IPv4

Internet Protocol version 4（インターネットプロトコルバージョン4）、IPv4（アイピーブイ4）は、Internet Protocolの一種いっしゅで、OSI参照さんしょうモデルにおいてネットワーク層そうに位置付いちづけられる通信つうしんプロトコルである。

主おもに、転送てんそうの単位たんいであるパケットの経路けいろ選択せんたくと、その断片だんぺん化かと再さい構築こうちくが規定きていされている。TCP/IPの基本きほん機能きのうとして、インターネットをはじめ、世界中せかいじゅう広ひろく用もちいられている。

パケット

IPパケットの先頭せんとうには必かならずIPヘッダが付加ふかされ、それにより経路けいろ選択せんたくなどのIPの機能きのうが実現じつげんされている。IPヘッダは12のフィールドと拡張かくちょう情報じょうほう（オプション）から成なり立たっている。拡張かくちょう情報じょうほうを含ふくまないIPヘッダ長ちょうは20オクテットである。

以下いかにパケット形式けいしき図ずとそれぞれの領域りょういきの役割やくわりなどを記しるす。

**パケット形式けいしき図ず**
0	4	8	16	19
バージョン	ヘッダ長ちょう	サービス種別しゅべつ	全長ぜんちょう
識別子しきべつし			フラグ	断片だんぺん位置いち
生存せいぞん時間じかん		プロトコル	チェックサム
送信そうしん元もとアドレス
宛先あてさきアドレス
拡張かくちょう情報じょうほう
データ

バージョン（Version）　IPのバージョンであり、IPv4の場合ばあいは4が格納かくのうされる。
ヘッダ長ちょう（Internet Header Length、IHL）　IPヘッダの長ながさで、4オクテット単位たんいで表あらわされる。この値あたいによりデータの開始かいし位置いちを知しることができる。通常つうじょうは「5」が入はいる。

**サービス種別しゅべつ**
0	1	2	3	4	5	6	7
優先ゆうせん度ど			遅延ちえん度ど	転送てんそう量りょう	信頼しんらい性せい	予備よび

サービス種別しゅべつ（Type of Service、ToS、優先ゆうせん順位じゅんい）　パケットが転送てんそうされる際さいに重視じゅうしするサービスを指定していする。ただし、ルータの実装じっそうにおいてパケットごとにサービスを区別くべつすることは容易よういではない。送信そうしん元もとが全すべてを重視じゅうしとする設定せっていを行おこなう場合ばあいや、ネットワークの運用うんよう方針ほうしんによっては境界きょうかいに位置いちするルータが値ねを書かき換かえる場合ばあいもある。優先ゆうせん度どはパケットの優先ゆうせん度どを8段階だんかいで示しめす。パケットの送信そうしん待まち行列ぎょうれつを8個こ用もちいて実現じつげんする実装じっそうもある。遅延ちえん度どはパケットを早はやく宛先あてさきへと到達とうたつさせることを求もとめる。転送てんそう量りょうはパケットを多おおく宛先あてさきへと到達とうたつさせることを求もとめる。信頼しんらい性せいはパケットを失うしなわず宛先あてさきへと到達とうたつさせることを求もとめる（このような処理しょりをQoSと呼よぶ）。IPv6のIPv6パケットでは、サービス種別しゅべつの代かわりに「フローラベル」（Flow Label）が定義ていぎされている。
全長ぜんちょう（Total Length）　IPヘッダを含ふくむパケットの全長ぜんちょうをオクテット単位たんいで表あらわしたもの。最大さいだいは65,535オクテット。
識別子しきべつし（Identification、識別しきべつ番号ばんごうとも）　パケットの送信そうしん元もとが一意いちいな値ねを格納かくのうする。断片だんぺん化かしたパケットの復元ふくげんに用もちいられる。パケットを転送てんそうするルータがデータを分割ぶんかつしたときにバラバラになった複数ふくすうのパケットを同一どういつのものと判断はんだんする。

**フラグ**
0	1	2
予備よび	禁止きんし	継続けいぞく

フラグ（Various Control Flags）　断片だんぺん化かの制御せいぎょに用もちいる。ビット0は予備よびであり常つねに0。ビット1は1の場合ばあいに断片だんぺん化かの禁止きんしを意味いみする。ビット2は1の場合ばあいに断片だんぺん化かされた後続こうぞくのパケットが存在そんざいするパケットであることを意味いみし、0の場合ばあいは後続こうぞくのパケットが存在そんざいしないことを意味いみする。
断片だんぺん位置いち（Fragment Offset）　ルータなどがパケットを断片だんぺん化かした際さいに、その位置いちを8オクテット単位たんいで格納かくのうする。断片だんぺん化かしたパケットの復元ふくげんに用もちいられる。以上いじょうの識別子しきべつし、フラグ、断片だんぺん位置いちの情報じょうほうからフラグメントを行おこなうことができる。
生存せいぞん時間じかん（Time to Live、TTL）　パケットの余命よめいを示しめす値ねである。送信そうしん元もとはパケットが経由けいゆできるルータ数すうの上限じょうげんを設定せっていし、ルータはパケットを転送てんそうするごとに値ねを一ひとつ減へらし、値ねが0になるとパケットは破棄はきされる。パケットがネットワーク上じょうで無限むげんに巡回じゅんかいする問題もんだいを防ふせぐ効果こうかがある。TTLは8ビットのため0〜255の値ねをセットできる。
プロトコル（Protocol）　TCPなどの上位じょういプロトコルを示しめすプロトコル番号ばんごうが設定せっていされる。パケットの宛先あてさきである装置そうちがパケットを受信じゅしんすると、この値ねを用もちいて上位じょういプロトコルを識別しきべつし、その実装じっそうへペイロードを渡わたす。主おもに使つかわれるプロトコルには、ICMP、TCP、UDP、IPv6、EIGRP、OSPFが挙あげられる。
チェックサム（検査けんさ合計ごうけい、Header Checksum）　IPヘッダの誤あやまり検査けんさに用もちいられる。転送てんそうごとに生存せいぞん時間じかんの値ねが変かわるため、ルータはチェックサムも転送てんそうごとに再さい計算けいさんする必要ひつようがある。データ部分ぶぶんに関かんしてはTCPなどの上位じょうい層そうに任まかせ、IPパケットのヘッダのチェックサムの対象たいしょうはヘッダ部分ぶぶんだけである。また、IPパケットのチェックサムフィールドは設定せってい必須ひっすの項目こうもくなので省略しょうりゃくできない。IPv6ではチェックサムフィールドはなくなった。
送信そうしん元もとアドレス（Source Address）　パケットの送信そうしん元もとIPアドレスが設定せっていされる。
宛先あてさきアドレス（Destination Address）　パケットの送信そうしん先さきIPアドレスが設定せっていされる。
拡張かくちょう情報じょうほう（Options）　可変長かへんちょうの拡張かくちょう情報じょうほうが32ビット単位たんいで設定せっていされる。めったに使用しようされることがないが、セキュリティ、ルーズソースルーティング/ストリクトソースルーティング、レコードルート、インターネットタイムスタンプなどの情報じょうほうが埋うめ込こまれる。可変長かへんちょうのため0を足たすパディングを必要ひつようとする。
データ　パケットが伝達でんたつすべきペイロードである。

アドレス

IPで用もちいられる32ビットのアドレスはIPアドレスと呼よばれ、IPアドレスはネットワークアドレスとホストアドレスに分わけて用もちいられる。

RFC 791において、ネットワークアドレスとホストアドレスの境界きょうかいは、IPアドレスの先頭せんとうのビット列びっとれつで定さだめられ、境界きょうかいの位置いちによりIPアドレスはクラス（class）として分類ぶんるいされた。

クラス	0	1	2	3	8	16	24
a	0	ネットワーク			ホスト
b	1	0	ネットワーク			ホスト
c	1	1	0	ネットワーク			ホスト
	1	1	1	拡張かくちょうアドレスモード

しかしRFC 791の方式ほうしきは、ホストアドレスの割わり当あて数すうが、クラスaでは16777215、クラスbでは65535にものぼる。これほどの膨大ぼうだいな数かずのホストを収容しゅうようするネットワークは一般いっぱんに存在そんざいせず、アドレスの利用りように無駄むだを生しょうじた。そこでRFC 950においてサブネット（subnet）が定さだめられた。サブネットはホストアドレスの一部いちぶをアドレスマスク（address mask）を用もちいて分割ぶんかつすることにより得えられ、あるネットワークアドレスを与あたえられた組織そしき内ないにおいて、更さらにネットワークを分割ぶんかつするために用もちいられる。

	0	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12	13	14	15	16	17	18	19	20	21	22	23	24	25	26	27	28	29	30	31
	1	0	ネットワーク														サブネット								ホスト
アドレスマスク	1	1	1	1	1	1	1	1	1	1	1	1	1	1	1	1	1	1	1	1	1	1	1	1	0	0	0	0	0	0	0	0

RFC 1597においては、ある組織そしき内ないで私的してきに用もちいられる下記かきのプライベートアドレスが定さだめられた。

10.0.0.0〜10.255.255.255（10.0.0.0/8）
172.16.0.0〜172.31.255.255（172.16.0.0/12）
192.168.0.0〜192.168.255.255（192.168.0.0/16）

上記じょうきのアドレス以外いがいはグローバルアドレスとも呼よばれるようになる。

特別とくべつ用途ようとのアドレス

Internet Engineering Task Force (IETF)とInternet Assigned Numbers Authority (IANA)は、特別とくべつな用途ようとに用もちいられるIPアドレスを予約よやくし、一般いっぱんの使用しようを制限せいげんしている。

特別とくべつ用途ようとのアドレスブロック
アドレスブロック	アドレス範囲はんい	アドレスの数かず	スコープ	説明せつめい
0.0.0.0/8	0.0.0.0–0.255.255.255	16777216	ソフトウェア	現在げんざいのネットワーク^[1]（送信そうしん元もとアドレスとしてのみ有効ゆうこう）
10.0.0.0/8	10.0.0.0–10.255.255.255	16777216	プライベートネットワーク	プライベートネットワーク内うちでの通信つうしんに使用しよう^[2]
100.64.0.0/10	100.64.0.0–100.127.255.255	4194304	プライベートネットワーク	シェアードアドレス空間くうかん（英語えいご版ばん）^[3]。キャリアグレードNATを使用しようする際さいに、サービスプロバイダとその加入かにゅう者しゃ間あいだで通信つうしんを行おこなうために使用しようする。
127.0.0.0/8	127.0.0.0–127.255.255.255	16777216	ホスト	localhostへのループバックアドレスとして使用しよう^[1]
169.254.0.0/16	169.254.0.0–169.254.255.255	65536	サブネット	リンクローカルアドレスとして使用しよう^[4]。IPアドレスが指定していされていない場合ばあいに、1つのリンク上じょうの2つのホスト間あいだの通信つうしんに使用しようされる。
172.16.0.0/12	172.16.0.0–172.31.255.255	1048576	プライベートネットワーク	プライベートネットワーク内ないでの通信つうしんに使用しよう^[2]
192.0.0.0/24	192.0.0.0–192.0.0.255	256	プライベートネットワーク	IETF Protocol Assignments.^[1]
192.0.2.0/24	192.0.2.0–192.0.2.255	256	ドキュメント	ドキュメントにおける例示れいじ用よう(TEST-NET-1)^[5]
192.88.99.0/24	192.88.99.0–192.88.99.255	256	インターネット	予約よやく^[6]。以前いぜんはIPv6からIPv4への中継ちゅうけい(6to4)に使用しようされていた^[7]（IPv6アドレスブロック2002::/16を含ふくむ）。
192.168.0.0/16	192.168.0.0–192.168.255.255	65536	プライベートネットワーク	プライベートネットワーク内ないでの通信つうしんに使用しよう^[2]
198.18.0.0/15	198.18.0.0–198.19.255.255	131072	プライベートネットワーク	2つの異ことなるサブネット間あいだのネットワーク間あいだ通信つうしんのベンチマークテストに使用しよう^[8]。
198.51.100.0/24	198.51.100.0–198.51.100.255	256	ドキュメント	ドキュメントにおける例示れいじ用よう(TEST-NET-2)^[5]
203.0.113.0/24	203.0.113.0–203.0.113.255	256	ドキュメント	ドキュメントにおける例示れいじ用よう(TEST-NET-3)^[5]
224.0.0.0/4	224.0.0.0–239.255.255.255	268435456	インターネット	IPマルチキャストに使用しよう^[9]（かつてのクラスD）。
240.0.0.0/4	240.0.0.0–255.255.255.254	268435455	インターネット	将来しょうらいの使用しようのために予約よやく^[10]（かつてのクラスE）。
255.255.255.255/32	255.255.255.255	1	サブネット	リミテッド・ブロードキャストの宛先あてさきアドレスとして予約よやく^[1]^[11]

14.0.0.0/8は、Public data networkのために予約よやくされていたが(RFC 1700)、2008年ねん2月がつに予約よやくは解除かいじょされた^[12]。
24.0.0.0/8は、ケーブルテレビネットワークのために予約よやくされていたが(RFC 3330)、2010年ねん5月がつ現在げんざいでは予約よやくは解除かいじょされている^[12]。
39.0.0.0/8は、Class A Subnet Experimentとして予約よやくされていたが(RFC 1797)、2010年ねん5月がつ現在げんざいでは予約よやくは解除かいじょされている^[12]。
128.0.0.0/16は、RFC 3330において予約よやくされていたが、2010年ねん5月がつ現在げんざいでは予約よやくは解除かいじょされている^[12]。
191.255.0.0/16は、RFC 3330において予約よやくされていたが、2010年ねん5月がつ現在げんざいでは予約よやくは解除かいじょされている^[12]。
223.255.255.0/24は、RFC 3330において予約よやくされていたが、2010年ねん5月がつ現在げんざいでは予約よやくは解除かいじょされている^[12]。

経路けいろ選択せんたく

ルーティング（routing）とも呼よばれ、パケットを宛先あてさきへと転送てんそうする機能きのうである。この機能きのうはルータに集約しゅうやくされ、多おおくのホストはデフォルト経路けいろとしてルータのアドレスを記述きじゅつするスタイルを取とることが多おおい。

ネットワーク構成こうせい図ず

192.168.1.2

ether0

192.168.1.1

127.0.0.1
loopback

ether1

10.1.1.1

10.1.1.2

10.1.1.3

172.16/16

経路けいろ表ひょう
destination	nexthop	interface
default	192.168.1.2	ether0
192.168.1.1/32	127.0.0.1	loopback
192.168.1.2/32	192.168.1.2	ether0
10.1.1.1/32	127.0.0.1	loopback
10.1.1.2/32	10.1.1.2	ether1
10.1.1.3/32	10.1.1.3	ether1
172.16/16	10.1.1.2	ether1
10.255.255.255/32	10.1.1.1	ether1

ルータは経路けいろ表ひょう（ルーティングテーブル、routing table）に基もとづき経路けいろ選択せんたくを行おこなう。あるネットワークの構成こうせい図ずとその中心ちゅうしんに位置いちするルータの経路けいろ表ひょうを右みぎに示しめす。図ず中ちゅうにおいて中心ちゅうしんのルータは二ふたつの送受信そうじゅしん口こうを持もっており、上うえの口くちはether0と名付なづけられアドレスは192.168.1.1が割わり振ふられている。下したの口くちはether1と名付なづけられアドレスは10.1.1.1が割わり振ふられている。ルータ内部ないぶにおいてloopbackとはルータ自身じしんを示しめす送受信そうじゅしん口こうであり、127.0.0.1はルータ自身じしんを現あらわすアドレスである。表ひょう中ちゅうにおいてdestinationは宛先あてさき、nexthopは転送てんそう先さき、interfaceは送信そうしん口こうを意味いみする（アドレスの記法きほうについては「IPアドレス」を参照さんしょう）。

このルータがパケットを受信じゅしんした際さいの動作どうさを解説かいせつする。192.168.1.1宛あてのパケットを受信じゅしんすると、ルータは経路けいろ表ひょうの宛先あてさきを検索けんさくし、192.168.1.1/32の行くだりを見みつけ、その転送てんそう先さきはルータ自身じしんであることから、自身じしんに宛あてられたパケットであることを判別はんべつする。192.168.1.2宛あてのパケットを受信じゅしんすると、ルータは経路けいろ表ひょうを検索けんさくし、ether0から192.168.1.2に向むけてパケットを送出そうしゅつする。10.1.1.2宛あてのパケットを受信じゅしんすると、同様どうようにether1から10.1.1.2に向むけてパケットを送出そうしゅつする。 172.16.1.1宛あてのパケットを受信じゅしんすると、ルータは最長さいちょう一致いっちする172.16/16の行くだりを見みつけ、10.1.1.2が172.16.1.1へと至いたる経路けいろであると判別はんべつし、ether1から10.1.1.2に向むけてパケットを送出そうしゅつする。 10.255.255.255宛あてのパケットを受信じゅしんする。このアドレスはブロードキャストアドレスと呼よばれ、10/8のネットワークに接続せつぞくされた全すべての装置そうちを宛先あてさきとするアドレスである。ether1から10/8のネットワークに接続せつぞくされた全すべての装置そうちに向むけてパケットを送出そうしゅつする。 7.7.7.7宛あてのパケットを受信じゅしんする。このアドレスは経路けいろ表ひょうには存在そんざいしないため、defaultの行くだりに最長さいちょう一致いっちし、ネクストホップである192.168.1.2に向むかってパケットを送出そうしゅつする。192.168.1.2はデフォルトゲートウェイやデフォルトルートなどと呼よばれ、通常つうじょうは端末たんまつから見みてより中心ちゅうしんに位置いちするルータが設定せっていされる。

経路けいろ表ひょうの構築こうちくはルータの管理かんり者しゃが手動しゅどうで設定せっていする場合ばあいと、RIP、OSPFなどのルーティングプロトコルを用もちいて自動じどうで設定せっていする場合ばあいがある。前者ぜんしゃは静的せいてき経路けいろ、後者こうしゃは動的どうてき経路けいろなどとも呼よばれる。経路けいろ表ひょうはパソコンなどにも存在そんざいし、Windowsであれば「route print」、UNIX系けいであれば「netstat -r」または「ip route」で見みることができる。

断片だんぺん化かと再さい構築こうちく

「IPフラグメンテーション」も参照さんしょう

プロトコルが転送てんそうする単位たんいの最大さいだい長ちょうを、MTU（最大さいだい転送てんそう単位たんい、Max Transfer Unit）と呼よぶ。IPパケットの最大さいだい長ちょうは65535オクテットであるが、IPパケットを伝送でんそうすべきデータリンク層そうのMTUは、IPの最大さいだい長ちょうと比くらべると短みじかい場合ばあいが多おおく、例たとえば通常つうじょうのイーサネットのMTUは1500オクテットである。

断片だんぺん化か（英語えいご：Fragmentation、フラグメント化か、フラグメンテーションとも呼よばれる^[13]^[14]）は、IPパケットがパケットを送出そうしゅつする伝送でんそう路ろのMTUよりも長ながい場合ばあいに発生はっせいする。断片だんぺん化かを行おこなう装置そうちはIPパケットを伝送でんそう路ろのMTUに収おさまる長ながさに分割ぶんかつし、分割ぶんかつされたパケットのIPヘッダは、全長ぜんちょうが分割ぶんかつされた長ながさになり、断片だんぺん位置いちには分割ぶんかつされた位置いちが記しるされ、最後さいごのパケット以外いがいは継続けいぞくフラグが設定せっていされる。識別子しきべつしは分割ぶんかつされた全すべてのパケットに分割ぶんかつ前まえのパケットのそれが写うつされる。

断片だんぺん化かしたパケットの再さい構築こうちく（英語えいご：Reassembly、再さい構成こうせいとも呼よばれる^[15]）は、パケットの宛先あてさきである装置そうちが行おこなう。ある識別子しきべつしを持もつパケットの断片だんぺんを受信じゅしんした宛先あてさきは、さらに同おなじ識別子しきべつしを持もつパケットの断片だんぺんを受信じゅしんし、それぞれの断片だんぺん位置いちから断片だんぺん化か前まえのパケットを再さい構築こうちくする。

IPヘッダのフラグの禁止きんしビットを設定せっていすれば、パケットの断片だんぺん化かを禁止きんしできる。この場合ばあいは断片だんぺん化かの代かわりにICMPの宛先あてさき到達とうたつ不可ふか通知つうちがパケットの送信そうしん元もとに返かえされる。送信そうしん元もとはこれを利用りようして宛先あてさきに至いたる経路けいろの最小さいしょうMTUを調査ちょうさすることができ、そのような動作どうさは経路けいろMTU探索たんさくと呼よばれる。

断片だんぺん化かは帯域たいいきやルータの負荷ふかに無駄むだ（オーバーヘッド）を生しょうじ、スループットの低下ていかとなるため好このまれない。経路けいろMTU探索たんさくを行おこないMTUを調整ちょうせいするとよい。なお、IPv6では経路けいろ上じょうのルータで断片だんぺん化か・再さい構築こうちくを行おこなうことはなく、送信そうしんホストのみで行おこなわれる。

IPv4アドレスの枯渇こかつ

詳細しょうさいは「IPアドレス枯渇こかつ問題もんだい」を参照さんしょう

IPv4のグローバルアドレスが枯渇こかつしてしまい、新規しんきにIPv4のグローバルアドレスを割わり当あてることができなくなるため、インターネット上じょうに公開こうかいされたIP機器ききを増設ぞうせつすることが不可能ふかのうになる問題もんだいである。既すでにIANA(Internet Assigned Numbers Authority)の管理かんりするIPv4アドレスは2011年ねん 2月がつ3日にちに枯渇こかつした。また、AFRINICを除のぞくRIR(地域ちいきインターネットレジストリ)の管理かんりするアドレスも2020年ねん8月がつにはすべて枯渇こかつした。

この枯渇こかつ問題もんだいの対策たいさくとして、IPv6の普及ふきゅうが進すすめられている。

RFC仕様しよう

RFC 791 - Internet Protocol
RFC 950 - Internet Standard Subnetting Procedure
RFC 1112 - Host Extensions for IP Multicasting
RFC 1518 - An Architecture for IP Address Allocation with CIDR
RFC 1519 - Classless Inter-Domain Routing (CIDR): an Address Assignment and Aggregation Strategy
RFC 1597 - Address Allocation for Private Internets
RFC 1817 - CIDR and Classful Routing
RFC 2101 - IPv4 Address Behaviour Today

出典しゅってん

[脚注きゃくちゅうの使つかい方かた]

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