IPアドレスとは？IPv4、IPv6、Public IPとPrivate IPを解説

IPアドレスとは？

IP addressはInternet Protocol addressの略で、network上のdeviceに割り当てられる数値の識別子です。digital trafficにおける差出人住所と宛先住所のように機能します。

Internet Protocolは、packetがlocal network、internet service provider、data center、global backbone networkを通って移動するために必要なaddress informationを与えます。

日常的に使われる主なversionは2つあります。古くから広く使われるIPv4と、はるかに多くのaddressを提供するために作られた新しいIPv6です。

IPv4 - 初期から使われる標準

IPv4はTCP/IP初期からinternetの中核を支えてきました。32-bit addressを使い、dotで区切った4つの10進数として書きます。

IPv4 format: X.X.X.X (each X is 0-255)

Examples:
  192.168.1.1       -> Private address, often a home router
  8.8.8.8           -> Public address, Google DNS
  10.0.0.1          -> Private address, common in offices
  172.217.14.206    -> Public address, a Google server
  127.0.0.1         -> Loopback address, your own machine

Binary representation:
  192.168.1.1 = 11000000.10101000.00000001.00000001

Each octet: 8 bits x 4 octets = 32 bits total
Total possible addresses: 2^32 = 4,294,967,296

IPv4は約43億個のaddressを表せます。かつては十分に見えましたが、phone、laptop、server、virtual machine、router、IoT deviceによって急速に消費されました。この不足がprivate address、NAT、IPv6を重要にしています。

IPv4 Address Classes

IPv4 addressはもともとaddress classに分類されていました。現在のnetworkでは通常CIDRを使いますが、古いclassは背景知識として役立ちます。

IPv6 - 次世代のIP

IPv6は128-bit addressを使い、hexadecimalで表記します。IPv4 exhaustionを解決し、現代のnetworkをより拡張しやすくするために作られました。

IPv6 format: eight groups of hexadecimal digits

Full notation:
  2001:0db8:85a3:0000:0000:8a2e:0370:7334

Compressed notation:
  2001:db8:85a3::8a2e:370:7334

Examples:
  ::1                    -> Loopback address
  fe80::1                -> Link-local address
  2606:4700:4700::1111   -> Cloudflare DNS
  2001:4860:4860::8888   -> Google DNS

Address space:
  128 bits = about 340 undecillion addresses

• global connectivityに使えるaddress spaceが非常に大きい
• networkに参加するdeviceのauto-configurationがより簡潔
• routing効率のためpacket headerが単純化されている
• 重いNATに頼らずend-to-end addressingを支えやすい
• 現代的なnetwork security機能を支える仕組みがある

IPv4とIPv6の比較

Public IPとPrivate IP

Public IP addressはinternetから到達可能なaddressです。Private IP addressはlocal network内部で使われ、public internet上では直接routeされません。

よく使われるprivate IPv4 ranges

Static IPとDynamic IP

IP addressにはstaticとdynamicがあります。違いはaddressの割り当て方法と、時間とともに変わるかどうかです。

IP通信の仕組み

Webサイトを開くとき、deviceは名前へ直接dataを送るわけではありません。まず名前をIP addressへresolveし、その宛先へpacketを送ります。

1. You enter www.example.com in a browser
2. DNS resolves the name to an IP address such as 93.184.216.34
3. Your device creates packets with:
   Source IP:      your device or router public IP
   Destination IP: 93.184.216.34
4. Routers forward the packets hop by hop across networks
5. The web server sends response packets back to your IP
6. Your router uses NAT to deliver the response to the correct device

SubnetsとCIDR Notation

SubnetはIP networkを小さなrangeへ分割します。/24のようなCIDR notationは、addressのうち何bitがnetwork部分を示すかを表します。

Example network:

IP address:      192.168.1.100
Subnet mask:     255.255.255.0
CIDR notation:   192.168.1.0/24

Network address: 192.168.1.0
Broadcast:       192.168.1.255
Usable hosts:    192.168.1.1 - 192.168.1.254

Common CIDR blocks:
  /8   -> 16,777,214 usable IPv4 hosts
  /16  -> 65,534 usable IPv4 hosts
  /24  -> 254 usable IPv4 hosts
  /32  -> one exact IPv4 address

NAT - 複数deviceで1つのIPを共有する仕組み

NAT、つまりNetwork Address Translationは、多数のprivate deviceが1つのpublic IPv4 addressを共有できるようにします。public IPv4 addressが限られているため不可欠になりました。

Private network:

Laptop       192.168.1.20
Phone        192.168.1.21
Game console 192.168.1.22

Router private IP: 192.168.1.1
Router public IP:  73.42.115.200

To websites, all three devices can appear as:
  73.42.115.200

The router tracks connections and forwards replies back
to the correct private device.

NATは便利ですが、peer-to-peer connection、外部からのhosting、gaming、VoIP、remote accessを複雑にすることがあります。外部systemはport forwardingなどを使わない限りprivate deviceへ直接到達できないためです。

IP Geolocation - IPから分かること

IP addressからは、おおよそのnetwork locationやprovider detailsが分かることがあります。ただしIPだけで正確な住所を特定することは通常できません。

IP Addressを保護する方法

通常のinternet利用にはIP addressが必要ですが、public IPが公開する情報を減らすことはできます。

自分のIP Addressを確認する方法

Public IPはWebサイトから見えるaddressです。Private IPはdeviceがlocal network内で使うaddressです。

Find your public IP:

Browser:
  Use a What Is My IP tool

Terminal:
  curl ifconfig.me
  curl ipinfo.io/ip
  curl https://api.ipify.org

PowerShell:
  (Invoke-WebRequest -Uri "https://api.ipify.org").Content

Find your private IP:

Windows:
  ipconfig

macOS:
  ifconfig
  ipconfig getifaddr en0

Linux:
  ip addr
  hostname -I

参考資料

• RFC 791 - Internet Protocol
• RFC 8200 - Internet Protocol, Version 6 (IPv6)
• RFC 1918 - Address Allocation for Private Internets
• RFC 3022 - Traditional IP Network Address Translator
• Google IPv6 adoption statistics