IPアドレスとは？サブネットマスクなど基本的な仕組みを徹底解説！

この記事では「IPアドレスってなに？」という疑問に答えていきます。IPアドレスの考え方がわかれば、ネットワークの仕組みも理解しやすくなります。

IPアドレスとは？

簡単に言うと「ネットワーク上の住所」です。

ネットワーク（インターネットを含む）上のデータをやり取りする際に「IPアドレス＝住所」「データ＝荷物」と考えればわかりやすいと思います。

例えば、インターネット上のサイトを見るとしましょう。まず「〇〇サイトを見せてください」とパソコンやスマホからリクエストしますが、サイトのデータを送る際に住所がわからないと送れませんよね？その送り先の住所の役割をするのが「IPアドレス」になります。

IPアドレスの仕組み

IPアドレスはv4という規格とv6という規格があります。両者の違いはビット数の違いですが、基本的な考え方は同じですので、以下ではIPv4で説明をしていきます。

上で話したように、IPアドレスは住所のようなものですが、次のような数字の羅列で表されています。ピリオドで区切られた４つの部分をフィールド、と呼びます。

192.168.100.2

実は、この数字は２進数表記されたものを１０進数にしたものです。それぞれのフィールドの数字を２進数表記すると、

「192　→　11000000」　、「168　→　10101000」、「100　→　01100100」、「2　→　00000010」

なので、192.168.100.2を２進数表記すると、

11000000 . 10101000 . 01100100 . 00000010

となります。各フィールドは８ビット（桁）で表されます。IPアドレスは１０進数の数字として捉えるよりも、この２進数表記の方が意味を理解しやすくなります。

「２進数って？聞いたことあるけど、なんだっけ？」という人はこちらで解説しています。

IPアドレス（IPv4）の問題点

前述の通り、IPアドレスはネットワーク上の住所ですが、その正体は２進数表記で４フィールド×８ビット＝３２ビットの数字の羅列です。

そこで生じてくるIPv4の問題点は「使えるアドレスが少ない」というものです。３２ビットの数字で表現できる数のパターンは、

\(2^{32}=4,294,967,296 \)通り（約４３億通り）となります。

一見すると非常に大きな数字に見えますが、2021年の世界の人口は約78億7500万人です。全てのパターンを使っても世界の人口をカバーできませんし、ネットワーク上の住所なわけですから、情報端末１つにつき１つのアドレスが必要です。そう考えると、とてもではありませんが４３億個では足りません。

そこで、問題の解決法としては、

1. IPv6を使う。
2. 上手いことIPv4のIPアドレスをやりくりする。

という方法があります。

1．については、かなり根本的な解決策です。IPv6は１２８ビットなので、同じように計算すると、\(2^{128} \)通りとなります。約340澗（かん）だそうです…聞いたこともない桁です。とにかく、IPアドレスの個数がほぼ無制限に近い感覚になります。詳しくはこちら。（外部リンクです）

ただ、問題はIPv4とIPv6には互換性がない、という点です。すべてのIPアドレスをサクッとIPv6に置き換えられれば良いのですが、当然一気に今使っている環境（IPv4）を廃止するのは不可能です。

そして、IPv4ではすでに2．の解決策で、問題ないレベルで運用ができています。なかなかIPv6への移行が進まないのはここが理由です。今問題なく運用できているものを、あえて新しいものに置き換えていく、というのはなかなかモチベーションが上がらないものです…。

2．については、

• ネットワークを使うときだけIPアドレスを貸す。
• ローカルネットワークを構築する。

という方法で上手くやりくりをしています。

そこで重要になってくるのは、次の二種類のIPアドレスです。

• グローバルIPアドレス
• プライベートIPアドレス

これについて説明をしていきます。

グローバルIPアドレス

グローバルIPアドレスとは、インターネットに繋ぐ際に使うIPアドレスです。

グローバルIPアドレスはパソコンであればプロバイダ、スマホであれば携帯キャリアの会社から割り当てられますが、普通は動的に割り当てられます。つまり、インターネットを使うときにプロバイダ等からグローバルIPアドレスが適当に割り当てられ、不要になったら回収される、ということです。イメージ的には賃貸マンションみたいなものですね。

この動的なIPアドレスの割り当てにより、限られたIPアドレスを上手く運用しています。固定IPアドレス（つまり決まったグローバルIPアドレスをもらう。イメージ的には一戸建ての家みたいなものでしょうか）を契約することもできますが、普通は固定する必要性がないため、あまり意識することがないと思います。

プライベートIPアドレス

家庭や会社では、限られた数のグローバルIPアドレスしか割り当てられません（インターネットのプロバイダと１つ契約している家なら普通グローバルIPは１つ割り当てられる）。インターネットに接続する際にグローバルIPアドレス（つまり、それぞれの端末を示す住所）が必要なのに、「家にいるときに家族皆がWiFiに繋いでインターネットが見られる」というのはどういうことでしょうか…。

それは「家庭や会社でローカルネットワークを組んでいるから」です。

最近では、「WiFiルーター」を設置している家庭がほとんどだと思います。この「ルーター」というやつのおかげでローカルネットワークを組み、一つのグローバルIPアドレスで複数の情報機器をインターネットに繋ぐことができます。

そのローカルネットワークを支える仕組みが、プライベートIPアドレスです。

プライベートIPアドレスとは

プライベートIPアドレスとは、ローカルネットワーク上のみで使われるIPアドレスです。

住所で言えば「〇〇番地」のようなものだと思ってもらえればわかりやすいと思います。例えば「１０番地」と言われても「どこの？」となりますよね。でも「〇〇県〇〇市〇〇町」の「１０番地」といえば住所の特定ができます。つまりプライベートIPアドレスとは「ローカルネットワーク（ex. 家でのネットワーク）の中での番地の呼び名」というイメージです。これであれば、そのローカルネットワーク内で番地の重複がなければよく、また他のローカルネットワークで番地の重複があっても問題ないですよね。例えば「〇〇県〇〇市〇〇町」と「〇〇県〇〇市△△町」が違っていれば、それぞれで「１０番地」という同じ番地名を使っても問題ないわけです。

クラスとは

IPアドレスは

192.168.100.2　→　11000000 . 10101000 . 01100100 . 00000010

という構造になっていますが、IPアドレスの中はさらにネットワーク部とホスト部というものに分かれます。

３２ビットの数のどこをネットワーク部、ホスト部にするかによって、そのネットワークに繋げるホスト（＝情報機器）の台数に違いが出てきます。このネットワーク規模によって、クラスというものに分けられます。

クラスA	ネットワーク部：8ビット、ホスト部：24ビット	同一ネットワークに接続可能な台数：約1670万台
クラスB	ネットワーク部：16ビット、ホスト部：16ビット	同一ネットワークに接続可能な台数：約6万5千台
クラスC	ネットワーク部：24ビット、ホスト部：8ビット	同一ネットワークに接続可能な台数：256台

が、現在はあまりこのクラスを意識することはないかと思います。後述するサブネットマスクによって自由にネットワーク規模を調整できるからです。

ただし、現在のネットワークの組み方は、このクラスの概念によって慣習的に決まっている場合が多いです。

なぜなら、自由にネットワーク規模を調整できるからといって、細かく調整しないと運用できないケースはほぼないからです。ネットワーク部、ホスト部は自由に設定できますが、特別な理由がない限りはクラスに従ったネットワークの組み方で問題ないと思います。

サブネットマスク、プレフィックスとは

ネットワーク部が同じ情報機器は同じネットワークに属して、ホスト部がそのネットワーク内での住所を表すものになります。

しかし、IPアドレスはただの数字の羅列なので、どこがネットワーク部なのかホスト部なのかわかりません。そこで、どこまでがネットワーク部で、どこまでがホスト部なのかを表すためにサブネットマスク、もしくはプレフィックスというものを設定します。

サブネットマスクとは

IPアドレス　192.168.100.2　→　11000000 . 10101000 . 01100100 . 00000010

について、２４ビット分をネットワーク部に指定したいとします。

11000000 . 10101000 . 01100100 . 00000010 ←太字のところまで

このとき、該当のネットワーク部を「1」、ホスト部を「0」で埋めたIPアドレスのようなものを準備します。

11111111 . 11111111 . 11111111 . 00000000 → 10進法で 255.255.255.0

これをサブネットマスクといい、IPアドレスと組み合わせる（AND演算をする）ことで、どこまでがネットワーク部かがわかります。IPアドレスとサブネットマスクは必ず一組にして扱います。

プレフィックスとは

先頭から何ビットまでがネットワーク部かが分かれば良いので、そのビット数を数で指定したものがプレフィックスになります。例えば、先頭から２４ビットがネットワーク部だとしたら、IPアドレスの後ろに「/ビット数」として指定します。

IPアドレス　192.168.100.2/24

何ビットまでがネットワーク部かを指定するという意味としては、サブネットマスクと同じです。

なぜネットワーク部とホスト部に分けるのか

ローカルネットワークを組むのなら、重複がなければどんなIPアドレスを割り振っても問題ないはずです。0.0.0.0〜255.255.255.255の数字を自由に使っても良いのですが、なぜIPアドレスをわざわざネットワーク部とホスト部に分けるのでしょうか。

一言でいうと「無駄を減らすため」です。

• 何も考えずに３２ビットが取りうる全てのパターン数を考えると、IPアドレスは\(2^{32}=4,294,967,296\)個（約４３億個）使えることになります。そんなに使いません。
• サブネットマスクを使うと、自由に小さなネットワークを組むことができます。通信障害が発生したときの原因特定やブロードキャスト（全ホストに通信を投げる）が容易になります。

ちなみに、ホスト部の全ての桁が0であるIPアドレスをネットワークアドレス、全ての桁が1であるIPアドレスをブロードキャストアドレス、と言います。特殊なIPアドレスとなるので、通常のホスト用のIPアドレスとして使うことはできません。

まとめ

長文になってしまったので、要点をまとめておきます。

• IPアドレスはインターネット上の住所。
• IPアドレスにはグローバル、プライベートの２種類がある。
• プライベートIPアドレスはローカルネットワーク内ならば、自由に割り当てることができる。
• IPアドレスは、サブネットマスクまたはプレフィックスを使って、ネットワーク部とホスト部に分けられる。
• 「ネットワーク部が同じ＝同じネットワークに属している」、「ホスト部はそのネットワーク内での住所のようなもの」

これらの考え方はIPアドレスの考え方の基本です。実際にネットワークを組むときには、これに加えて、自動的にIPアドレスを割り当てたり、ローカルネットワークと外のネットワーク（インターネットなど）を繋ぐためにIPアドレス変換を行なったりしています。