インターネットプロトコルとアドレッシング

インターネットプロトコルは、相互接続されたネットワーク間でパケットのコネクションレスなベストエフォート型配信を提供し、その構造がグローバルインターネットのスケーラビリティを可能にする階層的ルーティングを可能にするIPアドレスによって各インターフェースを識別します。

Definition

インターネットプロトコルは、ベストエフォート型のコネクションレスサービスを使用して、インターネットワークを介して送信元から宛先ホストへデータグラムを配信するネットワーク層プロトコルです。IPアドレスは、この目的のためにネットワークインターフェースに割り当てられる階層的な数値識別子です。

Scope

このトピックでは、ネットワーク層のデータグラムサービスについて扱います。具体的には、IPv4およびIPv6のパケット形式、IPアドレスの意味と構造、階層的なアドレス割り当てのためのサブネット化とクラスレスドメイン間ルーティング（CIDR）、フラグメンテーション、およびアドレス割り当てのためのDHCPやアドレス共有のためのNATなどのサポートメカニズムを含みます。アドレッシングをルーティングの基盤として扱い、ルーティングアルゴリズムとプロトコル自体は別途扱われるため、ここでは除外します。

Core questions

• IPが提供するサービスモデルとは何ですか、またベストエフォート型配信とは何を意味しますか？
• IPv4とIPv6アドレスはどのように構造化されており、それらのパケット形式はどのように異なりますか？
• サブネット化とCIDRは、どのように階層的で集約可能なアドレッシングを可能にしますか？
• DHCPなどを介して、ホストにアドレスはどのように割り当てられますか？
• IPv6やNATなどのメカニズムにつながった問題は何でしたか？

Key concepts

• ベストエフォート型配信
• IPv4およびIPv6パケット形式
• IPアドレス
• ネットワーク部とホスト部
• サブネット化
• クラスレスドメイン間ルーティング（CIDR）
• フラグメンテーションと再構成
• DHCP
• ネットワークアドレス変換（NAT）

Key theories

ベストエフォート型コネクションレスデータグラムサービス

IPは、配信、順序、タイミングの保証なしに各データグラムを独立して転送します。この単純さにより、ネットワークコアはステートレスで堅牢に保たれ、信頼性と順序付けはエンドホストのトランスポート層に委ねられます。

階層的アドレッシングとCIDR

IPアドレスはネットワーク部とホスト部に分割され、ルーターが単一のプレフィックスの下で多くのアドレスを集約できるようにします。クラスレスドメイン間ルーティングは、可変長プレフィックスでこれを一般化し、ルーティングテーブルの増大を抑制します。

IPv6によるアドレス空間の拡張

IPv6はIPv4の32ビットアドレスを128ビットアドレスと簡素化されたヘッダーに置き換え、アドレス枯渇を解決し、ステートレス自動構成などの機能を追加しつつ、長い移行期間中にIPv4と共存します。

Clinical relevance

IPアドレッシングは、インターネットにおける到達可能性の基盤です。接続されたすべてのデバイスにはアドレスが必要であり、アドレスの割り当てと集約の方法が、グローバルルーティングシステムの規模と安定性を決定します。アドレス枯渇はNATの導入とIPv6への移行を促進し、これらの決定は何十億ものデバイスのネットワーク設計、セキュリティ、接続性を形成しています。

History

IPv4はRFC 791（1981年）で32ビットのアドレス空間と初期のクラスベースの割り当てスキームで規定されました。インターネットの急速な成長により、ルーティングテーブルとアドレスの枯渇を遅らせるためにCIDR（1990年代半ば）が導入され、希少なアドレスを共有するためにNATが導入されました。128ビットアドレスを持つIPv6は1990年代に設計され、RFC 8200（2017年）として最終化され、その導入はそれ以来着実に増加しています。

Debates

一時的な対策としてのNATとエンドツーエンドアドレッシング

ネットワークアドレス変換は、多くホストが1つのアドレスを共有できるようにすることでIPv4の寿命を延ばしましたが、エンドツーエンドアドレッシングの原則を破り、ピアツーピア接続を複雑にします。IPv6の支持者は、グローバルに一意なアドレスを復元することが適切な解決策であると主張しています。

Key figures

• Jon Postel
• Vinton Cerf
• Steve Deering
• Robert Hinden

Seminal works

• rfc791
• rfc8200
• kurose2021

Frequently asked questions

ベストエフォート型配信とは何を意味しますか？

ベストエフォート型とは、IPが各データグラムを配信しようと試みるものの、いかなる保証も行わないことを意味します。パケットは失われたり、重複したり、遅延したり、順序が入れ替わったりする可能性があります。これにより、ネットワークはシンプルで回復力のある状態に保たれ、アプリケーションが必要とする場合に信頼性と順序付けを追加することは、TCPなどの上位層に委ねられます。

IPv6が存在するのに、なぜまだIPv4を使用しているのですか？

IPv6の導入には、インターネット全体のホスト、ルーター、アプリケーションの更新が必要であるため、移行は段階的に進められています。NATのような技術は、アドレス不足にもかかわらずIPv4が機能し続けることを可能にし、IPv4とIPv6は並行して動作しています。移行は一斉に行われるのではなく、継続的に進められています。