【図解】初心者にも分かるインターネットとIPネットワーク、IPアドレス、ルーティングの仕組み

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インターネットとは

インターネットとは、世界中のコンピュータと情報をやり取りする、巨大なネットワーク網のことです。

もともとは、冷戦時代の1969年に作られたアメリカ国防総省の軍事研究用ネットワークであるARPAnet(アーパネット)が起源であると言われています。 それが次第に学術・一般研究用のネットワークに発展し、1990年代に商用開始され、爆発的に普及しました。

以降、インターネットは世界中のISP事業者(プロバイダ)と呼ばれる業者が、IANAの管理のもと、協力してお互いを接続し合うことにより成立しています。

インターネットの形成

インターネットは、大手ISP事業者同士が互いに無償で協力しあって、また、中小ISP事業者が大手ISP事業者にお金を払って、互いのネットワークを相互接続しています。

特に、アメリカの大手ISP事業者が相互接続したネットワークをTier1ネットワークと呼び、Tier1ネットワークを形成するプロバイダのことをTier1 ISP事業者と呼びます。このTier1ネットワークを頂点に、各国、およびその各地域に広がっています。

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日本ではNTTコミュニケーションズ(NTTアメリカ)がアメリカISP事業者のベリオを買収し、Tier1になりました。ソフトバンクもスプリントの買収が完了すればTier1の仲間入りです。

インターネット通信を支えるIP

インターネット上で通信する端末は必ずIPアドレスというインターネット上の住所を示すものを持ち、 インターネットで使われているネットワーク機器は、そのIPアドレスを手がかりに、 目的のIPアドレスを持つ端末までデータを届けます。

例えば、PC-A(IPアドレス=1.1.1.1)がサーバB(IPアドレス=2.2.2.2)に通信するときは、PC-Aが、送りたいデータの先頭に「送信元IPアドレス=1.1.1.1」「宛先IPアドレス=2.2.2.2」という情報を付けます。

間のNW機器は宛先の2.2.2.2というIPアドレスがどこに存在するかを知っている(人間が設計した上で手動で各NW機器に設定を投入しているため)ので、適したNW機器に転送します。次のNW機器でも同様の所作を行います。これをルーティングと言います。

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このルーティングにより、最終的にはサーバBに届きますが、サーバBは送信元を見て、IPアドレス=1.1.1.1から来たことを知りますので、今度は返信するデータの先頭に「送信元IPアドレス=2.2.2.2」「宛先IPアドレス=1.1.1.1」という情報を付けて返信します。

IPアドレスとは

IPアドレス32bitで表現され、8bit(0~255)毎にドットで4箇所に区切られ、端末やルータは0.0.0.0 ~ 255.255.255.255の間のどれか適した値をIPアドレスとして割り振ることができます。

適した、と表現したのは、この中でも一般的には使えないものが混じっているためです。まずは概要理解のため、この範囲がIPアドレスとして存在することを理解してください

IPアドレスには大きく2種類あります。1つがグローバルIPアドレス、もう1つがプライベートIPアドレスです。

IPが誕生したときはこのような区分は無く、全てがグローバルIPアドレスの位置づけでした。しかしインターネット利用者が予想を超えて莫大に増えたことにより、IPアドレスが枯渇してきたため、このような区分が出来ました。

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グローバルIPアドレス

グローバルIPアドレスは、インターネットに接続するために必須のもので、好き勝手に設定してしまっても通信ができません。このグローバルIPアドレスが重複しないように管理をしているのがIANAという組織で、その下位組織としてアジア圏であればAPNIC、そのさらに下位組織として日本であればJPNICがいます。日本のISP事業者はJPNICからIPアドレスを割り当ててもらい、それを再販する形でインターネットサービスを運営しています。

IANAのIPアドレスの払い出し状況は下記ページで確認できます。

https://www.iana.org/assignments/ipv4-address-space/ipv4-address-space.xhtml

例えば表の2行目には「001/8  APNIC」と書かれていますが、これは『1.0.0.0~1.255.255.255まではAPNICに払い出しをしている』という意味です。APNICへの払い出しはこの行以外にもたくさんあることが分かると思います。

このグローバルIPアドレスのルート情報は、それを保有しているISP事業者が、相互接続している周りのISP事業者に対して「BGP」というプロトコルなどを使って配信します。すると、他の事業者は、そのIPアドレスの通信が来たら、そのISP事業者に向けてルーティングするのです。

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プライベートIPアドレス

一方、インターネットを使わないようなNW、例えば会社内だけで使うNWであれば、自分たちの好きなIPアドレスを付与してしまって問題ありません。そのためのIPアドレスが、プライベートIPアドレスです。

192.168.0.0~192.168.255.255 と、172.16.0.0~172.31.255.255 と、10.0.0.0~10.255.255.255 の範囲が使われます。

これらの範囲であっても、インターネット接続するルータ等で PAT(NAPT) という機能でグローバルIPアドレスに変換すれば、インターネット通信が可能になります。

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実は勝手にグローバルIPアドレスを割り振ってしまっても、このNAPTを使えばほぼ問題なく使えるのですが、例えば間違って “172.168.0.0~172.168.255.255” を使ってしまうと、この範囲のインターネット上のコンピュータとはインターネット通信ができなくなります。

自分のIPアドレスを確認する方法

もしあなたが自身のPCに設定されている(ほぼ間違いなくプライベート)IPアドレスを知りたい場合は、以下の手順で確認できます。

Windowsキー + R
⇒ 『ファイル名を指定して実行』の入力欄に “cmd”と入力し、Enter
⇒ ポップアップした黒い画面(MS-DOSプロンプト) に “ipconfig” と入力し、Enter
例えば以下のように表示されたら、IPアドレスは 192.168.179.6 です。

また、もしインターネットに出ていくときのグローバルIPアドレスを知りたいときは、以下サイトで確認できます。

確認くん

『あなたのIPアドレス(IPv4)』の右側の欄が、あなたが今使っているグローバルIPアドレスです。

IPアドレスについての詳細はこちらをご参照下さい。

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IP通信の実用例

IP通信はどのように実現されるのでしょうか。一番身近な例で言うと、インターネットのWeb閲覧が挙げられます。

例えば、自分のパソコンからYahooのホームページを見るとき、ブラウザを立ち上げて、下図のようにアドレスバーにYahooのIPアドレス(182.22.70.250)を打ち込みます。

インターネット上のサーバは基本的にはIPアドレスを持っています。
YahooのWebサーバは “182.22.70.250” というIPアドレスを持っているので、ブラウザからこのIPアドレスを指定することで、YahooのWebサーバとIP通信を行うことができるのです。

また、ブラウザでIPアドレスを指定するときは通常”http://”と入れますが、これはhttpというプロトコルでIPアドレス182.22.70.250と通信する、という意味になります。

インターネットのホームページのIPアドレスを知る方法

ただし、普段インターネットを見ているときは、おそらくアドレスバーは下図のようになっているでしょう。

これは、DNSという仕組みを利用しているためです。簡単に言うと、IPネットワーク上のDNSサーバが、www.yahoo.co.jpという文字列(FQDN: Fully Qualified Domain Nameと呼びます)を 182.22.70.250というIPアドレスに変換させているからです。

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IPv6について

IPv6登場の背景

現行のIPのバージョンは4です。IPv4と表記します。IPv4アドレスの個数としては2の32乗≒43億個ありますが、前述の通り、世界中の端末を繋げるには数が足りていません。

もともと現在のIPv4は世界中の端末を繋げるという想定がなかった、というのが大きな要因です。

そのため、IPバージョン6(IPv6)という新しいプロトコルが出来ました。IPv6では枯渇の問題だけでなく、IPv4での課題が色々と解決されています。

IPv4とIPv6の違い

例えば、セキュリティの問題をクリアするために、IPv6が動作する機器では必ずIPsec機能が使えます。必ず使われるわけではなく、好きなときに使えるという意味です。

IPv4ではIPsec対応機器同士でないと使えなかったのが、IPv6では好きなときに好きな相手といつでもセキュリティを保つ通信が可能となるのです。

その他、バラバラだったIP通信の管理機能が統合され、ARPの機能やIGMPの機能がICMPv6に組み込まれたり、通信効率化(IPフラグメンテーションの廃止、Path MTU Discoveryの利用)の実装が為されています。

IPv6は何故なかなか普及しないのか

IPアドレスの枯渇が叫ばれ、IPv6が誕生してからもう20年くらい経過しています。しかし普及率は低迷しています。

個人的に思う一番のネックは、アドレスの見にくさです。今まで10進数の3桁の数字が4つ並んでいただけなのが、『16進数の数が32個並ぶ』という、長くて覚えにくく管理し辛い表記になってしまったのです。例えば以下のようなアドレス表記になるのです。

0123:4567:89ab:cdef:0123:4567:89ab:cdef

そして現状IPv4の数はプライベートIPやNAPT等に助けられ、なんとか間に合ってしまっている。特に変えるモチベーションが無いのです。

今後、徐々にIPv4から移行していくことが予想されますが、完全に切り替わるまでにはまだ時間がかかりそうです。

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