いにしえのネットワーク入門

• IP アドレスの中身 ── 32 ビット、ネットワークの番号と機械の番号、/24 とマスク
• 送る前の判断 ── 相手は同じネットワークか。間違えると何が起きるか（実測）
• 特別な住所と DHCP ── プライベート、127、169.254。住所をもらうまでの4往復（実測）
• 住所の枯渇と IPv6 ── 2011年に在庫が尽きた話と、128 ビットの住所

第3回の MAC アドレスは「となりの機器まで」の宛名で、ルーターを越えるたびに付けかえられました。それに対して IP アドレスは、最後の相手までの住所で、途中で変わりません。

IPv4 の住所は 32 ビット（4 バイト）です。8 ビットずつ4つに区切り、それぞれを 0〜255 の 10 進数にして「.」でつないだのが、おなじみの 10.0.1.10 という書き方です。

住所は2つの部分に分かれています。前はネットワークの番号（どの町か）、後ろは機械の番号（何番地か）。どこで区切るかを表すのが「/24」の数字で、前から 24 ビットがネットワークの番号という意味です。

# 第1回の PC の住所
$ ip -4 addr show eth0
    inet 10.0.1.10/24 scope global eth0
# 2進数にすると（/24＝前から24ビットがネットワークの番号、残り8ビットが機械の番号）
address  00001010.00000000.00000001.00001010   10.0.1.10
mask     11111111.11111111.11111111.00000000   255.255.255.0
# 住所とマスクの AND（両方 1 のところだけ 1）＝ネットワークの番号
network  00001010.00000000.00000001.00000000   10.0.1.0

/24 は、「前から 24 個が 1、残りが 0」の 32 ビットのマスクと同じことを表します。10 進数で書けば 255.255.255.0。昔はこのマスクの形で書くのがふつうでしたが、いまは短い「/24」（CIDR 表記）がよく使われます。

/24 のネットワークには 256 個の住所がありますが、機械に付けられるのは 254 個です。いちばん最初（10.0.1.0）はネットワークそのものを指す番号、いちばん最後（10.0.1.255）はそのネットワークの全員あての番号として取ってあるからです。/30 なら 4 個のうち 2 個、ルーターどうしを1本でつなぐときによく使います。

/24 が本当に効いてくるのは、送る前の判断です。PC はパケットを送る前に、相手の住所と自分の住所を、自分のマスクで切って比べます。同じなら相手は同じネットワークにいるので、相手の MAC を ARP で尋ねて直接送ります。違えばよそなので、ルーター（デフォルトゲートウェイ）に渡します。

では冒頭の問い。第1回の練習用ネットワークで、新井さんの PC の住所を正しい 10.0.1.10/24 と、間違えた 10.0.1.10/16 にして、ルーターの向こうのサーバー（10.0.2.20）へ ping を送りました。

# 正しく /24：10.0.2.20 は「よそ」なので、ルーター（10.0.1.1）経由で出す
$ ip addr add 10.0.1.10/24 dev eth0
$ ip route get 10.0.2.20
    10.0.2.20 via 10.0.1.1 dev eth0 src 10.0.1.10 uid 0
$ ping -c 3 10.0.2.20
    3 packets transmitted, 3 received, 0% packet loss
# 間違えて /16：10.0.2.20 も「同じネットワーク」と判断し、ルーターを通さず直接送ろうとする
$ ip addr add 10.0.1.10/16 dev eth0
$ ip route get 10.0.2.20
    10.0.2.20 dev eth0 src 10.0.1.10 uid 0
$ ping -c 3 10.0.2.20
    3 packets transmitted, 0 received, 100% packet loss

/16 にすると、PC は 10.0.2.20 を「同じネットワーク」と判断し、ルーターを通さずに直接送ろうとして、その MAC を全員に尋ねました。でもサーバーはルーターの向こうにいるので、だれも答えません。3回尋ねたところで、ping は1つも出ていけませんでした（100% 失敗）。マスクは「ちょっと広い・狭い」ではなく、道の選び方そのものを変えてしまうのです。

IPv4 の住所の中には、特別な役目のために取ってあるものがあります。最初の1バイトの数直線に並べると、こうなります。

いちばん大事なのはプライベートアドレス（10.0.0.0/8・172.16.0.0/12・192.168.0.0/16）です。家や会社の中なら、だれに断ることもなく自由に使えます。そのかわり、インターネットの上ではそのまま使えません。この連載の 10.0.1.10 もプライベートです。家のルーターが、外に出るときに自分のグローバルな住所に付けかえて（NAT）、たくさんの機械を1つの住所の後ろに隠しています（第5回）。

127 で始まる住所は自分自身です。127.0.0.1 が有名ですが、/8 なので 127 で始まれば何でも自分です。

# 127 で始まる住所は、すべて「自分自身」
$ ping -c 1 127.42.42.42
    64 bytes from 127.42.42.42: icmp_seq=1 ttl=64 time=0.285 ms
$ ip addr show lo
    inet 127.0.0.1/8 scope host lo

169.254 で始まる住所が自分の PC に付いていたら、DHCP から住所をもらえなかったしるしです（次の章）。100.64.0.0/10 は、回線事業者が加入者の間で共有するための住所で、Tailscale の記事で見た 100.x.y.z もこの範囲を使っています。

家の Wi-Fi につないだだけで、PC には住所が付きます。配っているのは、ルーターの中の DHCP サーバーです。練習用ネットワークのルーターに DHCP を足し、住所を持たない PC で住所をもらうところを記録しました（表紙の写真）。

# 住所を持たない PC で dhclient を動かした記録（住所は DHCP でもらう）
$ dhclient -v eth0
    DHCPDISCOVER on eth0 to 255.255.255.255 port 67 interval 3 (xid=0xcc0bcf66)
    DHCPDISCOVER on eth0 to 255.255.255.255 port 67 interval 5 (xid=0xcc0bcf66)
    DHCPOFFER of 10.0.1.177 from 10.0.1.1
    DHCPREQUEST for 10.0.1.177 on eth0 to 255.255.255.255 port 67 (xid=0x66cf0bcc)
    DHCPACK of 10.0.1.177 from 10.0.1.1 (xid=0xcc0bcf66)
    bound to 10.0.1.177 -- renewal in 1714 seconds.
# もらった ACK に書かれていたもの（Wireshark の明細から）
    Your (client) IP address: 10.0.1.177
    Subnet Mask:              255.255.255.0
    Router:                   10.0.1.1
    Domain Name Server:       10.0.1.1
    IP Address Lease Time:    1 hour (3600)
    Renewal Time Value:       30 minutes (1800)

やりとりは「Discover（ください）→ Offer（これはどう？）→ Request（それをください）→ ACK（どうぞ）」の4つです。住所がない PC は自分の住所も相手の住所も知らないので、送り元 0.0.0.0、宛先 255.255.255.255（全員あて）で叫びます。

おもしろかったのは、住所が決まるまでに約3秒かかったことです。ルーターは 10.0.1.177 を配る前に、その住所を使っている機械がいないか ARP で3回確かめていました。その間に PC は返事がないと思って Discover をもう一度送ったので、Offer も2つ届いています。

もらった住所には期限（リース）があります。今回は1時間で、半分の 30 分（実際の dhclient はばらつきを入れて 1,714 秒）がたつと「延長してください」と頼み直します。PC を閉じたまま期限が切れた住所は、ほかの機械に配られることがあります。

32 ビットで作れる住所は 2³²＝約 43 億個。地球の人口より少なく、しかも特別な住所や、昔の大きな割り当てもあります。

世界の住所の元締めである IANA の在庫は、2011年2月3日に尽きました。日本を含むアジア太平洋の APNIC も、同じ年の4月15日に通常の配分を終えています。それでもインターネットが動き続けているのは、家庭や会社でプライベートアドレスと NAT を使い、たくさんの機械で1つのグローバルな住所を分け合っているからです。そして、根本の解決策が IPv6 です。

IPv6 の住所は 128 ビット。作れる数は 2¹²⁸、IPv4 の 4 倍ではなく、2⁹⁶ 倍です。長いので、16 ビットずつ 8 つに区切って 16 進数で書き、0 の続くところを縮めます。

この記事のクラウドの Linux には IPv6 の機能が入っていなかったので、ここは Python の ipaddress で計算して確かめます。

>>> import ipaddress
# 0 が続くところは :: に縮め、先頭の 0 は省く
>>> ipaddress.ip_address('2001:0db8:0000:0000:0000:0000:0000:0001').compressed
'2001:db8::1'
# 住所の数
>>> 2 ** 128
340282366920938463463374607431768211456
>>> 2 ** 32
4294967296
# 第3回の MAC から作るリンクローカルアドレス（EUI-64。ff:fe を挟み、ローカルのビットを反転）
>>> def eui64(mac):
...     b = bytes.fromhex(mac.replace(':', ''))
...     iid = bytes([b[0] ^ 0x02]) + b[1:3] + b'\xff\xfe' + b[3:]
...     return 'fe80::' + ':'.join(iid[i:i+2].hex() for i in range(0, 8, 2))
...
>>> ipaddress.ip_address(eui64('02:00:00:00:01:10'))
IPv6Address('fe80::ff:fe00:110')

IPv6 では、機械が自分で住所を作れます。前半 64 ビットはルーターが知らせてくれるネットワークの番号、後半 64 ビットは自分で作る番号です。昔は第3回の MAC アドレスから作っていましたが（上の EUI-64。第3回のローカルのビットがここで反転します）、それでは機械を追いかけられてしまうので、いまの OS はふつう、ランダムな番号を使います。fe80:: で始まる住所は、同じネットワークの中だけで使うリンクローカルアドレスで、IPv6 の機械は必ず持っています。

普及はゆっくりですが、着実です。Google への接続のうち IPv6 を使うものは、2026年4月に初めて約半分に達しました。いまは多くの家庭で IPv4 と IPv6 の両方が動いていて（デュアルスタック）、使える方が選ばれます。サーバーを作る側は、IPv6 でも待ち受けているかを忘れずに確かめましょう（第7回）。

家の PC で ipconfig や ifconfig を見ると、たいてい 192.168 か 10 で始まる住所（プライベート）と、fe80:: で始まる住所が並んでいるはずです。169.254 で始まっていたら、DHCP から住所をもらえていません。ルーターの電源やケーブル（第2回）から確かめましょう。