IPv4は、インターネットを含むネットワーク上でデバイスが通信する方法を規定する一連の規則です。
簡単に言えば、デバイス同士が相互に認識し、データを交換することを可能にします。
IPv4は32ビットのアドレスを使用します。そのため、ユニークなアドレスの総数は約43億個に制限されます。これは膨大な数に思えるかもしれませんが、インターネットの成長に伴い、IPv4アドレスは最終的に枯渇しました。しかし、後継規格であるIPv6と並行して、業界では広く使用されています。
それでは、IPv4について詳しく見ていきましょう。
IPv4アドレスの構造
IPv4アドレスの構造
IPv4アドレスは、ドットで区切られた4つの部分からなるコードのようなものと想像してください。各部分はオクテットと呼ばれ、0から255までの値を表す8ビットの数値です（2の8乗 = 256）。
オクテットとその値の説明：
- 各オクテットは、全体として一意の識別子を形成する一部を担っています。
- 各オクテットの値は0から255の範囲のみであり、10進数（基数10）で表記されます。
ネットワーク部分とホスト部分:
IPv4アドレスは2つのセクションに分割されます：
- ネットワーク部分（NetID）：最初のオクテットは、デバイスが属するネットワークを識別します。地域コードのようなものと考えてください。
- ホスト部分（HostID）：残りのオクテットは、そのネットワーク内の特定のデバイスを指定します。これは、地域内の家番号のようなものと考えてください。
ネットワーク部分とホスト部分の境界はサブネットマスクによって決定されます。次にこれについて説明します。
アドレス割り当てにおけるサブネットマスクの役割
サブネットマスクは、IPv4アドレス内の何ビットがネットワーク部分、何ビットがホスト部分に属するかを定義します。これはフィルターのように機能し、アドレスのどの部分がネットワークを識別し、どの部分が個々のデバイスを識別するかを示します。
例えば、一般的なサブネットマスクは 255.255.255.0 です。
このマスクでは各オクテットが255（2進数で全1）です。マスク内の1はアドレスのネットワーク部分を指すため、このマスクでは最初の3オクテット（24ビット）をネットワークに割り当て、最後の1オクテット（8ビット）でそのネットワーク内のホストを識別します。
サブネットマスクを使用することで、より大きなネットワーク内にサブネットワークを作成でき、特定のドメイン内で IP アドレスをより効率的に割り当てることが可能になります。
IPv4の機能
IPv4は、デバイスを個別に識別する以外にもいくつかの機能を持っています。そこで、その主な機能を分解してみましょう：
1. フラグメンテーション
IPv4にはフラグメンテーション機構が含まれており、データパケットのサイズがネットワークやデバイスの制限を超える場合、それをより小さなフラグメントに分割します。これらのフラグメントは受信側で再組み立てされ、元のパケットが復元されます。
2. サービス処理
IPv4は、QoS（サービス品質）やDiffServ（差別化サービス）を含む様々なサービス処理オプションをサポートしています。これらの機能により、アプリケーション要件やサービス種別に基づいてデータパケットの優先順位付けやグループ化が可能になります。
3. ルーティング
IPv4はルーティングプロセスを促進し、相互接続されたネットワークを介してデータパケットを送信元から宛先へ誘導します。ルーターはIPアドレス情報を利用して、パケット配送の最適経路を決定します。
4. ネットワークアドレス変換（NAT）
NATは、ローカルネットワーク内で使用されるプライベートIPアドレスを、インターネット接続時にパブリックIPアドレスに変換するIPv4の技術です。これにより、ローカルネットワーク内の複数のデバイスが単一のパブリックIPアドレスを共有でき、IPアドレス不足の問題を緩和します。
5. ネットワーク間でのエンドツーエンド通信の確保
IPv4がエンドツーエンド通信を保証する仕組みは以下の通りです：
- 一意のアドレス指定:各デバイスにはネットワーク上での識別子として機能する固有のIPアドレスが割り当てられます。
- ルーティングプロトコル：ルーターはルーティングプロトコルを用いて接続ネットワークや最適経路に関する情報を共有し、広大なインターネットマップを構築します。
- パケット転送：ルーターは 宛先IPに基づいてパケットをインテリジェントに転送し、ネットワークを効率的に通過させます。
IPv4利用の利点
IPv4は業界において多くの利点を有しています。主な利点を以下に示します：
簡素性と効率性
- 処理速度の向上：IPv4パケットのヘッダーサイズが小さいため、ルーターがより迅速に処理でき、データフローが円滑になります。
- ネットワーク管理の容易さ： 構造が単純なため 、IPv4ネットワークの設定やトラブルシューティングが複雑さを伴いません。
広範な採用と互換性
- 普遍的な接続性：オンライン上のほぼ全てのデバイスとサービスがIPv4を利用しているため、シームレスな通信とアクセスが保証されます。
- 互換性の懸念なし： 互換性の問題なく、あらゆるIPv4ネットワークに接続できます 。
成熟した技術
- 実証済みの信頼性：数十年にわたる使用実績により、IPv4はネットワークインフラにおいて堅牢で信頼性の高い技術となっています。
- 確立された知識ベース：長年の 経験により、IPv4利用のための明確なベストプラクティス、ツール、専門知識が容易に入手可能です。
ブロードキャスト機能
- 効率的なネットワーク通信：ブロードキャストメッセージをネットワーク上の全デバイスに同時に送信でき、ネットワークアナウンスやディスカバリなどのタスクを簡素化します。
IPv4の課題と制限
ただし、IPv4には現代的な利用において大きな制限があることに留意する必要があります。主な課題は以下の通りです：
アドレス空間の制限
当初説明した通り、IPv4は約43億の固有アドレスを提供します。これはインターネット初期には十分と思われました。しかし、スマートフォン、タブレット、IoTデバイスを含むインターネット接続デバイスの急激な増加に伴い、この数はもはや世界的な固有IPアドレス需要を満たすには不十分です。
この制限により、 ネットワークアドレス変換（NAT）などの回避策が必要となりました。これにより、プライベートネットワーク上の複数のデバイスが単一のパブリックIPアドレスを共有できます。一見効果的に見えますが、NATは特定のインターネット通信を複雑化させる可能性があり、アドレス枯渇という根本的な問題を解決するものではありません。
セキュリティ上の懸念
IPv4は、インターネットセキュリティが主要な関心事ではなかった時代に設計されました。その結果、組み込みのセキュリティ機能が不足しており、IPスプーフィングやサービス拒否（DoS）攻撃など、様々な種類の攻撃に対して脆弱です。
このため、IP層における機密性、完全性、認証を提供するIPSecなどの追加セキュリティプロトコルが開発されました。しかし、これらはオプションであり、IPv4に本質的に統合されていないため、潜在的なセキュリティ上の隙間が残されています。
ルーティングの非効率性とスケーラビリティ
IPv4のルーティングインフラは、IPアドレスやブロックの割り当て・ルーティング方法により非効率的になり得ます。その結果、ルーティングテーブルの肥大化、ルーターの処理時間増加、そして最終的にはインターネット速度の低下を招く可能性があります。
IPv4からの移行
これらの課題に対処するため、インターネットはIPv6への移行を徐々に進めています。IPv6は、はるかに大きなアドレス空間（2^128個の固有アドレス）、組み込みのセキュリティ機能、より効率的なルーティング、改善されたQoS機能、自動アドレス設定を提供します。
しかし、この移行はインフラの大幅な変更と投資を必要とする、遅く継続的なプロセスです。
したがって、IPv4からIPv6への移行プロセスを改善するため、多くのネットワークチームは以下のような手法を採用しています：
- デュアルスタックネットワーキング：この手法では、ネットワーク上でIPv4とIPv6を同時に稼働させます。デバイスはサポートするプロトコルを使用して通信できるため、円滑な移行が可能になります。
- トンネリング：この技術はIPv6パケットをIPv4パケット内にカプセル化し、既存のIPv4インフラストラクチャ上での伝送を可能にします。
- 変換メカニズム：これらのプロトコルはIPv4とIPv6アドレス間の変換を行い、異なるプロトコルを使用するデバイス間の通信を可能にします。
IPv6への移行を検討している場合は、プロセスを円滑にするため、こうしたメカニズムのいずれかを採用することを検討してください。
結論
IPv4はインターネット成長の基盤を築きました。デバイスに固有の識別子を提供し、ローカルおよびグローバルネットワーク間の通信を可能にしました。この革新はインターネット初期の発展に不可欠でした。
しかし、インターネットデバイスが増加するにつれ、IPv4の限られたアドレス空間が問題となりました。デバイスとネットワークの急激な成長が利用可能なアドレス数を上回り、この不足が膨大なアドレスを提供する128ビットシステムであるIPv6の開発を必要としました。
拡大し続けるインターネットに対応するには、IPv6への移行が不可欠です。これにより全てのデバイスに固有のアドレスが保証され、インターネットのさらなる拡大と革新が促進されます。
現在IPv4を利用している場合、本記事はネットワークの将来を見据えた機能性を確保するため、IPv6への移行を検討する重要性を強調しています。
