インターネットプロトコル

インターネットプロトコル( IP )は、ネットワーク境界を越えてデータグラムを中継するためのインターネット プロトコル スイートのネットワーク層 通信プロトコルです。そのルーティング機能により、インターネットワーキングが可能になり、基本的にインターネットが確立されます。

IP の役割は、パケットヘッダー内のIP アドレスのみに基づいて、送信元ホストから宛先ホストにパケットを配信することです。この目的のために、IP は配信するデータをカプセル化するパケット構造を定義します。また、送信元と宛先の情報を使用してデータグラムにラベルを付けるために使用されるアドレス指定方法も定義します。IP は、1974 年にVint CerfとBob Kahnによって導入された元のTransmission Control Programにおけるコネクションレスデータグラム サービスであり、これはTransmission Control Protocol (TCP)の基礎となったコネクション指向のサービスによって補完されました。そのため、インターネット プロトコル スイートはTCP/IPと呼ばれることがよくあります。

IPの最初のメジャーバージョンであるインターネットプロトコルバージョン4（IPv4）は、インターネットの主要なプロトコルです。その後継はインターネットプロトコルバージョン6 （IPv6）で、 2006年頃からパブリックインターネットでの導入が進んでいます。^[1]

インターネットプロトコルは、ホストインターフェースのアドレス指定、データグラムへのデータのカプセル化（断片化と再構成を含む）、および1つ以上のIPネットワークを介した送信元ホストインターフェースから宛先ホストインターフェースへのデータグラムのルーティングを担当します。^[2]これらの目的のために、インターネットプロトコルはパケットの形式を定義し、アドレス指定システムを提供します。

各データグラムには、ヘッダーとペイロードという 2 つのコンポーネントがあります。IPヘッダーには、送信元 IP アドレス、宛先 IP アドレス、およびデータグラムのルーティングと配信に必要なその他のメタデータが含まれます。ペイロードは転送されるデータです。ヘッダーを使用してデータ ペイロードをパケット内にネストするこの方法は、カプセル化と呼ばれます。

IP アドレス指定には、ホスト インターフェイスへの IP アドレスと関連パラメータの割り当てが含まれます。アドレス空間はサブネットに分割され、ネットワーク プレフィックスの指定が含まれます。IP ルーティングは、すべてのホストとルータによって実行されます。ルータの主な機能は、ネットワーク境界を越えてパケットを転送することです。ルータは、ネットワークのトポロジに応じて、内部ゲートウェイ プロトコルまたは外部ゲートウェイ プロトコルのいずれかの特別に設計されたルーティング プロトコルを介して相互に通信します。 ^[3]

インターネット プロトコルには、主に 4 つのアドレス指定方法があります。

• ユニキャストは、送信者と宛先の間の1 対 1 の関連付けを使用して、特定の単一のノードにメッセージを配信します。各宛先アドレスは、単一の受信エンドポイントを一意に識別します。
• ブロードキャストは、 1 対すべての関連付けを使用して、ネットワーク内のすべてのノードにメッセージを配信します。1 つの送信者からの1 つのデータグラム(またはパケット) が、ブロードキャスト アドレスに関連付けられた複数のエンドポイントすべてにルーティングされます。ネットワークは、ブロードキャストのスコープ内のすべての受信者 (通常はネットワークサブネット全体) に到達するために、必要に応じてデータグラムを自動的に複製します。
• マルチキャストは、1 対多対多または多対多対多の関係を使用して、メッセージを受信することに関心を示したノードのグループにメッセージを配信します。データグラムは、1 回の送信で同時に多数の受信者にルーティングされます。マルチキャストは、宛先アドレスがアクセス可能なノードのサブセット (必ずしもすべてではない) を指定するという点でブロードキャストとは異なります。
• エニーキャストは、 1対1の多数^[4]の関係を使用して、通常は送信元に最も近いノードのグループから任意の1つにメッセージを配信します。この場合、データグラムは、同じ宛先アドレスで識別される潜在的な受信者のグループの任意の1つのメンバーにルーティングされます。ルーティングアルゴリズムは、距離またはコストの測定値に基づいて、グループから最も近い単一の受信者を選択します。

1974年5月、電気電子学会（IEEE）は「パケットネットワーク相互通信用プロトコル」と題する論文を発表しました。^[5]論文の著者であるVint CerfとBob Kahnは、ネットワークノード間でパケット交換を使用してリソースを共有するためのインターネットワーキングプロトコルについて説明しました。このモデルの中心的な制御コンポーネントは、ホスト間の接続指向リンクとデータグラムサービスの両方を組み込んだ伝送制御プログラムでした。モノリシックな伝送制御プログラムは、後にトランスポート層の伝送制御プロトコルとユーザーデータグラムプロトコル、およびインターネット層のインターネットプロトコルで構成されるモジュラーアーキテクチャに分割されました。このモデルは、国防総省（DoD）インターネットモデルおよびインターネットプロトコルスイート、および非公式にTCP/IPとして知られるようになりました。

以下のインターネット実験ノート（IEN）文書は、インターネットプロトコルがIPv4の最新バージョンへと進化した経緯を説明しています。^[6]

• IEN 2 Comments on Internet Protocol and TCP ( 1977 年 8 月) では、TCP とインターネット プロトコルの機能 (以前は統合されていた) を分離する必要性について説明しています。バージョン フィールドに 0 を使用する、IP ヘッダーの最初のバージョンを提案しています。
• IEN 26 「提案された新しいインターネット ヘッダー形式」( 1978 年 2 月) では、1 ビットのバージョン フィールドを使用する IP ヘッダーのバージョンについて説明しています。
• IEN 28ドラフト インターネットワーク プロトコル記述バージョン 2 ( 1978 年 2 月) では IPv2 について説明しています。
• IEN 41インターネットワーク プロトコル仕様バージョン 4 ( 1978 年 6 月) では、IPv4 と呼ばれる最初のプロトコルについて説明しています。IP ヘッダーは、現在の IPv4 ヘッダーとは異なります。
• IEN 44最新ヘッダーフォーマット ( 1978 年 6 月) では、最新の IPv4 ヘッダーとは異なるヘッダーを持つ IPv4 の別のバージョンについて説明しています。
• IEN 54インターネットワーク プロトコル仕様バージョン 4 ( 1978 年 9 月) は、1980 年にRFC 760として標準化されるヘッダーを使用した IPv4 の最初の記述です 。
• 80 インド
• 111 国際教育
• 123 インド
• IEN 128/RFC 760 (1980)

IPバージョン1から3は、1973年から1978年の間に設計された実験バージョンでした。^[7]バージョン2と3は、1から16オクテット（8から128ビット）の範囲の可変長アドレスをサポートしていました。^[8]バージョン4の初期のドラフトでは、最大256オクテット（最大2048ビット）の可変長アドレスをサポートしていましたが、 ^{[9]後にこれは廃止され、} IPv4の最終バージョンでは固定サイズの32ビットアドレスが採用されました。 これは、インターネット層で使用されている主要なインターネットワーキングプロトコルであり続けています。数字の4はプロトコルバージョンを識別し、すべてのIPデータグラムで運ばれます。 IPv4はRFC  791（1981） で定義されています。

バージョン番号5は、採用されなかった実験的なストリーミングプロトコルであるインターネットストリームプロトコルで使用されました。 ^[7]

IPv4 の後継はIPv6です。IPv6 は数年にわたる実験と対話の結果であり、その間に TP/IX ( RFC  1475)、PIP ( RFC  1621)、TUBA (TCP and UDP with Bigger Addresses、RFC  1347) など、さまざまなプロトコル モデルが提案されました。バージョン 4 との最も顕著な違いは、アドレスのサイズです。IPv4 はアドレス指定に32 ビットを使用し、約 43億(4.3 × 10 ⁹ ) アドレスに対して、IPv6 は128 ビットのアドレスを使用して c を提供します。3.4 × 10 ³⁸アドレス。IPv6 の導入は遅れているものの、2023 年 1 月現在^[update]、世界のほとんどの国で IPv6 が大幅に導入されており、^[10] Google のトラフィックの 41% 以上が IPv6 接続で実行されています。^[11]

新しいプロトコルをIPv6として割り当てるかどうかは、デューデリジェンスによってIPv6が以前に使用されていないことが確認されるまで不確実であった。 ^[12]他のインターネット層プロトコルにはバージョン番号が割り当てられており、^{[13] 7（} IP/TX）、8、9（historical）などである。特に、1994年4月1日、IETFはIPv9に関するエイプリルフールのジョークを公開した。^[14] IPv9は、TUBAと呼ばれる代替提案されたアドレス空間拡張でも使用された。^{[15] 2004年の中国の}IPv9プロトコル提案は、これらすべてとは無関係であるようで、IETFによって承認されていない。

インターネット プロトコル スイートの設計は、 CYCLADESプロジェクトから採用された概念であるエンドツーエンドの原則に準拠しています。エンドツーエンドの原則では、ネットワーク インフラストラクチャは、単一のネットワーク要素または伝送媒体では本質的に信頼性が低いと考えられており、リンクとノードの可用性の点では動的です。ネットワークの状態を追跡または維持する中央監視機能やパフォーマンス測定機能は存在しません。ネットワークの複雑さを軽減するために、ネットワークのインテリジェンスはエンド ノードに配置されています。

この設計の結果、インターネット プロトコルはベスト エフォート型の配信のみを提供し、そのサービスは信頼性が低いと特徴付けられます。ネットワーク アーキテクチャの用語では、コネクション指向の通信とは対照的に、コネクションレス プロトコルです。データの破損、パケットの損失、重複など、さまざまな障害状態が発生する可能性があります。ルーティングは動的であり、すべてのパケットが個別に扱われ、ネットワークは以前のパケットのパスに基づいて状態を維持しないため、異なるパケットが異なるパスを介して同じ宛先にルーティングされ、受信者への配信が順序どおりに行われない可能性があります。

ネットワーク内のすべての障害状態は、参加しているエンド ノードによって検出され、補正される必要があります。インターネット プロトコル スイートの上位層プロトコルは、信頼性の問題を解決する役割を担っています。たとえば、ホストは、データがアプリケーションに配信される前に、ネットワーク データをバッファリングして、正しい順序で送信されるようにすることができます。

IPv4 は、IP パケットのヘッダーにエラーがないことを確認するための安全策を提供します。ルーティング ノードは、ヘッダーチェックサム テストに失敗したパケットを破棄します。インターネット制御メッセージ プロトコル(ICMP) はエラーの通知を提供しますが、ルーティング ノードはどちらのエンド ノードにもエラーを通知する必要はありません。対照的に、IPv6 は、現在のリンク層テクノロジで十分なエラー検出が提供されると想定されているため、ヘッダー チェックサムなしで動作します。^{[16] [17]}

インターネットの動的な性質とその構成要素の多様性により、特定のパスが実際に要求されたデータ伝送を実行できる、またはそれに適しているという保証はありません。技術的な制約の 1 つは、特定のリンクで可能なデータ パケットのサイズです。ローカル リンクの最大伝送単位(MTU) サイズを調べる機能があり、パス MTU 検出は宛先までの意図されたパス全体に使用できます。^[18]

IPv4インターネットワーキング層は、リンクMTUを超えた場合に、データグラムを小さな単位に自動的に分割して送信します。IPは、順序どおりに受信されなかったフラグメントの並べ替え機能を提供します。 ^[19] IPv6ネットワークは、ネットワーク要素で断片化を実行しませんが、エンドホストと上位層プロトコルがパスMTUを超えないようにする必要があります。^[20]

伝送制御プロトコル（TCP）は、セグメントサイズをMTUより小さく調整するプロトコルの例です。ユーザーデータグラムプロトコル（UDP）とICMPはMTUサイズを無視するため、IPはサイズが大きすぎるデータグラムをフラグメント化します。^[21]

ARPANETと初期のインターネットの設計段階では、公共の国際ネットワークのセキュリティ面とニーズを十分に予測することができませんでした。その結果、多くのインターネットプロトコルは、ネットワーク攻撃とその後のセキュリティ評価によって明らかにされた脆弱性を示しました。2008年に、徹底的なセキュリティ評価と問題の緩和策の提案が公開されました。^[22] IETFはさらなる研究を進めています。^[23]

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• Manfred Lindner. 「IP テクノロジー」(PDF) 。2018 年 2 月 11 日閲覧。
• Manfred Lindner. 「IP ルーティング」(PDF) 。2018 年 2 月 11 日閲覧。