ネットワークの基本：ネットワーク層でのIPの働き

イーサネットとネットワーク

イーサネットはMACアドレスを宛先として通信を行います。LANケーブルの長さは100ｍが限界ですが、スイッチを間に入れれば距離を延ばすことも可能です。しかし、何百kmもこの方法で延ばすことは不可能です。そのため、広範囲のネットワークを構築するためには、NTTなどの通信回線を使用します。

通信事業者の専用線サービス

通信事業者は遠く離れたLANの間を光ファイバーなどを使って結んでいます。このようなサービスを専用線サービスと呼びます。イーサネットと専用線サービスの信号は同一ではないので、変換する必要があります。この変換を行う装置をDSU（Digital Service Unit）と呼びます。

専用線を超えた通信

専用線を超えた通信を行うには、相手のMACアドレスを知らなければなりません。しかし、初めは相手のMACアドレスは分からない状態であるため、MACアドレスを調べるために相手のIPアドレスを使用します。IPアドレスはコンピュータを識別する一意のデータです。

IPはInternet Protocolの略で、上述したような広いネットワーク（インターネット）での通信を行うためのプロトコルです。

IPはIPヘッダを書き込む

IPでは、データにIPヘッダと呼ばれる宛先や送信元のIPアドレスの情報が加えられます（カプセル化といいます。）。インターネット（WAN回線）では、イーサネットとは異なるフレームを使ってデータ通信を行いますが、IPパケットがあるため、相手のIPアドレスへとデータが送られます。また、通信相手がイーサネットの場合には、IPパケットの他にMACヘッダが加えられます。

IPパケットとルーティングテーブル

IPパケットの行き先を記録した一覧をルーティングテーブルと呼びます。IPを扱うコンピュータに備わっています。

IPアドレスが自分が所属するLAN内のコンピュータのアドレスであった場合には、相手のコンピュータに直接IPパケットが送られます。一方、自分が所属するLAN外のIPアドレスだった場合、WAN回線に繋がれているコンピュータ（ルータなど）にIPパケットを送ります。

IPアドレスとネットワークアドレス

IPアドレスはネットアドレスとホストアドレスから成ります。ネットワークアドレスは所属するLANのアドレスを意味します。ホストアドレスはネットワークに所属するコンピュータのアドレスを意味します。

サブネットマスク

IPアドレスを見ただけでは、どこからどこまでがネットワークアドレスかを判別することができます。そのため、サブネットマスクと呼ばれる数値を使い、ネットワークアドレスの範囲を指定します。

サブネットマスクは2進数で表すと、1の連続と0の連続の数値です。この1が並んでいる部分がネットワークアドレスの範囲を示します。

サブネットマスクに使える値

サブネットマスクは2進数表記で1の連続か、0の連続かであるため、使用する値が限られます。IPアドレスの始めの１つのブロックは必ずネットワークアドレスとなるので、サブネットマスクの先頭ブロックは必ず255となります。

CIDR表記とは

IPアドレスの何ビット目までがネットワークアドレスであるかを示す方法としてCIDR表記があります。サブネットマスクが255.0.0.0であった場合、2進数で表すと、11111111.00000000.00000000.00000000となります。つまり、前半8ビット目までがネットワークアドレスなので、CIDR表記は/8と示します。

IPアドレスが192.168.3.16、サブネットマスクが255.0.0.0であった場合、CIDR表記で192.168.3.16/28となります。

デフォルトゲートウェイ

IPパケットの宛先が同じLAN内でない場合には、デフォルトゲートウェイと呼ばれるコンピュータに送られます。ARPリクエストはWAN回線を超えては使えないため、同じLAN内にARPリクエストを送信し、デフォルトゲートウェイのコンピュータのMACアドレスを得ます。そして、IPパケットをデフォルトゲートウェイに送り、デフォルトゲートウェイはWAN回線へIPパケットを送り出します。

ルーターは中継機

IPパケットをWAN回線を介して送る場合には、中継機としてルータと呼ばれる機器が使われます。ルーターのポートを光ケーブル用のONUなどに接続して、WAN回線とLANを繋げます。

また、WAN回線を通じて送られてきたIPパケットが自分と同じネットワークアドレスであれば、ARPリクエストを使い、宛先のコンピュータのMACアドレスを調べ、データを送ります。