概要
IP（Internet Protocol）とは、インターネットでの通信において、パケット（IPパケット）を宛先のネットワークやホストに届けるためのプロトコルです。OSI参照モデルのネットワーク層（第３僧）に相当します。
IPでは、宛先のホストや送信元の指定にIPアドレスが使用されます。IPアドレスは、同じネットワーク上で重複があってはならず、インターネットで用いられるグローバルIPアドレスについては、管理団体によって管理がされています。
現在普及しているIPv4（IP version 4）は、1981年に発行されたRFC791で規定されました。32ビットのIPアドレスを持ち、最大で約42億台の機器が同じネットワーク上で指定ができます。
一方、次世代のIPv6（IP version 6）では、IPv4のアドレス枯渇問題を解決するため128ビットに拡張がされており、1995年に発行されたRFC1883などで規定されました。
IPv4
IPアドレス
IPv4のIPアドレスは、１バイト毎に区切られた４バイト（32ビット）で表されますが、ネットワーク部とローカル部の２つに分けられます。ネットワーク部は、公的な機関により管理と割り当てが行われ、ローカル部は、ネットワーク部を割当てられた各組織によって管理されます。
ローカル部は、さらにサブネット部とインターフェース部に分かれています。これは、各組織の中で、ネットワークを分けて管理するために使用されます。
IPアドレスのクラス
ネットワーク部のビット数は、クラス（Ａ～Ｄ）により異なります。以下は、ネットワーク部のビットを「Ｎ」、ローカル部のビットを「Ｌ」で表しています。
| クラス | 上位16ビット | 下位16ビット | ||
| クラスＡ | 0NNNNNNN １～127 |
LLLLLLLL ０～255 |
LLLLLLLL ０～255 |
LLLLLLLL ０～255 |
| クラスＢ | 10NNNNNN 128～191 |
NNNNNNNN ０～255 |
LLLLLLLL ０～255 |
LLLLLLLL ０～255 |
| クラスＣ | 110NNNNN 192～223 |
NNNNNNNN ０～255 |
NNNNNNNN ０～255 |
LLLLLLLL ０～255 |
| クラスＤ | 1110NNNN 224～239 |
MMMMMMMM ０～255 |
MMMMMMMM ０～255 |
MMMMMMMM ０～255 |
クラスＡは上位１ビットが「０」、クラスＢは上位２ビットが「10」、クラスＣは上位３ビットが「110」、クラスＤは上位４ビットが「1110」で定義されており、それぞれ区別がつくようになっています。尚、クラスＤのアドレスはマルチキャスト用のアドレスです。
サブネットマスク
サブネットとは、１つの組織の中で分けられたネットワークのことです。組織のネットワーク管理者が、サブネットを分ける理由は以下になります。
- ローカルなトラフィックを他のネットワークから分離する。
- 地理的に離れたネットワークを分割する。
- あるネットワーク資源へのアクセスを制限する。
サブネットマスクとは、サブネットの範囲を相手に伝えるための方法で、IPアドレスのビットの中でネットワーク部とサブネット部を「１」、インタフェース部を「０」で表します。
例えば、クラスＣのIPアドレスで、サブネット部が２ビットの場合、サブネットマスクは「255.255.255.192」と表します。
| サブネット マスク |
11111111 255 |
11111111 255 |
11111111 255 |
11000000 192 |
| ビット構成 | NNNNNNNN | NNNNNNNN | NNNNNNNN | SSLLLLLL |
この例では、各機器に割り当てられるインタフェース部は６ビット（64通り）ですが、この内オール０はネットワークアドレス、オール１はブロードキャストアドレスに割り当てられており使用できません。そのため、割り当てられるIPアドレスの数は最大で62台（$=2^{\mbox{ビット数}}-2$）となります。
IPパケット
IPv4のパケット構成は以下になります。
各フィールドの役割りは以下になります。
| 名称 | サイズ | 機能 |
| バージョン | ４bit | プロトコルのバージョンを表す。IPv4では0x0100。 |
| ヘッダ長 | ４bit | IPヘッダ長を４バイトの倍数で表す。最小値は５。 |
| サービスタイプ | ８bit | IPパケットの優先度などを表すが、現在はほとんど使用されていない。 |
| 全長 | 16bit | IPパケット全体の長さをバイト単位で表す。 |
| 識別番号 | 16bit | フラグメンテーション（分割）されたIPパケットを識別する。 |
| フラグ | ３bit | フラグメンテーションで利用される。 |
| フラグメント オフセット |
13bit | フラグメント化されたIPパケットの全体の中の位置を８バイトの倍数で表す。 |
| 生存時間 | ８bit | IPパケットの生存時間を表す。 |
| プロトコル | ８bit | 上位層のプロトコル（１：ICMP、６：TCP、17：UDP）を表す。 |
| チェックサム | 16bit | ヘッダ部分のチェックサムを表す。 |
| 送信元IPアドレス | 32bit | 送信元の機器のIPアドレスを表す。 |
| 宛先IPアドレス | 32bit | 送信先の機器のIPアドレスを表す。 |
| オプション | ０～40B | IPヘッダの拡張部。 |
| データ部 | － | IPパケットのペイロード。TCPなら最小で20B、UDP/ICMPなら最小で８B。 |
IPv6
IPアドレス
IPv6では、128ビットのIPアドレスを持ち、IPv4のアドレス空間が大幅に拡張されています。128ビットのIPアドレスは、２バイトごとにコロン（：）で区切って表記されます。尚、各区切りの先頭の０や、０ビットが続く場合は省略することができます。
| 2001:0db8:0000:0000:0000:ffff:0012:3456 （省略形）2001:db8::ffff:12:3456 |
IPv6では、自動的に自身が使うIPアドレスを生成して設定する仕組みがあるため、IPアドレスをユーザが設定する必要はありません。128ビットのうち、上位64ビットはルータから指定され、下位64ビットはコンピュータ自身が生成します。
IPアドレスの種類
IPアドレスは利用目的により、３つの種類に分かれます。
- ユニキャスト・アドレス
１対１の通信で利用される。 - マルチキャスト・アドレス
あるグループに属した複数台のコンピュータに同時にデータを送る場合に指定する。動画の同時配信などでの利用を想定している。 - エニーキャスト・アドレス
サーバの負荷分散などでの利用を想定している。このアドレスを指定すると、複数あるサーバの中から一番近い先を自動的に選択されるようになる。
IPv6ではブロードキャスト・アドレスはなくなり、その代わりにマルチキャスト・アドレスが利用されます。尚、マルチキャスト・アドレスとエニーキャスト・アドレスは、ユニキャスト・アドレスとは別に設定ができます。
ユニキャスト・アドレスはさらに３つの種類に分けられており、サイトローカル・アドレスとリンクローカル・アドレスについては、利用場所を限定して別の場所との重複が許されています。
- グローバル・アドレス
インターネット上で使うアドレスで、世界で一意である必要がある。 - サイトローカル・アドレス
ある組織内に閉じた通信に用いる。IPv4のプライベート・アドレスに相当する。先頭から48ビットは「fec0：0：0」に固定。 - リンクローカル・アドレス
ルータを介さず通信できる範囲（リンク）でコンピュータ同士の通信に利用する。ルータからの情報取得の際に利用されている。先頭から64ビットは「fe80：0：0：0」に固定。
IPパケット
IPv6のパケット構成は以下になります。
各フィールドの役割りは以下になります。
| 名称 | サイズ | 機能 |
| バージョン | ４bit | プロトコルのバージョンを表す、IPv6では0x0110 |
| トラフィッククラス | ８bit | IPパケットの優先度を表す。 |
| フローラベル | 20bit | マルチキャスト通信において、通信経路の品質を確保したり、経路を優先的に選択させたりするために使用する。 |
| ペイロード長 | 16bit | 拡張ヘッダとデータ部の合計サイズ。IPv6の基本ヘッダ部（40B）は含まない。 |
| ネクストヘッド | ８bit | 拡張ヘッダや上位プロトコルのタイプを表す。 |
| ホップリミット | ８bit | IPパケットが通過できるルータ数を表す。ルータを１つ通過するたびに1づつ減算される。 |
| 送信元IPアドレス | 128bit | 送信元の機器のIPアドレスを表す。 |
| 宛先IPアドレス | 128bit | 送信先の機器のIPアドレスを表す。 |
| 拡張ヘッダ | ０～ | 複数の拡張ヘッダが格納される。 |
