TCP/IP 概論（BNS 補助資料 IPアドレス1 実習編）

1 IPアドレスとは

• IPアドレスには IPv4アドレスと IPv6アドレスがあるが本科目では前者を主に扱い、 以下 IPアドレスと書くと（特記がなければ）IPv4アドレスだと解釈されたい。
• IPアドレスは32bitの値だが一般的にはそれを４つの8bit（1 octet とも呼ぶ）数に分けて 10進数(0～255の値をとる）を（ピリオドで区切って）４つ並べることで表記する。
• IPアドレスは原則として世界中で「ユニーク」である必要がある。

2 IPアドレスに関する実習

2.1 こちらがわのIPアドレス

• 自分のパソコンのIPアドレスを知る方法 伝統的にはCUIでの方法（コマンドプロンプトで ipconfigコマンド）があるが、 GUIでも見られる。（例えばここに解説あり）
• 外部（インターネット 側）から見た自分のアドレス 外部から自分のアドレスがどう見えているかを教えてくれるサイトがいくつかある （例えばここ） （さっきと違いますね）
• プライベートIPアドレスとは
• アドレスはどのように付与されるか（DHCPについて）

2.2 向こう側のIPアドレス

• 例えば、google のIPアドレスを知るための方法は、コマンドプロンプトで、

  nslookup www.google.co.jp

  のように入力すればいい。

• 或いはWebを通じて代行してくれるサイト（例えば ここ）もある。 （ただし学内で提供しているサービスについては結果が違う）

• その結果として得られるIPアドレスを、ブラウザのアドレスバーに入れることでも、 （多くの場合、）当該サイトにアクセスできる。

• このように ドメイン名とIPアドレスは密接に関係づけられているが、

  • どのような仕組みでこれが維持されるか
  • nslookup（をはじめとする問い合わせコマンド）がどう機能するか については、DNS をキーワードにして調べてみて下さい。

2.3 通信の現状を知る

• アドレス（IPアドレス）とポート が重要
  （アドレスだけでは届かない）
  

• ソース（発信元）とデスティネーション（送信先）のデータを常に持つ
  

• Windowsで状況を見るコマンドとして以下のものを知っておくこと

  netstat
  ping    IPADDR                        # 常に動作するとは限らない
  tracert    IPADDR                     # 同上

  

• ping は、ホスト名またはIPアドレスを指定して、そのアドレスのホスト（サーバ機など） に応答要求の信号を送り、相手からの応答が健全に帰って来ているかどうかを調査し 表示するもの。

  • 応答がなければ、相手ホストがダウンしているか、途中の経路でネットワークが トラブルで切れているかのどちらかだと推測できる。
  • また応答が0%でも100%でもないその中間の値のときは、 相手ホストまでの経路のどこかで混雑や渋滞が発生していることが想像できる。

• traceroute (windowsでは tracert）は、やはりホスト名かIPアドレスを指定し、 相手ホストまでの経路（で中継をしてくれている「ルータ」（と呼ばれる機器）の 名前かアドレスを近い方から順に）を表示してくれ、ネットワークの位置関係を 推測する材料にすることができる。

  • なお、Windowsでコマンド名が短い名前になっているのは、初期のWindowsにあった 8・3ルール（８．３形式とも呼ばれる）による制約のため。

• netstat は、ネットワーク接続の状態表示コマンド。（後の章に補足あり）

  • オプション（スイッチ）が色々あって、それにより表示されるものが違うが、 以下にはオプションなしで呼び出した場合についての大雑把に解説する。
    • なお、オプションなど使い方の表示は、右図のように /? をつけて呼ぶ （Windowsのコマンドによくある流儀; 別ページに補足あり）。
  • 左がローカル側（自機内）、右はリモート側（通信相手のことだが自機内のこともある）。
  • その両端について、IPアドレス（またはドメイン名）と、ポート（番号または名前）が、 コロン(:) 区切りで表示される。
  • 通信の状態は時々刻々変化するので、呼び出す毎に違うものが表示されるだろう。
    • 特にWebの通信は短い時間で終了するので変化が激しい。
  • なお、IPアドレスのうち、localhost 或いは 127.0.0.1 (IPv4)、 ::1 (IPv4) という表記のものは、同じコンピュータ内のローカルなアドレス （こちら側という意味）を示す。

• ネットは、よく不安定になる。学校のネットの場合、最後の10m（ユーザに一番近い側、 すなわち Wifiによる無線接続の部分；足回りなどとも呼ばれる）が安定しないことが多い。

  • そういった「繋がらない」問題に対処する時（すなわち「トラブルシューティング」） にこれらのツールは有効。

2.4 IPアドレスの実体

• 32bitのデータ（数字としては32桁の２進数だと考えていい）

• を、1オクテット（8bit）ごと10進数で表現した４つの数を、ピリオドでつないで表現

  （ついでに）10進数を２進数に変換する（昔習ったように手作業で計算する以外の）方法：

  1. ruby処理系があれば対話的ruby（irb）を起動して 172.to_s(2) などと入力
     （他のインタラクティブな言語でも同じようなことはできる）
  2. windowsで電卓（calc.exe : caciculator からついた名前）を起動し、
     プログラム電卓の状態にしておいて、172を入力したあと、２進ボタンを押す。
     
  3. 「IPアドレス ２進」で検索すると、
     ブラウザ画面内で変換してくれるサイトがいくつかある。

  

2.5 アドレス空間について

• ２進数の基礎をここで確認。
  • 図に32bitの２進数を例示する（10進で、１および10）
  • 1が32個並んだものが、符号なし32bit整数の最大の値。 （10進むだといくらになるか考えてみて下さい。
• 32bitで表現できるアドレス範囲（空間）の広さは、2³² = 約40億。
  
  • この値を簡単に見積るためには 2³² = 2¹⁰ × 2¹⁰ × 2¹⁰ × 2² と分解して、
  • 2¹⁰ ≒ 10³ から概算するといい。（右図参照）
    
  • なお、k, M, G などの接頭辞は、 物理学等ででは 10³、10⁶、10⁹ を意味するが、
  • 情報量を語るときには、2¹⁰、 2²⁰、2³⁰ だと 認識されることが多い。
• 正確な数値を得るためには、
  もしくは前述の電卓で２進数モードで1の後ろに0を32個入れてから10進表示させてもいいし、
  
  • irb や JSコンソール（ブラウザの開発ツールなど）に 2**32 と入力してもいい。（正確な数値は必要ではないが）
• アドレス空間は枯渇しようとしている。
  • その延命策として、少し前には CIDR、最近はプライベートIPアドレス（右図；次回詳しく扱う）の使用 が進められているが、
    
  • 根本的解決策は IPv6（アドレスは128bit）への移行だとされている。
• 特に最近話題になっている IoT によりアドレスの消費が進行することが予想される。

空間の広さについて、周辺の話

• 諸君のPCは、32bit機だろうか、64bit機だろうか（実際にはCPUが64bitかどうか、OSが64bitかどうか、 というようにいくつかの視点があるがここではOSの話とする）。
  • 右図のような操作（のうちのいずれか）でそれを確認できる画面が現れる。
  • 32bit機の場合、4GBが、扱えるメモリーサイズの上限となることを計算で確認されたい （現実には32bitWindowsでは3GBまでしか扱えない）。
  • これも「アドレス空間の広さ」にかかわる技術的問題であった。
• 1991年に東京23区の局番が3桁から4桁に変わったとか、95年に長野市が2桁から3桁に変わった、 というような番号変更も（「電話番号逼迫対策」と呼ばれる）番号空間（アドレス空間）の枯渇に対する対策であった。

２進数（およびN進数）について

（高校でしっかり習っていない人のための若干の補足）

• N進数は、基数（きすう）をNとしたときに、数の値を表すための記号（数字）をN個使う。
  • 2進数では、0,1 の２つの記号で数を表す。10進数では 0～9の10個、16進数では 0～9（では足りないので）に加えて A～Fの6個を加えて16個の記号を使う。
• いずれの表記方法でも、各桁に書かれた記号（数字）は、その桁の場所に応じて、 右端から順に N⁰、N¹、N²、… がいくつあるか、を表す。
  • 104₍₁₀₎ は、10² が１つ、10¹ が0個、10⁰ は4つ、 それを合計した値であることを、10個の記号の並びで表現したもの。
  • それを2進数で表すならば右図のように 01101000₍₂₎ となる。
• なお、上記で 数の右側に下付き括弧付きで基数が示されている。これはN進数について語るときによく用いられる記法。

2.6 IPアドレスとポート （Netstat出力を読む）

• netstatの出力では、現在稼働中の接続（コネクション）の状態が表示される。
• 正確に言えば稼働中(ESTABLISHEDの状態）のものに加えて、役割を終えて、 ポート番号回収までの待ち時間（TIME_WAITの状態）のものや、接続開設要求に 対する応答がまだ帰ってきていないもの（SYN_SENTの状態）のものも表示される。
• 各接続について、LOCAL側（左側；自PCが端点）と接続相手 （右側；外部アドレスと表記されたりリモート側と呼ばれたりもする） についてそれぞれ、IPアドレス（またはホスト名・ドメイン名と呼ばれる名前）と ポート番号（もしくはサービス名）をコロン（：）でつないだもの、が表示される。
• サービス名はコンピュータ内部でポート番号に変換される名標。 インターネットのコミュニティの中で慣例として使われる名前が多数リストアップされている。
• 接続（コネクション）の両端はそれぞれ（両端のコンピュータ内で動作する）プログラムである。 一台のコンピュータ内で複数（一般に多数の）プログラムが同時動作しているので、 接続の端点を識別するために上記のIPアドレス+ポート番号のペアが必要になる。
• ローカル側のポート番号は、それぞれの接続ごとに１ずつ増える値が使われる （これによりコンピュータ内で使用中のポート番号が重複しないよう管理されている）。
• なお、（大前提として）インターネットでの通信は（基本的な仕組みとしては）すべて １対１の通信である。３人以上の人が同時に参加するようなアプリケーションも多数 作られているがこれは
  • クライアントとサーバがそれぞれ個別に１対１の接続を行う
  • サーバがデータを各クライアントに配送する
    という仕組みで仮想的にｎ対ｎの通信をしているように見せかけているもの。
• 前出のポート番号のリスト(wikipedia)では、ポート番号空間を３つに区分している。
  • 0～2¹⁰-1 がウエルノウンポートと呼ばれ、様々な広域ネットワークサービスに割当られている。
  • 2¹⁴×3-1 までは様々な使い方となっていて、
  • それ以降は待受には使われずクライアントに動的に割当られる。
• ポート番号の最大値 65535は、16桁の２進数の最大値であることを右図で確認されたい。
  
  

IPアドレス以外の「アドレス」（と名のつくもの）

• MACアドレス（物理アドレス）：
  

  IEEE が全体を管理し、ベンダー（ネットワーク機器のメーカー）各社に分配
  windowsでは ipconfig /all で表示される。

  • 48bit（であることが理解できるだろうか）なので、 資源枯渇の心配は当面はない
  • 有線LAN（RJ45コネクタ（こんな形 または 画像検索）を装備しているPCに限定）
    イーサネット (Ethernet)を発展させた技術として IEEE 802.3規格
    
  • 無線LAN（802.3を発展させた技術として 802.11に属する技術）
    • あなたのPCと、教室隅にある無線アクセスポイント（ステーション）との間はこの接続
    • イーサネットからWifiに至る技術は継続的な技術として802委員会で維持管理+発展が行われてきている。

（以下は各自で調査しておいて下さい）

• ドメイン名（URLやメールアドレスの最も主要な部分）
  
• メールアドレス
  
• URL