IPv4とは？

IPv4は、TCP/IPモデルと呼ばれるインターネットプロトコルスイートの重要なネットワーク層通信プロトコルとして最初に使用されました。ネットワーク層のコンセプトは、ネットワークの境界を越えてデータグラム(データのパケット)を中継およびルーティングすることです。IPv4 だけでなく、TCP/IP モデルでは、インターネットネットワークのルーティング、ステータスレポート、ネットワーク構成の発見など、さまざまな通信サービスをサポートする他のプロトコルが提供されています。

70 年代から90 年代にかけてプロトコル戦争と呼ばれるものがありました。この戦いでは、TCP/IP モデルとOSI 参照モデルが対立しました。OSI参照モデルが厳密な構造だったのに対し、TCP/IPモデルは実装の柔軟性や採用の規模・速度などの商業的要因が優れていたことから、TCP/IPが事実上の勝利を収めました。

TCP/IPモデルの構造

IPv4が何であるかの答えをより深く理解するためには、TCP/IPモデルにおけるIPv4の位置付けを理解する必要があります。このアーキテクチャは、低レイヤ(物理的な輸送)から高レイヤ(エンドユーザー・アプリケーションのサポート)に向かって、次のように構成されています。

• リンク層は、1つのネットワークセグメント内でどのように通信が行われるかを指定します。インターネットプロトコルスイートのリンク層は、OSI参照モデルのデータリンク層(第2層)と物理層(第1層)の組み合わせにほぼ類似しています。
• インターネット層は、独立したネットワーク間のインターネットワーキングを処理する。IPv4 とその後継の Internet Protocol version 6(IPv6) はこの層で使用されます。OSIのネットワーク層は、TCP/IPのインターネット層とほぼ同じです。
• トランスポート層は、ホスト間の通信を提供します。信頼性の高いコネクション型のデータ交換を行うTCP (Transmission Control Protocol)と、 オーバーヘッドは小さいが信頼性の低いコネクションを提供するUDP (User Datagram Protocol)がここに存在します。TCP/IPのトランスポート層とOSI参照モデルの相関は、部分的なものです。
• アプリケーション層は、HTTPやHTTPS、LDAP、MQTT、SMTP、POP、DNS、DHCP、FTPなどのハイレベルなプロセス間通信をサポートするプロトコルやインターフェース方式を提供します。OSI モデルと完全に一致するわけではありませんが、インターネットプロトコルスイートのアプリケーション層は、OSI のセッション層とプレゼンテーション層の組み合わせのようなものです。

インターネットプロトコル

TCP/IPモデルについて見てきましたが、一般的なインターネットプロトコルを調べることで、IPv4が何であるかをより具体的に説明することができます。RFC791で規定されているインターネットプロトコルは、TCP/IPモデルのインターネット層におけるコネクションレス型のデータグラムサービスで、2つの基本的な機能を持ちます。アドレッシングとフラグメンテーションです。インターネット層の目的は以下の通りです：

• トランスポート層から受信したパケットは、インターネット層でネクストホップホスト(またはゲートウェイ)を選択し、IPヘッダを付加し、適切なリンク層の実装に送ります。
• リンク層から受信したパケットに対して、インターネット層はペイロード(IP データ)を適切なトランスポート層のプロトコルに送ります
• エラー検出・診断サービスを提供します

コネクションレスとは、各パケットが事前に接続を確立する必要なく、あるエンドポイントから別のエンドポイントへルーティングされることを意味します。コネクションレス型サービスの結果として、パケットの欠落や破損があった場合、TCPのような上位のサービスによってエラー訂正が行われなければなりません。

より具体的には、IPv4は、基礎となるリンク層が提供する最大のパケットサイズまたは最大伝送単位(MTU)に基づいて、パケット間のデータの断片化とデフラグメンテーションをサポートしています。これはIPv6仕様で削除されたため、エンドポイントはトランスポート層で行われるパスMTUディスカバリーを実行する必要があることは注目に値します。

IPv4とIPv6の比較

データグラムを送受信するために、IPv4は32ビットアドレスを使用します。通常、x.x.x.xのようにドット付き4分割表記で、各xは0から255までの8ビット値で表されます。32ビットアドレスは、2^32または4,294,967,296アドレスのアドレス空間を提供します。

約43億のアドレス空間は大きいと思われるかもしれませんが、将来のインターネットには到底足りません。そもそも、1800万個のIPv4アドレスはローカルネットワークのプライベートアドレス空間として確保されていたため(RFC1918参照)、ローカルアドレス空間からパブリックインターネットへのルーティングには、ネットワークアドレス変換(NAT)の利用が必要になります。その上、ここ数年で数十億の新しいネットワークやIoT(Internet of Things)デバイスが追加され、さらにISPなどの大規模組織にIPアドレスのブロックが割り当てられた結果、インターネットのアドレス空間を管理するIANA(Internet Assigned Numbers Association)のIPv4アドレス在庫は2011年に枯渇しました。

IPアドレス枯渇の問題を解決するために、Internet Protocol version 6(IPv6、RFC2460およびRFC8200参照)が開発されました。IPv4とIPv6を比較すると、IPv6は128ビットアドレスを使用するため、アドレス空間は桁違いに大きく、理論的には2^128、つまり約3400億個(3.4×10^38)のユニークなアドレスを使用することができます。アドレス空間の大幅な増加とともに、新しいパフォーマンスや設定機能、セキュリティの強化が行われ、IPv6は将来のインターネットにはるかに適したものとなっています。

つまり、IPv4は実装と管理がはるかに簡単ですが、将来のインターネットでは、アドレス空間がはるかに大きくルーティングと接続管理がより洗練されているIPv6が有利です。しかし、IPv6はアドレス空間の枯渇問題を解決する一方で、IPv4とIPv6が互換性のないプロトコルであるという別の問題があります。つまり、インターネット全体をIPv6アドレスに移行することは、少なくとも今後数年間は事実上難しく、IPv6とIPv4アドレスの変換、およびその逆ができるようにする必要があるのです。

IPv6からIPv4への変換方法

IPv6はIPv4と比べて大きなメリットがあるにもかかわらず、インターネットサービスプロバイダや大企業は依然としてIPv4をサポートする必要があります。既存のインフラを純粋なIPv6に移行するには何年もかかるからです。また、移行には費用がかかり、企業が従来から保有しているサブシステムをIPv6に切り替えることさえ不可能な場合があります。つまり、私たちは今後長い間、IPv4と共存していかなければならないのです。ISPと企業は両方のプロトコルをサポートし、IPv6をIPv4に、またはその逆に変換できる必要がありますが、これはキャリアグレードネットワークアドレス変換(CGNAT)を使用して行われます。

CGNATは、IPv6をIPv4に透過的に変換し、地理的に分散したIPv4ネットワークをIPv6インフラストラクチャに橋渡しするように設計されています。IPv6をIPv4に変換する機能とともにCGNATが提供する必要があるその他の機能には、NAT64/DNS64、DS-Lite、Lw4o6、6rd、MAP-T、MAP-Eなどのトンネリングプロトコルのサポート、FTP、TFTP、RSTP、PPTP、SIP、ICMP、MGCP、DNS、H.323、ESP用のALGs(Application Level Gateways)への透過サポートの提供、DDoS防御の提供などがあります。

A10のソリューション

IPv6をIPv4に変換し、企業規模ですべてのプロトコルとサービスをサポートするために、A10ネットワークスはIPv4接続を拡張し、IPv6移行をサポートし、総所有コストを削減する先進のCGNATソリューションA10 Thunder® CGNを提供しています。

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