IPアドレスとは？IPv4の仕組み・構成・プライベートIPをわかりやすく解説

前の記事では、 EthernetなどのL2通信で使われる MACアドレスについて学びました。

MACアドレスを利用すると、 同じL2ネットワーク上でEthernetフレームを 適切な機器へ転送できます。

しかし、実際のネットワークでは 同じLAN内だけで通信するわけではありません。

たとえば自宅のPCからインターネット上のWebサーバーへアクセスする場合、 複数のネットワークを越えてデータを目的地まで届ける必要があります。

そこで重要になるのが、 IPアドレス（IP Address）です。

この記事では、 ネットワーク学習で特に重要な IPv4アドレスを中心に、 IPアドレスの役割・構造・種類について学習します。

IPアドレスとは？

IPアドレスとは、 IP（Internet Protocol）を利用した通信で、 ネットワーク上の通信相手を識別するために使われるアドレス です。

たとえば、あるPCに次のIPv4アドレスが設定されているとします。

ネットワーク上では、 このようなIPアドレスを利用して 「どの機器へデータを届けるのか」を判断します。

IPアドレスはOSI参照モデルの第3層で使われる

以前学習したOSI参照モデルでは、 IPアドレスは 第3層（ネットワーク層） で重要になる情報です。

TCP/IPモデルでは、 IPは インターネット層 で利用されます。

IPアドレスとルーティングを利用することで、 同じLANだけでなく、 異なるネットワークを越えて目的地までデータを転送 できます。

MACアドレスとIPアドレスは何が違う？

前の記事で学習したMACアドレスと、 今回学習するIPアドレスは役割が異なります。

IPアドレスがあると別ネットワークへ通信できる

たとえば、 PCからインターネット上のWebサーバーへ通信するとします。

ルーターは、 IPパケットに含まれる宛先IPアドレスなどを確認して、 次にどのネットワークへデータを転送するのかを判断します。

これが、 IPアドレスがL3の通信で重要になる理由です。

IPv4アドレスは32ビットで構成される

現在も広く利用されている IPv4（Internet Protocol Version 4） では、IPアドレスは 32ビットで構成されます。

しかし、人間が32個の0と1を毎回読むのは大変です。

そこでIPv4では、 32ビットを8ビットずつ4つに分け、 10進数へ変換して表記します。

この8ビット単位のまとまりを オクテット（octet） と呼びます。

なぜIPv4の数字は0～255なのか

IPv4アドレスの各オクテットは8ビットです。

8ビットでは、 次のように8個の0または1を組み合わせます。

8ビットすべてが1の場合、 2進数では 11111111 となります。

これを10進数へ変換すると、 255です。

すべて0なら0になるため、 IPv4アドレスの各オクテットは 0～255 の範囲になります。

ここで実際に試してみよう：8ビットを10進数に変換する

IPv4を理解するため、 簡単な2進数→10進数変換を試してみましょう。

下のビットをクリックすると0と1を切り替えられます。

IPアドレスには「ネットワーク」と「機器」を識別する情報がある

IPv4アドレスを理解するとき、 もう一つ重要になる考え方があります。

IPアドレスは大きく、 ネットワークを識別する部分と そのネットワーク内の機器を識別する部分 に分けて考えます。

それぞれ、 ネットワーク部と ホスト部 と呼びます。

ただし、 次のようにIPv4アドレスだけを見ても、

「どこまでがネットワーク部で、 どこからがホスト部なのか」 は判断できません。

そこで必要になるのが、 次の記事で学習する サブネットマスクです。

グローバルIPアドレスとプライベートIPアドレス

IPv4アドレスを学ぶと、 グローバルIPアドレスと プライベートIPアドレス という言葉も登場します。

IPv4のプライベートIPアドレス範囲

代表的なプライベートIPv4アドレスの範囲は次の3つです。

家庭のネットワークで 192.168.x.x というIPアドレスを見たことがある人も多いでしょう。

家庭のPCはなぜプライベートIPでインターネットへ通信できる？

家庭内のPCに 192.168.1.10 のようなプライベートIPアドレスが設定されていても、 Webサイトへアクセスできます。

一般的な家庭環境では、 ルーターがNAT/NAPTなどの仕組みを利用して 内部のプライベートIPアドレスと 外部通信で使うアドレスの変換を行います。

NATの詳細は今後学習しますので、 この段階では 「LAN内ではプライベートIPを使い、 外部通信ではルーターが間に入る」 というイメージで十分です。

IPv4以外にIPv6もある

IPアドレスには、 今回学習しているIPv4のほかに IPv6もあります。

IPv6では128ビットのアドレス空間を利用します。

ただし、ネットワークの基本を学ぶ段階では、 まずIPv4を理解してからIPv6へ進む方が分かりやすいため、 この記事ではIPv4を中心に扱っています。

理解度チェック：IPv4アドレスを分類してみよう

次のIPv4アドレスをクリックして、 プライベートIPアドレスかどうか確認してみましょう。

IPアドレスはネットワーク障害の切り分けでも重要

IPアドレスは、 実際のネットワーク運用でも頻繁に確認します。

確認問題：IPv4の基本を理解できたか確認しよう

最後に3問の確認問題へ挑戦してみましょう。

IPアドレスだけではネットワーク部とホスト部を判断できない

ここまでで、 IPv4アドレスが32ビットで構成され、 ネットワーク上の通信相手を識別するために使われることを学びました。

そしてIPアドレスには、 ネットワークを識別する部分と ネットワーク内の機器を識別する部分 があることも紹介しました。

しかし、

IPv4アドレスだけを見ても、 その境界を判断することはできません。

そこで次に必要になるのが サブネットマスクです。

次の記事では、 サブネットマスクを使って IPアドレスのネットワーク部とホスト部を どのように判断するのかを学習します。

まとめ

今回は、IPアドレスとIPv4の基本について解説しました。