IPアドレスとサブネットマスク

このページでは、IPの性格とヘッダ、IPアドレスのクラスと特殊なアドレス、サブネットマスクとCIDRの考え方、サブネットの計算方法がわかります。

一言で言うと：
- ネットワークを越えて届けるためのIPと、その住所であるIPアドレスの話
- IPアドレスを「ネットワーク部」と「ホスト部」に分ける方法（クラス → サブネットマスク → CIDR）、足りなくなったアドレスへの対策（IPv6、NAT・NAPT）、エラーを知らせるICMPが出てくる

IPの性格とヘッダ（IP）→ 住所の形（IPアドレス・クラス・特殊なアドレス）→ 住所の区切り方（サブネットマスク・CIDR）→ 住所不足の対策（IPv6・NAT・NAPT）→ エラーの連絡係（ICMP・ping）

覚え方の軸
IP：ネットワークを越えて届ける（★）
IPアドレス：ネットワークの中の住所（★）
サブネットマスク：ネットワークを小さく分ける（★試験によく出る）
混同しやすいペア

覚え方の軸

IPは「コネクションレスで、届けるだけ」
- 品質（届いたかの確認や再送）は、TCPなど他のプロトコルに任せる
- IP自身は疎通を確かめる機能がないので、ICMPが補う
IPアドレスは「ネットワーク部＋ホスト部」
- どこで区切るかを、昔はクラス（先頭ビットで決まる）、今はサブネットマスク／プレフィックス（/○○）で決める
- CIDRは、クラスにしばられずに区切る仕組み
サブネットの計算は「ホスト部の全部0と全部1は使えない」
- ホスト部が n ビットなら、使えるアドレスは 2ⁿ − 2 個
- 全部0はネットワークアドレス、全部1はブロードキャストアドレス
- ネットワークアドレスは「IPアドレス AND サブネットマスク」

IP：ネットワークを越えて届ける（★）

IP（Internet Protocol）：
- インターネットの仕組みの中でも重要な役割を持つ、ネットワーク層のプロトコル
- IP自身の機能はシンプルなので、通信品質のためには他のプロトコルと組み合わせて使う
IPの特徴：
- パケット通信技術である
- コネクションレス型通信である
- IPアドレスを使った経路制御を行う
ノード間のコネクション確立の方式：
- コネクション型は、相手の確認と通信経路の設定をしてから通信を始める
- コネクションレス型は、相手の確認と通信経路の設定をせずに、すぐに通信を始める
- 例えば、コネクション型は電話（相手が出てから話す）、コネクションレス型は手紙（相手がいるか確かめずに出す）
トランスポート層での対応：
- TCPがコネクション型、UDPがコネクションレス型
IPv4とIPv6：
- アドレス資源を32ビットで管理するIPv4と、128ビットで管理するIPv6がある
ルーティング：
- ネットワーク層のプロトコルは、ネットワークを越えた通信を提供する
- IPでは、ネットワークどうしをつなぐルータが、IPアドレスを手がかりに通信を振り分ける
- ルータは、宛先IPアドレスがネットワークの外なら、宛先により近いルータへ転送を繰り返して、パケットを目的地に届ける。これをルーティングという

IPヘッダ（IPv4）

IPv4ヘッダの項目：
- バージョン、ヘッダ長、優先順位、パケット長、識別番号、フラグ、フラグメントオフセット、TTL（生存時間）、プロトコル番号、ヘッダチェックサム、送信元IPアドレス（32ビット）、送信先IPアドレス（32ビット）、オプション（可変長）、パディング

IPv4ヘッダの主な項目（★）

項目	中身
TTL（生存時間）	Time To Liveの略。パケットの生存時間（通過できるルータの最大数）。パケットが永久にループするのを避けるため、ルータを通るたびに1ずつ減らし、0になったら破棄する。同時に、送信元にICMPタイプ11（時間超過：TTL equals 0）のメッセージを送り、時間切れで破棄したことを伝える
プロトコル番号	TCPなどの上位プロトコルを識別する番号。枠は0〜255
ヘッダチェックサム	IPヘッダ部分を対象に計算した誤り検出のための値。IPヘッダに誤りがないことを確かめる

主なプロトコル番号

プロトコル	プロトコル番号
ICMP	1
TCP	6
UDP	17
IPv6	41

TTLの例え：
- 回数券。ルータを1つ通るたびに1枚ちぎり、なくなったらそこで終わり。迷子のパケットがずっとさまよい続けないようにする
プロトコル番号とポート番号の違い（ひっかけ注意）：
- プロトコル番号は、IPヘッダの中で「中身はTCPか、UDPか」を示す（TCPは6）
- ポート番号は、TCP・UDPヘッダの中で「どのアプリか」を示す（HTTPは80）

IPアドレス：ネットワークの中の住所（★）

IPアドレス：
- ネットワーク層のプロトコルIPで使う、ノードを特定するためのアドレス
- インターネットにつながるノードは、インターネット上で一意のIPアドレスを持つ必要がある
IPアドレスの管理：
- 各国のNIC（ネットワークインフォメーションセンター）が、割当てなどを管理している
- インターネットに直接つなぐときは、ISP（インターネットサービスプロバイダ）に申請して取得する
ダークネット：
- IPv4のアドレスはほとんどが割当て済みだが、使われていないアドレスも相当数ある
- このような、使えるが使われていないIPアドレス空間のこと

① IPアドレスの表記と構成

IPアドレスの表記：
- IPv4では、32桁の2進数を使う
- ふつうは、8ビットずつ区切って10進数で書く
表記の例：
- 2進数表記は、11001011 00000000 01110001 00000101
- 10進数表記は、203.0.113.5
IPアドレスの構成：
- ネットワークアドレス部とホストアドレス部でできている
ネットワークアドレス部：
- 例えば、企業の組織単位にネットワークがある場合、それぞれのネットワークを一意に識別する部分
- 同じネットワークに属するノードは、ネットワークアドレスが同じ
ホストアドレス部：
- 同じネットワークに属するノードを一意に識別する部分
IPアドレスでわかること：
- そのノードが「どのネットワークに属するか」と「どのホストか」
- 例えば、「○○町（ネットワーク部）の△番地（ホスト部）」

② IPアドレスクラス

アドレスクラス：
- 従来のIPネットワークで、IPアドレスを先頭4ビットまでの値で4つの種類に分ける考え方
アドレスクラスの欠点：
- ホストアドレス部のビット数が多いほど、各ネットワークで使えるIPアドレスは多くなる
- でも、使われずに無駄になるIPアドレスが出やすい

IPアドレスのクラス（★）

クラス	先頭ビット	ネットワーク部	ホスト部	同じネットワーク内のIPアドレス数
クラスA	0	8ビット	24ビット	16,777,214（2²⁴ − 2）
クラスB	10	16ビット	16ビット	65,534（2¹⁶ − 2）
クラスC	110	24ビット	8ビット	254（2⁸ − 2）
クラスD	1110	（分けない）	（分けない）	マルチキャスト用アドレス

クラスCで使えるアドレス数：
- ホストアドレス部が8ビットのクラスCで使えるIPアドレスは、ネットワークアドレスとブロードキャストアドレスを除いた 2⁸ − 2 ＝ 254個
クラスD：
- IPマルチキャスト用に予約された特別のアドレス
- ネットワークアドレス部とホストアドレス部に分けない
- IPマルチキャストの識別には「1110」の後ろの28ビットを使い、範囲は224.0.0.0〜239.255.255.255
クラスの例え：
- クラスAは、1つの町に1,600万軒が入る巨大な町。クラスCは、254軒しか入らない小さな町。中くらいの会社が巨大な町をもらうと、空き地だらけになる

③ 特殊なIPアドレス

ネットワークアドレス：
- ホストアドレス部がすべて「0」のアドレス
- ネットワーク自体を指す
ブロードキャストアドレス：
- ホストアドレス部がすべて「1」のアドレス
- ネットワーク内のすべてのノード宛てを示す
ループバックアドレス：
- 127.0.0.1
- 自分自身を表すIPアドレス
グローバルIPアドレス：
- インターネットにつながったノードに、一意に割り当てられたIPアドレス
プライベートIPアドレス：
- 組織内だけで通用するIPアドレス
- 例えば、グローバルIPアドレスは「外から届く住所」、プライベートIPアドレスは「社内の内線番号」

プライベートIPアドレスの範囲（RFC 1918）（★試験で問われる）

クラス	範囲
クラスA	10.0.0.0 〜 10.255.255.255
クラスB	172.16.0.0 〜 172.31.255.255
クラスC	192.168.0.0 〜 192.168.255.255

試験での出方（試験）：
- クラスCのプライベートIPアドレスとして使える範囲が問われることがある
覚え方：
- 「10」「172.16〜172.31」「192.168」。クラスBは、16〜31の範囲（172.32は外れる。ひっかけ注意）

通信の種類

種類	中身
ユニキャスト	単一の送信先を指定して行う通信
ブロードキャスト	ネットワークに属しているノード全体に対して行う通信
マルチキャスト	指定した複数の送信先に、同じデータを送る通信。ルータがデータを複製するので、ユニキャストを何回も行うより負荷を小さくできる

IGMP（Internet Group Management Protocol）：
- マルチキャストグループ管理用のプロトコル
- グループへの参加や離脱をホストが通知したり、グループに参加しているホストの有無をルータがチェックしたりするときに使う
通信の種類の例え：
- ユニキャストは個人宛ての手紙、ブロードキャストは町内放送、マルチキャストは「申し込んだ人だけに届くメルマガ」

サブネットマスク：ネットワークを小さく分ける（★試験によく出る）

① サブネットマスク

サブネットマスク：
- アドレスクラスの欠点を補うため、クラスにしばられずにネットワークアドレス部とホストアドレス部を分けるために考えられた
- IPアドレスと同じく32ビットで表す
- 左端から続く「1」の部分がネットワークアドレス部、「0」の部分がホストアドレス部
サブネットアドレス：
- サブネットマスクを使うと、ホストアドレス部の左端から数ビットを、ネットワークアドレス部に割り当てられる
- これで、同じネットワークの中に、いくつかの小さなネットワークを作れる
- このとき、割り当てたホストアドレス部の一部のこと
サブネット：
- 分割したネットワーク
- 例えば、1つの町（ネットワーク）を、丁目（サブネット）に分ける

サブネットマスクの例

IPアドレス：
- クラスCの 192.168.5.75（11000000 10101000 00000101 01001011）
サブネットマスク：
- 255.255.255.240（11111111 11111111 11111111 11110000）
ネットワークアドレス：
- 2つのビットごとの論理積（AND）で、192.168.5.64（11000000 10101000 00000101 01000000）
サブネットの数：
- ホストアドレス部（8ビット）の上位4ビットをサブネットアドレスにしているので、16（2⁴）個のサブネットに分けられる
各サブネットのIPアドレス数：
- ホストアドレス部の下位4ビットが、すべて「0」のサブネット自体を指すアドレスと、すべて「1」のブロードキャストアドレスを除いた、14（2⁴ − 2）個
ネットワークアドレスとホストアドレスの求め方：
- IPアドレスをa、サブネットマスクをmとする。「＆」はビットごとの論理積、「〜」はビット反転
- ネットワークアドレス＝ a ＆ m
- ホストアドレス＝ a ＆〜m

② プレフィックス表記

プレフィックス表記：
- ネットワークアドレス部とホストアドレス部の区切りを、ネットワークアドレス部の桁数で示す方法
- IPアドレスの後ろに、ネットワークアドレス部の長さ（ビット数）を「/」で区切って書く
- 例えば、ネットワークアドレス部が29桁なら「198.51.100.0/29」
プレフィックス：
- 「接頭辞」という意味
- IPアドレスの場合は、ネットワークアドレス部分の桁数（長さ）
サブネットマスクとの対応：
- 255.255.255.0 は /24、255.255.255.240 は /28（1が28個並ぶ）

ブロードキャストアドレスの例

問題：
- IPv4アドレス 172.20.45.10/20 のホストがあるネットワークの、ブロードキャストアドレスは何か
考え方：
- 「/20」は、先頭から20ビット目までがネットワークアドレス部
- ブロードキャストアドレスは、ホストアドレス部（残り12ビット）をすべて1にしたアドレス
計算：
- 第3オクテットの45は、2進数で 00101101。先頭4ビット（0010）までがネットワーク部
- ホスト部をすべて1にすると、00101111 ＝ 47、第4オクテットは11111111 ＝ 255
- 答えは 172.20.47.255
検算：
- ネットワークアドレスは 172.20.32.0（00100000 ＝ 32）。/20のホスト部は12ビットなので 2¹² ＝ 4,096個
- 32 ＋ 4,096 ÷ 256 ＝ 32 ＋ 16 ＝ 48 なので、次のネットワークは172.20.48.0。その1つ手前の 172.20.47.255 がブロードキャストアドレスで合う

例題（サブネットの計算）

問題：
- 10.1.5.130/26 のホストについて、①ネットワークアドレス、②ブロードキャストアドレス、③このネットワークでホストに割り当てられるアドレスの数を求めよ
答え：
- /26なので、第4オクテットの上位2ビットがネットワーク部、下位6ビットがホスト部
- 130 ＝ 10000010。ホスト部を0にすると 10000000 ＝ 128 なので、①は 10.1.5.128
- ホスト部を1にすると 10111111 ＝ 191 なので、②は 10.1.5.191
- ③は 2⁶ − 2 ＝ 64 − 2 ＝ 62個（10.1.5.129〜10.1.5.190）
検算：
- 128 ＋ 64 − 1 ＝ 191 で、ブロードキャストアドレスと一致
速く解くコツ：
- ホスト部が6ビットなら、ブロックの大きさは2⁶ ＝ 64。第4オクテットは「0、64、128、192」で区切られるので、130は「128〜191」のブロックに入る

③ CIDR

CIDR（Classless Inter-Domain Routing）：
- クラスによる分け方では、割り当てられたのに使われないIPアドレスが多く出てしまった
- そこで、IPアドレスを効率よく使うために考えられた、サブネットマスクを使った仕組み
- ネットワークアドレス部を、ネットワークの大きさに合わせて任意の長さに変えられるようになった
- 例えば、500台の会社に、クラスB（6万5千台分）ではなく、/23（510台分）を割り当てられる
スーパーネット化：
- CIDRで、連続するネットワークを束ねて、1つの集約したネットワーク（スーパーネットワーク）を作ること
スーパーネット化の例：
- 2つのネットワーク 10.10.4.0/23 と 10.10.6.0/23 は、左から22ビット目までが同じ
- そこで、サブネットマスクを「11111111 11111111 11111100 00000000」にすれば、1つのネットワーク 10.10.4.0/22 に集約できる
スーパーネット化の検算：
- 第3オクテットは、4 ＝ 00000100、6 ＝ 00000110。上位6ビット（000001）が同じなので、16 ＋ 6 ＝ 22ビットまで同じ
- /22は1,024個分（10.10.4.0〜10.10.7.255）で、/23（512個分）2つの合計と一致する
スーパーネット化の効果：
- ルータが持つ経路情報の削減と、ルーティング負荷の軽減ができる
- 経路集約ともいう
- 例えば、「1丁目宛て」「2丁目宛て」と別々に覚える代わりに、「○○町宛て」とまとめて覚える

混同しやすいペア

コネクション型／コネクションレス型
- コネクション型は、相手の確認と通信経路の設定をしてから通信する（TCP）
- コネクションレス型は、確認や設定をせずにすぐ通信する（IP、UDP）
TTL ／ホップ・リミット
- TTLは、IPv4の生存時間。ルータを通るたびに1減り、0で破棄
- ホップ・リミットは、IPv6での同じ役割の項目
プロトコル番号／次ヘッダ
- プロトコル番号は、IPv4で上位プロトコルを示す（ICMP 1、TCP 6、UDP 17、IPv6 41）
- 次ヘッダは、IPv6で次の拡張ヘッダ、または上位プロトコルを示す
プロトコル番号／ポート番号
- プロトコル番号は、IPヘッダで「TCPかUDPか」などを示す
- ポート番号は、TCP・UDPヘッダで「どのアプリか」を示す
ネットワークアドレス部／ホストアドレス部
- ネットワークアドレス部は、どのネットワークかを示す
- ホストアドレス部は、そのネットワークのどのノードかを示す
クラスA ／クラスB ／クラスC
- クラスAは、先頭0。ネットワーク部8ビット、16,777,214台
- クラスBは、先頭10。ネットワーク部16ビット、65,534台
- クラスCは、先頭110。ネットワーク部24ビット、254台
クラスD ／マルチキャストアドレス（IPv6）
- クラスDは、IPv4のマルチキャスト用（先頭1110、224.0.0.0〜239.255.255.255）
- IPv6のマルチキャストアドレスは、上位8ビットが11111111（FF00::/8）
ネットワークアドレス／ブロードキャストアドレス
- ネットワークアドレスは、ホスト部がすべて0。ネットワーク自体を指す
- ブロードキャストアドレスは、ホスト部がすべて1。全ノード宛て
グローバルIPアドレス／プライベートIPアドレス
- グローバルIPアドレスは、インターネットで一意
- プライベートIPアドレスは、組織内だけで通用する（10.＊、172.16〜31.＊、192.168.＊）
ループバックアドレス／ブロードキャストアドレス
- ループバックアドレスは、127.0.0.1。自分自身
- ブロードキャストアドレスは、ネットワーク内の全員
ユニキャスト／ブロードキャスト／マルチキャスト
- ユニキャストは、1つの宛先
- ブロードキャストは、ネットワークの全員
- マルチキャストは、指定した複数の宛先（ルータが複製。グループ管理はIGMP）
マルチキャスト／エニーキャスト
- マルチキャストは、グループの全員に届く
- エニーキャストは、グループのうち最も近い1つにだけ届く（IPv6で追加）
サブネットマスク／プレフィックス表記
- サブネットマスクは、32ビットで、1の部分がネットワーク部（255.255.255.240）
- プレフィックス表記は、ネットワーク部の桁数を「/」の後ろに書く（/28）
サブネット化／スーパーネット化
- サブネット化は、ホスト部の一部をネットワーク部にして、ネットワークを小さく分ける
- スーパーネット化は、連続するネットワークを束ねて、大きな1つにまとめる（経路情報の削減）
アドレスクラス／ CIDR
- アドレスクラスは、先頭ビットでネットワーク部の長さが決まる（無駄が出やすい）
- CIDRは、サブネットマスクで、ネットワーク部を任意の長さにできる

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