IPv4-クイックガイド

この時代はコンピューターの時代と言われています。コンピューターは私たちの生活を大きく変えました。コンピューティングデバイスを他のコンピューティングデバイスに接続すると、データと情報を超高速で共有できます。

ネットワークとは何ですか？

コンピュータの世界のネットワークは、有線または無線の共有メディアを介して相互接続されたホストの集まりであると言われています。コンピュータネットワークにより、ホストはメディアを介してデータや情報を共有および交換できます。ネットワークは、オフィスにまたがるローカルエリアネットワーク、都市にまたがるメトロエリアネットワーク、または都市や州にまたがるワイドエリアネットワークです。

コンピュータネットワークは、1本の銅線ケーブルを介して2台のPCを接続するだけの単純なものでも、インターネットと呼ばれるこの世界のすべてのコンピュータが相互に接続される複雑さまで拡大することもできます。ネットワークには、データ交換という究極の目標を達成するために、ますます多くのコンポーネントが含まれています。以下は、コンピュータネットワークに関連するコンポーネントの簡単な説明です-

Hosts−ホストはネットワークの最終端にあると言われます。つまり、ホストは情報のソースであり、別のホストが宛先になります。情報はホスト間でエンドツーエンドで流れます。ホストは、ユーザーのPC、インターネットサーバー、データベースサーバーなどです。
Media−配線されている場合は、銅ケーブル、光ファイバーケーブル、および同軸ケーブルになります。ワイヤレスの場合は、無料の無線周波数または特別なワイヤレス帯域にすることができます。ワイヤレス周波数は、リモートサイトの相互接続にも使用できます。
Hub−ハブはマルチポートリピータであり、LANセグメント内のホストを接続するために使用されます。スループットが低いため、ハブは現在ほとんど使用されていません。ハブは、OSIモデルのレイヤー1（物理レイヤー）で動作します。
Switch−スイッチはマルチポートブリッジであり、LANセグメント内のホストを接続するために使用されます。スイッチはハブよりもはるかに高速で、ワイヤ速度で動作します。スイッチはレイヤー2（データリンクレイヤー）で動作しますが、レイヤー3（ネットワークレイヤー）スイッチも使用できます。
Router−ルーターはレイヤー3（ネットワークレイヤー）デバイスであり、リモートの宛先に送信されるデータ/情報のルーティングを決定します。ルーターは、相互接続されたネットワークとインターネットの中核を成します。
Gateways −ソフトウェアまたはソフトウェアとハードウェアの組み合わせは、データの共有に異なるプロトコルを使用しているネットワーク間でデータを交換するために機能します。
Firewall −ネットワーク/インターネット上の意図しない受信者からユーザーデータを保護するために使用されるソフトウェアまたはソフトウェアとハードウェアの組み合わせ。

ネットワーク内のすべてのコンポーネントは、最終的にホストにサービスを提供します。

ホストアドレス指定

ホスト間の通信は、ホストがネットワーク上で相互に識別できる場合にのみ発生します。単一のコリジョンドメイン（1つのホストによってセグメントで送信されたすべてのパケットが他のすべてのホストによって聞こえる）では、ホストはMACアドレスを介して直接通信できます。

MACアドレスは、工場でコード化された48ビットのハードウェアアドレスであり、ホストを一意に識別できます。ただし、ホストがリモートホストと通信する場合、つまり同じセグメント内にない場合、または論理的に接続されていない場合は、リモートホストを一意に識別するための何らかのアドレス指定手段が必要です。インターネットに接続されているすべてのホストに論理アドレスが与えられ、この論理アドレスが呼び出されますInternet Protocol Address。

国際標準化機構には、オープンシステム相互接続またはOSIモデルとして知られる通信システムの明確に定義されたモデルがあります。この階層化モデルは、各層で定義されたさまざまなプロトコルを使用して、1つのシステムが他のシステムと通信する方法の概念化されたビューです。さらに、各層は通信システムの明確に定義された部分に指定されます。たとえば、物理層は、通信システムの物理的性質のすべてのコンポーネント、つまりワイヤ、周波数、パルスコード、電圧伝送などを定義します。

OSIモデルには次の7つの層があります-

Application Layer (Layer-7)−これは、ホスト間またはホスト間でデータを転送する必要があるユーザーアプリケーションが置かれる場所です。例-HTTP、ファイル転送アプリケーション（FTP）、電子メールなど。
Presentation Layer (Layer-6)−このレイヤーは、ホスト上の1つの形式のデータ表現を、ネイティブ表現の別のホストに理解するのに役立ちます。送信者からのデータはオンザワイヤーデータ（一般的な標準形式）に変換され、受信者側では受信者のネイティブ表現に変換されます。
Session Layer (Layer-5)−この層は、ホスト間のセッション管理機能を提供します。たとえば、一部のホストがアクセスのためにパスワード検証を必要とし、資格情報が提供されている場合、そのセッションではパスワード検証は再度行われません。このレイヤーは、同期、ダイアログ制御、および重要な運用管理（オンライン銀行取引など）を支援します。
Transport Layer (Layer-4)−このレイヤーは、ホスト間でエンドツーエンドのデータ配信を提供します。この層は、上の層からデータを取得し、それをセグメントと呼ばれる小さな単位に分割してから、ネットワーク層に送信のために渡します。
Network Layer (Layer-3) −この層は、サブネットを超えてホストを一意に識別するのに役立ち、パケットが宛先に到達するためにたどる、またはルーティングされるパスを定義します。
Data Link Layer (Layer-2)−この層は、物理層から生の送信データ（信号、パルスなど）を取得してデータフレームを作成し、それを上位層に送信します。その逆も同様です。このレイヤーは、送信エラーもチェックし、それに応じて分類します。
Physical Layer (Layer-1) −この層は、ハードウェアテクノロジーと、信号、電圧、ケーブルの種類と長さなどの実際の通信メカニズムを扱います。

ネットワーク層

ネットワーク層は、あるホストから別のホストにデータを伝送する役割を果たします。これは、論理アドレスをホストに割り当て、それを使用してそれらを一意に識別する手段を提供します。ネットワーク層は、トランスポート層からデータユニットを取得し、データパケットと呼ばれる小さなユニットに分割します。

ネットワーク層はデータパスを定義します。パケットは宛先に到達するためにたどる必要があります。ルーターはこのレイヤーで動作し、データを宛先にルーティングするメカニズムを提供します。

インターネットの大部分は、TCP / IPプロトコルスイートとも呼ばれるインターネットプロトコルスイートと呼ばれるプロトコルスイートを使用しています。このスイートは、さまざまな目的とニーズに対応するさまざまなプロトコルを含むプロトコルの組み合わせです。このスイートの2つの主要なプロトコルはTCP（伝送制御プロトコル）とIP（インターネットプロトコル）であるため、これは一般にTCP / IPプロトコルスイートと呼ばれます。このプロトコルスイートには、インターネットを介して従う独自の参照モデルがあります。OSIモデルとは対照的に、このプロトコルモデルには含まれるレイヤーが少なくなっています。

Figure −OSIおよびTCP / IP参照モデルの比較描写

このモデルは、実際のハードウェア実装、つまりOSIモデルの物理層とは無関係です。これが、このモデルをほとんどすべての基盤となるテクノロジーに実装できる理由です。トランスポート層とインターネット層は同じピア層に対応します。OSIモデルの3つの最上位層はすべて、TCP / IPモデルの単一のアプリケーション層にまとめて圧縮されています。

インターネットプロトコルバージョン4（IPv4）

インターネットプロトコルは、TCP / IPプロトコルスイートの主要なプロトコルの1つです。このプロトコルは、OSIモデルのネットワーク層とTCP / IPモデルのインターネット層で機能します。したがって、このプロトコルには、論理アドレスに基づいてホストを識別し、基盤となるネットワークを介してホスト間でデータをルーティングする責任があります。

IPは、IPアドレス指定スキームによってホストを一意に識別するメカニズムを提供します。IPはベストエフォート配信を使用します。つまり、パケットが宛先ホストに配信されることを保証するものではありませんが、宛先に到達するために最善を尽くします。インターネットプロトコルバージョン4は、32ビットの論理アドレスを使用します。

レイヤー3プロトコル（OSI）であるインターネットプロトコルは、レイヤー4（トランスポート）からデータセグメントを取得し、それをパケットに分割します。IPパケットは、上位層から受信したデータユニットをカプセル化し、独自のヘッダー情報に追加します。

カプセル化されたデータは、IPペイロードと呼ばれます。IPヘッダーには、もう一方の端でパケットを配信するために必要なすべての情報が含まれています。

IPヘッダーには、バージョン番号（このコンテキストでは4）を含む多くの関連情報が含まれています。その他の詳細は次のとおりです。

Version−バージョン番号使用されるインターネットプロトコルの数（例：IPv4）。
IHL−インターネットヘッダーの長さ。IPヘッダー全体の長さ。
DSCP−差別化サービスコードポイント。これはサービスの種類です。
ECN−明示的輻輳通知。ルートで見られる混雑に関する情報を伝達します。
Total Length − IPパケット全体の長さ（IPヘッダーとIPペイロードを含む）。
Identification−送信中にIPパケットがフラグメント化された場合、すべてのフラグメントに同じ識別番号が含まれます。それらが属する元のIPパケットを識別するため。
Flags−ネットワークリソースの要求に応じて、IPパケットが大きすぎて処理できない場合、これらの「フラグ」は、フラグメント化できるかどうかを示します。この3ビットフラグでは、MSBは常に「0」に設定されます。
Fragment Offset −このオフセットは、元のIPパケット内のフラグメントの正確な位置を示します。
Time to Live−ネットワークでのループを回避するために、すべてのパケットはTTL値が設定されて送信されます。これにより、このパケットが通過できるルーター（ホップ）の数がネットワークに通知されます。各ホップで、その値は1ずつデクリメントされ、値が0に達すると、パケットは破棄されます。
Protocol−このパケットが属するプロトコル、つまり次のレベルのプロトコルである宛先ホストのネットワーク層に通知します。たとえば、ICMPのプロトコル番号は1、TCPは6、UDPは17です。
Header Checksum −このフィールドは、ヘッダー全体のチェックサム値を保持するために使用され、パケットがエラーなしで受信されたかどうかをチェックするために使用されます。
Source Address −パケットの送信者（または送信元）の32ビットアドレス。
Destination Address −パケットの受信者（または宛先）の32ビットアドレス。
Options −これはオプションのフィールドであり、IHLの値が5より大きい場合に使用されます。これらのオプションには、セキュリティ、レコードルート、タイムスタンプなどのオプションの値が含まれる場合があります。

IPv4は、3種類のアドレッシングモードをサポートしています。−

ユニキャストアドレッシングモード

このモードでは、データは1つの宛先ホストにのみ送信されます。[宛先アドレス]フィールドには、宛先ホストの32ビットIPアドレスが含まれます。ここで、クライアントはターゲットサーバーにデータを送信します-

ブロードキャストアドレッシングモード

このモードでは、パケットはネットワークセグメント内のすべてのホストにアドレス指定されます。[宛先アドレス]フィールドには、特別なブロードキャストアドレスが含まれています。255.255.255.255。ホストがネットワーク上でこのパケットを見ると、それを処理するようにバインドされます。ここで、クライアントはパケットを送信します。これは、すべてのサーバーによって楽しまれます-

マルチキャストアドレッシングモード

このモードは、前の2つのモードを組み合わせたものです。つまり、送信されるパケットは、単一のホストにも、セグメント上のすべてのホストにも送信されません。このパケットの宛先アドレスには、224.xxxで始まり、複数のホストが利用できる特別なアドレスが含まれています。

ここで、サーバーは複数のサーバーによって楽しまれるパケットを送信します。すべてのネットワークには、ネットワークを表すネットワーク番号用に予約された1つのIPアドレスと、そのネットワーク内のすべてのホストを表すブロードキャストアドレス用に予約された1つのIPアドレスがあります。

階層的アドレス指定スキーム

IPv4は、階層アドレス方式を使用します。長さが32ビットのIPアドレスは、図のように2つまたは3つの部分に分割されます。

単一のIPアドレスには、ネットワークとそのサブネットワーク、そして最終的にはホストに関する情報を含めることができます。このスキームにより、IPアドレスを階層化して、ネットワークに多くのサブネットワークを含めることができ、サブネットワークに多くのホストを含めることができます。

サブネットマスク

32ビットIPアドレスには、ホストとそのネットワークに関する情報が含まれています。両方を区別することが非常に必要です。このために、ルーターはサブネットマスクを使用します。これは、IPアドレスのネットワークアドレスのサイズと同じ長さです。サブネットマスクも32ビット長です。バイナリのIPアドレスがそのサブネットマスクとAND演算されている場合、結果はネットワークアドレスになります。たとえば、IPアドレスが192.168.1.152で、サブネットマスクが255.255.255.0の場合、-

このように、サブネットマスクは、IPアドレスからネットワークIDとホストを抽出するのに役立ちます。これで、192.168.1.0がネットワーク番号であり、192.168.1.152がそのネットワーク上のホストであることがわかります。

バイナリ表現

位置値法は、2進数を10進数から変換する最も簡単な形式です。IPアドレスは4オクテットに分割された32ビット値です。バイナリオクテットには8ビットが含まれており、各ビットの値は、オクテット内のビット値「1」の位置によって決定できます。

ビットの位置値は、2の累乗（位置– 1）によって決定されます。つまり、位置6のビット1の値は2 ^（6-1）、つまり2 ^ 5、つまり32です。オクテットは、ビットの位置値を合計することによって決定されます。11000000の値は128+ 64 = 192です。いくつかの例を以下の表に示します。

インターネットプロトコル階層には、ネットワークごとのホストの要件に従って、さまざまな状況で効率的に使用されるIPアドレスのいくつかのクラスが含まれています。大まかに言って、IPv4アドレッシングシステムは5つのクラスのIPアドレスに分けられます。5つのクラスはすべて、IPアドレスの最初のオクテットによって識別されます。

割り当てられた名前と番号のインターネットコーポレーションは、IPアドレスの割り当てを担当します。

ここで参照されている最初のオクテットは、何よりも左側です。次のように番号が付けられたオクテットは、IPアドレスのドット付き10進表記を示しています。

ネットワークの数とクラスごとのホストの数は、次の式で導き出すことができます。

ホストのIPアドレスを計算する場合、2つのIPアドレスはホストに割り当てることができないため減少します。つまり、ネットワークの最初のIPはネットワーク番号であり、最後のIPはブロードキャストIP用に予約されています。

クラスAアドレス

最初のオクテットの最初のビットは常に0（ゼロ）に設定されます。したがって、最初のオクテットの範囲は1〜127です。つまり、

クラスAアドレスには、1.xxxから126.xxxまでのIPのみが含まれます。IP範囲127.xxxは、ループバックIPアドレス用に予約されています。

クラスAIPアドレスのデフォルトのサブネットマスクは255.0.0.0です。これは、クラスAアドレス指定が126のネットワーク（2 ⁷ -2）と16777214のホスト（2 ²⁴ -2）を持つことができることを意味します。

したがって、クラスAのIPアドレス形式は次のとおりです。0NNNNNNN.HHHHHHHH.HHHHHHHH.HHHHHHHH

クラスBアドレス

クラスBに属するIPアドレスでは、最初のオクテットの最初の2ビットが10に設定されています。

クラスBのIPアドレスの範囲は128.0.xx〜191.255.xxです。クラスBのデフォルトのサブネットマスクは255.255.xxです。

クラスBには、16384（2 ¹⁴）ネットワークアドレスと65534（2 ¹⁶ -2）ホストアドレスがあります。

クラスBのIPアドレス形式は次のとおりです：10NNNNNN.NNNNNNNN.HHHHHHHH.HHHHHHHH

クラスCアドレス

クラスCIPアドレスの最初のオクテットでは、最初の3ビットが110に設定されています。つまり、-

クラスCのIPアドレスの範囲は192.0.0.xから223.255.255.xです。クラスCのデフォルトのサブネットマスクは255.255.255.xです。

クラスCは、2097152（2 ²¹）ネットワークアドレスと254（2 ⁸ -2）ホストアドレスを提供します。

クラスCのIPアドレス形式は次のとおりです。110NNNNN.NNNNNNNN.NNNNNNNN.HHHHHHHH

クラスDアドレス

クラスDIPアドレスの最初のオクテットの最初の4ビットは1110に設定され、範囲は-になります。

クラスDのIPアドレス範囲は224.0.0.0から239.255.255.255です。クラスDはマルチキャスト用に予約されています。マルチキャストでは、データは特定のホスト宛てではありません。そのため、IPアドレスからホストアドレスを抽出する必要はなく、クラスDにはサブネットマスクがありません。

クラスEアドレス

このIPクラスは、研究開発または研究のための実験目的でのみ予約されています。このクラスのIPアドレスの範囲は240.0.0.0から255.255.255.254です。クラスDと同様に、このクラスにもサブネットマスクは装備されていません。

各IPクラスには、独自のデフォルトサブネットマスクが装備されており、そのIPクラスを、ネットワークごとのネットワークのプレフィックス数とホストのプレフィックス数を持つように制限します。クラスフルIPアドレス指定では、ネットワークあたりのホスト数を減らしたり、IPクラスあたりのネットワーク数を増やしたりする柔軟性はありません。

CIDRまたは Classless Inter Domain RoutingIPアドレスのホスト部分のビットを借用し、それらをサブネットと呼ばれるネットワーク内のネットワークとして使用する柔軟性を提供します。サブネット化を使用することにより、単一のクラスA IPアドレスを使用して、より優れたネットワーク管理機能を提供するより小さなサブネットワークを持つことができます。

クラスAサブネット

クラスAでは、最初のオクテットのみがネットワーク識別子として使用され、残りの3つのオクテットがホストに割り当てられるために使用されます（つまり、ネットワークあたり16777214ホスト）。クラスAでサブネットを増やすために、ホスト部分のビットが借用され、それに応じてサブネットマスクが変更されます。

たとえば、1つのMSB（最上位ビット）が2番目のオクテットのホストビットから借用され、ネットワークアドレスに追加されると、サブネットごとに（2 ²³ -2）8388606ホストを持つ2つのサブネット（2 ¹ = 2）が作成されます。

サブネットマスクは、サブネット化を反映するためにそれに応じて変更されます。以下に、クラスAサブネットのすべての可能な組み合わせのリストを示します-

サブネット化の場合も、すべてのサブネットの最初と最後のIPアドレスが、それぞれサブネット番号とサブネットブロードキャストIPアドレスに使用されます。これらの2つのIPアドレスはホストに割り当てることができないため、ネットワークビットとして30ビットを超えるものを使用してサブネット化を実装することはできません。これにより、サブネットごとに2つ未満のホストが提供されます。

クラスBサブネット

デフォルトでは、クラスフルネットワークを使用して、14ビットがネットワークビットとして使用され、（2 ¹⁴）16384ネットワークと（2 ¹⁶ -2）65534ホストを提供します。クラスBIPアドレスは、ホストビットからビットを借用することにより、クラスAアドレスと同じ方法でサブネット化できます。以下に、クラスBサブネット化のすべての可能な組み合わせを示します-

クラスCサブネット

クラスCIPアドレスは、ネットワーク内に254のホストしか持てないため、通常、非常に小さいサイズのネットワークに割り当てられます。以下に、サブネット化されたクラスBIPアドレスのすべての可能な組み合わせのリストを示します。

インターネットサービスプロバイダーは、顧客の要件に応じて、さまざまなサイズのIPサブネットを割り当てる必要がある状況に直面する可能性があります。1人の顧客が3つのIPアドレスのクラスCサブネットを要求し、別の顧客が10個のIPを要求する場合があります。ISPの場合、IPアドレスを固定サイズのサブネットに分割することは不可能です。むしろ、IPアドレスの浪費を最小限に抑えるような方法でサブネットをサブネット化することをお勧めします。

たとえば、管理者は192.168.1.0/24ネットワークを持っています。接尾辞/ 24（「スラッシュ24」と発音）は、ネットワークアドレスに使用されるビット数を示します。この例では、管理者には、ホストの数が異なる3つの異なる部門があります。販売部門には100台のコンピューター、購入部門には50台のコンピューター、アカウントには25台のコンピューター、管理部門には5台のコンピューターがあります。CIDRでは、サブネットは固定サイズです。同じ方法を使用して、管理者はネットワークのすべての要件を満たすことはできません。

次の手順は、例で説明したように、部門ごとのIPアドレスを割り当てるためにVLSMを使用する方法を示しています。

ステップ1

サブネットのリストを可能にします。

ステップ2

IPの要件を降順（最高から最低）に並べ替えます。

売上高100
50を購入する
アカウント25
管理5

ステップ-3

最高の範囲のIPを最高の要件に割り当てるので、192.168.1.0 / 25（255.255.255.128）を営業部門に割り当てましょう。ネットワーク番号192.168.1.0のこのIPサブネットには、営業部門の要件を満たす126の有効なホストIPアドレスがあります。このサブネットに使用されるサブネットマスクの最後のオクテットは10000000です。

ステップ-4

次に高い範囲を割り当てるので、192.168.1.128 / 26（255.255.255.192）を購買部門に割り当てましょう。ネットワーク番号192.168.1.128のこのIPサブネットには、購入部門のすべてのPCに簡単に割り当てることができる62個の有効なホストIPアドレスがあります。使用されるサブネットマスクの最後のオクテットは11000000です。

ステップ-5

次に高い範囲、つまりアカウントを割り当てます。25個のIPの要件は、30個の有効なホストIPを含む192.168.1.192 / 27（255.255.255.224）IPサブネットで満たすことができます。経理部のネットワーク番号は192.168.1.192になります。サブネットマスクの最後のオクテットは11100000です。

ステップ-6

次に高い範囲を管理に割り当てます。管理部門には5台のコンピューターしか含まれていません。マスク255.255.255.248を持つサブネット192.168.1.224/ 29には、正確に6つの有効なホストIPアドレスがあります。したがって、これを管理に割り当てることができます。サブネットマスクの最後のオクテットには11111000が含まれます。

VLSMを使用することにより、管理者は、無駄になるIPアドレスの数を最小限に抑えるようにIPサブネットをサブネット化できます。すべての部門にIPを割り当てた後でも、この例の管理者には、CIDRを使用した場合には不可能だった多くのIPアドレスが残っています。

インターネット上で使用できない予約済みのIPv4アドレス空間がいくつかあります。これらのアドレスは特別な目的を果たし、ローカルエリアネットワークの外部にルーティングすることはできません。

プライベートIPアドレス

すべてのクラスのIP（A、B、C）には、プライベートIPアドレスとして予約されているアドレスがいくつかあります。これらのIPは、ネットワーク、キャンパス、企業内で使用でき、プライベートです。これらのアドレスはインターネット上でルーティングできないため、これらのプライベートアドレスを含むパケットはルーターによってドロップされます。

外界と通信するには、これらのIPアドレスをNATプロセスを使用していくつかのパブリックIPアドレスに変換する必要があります。そうしないと、Webプロキシサーバーを使用できます。

プライベートアドレスの個別の範囲を作成する唯一の目的は、すでに制限されているIPv4アドレスプールの割り当てを制御することです。LAN内でプライベートアドレス範囲を使用することにより、IPv4アドレスの要件は世界的に大幅に減少しました。また、IPv4アドレスの枯渇を遅らせるのにも役立ちました。

IPクラスは、プライベートアドレス範囲を使用しながら、組織の規模と要件に応じて選択できます。大規模な組織はクラスAのプライベートIPアドレス範囲を選択でき、小規模な組織はクラスCを選択できます。これらのIPアドレスはさらにサブネット化され、組織内の部門に割り当てられます。

ループバックIPアドレス

IPアドレス範囲127.0.0.0〜127.255.255.255は、ループバック、つまりローカルホストアドレスとも呼ばれるホストの自己アドレス用に予約されています。このループバックIPアドレスは、オペレーティングシステムによって完全に管理されます。ループバックアドレスは、単一システム上のサーバープロセスとクライアントプロセスが相互に通信できるようにします。プロセスが宛先アドレスをループバックアドレスとしてパケットを作成すると、オペレーティングシステムはNICの干渉を受けることなくパケットをループバックします。

ループバックで送信されたデータは、オペレーティングシステムによってオペレーティングシステム内の仮想ネットワークインターフェイスに転送されます。このアドレスは主に、単一のマシンでのクライアントサーバーアーキテクチャなどのテスト目的で使用されます。それ以外に、ホストマシンが127.0.0.1またはループバック範囲から任意のIPに正常にpingできる場合は、マシン上のTCP / IPソフトウェアスタックが正常にロードされて機能していることを意味します。

リンクローカルアドレス

ホストがDHCPサーバーからIPアドレスを取得できず、IPアドレスが手動で割り当てられていない場合、ホストは、予約されたリンクローカルアドレスの範囲から自分自身にIPアドレスを割り当てることができます。リンクローカルアドレスの範囲は169.254.0.0〜169.254.255.255です。

すべてのシステムが同じネットワークセグメントに接続されたDHCPサーバーからIPアドレスを取得するように構成されているネットワークセグメントを想定します。DHCPサーバーが利用できない場合、セグメント上のホストは他のホストと通信できません。Windows（98以降）およびMac OS（8.0以降）は、リンクローカルIPアドレスの自己構成のこの機能をサポートします。DHCPサーバーがない場合、すべてのホストマシンは上記の範囲からランダムにIPアドレスを選択し、他のホストも同じIPアドレスで構成されていないかどうかをARPで確認します。すべてのホストが同じ範囲のリンクローカルアドレスを使用すると、相互に通信できるようになります。

これらのIPアドレスは、同じ物理セグメントまたは論理セグメントに属していない場合、システムが通信するのに役立ちません。これらのIPもルーティングできません。

この章では、インターネットプロトコルバージョン4を使用してネットワーク上で実際の通信がどのように行われるかについて説明します。

ネットワーク内のパケットフロー

IPv4環境のすべてのホストには、一意の論理IPアドレスが割り当てられます。ホストがネットワーク上の別のホストにデータを送信する場合、宛先ホストの物理（MAC）アドレスが必要です。MACアドレスを取得するために、ホストはARPメッセージをブロードキャストし、宛先IPアドレスの所有者である人にMACアドレスを与えるように要求します。そのセグメント上のすべてのホストはARPパケットを受信しますが、ARPメッセージのIPと一致するIPを持つホストのみがMACアドレスで応答します。送信者が受信ステーションのMACアドレスを受信すると、データは物理メディアで送信されます。

IPがローカルサブネットに属していない場合、データはサブネットのゲートウェイを使用して宛先に送信されます。パケットフローを理解するには、最初に次のコンポーネントを理解する必要があります。

MAC Address−メディアアクセス制御アドレスは、一意に識別できるネットワークデバイスの48ビットの工場でハードコードされた物理アドレスです。このアドレスは、デバイスの製造元によって割り当てられています。
Address Resolution Protocol−アドレス解決プロトコルは、IPアドレスがわかっているホストのMACアドレスを取得するために使用されます。ARPは、ネットワークセグメント内のすべてのホストによって受信されるブロードキャストパケットです。ただし、IPがARPに記載されているホストのみが、MACアドレスを提供して応答します。
Proxy Server−インターネットにアクセスするために、ネットワークはパブリックIPが割り当てられたプロキシサーバーを使用します。すべてのPCは、インターネット上のサーバーのプロキシサーバーを要求します。PCSに代わってプロキシサーバーがサーバーに要求を送信し、サーバーから応答を受信すると、プロキシサーバーはそれをクライアントPCに転送します。これは、コンピュータネットワークでインターネットアクセスを制御する方法であり、Webベースのポリシーを実装するのに役立ちます。
Dynamic Host Control Protocol− DHCPは、事前定義されたアドレスプールからホストにIPアドレスを割り当てるサービスです。DHCPサーバーは、ゲートウェイIP、DNSサーバーアドレス、IPに割り当てられたリースなどの必要な情報も提供します。DHCPサービスを使用することにより、ネットワーク管理者はIPアドレスの割り当てを簡単に管理できます。
Domain Name System−ユーザーが接続したいリモートサーバーのIPアドレスを知らない可能性が非常に高いです。しかし、彼はそれに割り当てられた名前、たとえばtutorialpoints.comを知っています。ユーザーが接続したいリモートサーバーの名前を入力すると、画面の背後にあるローカルホストがDNSクエリを送信します。ドメインネームシステムは、ドメイン名がわかっているホストのIPアドレスを取得する方法です。
Network Address Translation−コンピュータネットワーク内のほとんどすべてのPCには、インターネット上でルーティングできないプライベートIPアドレスが割り当てられています。ルーターはプライベートIPアドレスを持つIPパケットを受信するとすぐに、それをドロップします。コンピュータネットワークは、パブリックプライベートアドレス上のサーバーにアクセスするために、ネットワークアドレス変換と呼ばれるパブリックアドレスとプライベートアドレスの間で変換を行うアドレス変換サービスを使用します。PCがプライベートネットワークからIPパケットを送信すると、NATはプライベートIPアドレスをパブリックIPアドレスに変更し、その逆も同様です。

これで、パケットフローについて説明できます。ユーザーが自分のパーソナルコンピューターからwww.TutorialsPoint.comにアクセスしたいとします。彼女はISPからインターネットに接続しています。彼女が目的のWebサイトに到達できるように、システムは次の手順を実行します。

ステップ1-IPアドレス（DHCP）を取得する

ユーザーのPCが起動すると、DHCPサーバーを検索してIPアドレスを取得します。同様に、PCはサブネット上の1つ以上のDHCPサーバーによって受信されるDHCPDISCOVERブロードキャストを送信し、それらはすべて、IP、サブネット、ゲートウェイ、DNSなどの必要なすべての詳細を含むDHCPOFFERで応答します。PCはDHCPREQUESTを送信します。提供されたIPアドレスを要求するためのパケット。最後に、DHCPはDHCPACKパケットを送信して、IPリースと呼ばれる一定の期間IPを保持できることをPCに通知します。

または、DHCPサーバーの助けを借りずにPCに手動でIPアドレスを割り当てることもできます。PCがIPアドレスの詳細で適切に構成されている場合、IP対応ネットワーク全体で他のコンピューターと通信できます。

ステップ2–DNSクエリ

ユーザーがWebブラウザを開いてドメイン名であるwww.tutorialpoints.comと入力し、PCがドメイン名を使用してサーバーと通信する方法を理解していない場合、PCは取得するためにネットワーク上でDNSクエリを送信します。ドメイン名に関連するIPアドレス。事前設定されたDNSサーバーは、指定されたドメイン名のIPアドレスを使用してクエリに応答します。

ステップ3–ARPリクエスト

PCは、宛先IPアドレスが自分のIPアドレス範囲に属していないことを検出し、要求をゲートウェイに転送する必要があります。このシナリオのゲートウェイは、ルーターまたはプロキシサーバーにすることができます。ゲートウェイのIPアドレスはクライアントマシンに認識されていますが、コンピューターはIPアドレスでデータを交換しませんが、レイヤー2の工場でコード化されたMACアドレスであるマシンのハードウェアアドレスが必要です。ゲートウェイのMACアドレスを取得するために、クライアントPCは「このIPアドレスを所有しているのは誰か」というARP要求をブロードキャストします。ARPクエリに応答するゲートウェイは、MACアドレスを送信します。PCは、MACアドレスを受信すると、パケットをゲートウェイに送信します。

IPパケットには送信元アドレスと宛先アドレスの両方があり、ホストをリモートホストに論理的に接続しますが、MACアドレスは、単一のネットワークセグメント上のシステムが実際のデータを転送するのに役立ちます。送信元と宛先のMACアドレスは、インターネット上を移動するときに（セグメントごとに）変更されることが重要ですが、送信元と宛先のIPアドレスは変更されません。

インターネットプロトコルバージョン4は、約に割り当てられるように設計されています。ほぼ43億のアドレス。インターネットの初めには、これは心配することのないはるかに広いアドレス空間と考えられていました。

インターネットユーザーの急増とその広範な使用により、通信するために実際の一意のIPを必要とするデバイスの数が飛躍的に増加しています。IPSは、携帯電話、自動車、その他の電子機器など、人間の生活を楽にするために作られたほぼすべてのデジタル機器に徐々に必要とされています。（コンピューター/ルーター以外の）デバイスの数により、以前は考慮されていなかった追加のIPアドレスの需要が拡大しました。

IPv4の割り当ては、Internet Corporation for Assigned Names and Numbers（ICANN）との調整の下、Internet Assigned Numbers Authority（IANA）によってグローバルに管理されています。IANAは、地域インターネットレジストリと緊密に連携しており、地域インターネットレジストリは、その地域でIPアドレスを効率的に配布する責任があります。そのようなRIRSは5つあります。IANAのレポートによると、すべてのIPv4アドレスブロックが割り当てられています。この状況に対処するために、以下の慣行が行われていました-

Private IPs − パブリックIPアドレスの要件を減らすことができるように、LAN内でプライベート使用するために宣言されたIPのブロックはほとんどありません。
NAT − ネットワークアドレス変換は、プライベートIPアドレスを持つ複数のPC /ホストが1つまたはいくつかのパブリックIPアドレスを使用してアクセスできるようにするメカニズムです。
未使用のパブリックIPはRIRによって回収されました。

インターネットプロトコルv6（IPv6）

IETF（Internet Engineering Task Force）は、IPv4の欠点を軽減するためにIPアドレスを再設計しました。新しいIPアドレスはバージョン6で、128ビットアドレスです。これにより、地球の1インチごとに数百万のIPアドレスを割り当てることができます。

現在、インターネット上で実行されているデバイスの大部分はIPv4を使用しており、今後数日でそれらをIPv6に移行することはできません。IPv6が提供するメカニズムがあり、インターネットが完全にIPv6に移行しない限り、IPv4とIPv6が共存できます。

デュアルIPスタック
トンネリング（6to4および4to6）
NATプロトコル変換