3スイッチフィルタリングルール例

record1:
  IF:
    - e5
  方向:
    - IN
  送信元IPアドレス:
    - 192.168.1.0/24
  宛先IPアドレス:
    - 192.168.0.11
  プロトコル:
    - TCP
  送信元ポート:
    - ANY
  宛先ポート:
    - 445
  処理:
    - 許可

record2:
  IF:
    - e5
  方向:
    - OUT
  送信元IPアドレス:
    - 192.168.0.11
  宛先IPアドレス:
    - 192.168.1.0/24
  プロトコル:
    - TCP
  送信元ポート:
    - 445
  宛先ポート:
    - ANY
  処理:
    - 許可

record3:
  IF:
    - e4
  方向:
    - IN
  送信元IPアドレス:
    - 192.168.2.0/24
  宛先IPアドレス:
    - 192.168.0.12
  プロトコル:
    - TCP
  送信元ポート:
    - ANY
  宛先ポート:
    - 445
  処理:
    - 許可

record4:
  IF:
    - e4
  方向:
    - OUT
  送信元IPアドレス:
    - 192.168.0.12
  宛先IPアドレス:
    - 192.168.2.0/24
  プロトコル:
    - TCP
  送信元ポート:
    - 445
  宛先ポート:
    - ANY
  処理:
    - 許可

record5:
  IF:
    - e3
  方向:
    - IN
  送信元IPアドレス:
    - 192.168.3.0/24
  宛先IPアドレス:
    - 192.168.0.13
  プロトコル:
    - TCP
  送信元ポート:
    - ANY
  宛先ポート:
    - 445
  処理:
    - 許可

record6:
  IF:
    - e3
  方向:
    - OUT
  送信元IPアドレス:
    - 192.168.0.13
  宛先IPアドレス:
    - 192.168.3.0/24
  プロトコル:
    - TCP
  送信元ポート:
    - 445
  宛先ポート:
    - ANY
  処理:
    - 許可

record7:
  IF:
    - e2
  方向:
    - OUT
  送信元IPアドレス:
    - 192.168.0.0/24
  宛先IPアドレス:
    - 192.168.10.31
  プロトコル:
    - TCP
  送信元ポート:
    - ANY
  宛先ポート:
    - 22
  処理:
    - 許可

record8:
  IF:
    - e2
  方向:
    - IN
  送信元IPアドレス:
    - 192.168.10.31
  宛先IPアドレス:
    - 192.168.0.0/24
  プロトコル:
    - TCP
  送信元ポート:
    - 22
  宛先ポート:
    - ANY
  処理:
    - 許可

上記の他にインターネットアクセスに関するルールなどの設定が必要
ルールは上から読まれていくので，最後に [ANY, IN/OUT, ANY, ANY, TCP/UDP, ANY, ANY,遮断]のようなルールを加えることでホワイトリスト形式でルール運用することがきでる

Appendix

OSI参照モデル

record1:
  Layer:
    - 第7層 アプリケーション層
  Description:
    - ユーザーアプリケーションに通信機能を提供する
    - Web閲覧・メール送受信・名前解決などを実現する
  Protocol:
    - HTTP・FTP・SMTP・DNS

record2:
  Layer:
    - 第6層 プレゼンテーション層
  Description:
    - データの表現形式を統一する
    - 文字コード変換・暗号化・圧縮を担当する
  Protocol:
    - TLS・SSL・MIME

record3:
  Layer:
    - 第5層 セッション層
  Description:
    - 通信の開始・維持・終了を管理する
    - 複数回のやり取りを1つの会話として扱う
  Protocol:
    - NetBIOS・RPC

record4:
  Layer:
    - 第4層 トランスポート層
  Description:
    - アプリケーション間の通信を実現する
    - ポート番号による識別や信頼性制御を行う
  Protocol:
    - TCP・UDP

record5:
  Layer:
    - 第3層 ネットワーク層
  Description:
    - IPアドレスを用いて宛先を識別する
    - ルーターを経由して異なるネットワーク間を中継する
  Protocol:
    - IP・ICMP

record6:
  Layer:
    - 第2層 データリンク層
  Description:
    - MACアドレスを用いて隣接機器へデータを届ける
    - フレーム化や誤り検出を行う
  Protocol:
    - Ethernet・PPP

record7:
  Layer:
    - 第1層 物理層
  Description:
    - ビット列を電気・光・電波へ変換する
    - ケーブルや無線媒体上で信号を伝送する
  Protocol:
    - IEEE 802.3・光ファイバ

WWWとは？

コンピューターネットワーク活用事例

WWW（World Wide Web）の仕組みは，情報を保持するサーバーと，閲覧するブラウザの対話で成り立つ
やり取りは，アプリケーション層のプロトコルであるHTTP (Hypertext Transfer Protocol)に則って処理

① HTTPリクエスト（要求）

ブラウザにURLを入力するかリンクをクリックすると，サーバーに対して「このデータをください」というHTTPリクエストが送信

② HTTPレスポンス（応答）

クエストを受け取ったWWWサーバーは，指定されたファイル（HTMLや画像など）を探す
正常であればステータスコード（200 OK）と共にデータを送り返す

③ ブラウザによるレンダリング

ダウンロードしたHTMLやCSSをブラウザが解析・翻訳し，人間が見やすいWeb画面として組み立てて表示（レンダリング）

ドメイン名の構造

電子メールはアプリケーション層プロトコルであるSMTP・POP・MIMEの組み合わせで成り立つ

SMTP

「送り届ける」役割

Simple Mail Transfer Protocol
送信者が書いたメールを郵便局（サーバー）へ，あるいは郵便局間で宛先まで運ぶ
イメージ：配達員・配送トラック

POP（POP3）

「受け取る」役割

Post Office Protocol
郵便局（サーバー）に保管された荷物を，受取人が自分の手元へ引き出す仕組み
イメージ：私書箱・自宅のポスト

MIME

「中身を整える」役割

Multipurpose Internet Mail Extensions
テキストだけでなく，画像や添付ファイルを「小包」として梱包するプロトコル
SMTPやPOPでは扱えない形式の情報を扱える形に変換してくれる¹
イメージ：小包の梱包・荷姿

IPアドレス重複防止のため，ICANNがIPアドレスを管理

ICANNは，InterNICの後身として1998年に設立された非営利組織（民営化は2016年）
インターネット上でコンピューター間が重複なく通信できるよう、ICANNはドメイン名とIPアドレスの一意性を管理
ICANNは直接ユーザーへIPアドレスを配布するわけではなく，あくまでIPv4・IPv6アドレスブロックを管理

IPアドレス割当の流れ

IPアドレスブロック

1.0.0.0/8 や 2001::/16 などの大きなブロックをICANN(実際はIANA)はRIRへ割り当て
家庭向け回線では，割り当てられるのは単一の固定IPアドレスであることが多い

RIR（地域インターネットレジストリ）

世界を5地域に分けて，地域ごとにアドレスを管理する組織（日本はAPNIC管轄）

ISP（インターネットサービスプロバイダ）

RIR・NIRから割り当てを受けた事業者
So-net，KDDI，ニフティなど

送信元IPアドレスだけでは個人を特定できない

送信元IPアドレスは比較的簡単に偽造できるため，それだけで送信者を特定する根拠にはならない
DoS攻撃では，使われるパケットの大半が送信元IPアドレスを偽造している

Python製UDPパケット送信モジュール

import logging
from typing import Optional
import typer

logging.getLogger("scapy").setLevel(logging.ERROR)
app = typer.Typer()

@app.command()
def send_packet(
    dst: str = typer.Option(..., help="Destination IP address"),
    src: Optional[str] = typer.Option(None, help="Source IP address (spoofed)"),
    dport: int = typer.Option(53, help="Destination port"),
    payload: str = typer.Option("hello", help="Raw UDP payload"),
    show: bool = typer.Option(False, "--show/--no-show", help="Show IP header before sending"),
):
    from scapy.all import IP, UDP, Raw, send

    ip_layer = IP(dst=dst)
    if src:
        ip_layer.src = src

    pkt = ip_layer / UDP(dport=dport) / Raw(payload.encode())

    if show:
        pkt.show()

    send(pkt, verbose=True)

if __name__ == "__main__":
    app()

送信IPの変更確認手順

① 送信元IPに 1.2.3.4 を指定して送る

sudo uv run python main.py --dst 8.8.8.8 --src 1.2.3.4

カーネル経由ではなく，raw socketでパケットを組み立てるためには，通常 root 権限が必要
8.8.8.8: Google Public DNS

② tcpdump で実際に流れたパケットを観測する

$ sudo tcpdump -i any udp port 53 -v
...
13:30:07.461475 enp6s0 Out IP (... proto UDP (17), length 33)
    1.2.3.4.domain > dns.google.domain: ...

自分のIPではなく，指定した 1.2.3.4 が送信元として送出されている
このように，送信元IPアドレスは送信者側で自由に書き換えられ，簡単に偽装できてしまう

IPアドレスから個人を特定できるのは原則プロバイダだけ

Webアクセスをすると，IPデータグラムに書かれた発信者のIPアドレスがWebサーバー側にログとして残る
このIPアドレスからプロバイダ・企業名までは第三者でも判明するが，その先の氏名・住所は通信の秘密として守られ，第三者が追跡するのは困難

regmonkey_index:
  title_fontsize: 1.1em
  bullet_fontsize: 0.9em
  numbering: false
  children:
    - title: ① プロバイダ・企業名まではすぐわかる
      description:
        - IPアドレスはアドレス管理組織が範囲ごとに割り当て，その範囲ごとに管理者名が公開されている
        - このため，ログに残る送信元IPから接続先のプロバイダや企業を特定するのは比較的簡単
      width: [40,60]
    - title: ② 原理的には個人まで特定できる
      description:
        - プロバイダや企業の管理者は，どのIPアドレスを誰に割り当てたかを把握している
        - IPアドレスとその利用時刻がわかれば，記録から氏名・住所をたどることは原理的に可能
      width: [40,60]
    - title: ③ しかし第三者が追跡するのは困難
      description:
        - 電気通信事業法により，プロバイダには利用者の通信の秘密を守る義務がある
        - 割り当て先を第三者に明かすのは原則違反で，犯罪捜査など強い理由がない限り開示されない
      width: [40,60]

無線LANとIEEE 802.11

無線LANとは，電波を利用して複数の機器間でデータの送受信を行なう通信方法（狭義には IEEE 802.11 規格に準拠した方式を指す）
有線LANと異なり，電波という単一の空間を共有するため，送信用と受信用の物理的な通り道（経路）が分けられていない¹

record1:
  世代名称: （名称なし）
  IEEE規格: IEEE 802.11a
  最大通信速度: 54 Mbps
  利用周波数帯: 5 GHz
  特徴・主な用途:
    - 1999年策定；11bと同年だが互換性はなく普及は限定的

record2:
  世代名称: （名称なし）
  IEEE規格: IEEE 802.11b
  最大通信速度: 11 Mbps
  利用周波数帯: 2.4 GHz
  特徴・主な用途:
    - 1999年策定；無線LAN普及の最初期を担った

record3:
  世代名称: （名称なし）
  IEEE規格: IEEE 802.11g
  最大通信速度: 54 Mbps
  利用周波数帯: 2.4 GHz
  特徴・主な用途:
    - 2003年策定；11bと互換しつつ54Mbpsへ高速化

record4:
  世代名称: Wi-Fi 4
  IEEE規格: IEEE 802.11n
  最大通信速度: 600 Mbps
  利用周波数帯: 2.4 / 5 GHz
  特徴・主な用途:
    - MIMO（複数アンテナ）を初採用し，2.4/5GHz両対応に
    - 家庭・オフィスでの普及の起点となった世代

record5:
  世代名称: Wi-Fi 5
  IEEE規格: IEEE 802.11ac
  最大通信速度: 約 6.9 Gbps
  利用周波数帯: 5 GHz
  特徴・主な用途:
    - 5GHz専用・広帯域チャネルで動画ストリーミングに対応
    - MU-MIMOで複数端末への同時通信を実現

record6:
  世代名称: Wi-Fi 6
  IEEE規格: IEEE 802.11ax
  最大通信速度: 約 9.6 Gbps
  利用周波数帯: 2.4 / 5 GHz
  特徴・主な用途:
    - OFDMAで<span class="regmonkey-bold">多端末同時接続時の効率</span>を改善
    - IoT・高密度環境（駅・スタジアム等）に強い

record7:
  世代名称: Wi-Fi 6E
  IEEE規格: IEEE 802.11ax
  最大通信速度: 約 9.6 Gbps
  利用周波数帯: 2.4 / 5 / 6 GHz
  特徴・主な用途:
    - 6GHz帯を新規開放し，混雑の少ない帯域を確保
    - 低遅延・大容量通信に対応

record8:
  世代名称: Wi-Fi 7
  IEEE規格: IEEE 802.11be
  最大通信速度: 約 46 Gbps
  利用周波数帯: 2.4 / 5 / 6 GHz
  特徴・主な用途:
    - 320MHz幅・4096-QAM・MLO（複数帯域同時利用）を採用
    - VR・8K動画など<span class="regmonkey-bold">超高帯域用途</span>を想定

無線LANとCSMA/CA方式: 通信の衝突を回避する技術

CSMA/CA方式 with RTS/CTS

半二重通信においてフレームが衝突するの回避するための仕組み(CA: Collision Avoidance)
周波数帯が使われないことを確認して，少し待ってから¹フレームを送信する

Step 1：RTS（送信要求）

通信を開始する前に利用したい周波数帯が利用されているかどうかを確認
ランダムバックオフ後，RTSをAP宛に送信

Step 2：CTS（送信許可）

APはCTSをすべてのノードに送信（宛先は端末A）
端末Aは CTS を受信し，送信権を獲得
端末Cは自分宛てではないことを読み取り，送信抑制

Step 3：フレーム送信

SIFS 後にAはフレーム送信

SIFS は非常に短い待機時間
他の端末は CTS によって送信を抑制しているため，衝突が発生しにくい

Step 4：ACK(受信確認)

SIFS 後にAPはACK返送（L2 レベルの受信確認）
端末Aは ACK を受信し，フレームが正常に届いたことを確認
ACK が受信できない場合は，衝突や通信エラーが発生したと判断し，再送を行う

インターネット利用時の注意点

record1:
  category: ポート管理
  rule:
    - 利用しないポートは<span class="regmonkey-bold">必ず閉じる</span>
  actions:
    - 使用中のポートを定期的に棚卸し（<code>netstat -an</code> 等）
    - 不要なサービス・デーモンは停止し，ポートを解放
    - ウェルノウンポート（20/21/23 等）は用途がなければ即閉鎖
    - 開放ポートはアクセス元IPをACLで絞り込む

record2:
  category: ファイアウォール
  rule:
    - <span class="regmonkey-bold">デフォルト拒否</span>を原則とし，許可ルールを最小限に保つ
  actions:
    - インバウンド・アウトバウンドの両方向にルールを設定
    - 常時接続は<span class="regmonkey-bold">玄関を開けっ放しにするのと同義</span>と認識する
    - 不審なIPレンジはブラックリスト登録
    - ルール変更は変更管理ログに記録し定期レビューする

record3:
  category: セキュリティパッチ
  rule:
    - 既知脆弱性は<span class="regmonkey-bold">公開直後に適用</span>することが最大の防御
  actions:
    - OS・ミドルウェア・ファームウェアの自動更新を有効化
    - CVEアドバイザリを購読し，重大度 Critical/High を優先対応

record4:
  category: 通信暗号化
  rule:
    - 平文通信は<span class="regmonkey-bold">LAN内でも傍受リスクがある</span>と想定する
  actions:
    - Wi-Fi は WPA2/WPA3（AES-CCMP）を使用；TKIP は脆弱なため非推奨
    - HTTP・FTP・Telnet は TLS/SSH 版（HTTPS・SFTP・SSH）に移行

record5:
  category: MACアドレスフィルタリング
  rule:
    - 登録済みデバイス以外の<span class="regmonkey-bold">接続を物理層で排除</span>する
  actions:
    - AP・スイッチに許可MACリストを登録し，未登録端末を遮断
    - 新規デバイス追加時は申請フローを設け，無断接続を抑止
    - 定期的にDHCPリースログを確認し，未知MACを検出する

record6:
  category: LAN内脅威対策
  rule:
    - 内部ネットワークも<span class="regmonkey-bold">ゼロトラストで扱う</span>
  actions:
    - ARPスプーフィング対策としてDAI（Dynamic ARP Inspection）を有効化
    - 接続端末のエンドポイント保護（EDR/AV）を必須化
    - 不審な通信量・パターンをIDSで監視し，アラートを設定

DNSキャッシュポイズニング

Reference

TCP/IPの絵本第2版

書籍情報

タイトル	TCP/IPの絵本第2版ネットワークを学ぶ新しい9つの扉
著者	株式会社アンク著
発売日	2018/07/11
ISBN13	978-4-7981-5515-9
体裁	208ページ，B5判

この本の内容

前提知識不要でネットワークの仕組みをイラストで解説する入門書
IPv6・ファイアウォール・セキュリティなど現代的なトピックを2ページ単位でコンパクトに学べる
TCP/IPの5層モデルを軸に，パケット通信の流れを視覚的に理解できる構成

ネットワークを学ぶ

ネットワーク基礎

コンピューターネットワークとは

ネットワーク接続の基盤: NIC

ネットワーク上のコンピューター同士が通信するためのルール

コンピューターネットワークによりファイル転送が可能になる

TCP/IPの概要

TCP/IPでは送受信の一連の作業を層に分けて処理している

各層は役割ごとに代表的なプロトコルを担当する

カプセル化: データと情報をひとまとめにして扱うこと

カプセル化を構成する要素

ネットワーク通信時には細かく分割してデータを送信する

パケットの旅

アプリケーション層

アプリケーションプロトコル

トランスポート層

トランスポート層の役割

アプリケーション層の出入り口としてのポート

ネットワーク層

ネットワーク層1の役割

IP プロトコルの役割と特徴

コンピューターのネットワーク上の住所を示すIPアドレス

CIDRの/nはネットワーク部のビット数を表す

サブネットマスクとサブネットワークアドレス

ネットワークの細分化

IPv6の表記ルール

IPアドレスの設定

DHCPの仕組み

NAT・NAPTによるIPアドレス変換

名前解決: Domain Name System(DNS)

DNSの構成

データリンク層

機器を同一の方法でつなげたひとかたまりをデータリンクという

データリンクの構成要素

ネットワーク層と物理層の橋渡しとしてのデータリンク層

PPP: Point-to-Point Protocol

データリンク上の機器: MACアドレスを見て転送先を判断

IEEE 802.1X: LANへの接続を制御する認証技術

イーサネットフレームとIPデータグラムの違い

物理層

リピーター: ケーブルで流れる電気信号を増幅し波形を整える機器

ルーティング

レイヤー3スイッチのルーティング

ルーターとL3スイッチの差分

ネットワーク実践

VLANを用いたネットワークの分割

LAN利用率の概算

L3スイッチのフィルタリングルール設定例

Appendix

OSI参照モデル

WWWとは？

ドメイン名の構造

電子メールはアプリケーション層プロトコルであるSMTP・POP・MIMEの組み合わせで成り立つ

IPアドレス重複防止のため，ICANNがIPアドレスを管理

送信元IPアドレスだけでは個人を特定できない

IPアドレスから個人を特定できるのは原則プロバイダだけ

無線LANとIEEE 802.11

無線LANとCSMA/CA方式: 通信の衝突を回避する技術

インターネット利用時の注意点

DNSキャッシュポイズニング

Reference

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TCP/IPの絵本 第2版

書籍情報

この本の内容

ネットワーク層¹の役割

CIDRの`/n`はネットワーク部のビット数を表す

TCP/IPの絵本第2版