第4章　IPアドレスとサブネットマスク

この章の目的

第3章で「192.168.1.10 の意味は第4章で」と保留にしました。この章で、その読み方を扱います。

この章から、OSI参照モデルの 第3層(ネットワーク層) に入ります。学ぶことは次の3つです。

IPv4アドレスの構造(IP: Internet Protocol) — ネットワーク部とホスト部
サブネットマスク(/24) — 区切り位置の指定
「同じネットワークか?」の判定 — この章の核心。通信のたびにすべての機器が行っている判定

章の後半では、IPパケットの構造を図で押さえ(4-8)、「設定していないのにIPアドレスがあるのはなぜか」を実機で確かめます(4-9=DHCPの紹介)。「同じネットワークか、別のネットワークか」の判定は、次の第5章で実機のルーターを使って体験します。

なお、この章に2進数は登場しません。/24 という表記と具体例だけで最後まで進みます(2進数による仕組みは章末の「もう一歩深く」)。

この章でできるようになること

IPv4アドレスの形式(0〜255の数字4つ)を説明できる
プライベートアドレスとグローバルアドレスの違いを説明できる
IPアドレスをネットワーク部とホスト部に分けられる
/24 とサブネットマスク 255.255.255.0 が同じ意味だと説明できる
2つのIPアドレスが同じネットワークかどうかを判定できる
ネットワークアドレスとブロードキャストアドレスが機器に使えない理由を説明できる
IPパケットの主なフィールド(送信元IP・宛先IP・TTL・プロトコル)を図で示せる
自動で割り当てられたIPアドレスがDHCPによるものだと説明でき、切り離すと失われることを確認できる

4-1 IPアドレスは機器の「住所」

IPアドレス は、ネットワーク上で機器を指定するための識別番号です。第3章のMACアドレスとの役割分担(MAC=同じLANの中の転送、IP=ネットワークをまたぐ宛先)は、3-2の表のとおりです。

IPアドレスの構造は、郵便の住所にたとえると理解しやすいので、導入としてこの例を1回だけ使います。

東京都新宿区西新宿 2-8-1

この住所は「東京都新宿区西新宿」(どの地域か)と「2-8-1」(その地域の中のどの建物か)の2つの部分でできています。IPアドレスも同じ構造です。

前半 = どのネットワークか(ネットワーク部)
後半 = そのネットワークの中のどの機器か(ホスト部)

「どこまでが前半か」を決めるのが、この章の主役の1つ サブネットマスク です。順に見ていきます。

4-2 IPv4アドレスの形式

現在広く使われているIPアドレス(IPv4)は、0〜255の数字4つをドットで区切って並べた 形式です。

192.168.1.10
10.0.50.7
172.16.3.200

規則は1つだけです。各数字は0〜255の範囲。「192.168.1.300」のようなアドレスは存在しません。

0〜255という範囲は、コンピューターの数の扱い(2進数8桁=1バイト)に由来します。仕組みは「もう一歩深く」で扱い、本文ではこの事実だけ使います。

4-3 プライベートアドレスとグローバルアドレス

IPアドレスには2種類あります。会社の電話の「内線番号と外線番号」の関係に相当します(この対比も導入として1回だけ使います)。

	プライベートアドレス	グローバルアドレス
使える範囲	会社や家の中(LANの中)だけ	インターネット全体
割り当て	決められた範囲を自分たちで自由に使える	世界的に管理され、勝手には使えない

プライベートアドレスとして使ってよい範囲は、世界共通で3つ決められています。

範囲	よく使われる場所(目安)
10.0.0.0 〜 10.255.255.255	大きな会社のネットワーク
172.16.0.0 〜 172.31.255.255	中規模のネットワーク
192.168.0.0 〜 192.168.255.255	家庭や小さなオフィス

家庭のWi-Fiルーターにつなぐと 192.168.x.x のアドレスが割り当てられるのは、この決まりによるものです。世界中のLANで同じ 192.168.1.10 が使われていても、それぞれのLANの中だけで通用する番号 なので衝突しません。

ここで疑問が残ります。「プライベートアドレスしか持っていない機器が、どうやってインターネットと通信するのか?」— この答え(NAT)は第7章で扱います。

4-4 ネットワーク部とホスト部

4-1の構造を、用語で整理します。

ネットワーク部 — アドレスの前半。どのネットワークかを表す
ホスト部 — アドレスの後半。そのネットワークの中のどの機器かを表す

問題は「どこまでが前半か」です。IPアドレスの数字を見ただけでは分かりません。区切り位置を指定する情報が別に必要です。それが次のサブネットマスクです。

4-5 サブネットマスクと /24

/24 は「前から24マス分がネットワーク部」

IPアドレスの数字1つは、それぞれ 8マス分 の大きさを持っています(マスの正体はビットです。「もう一歩深く」参照)。4つ合わせて32マスです。

/24 という表記は「前から24マス分がネットワーク部」という意味です。数字1つが8マスなので、24マス = 最初の3つの数字 がネットワーク部になります。

IPアドレス192.168.1.10を4つの数字に分解した図。前の3つ(192.168.1)がネットワーク部、最後の1つ(10)がホスト部。サブネットマスクで書くと255.255.255.0で、255がネットワーク部、0がホスト部の目印

図4-1 192.168.1.10 /24 の分解 — 前3つ=ネットワーク部、最後の1つ=ホスト部

つまり 192.168.1.10/24 は次のように読めます。

ネットワーク部: 192.168.1(このネットワークの識別)
ホスト部: 10(その中の機器の番号)

サブネットマスクは同じ情報の別表記

同じ区切り位置を、サブネットマスク という形式で書くこともあります。

/24  =  255.255.255.0

255は「ここはネットワーク部」、0は「ここはホスト部」 を示す目印です。255が3つ並んでいるので「前3つの数字がネットワーク部」— /24 とまったく同じ意味です。

Windowsの設定画面では 255.255.255.0 の形式、機器の設定画面や技術資料では /24 の形式が使われます。どちらも同じもの です。

この研修では、実務でもっとも使用頻度の高い /24(= 255.255.255.0)だけで進めます。24以外の位置で区切る方式は「もう一歩深く」で補足します。

4-6 「同じネットワークか?」の判定

この章の核心です。

/24 のとき、前3つの数字が同じなら同じネットワーク。1つでも違えば別のネットワーク。

判定の例です。

機器1	機器2	判定
192.168.1.10	192.168.1.20	前3つが同じ(192.168.1)→ 同じネットワーク
192.168.1.10	192.168.2.10	3つ目が違う(1と2)→ 別のネットワーク
10.0.1.5	10.0.1.200	前3つが同じ(10.0.1)→ 同じネットワーク

この判定が重要なのは、結果によって通信の方法が変わるからです。

同じネットワーク → 第3章の仕組みで 直接届く(ARPで宛先MACを調べ、スイッチが転送する)
別のネットワーク → 直接は届かない。ルーターを経由する必要がある(第5章)

同じネットワークと違うネットワークの通信の違いの図。左のネットワーク192.168.1.0/24の中ではPC-AとPC-Bが直接通信できる。右のネットワーク192.168.2.0/24のPC-Cへは、間にあるルーターを通る必要がある

図4-2 同じネットワークなら直接、違うネットワークならルーター経由(緑の実線矢印=直接届く、赤の破線矢印=ルーターを通る)

この判定は、すべての機器が通信のたびに行っています。判定の結果が実際の通信の成否に直結することは、第5章で実機のルーターを使って体験します。

4-7 機器に使えないアドレスが2つある

/24 のネットワークでは、ホスト部に0〜255の256通りが書けます。ただし、両端の2つは予約されており、機器には割り当てられません。

アドレス(例)	名前	役割
192.168.1.0	ネットワークアドレス	ネットワーク自体の識別名。「192.168.1.0/24 というネットワーク」のように、全体を指すときに使う
192.168.1.255	ブロードキャストアドレス	このネットワークの全機器宛て。第3章の FF-FF-FF-FF-FF-FF のIPアドレス版

第3章の実機演習(手順5)で arp -a を実行したとき、末尾が .255 の行に ff-ff-ff-ff-ff-ff が対応づけられていました。「IPの全員宛て(.255)は、MACの全員宛て(FF-FF…)に対応する」— 第3章と第4章がここでつながります。

整理すると、/24 のネットワークで機器に使えるのは 1〜254 の254台分 です。この計算は、実機演習編で「DHCPが配布する範囲の設計」にそのまま使います。

4-8 IPパケットの構造

第3章で「Ethernetフレームのデータ部にはIPパケットが入る」と述べました(図3-2)。そのIPパケットの構造を図で押さえます。

IPパケットの構造図。IPヘッダ(送信元IPアドレス・宛先IPアドレス・TTL・プロトコル)とデータ部でできており、全体がEthernetフレームのデータ部に入る

図4-3 IPパケットの構造(主なフィールド)— 全体がフレームのデータ部に入る

フィールド	内容
送信元IPアドレス	差出人の住所
宛先IPアドレス	最終目的地の住所。配達の途中で書き換えられない(第5章)
TTL	パケットの残り寿命(第5章で登場)
プロトコル	データ部の中身の種類(第6章のTCPなどが入る)

フレーム(第2層の包み)の中にIPパケット(第3層の包み)が入る — 第2章で学んだカプセル化の実体がこれです。宛先の情報が2種類(宛先MACと宛先IP)ある理由と使い分けは、第5章の主題になります。

実物の確認は第5章で

このIPヘッダは、Wiresharkの詳細ペインの「Internet Protocol」の行にそのまま表示されます。ルーターを越える通信を扱う第5章で、図4-3と突き合わせて実物確認します。

4-9 設定していないのに、なぜIPアドレスがあるのか — DHCP

第3章から、PCには最初からIPアドレスが割り当てられていました。誰も手で設定していないのに、です。これはなぜでしょうか。

答えは、ネットワークの中に DHCPサーバー という「IPアドレスを自動で配る係」がいるからです。PCがネットワークにつながると、DHCPサーバーが自動でIPアドレス(と、通信に必要なほかの設定)を割り当てます。この研修の会場のネットワークにも、このDHCPサーバーがあり、第3章でメモした住所は、これが配ったものです。

DHCPの詳しい仕組み — どんな情報を配り、どんなやり取りをするのか — は第7章で扱います。この章では「ネットワークにつなぐと、住所は自動でもらえる」という事実と、次の性質を押さえます。

実機で確かめる — つながっていないと、住所は失われる

DHCPでもらった住所は、「ネットワークにつながっているあいだ、借りている」ものです。切り離すと失われることを、実機で確かめます。

PCで ipconfig を実行し、いまのIPアドレスを確認する
PCのLANケーブルを スイッチから抜く
もう一度 ipconfig を実行する → そのアダプターに IPアドレスが表示されなくなる(「メディアは接続されていません」と出ます)
ケーブルを 挿し直す → しばらくすると住所が戻ってきます(戻らなければ ipconfig /renew)

もし固定の住所を手で設定していれば、ケーブルを抜いても住所は消えません。DHCPの住所は 借りもの なので、ネットワークから切り離されると失われます。

ケーブルを挿したまま 169.254 で始まる住所 が出ることもあります。これは「ケーブルはつながっているのに、DHCPサーバーが見つからず住所をもらえなかった」というサインです(第3章の手順2で触れました)。「メディアは接続されていません」も 169.254 も、どちらも「DHCPから住所をもらえていない」状態です。

自動でもらう住所(DHCP)に対して、自分の手で固定の住所を設定する 方法は、次の第5章で行います。「借りる」という性質は第7章で詳しく学びます。

実務で大切なポイント

「つながらない」の定番原因 = ネットワーク部の不一致 — 片方が 192.168.1.x、もう片方が 192.168.0.x に設定されていて通信できない、というトラブルは現場で頻出します。同じスイッチにつながっていても、ネットワーク部が違えば直接は通信できません(4-6の判定・図4-2)。
配布範囲の設計では予約アドレスと固定機器を外す — DHCPでアドレスを配るときは、.0(ネットワークアドレス)と.255(ブロードキャストアドレス)に加えて、ルーターなどの固定機器の番号も範囲から外します。実機演習編で実践します。
「スラッシュ24」は現場の共通語 — 「ここのLANは 192.168.10.0 スラ24です」という言い方が、機器の資料や打ち合わせで普通に使われます。この章の内容がそのまま実務の会話に対応します。

もう一歩深く

初めての方は読み飛ばして構いません。「マスの正体」が気になった方向けです。

マスの正体はビット(2進数)

コンピューターは、すべての数を0と1だけで扱います(2進数)。IPアドレスの数字1つは、0と1を8個並べたもの(8ビット)で、8ビットで表せる範囲がちょうど0〜255です。これが「0〜255まで」と「数字1つ=8マス」の正体です。

192.168.1.10 = 11000000.10101000.00000001.00001010

全体で32ビット。/24 は「前から24ビットがネットワーク部」という意味でした。

コンピューターの判定方法(論理積)

人間は「前3つが同じか」を見ますが、コンピューターはIPアドレスとサブネットマスクをビット単位で掛け合わせて(論理積、AND)、ネットワークアドレスを取り出して比較しています。マスクの255(=11111111)の位置だけが残る仕組みで、結果は「前3つの比較」と一致します。

IPアドレスが足りない — IPv6

IPv4のアドレスは全部で約43億個で、世界中の機器の数に対して不足しています。プライベートアドレスの共有(第7章のNAT)でやりくりしつつ、根本対策として、桁違いに広い IPv6 という新しいアドレス体系が用意されています。2001:db8::1 のような16進数の表記で、ipconfig の結果に混ざっている長いアドレスがそれです。現在はIPv4とIPv6の併用期ですが、この研修は仕組みの学びやすいIPv4に絞って進めます。

区切りは8の倍数でなくてもよい

/25 のように、数字の途中で区切ることもできます(サブネットマスクは 255.255.255.128 のような値になります)。1つのネットワークを細かく分割したい場面で使われますが、この研修では /24 だけ扱えれば十分です。

よくある誤解

誤解	実際
IPアドレスは機器に固定の番号	それはMACアドレスです。IPアドレスはあとから設定で決まる(自動割り当ても含む)住所で、接続する場所が変われば変わります。
192.168.1.10 は世界に1つだけ	プライベートアドレスは各LANの中だけで通用する番号なので、世界中のLANで同じ番号が使われています。
サブネットマスクはセキュリティ機能	「マスク」という名前による誤解です。正体はアドレスの区切り位置を示す情報で、保護の機能ではありません。
.255 のアドレスも機器に使える	/24 では .255 はブロードキャストアドレス、.0 はネットワークアドレスとして予約されており、機器には割り当てられません。
隣にある機器同士なら必ず通信できる	物理的な距離や配線は関係ありません。ネットワーク部が違えば、同じスイッチにつながっていても直接は通信できません(4-6の判定。第5章で実機のルーターを使って体験します)。

まとめ

IPv4アドレス は0〜255の数字4つ。機器の「住所」
プライベートアドレス はLANの中だけで通用、グローバルアドレス はインターネット全体で一意
アドレスは ネットワーク部 と ホスト部 でできている
区切り位置を示すのが /24 = 255.255.255.0(前3つがネットワーク部)
前3つが同じなら同じネットワーク → 直接届く。違えばルーター経由(第5章)
.0 はネットワークアドレス、.255 はブロードキャストアドレス。機器に使えるのは 1〜254
IPパケットは 送信元IP・宛先IP・TTL・プロトコル+データ部(図4-3)。フレームのデータ部に入る
設定していないのにIPアドレスがあるのは、ネットワーク内の DHCPサーバー が自動で配っているから(詳細は第7章)

確認問題

問題を解いてから、「解答と解説」で答え合わせをしてください。

問題1(知識)

次のうち、プライベートアドレス をすべて選んでください。

192.168.5.8
8.8.8.8
10.200.3.1
172.20.0.15

問題2(知識)

172.16.10.5/24 のネットワーク部はどこまでですか。

問題3(状況判断)

PC-1(192.168.1.10/24)と PC-2(192.168.2.20/24)は、同じスイッチにつながっています。この2台は直接通信できますか。理由も説明してください。

問題4(実操作)

自分のPCで ipconfig を実行し、次に答えてください。

自分のIPv4アドレスとサブネットマスク
自分のネットワーク部(サブネットマスクが 255.255.255.0 の場合)
同じネットワークにいる相手のIPアドレスの例を1つ考える

問題5(状況判断)

192.168.1.0/24 のネットワークで、新しいプリンターに 192.168.1.255 を設定しようとした同僚がいます。なぜこの設定はいけないのか、理由を説明してください。あわせて、192.168.1.0 が使えない理由も答えてください。

解答と解説

問題1の解答を表示する

正解: 1、3、4

1(192.168.5.8)は 192.168.0.0〜192.168.255.255 の範囲内
3(10.200.3.1)は 10.0.0.0〜10.255.255.255 の範囲内
4(172.20.0.15)は 172.16.0.0〜172.31.255.255 の範囲内
2(8.8.8.8)はどの範囲にも入らないグローバルアドレスです(実在する有名なサーバーのアドレスです。正体は第7章で登場します)

問題2の解答を表示する

解答: 172.16.10 まで(前3つの数字)

/24 は「前から24マス=最初の3つの数字がネットワーク部」でした。「172.16 まで」と答えた方は、プライベートアドレスの範囲(172.16〜172.31)と混同しています。区切り位置を決めるのはあくまで /24(サブネットマスク)の側です。

問題3の解答を表示する

解答例: 直接通信できない。/24 では前3つの数字が同じかどうかで判定するが、192.168.1 と 192.168.2 は3つ目が違うので別のネットワークになる。別のネットワーク同士の通信にはルーターが必要。

「同じスイッチにつながっている」ことは判定に関係ありません。物理的な接続とアドレスの区切りは別の問題です(この状況は第5章で実機でも確認します)。

問題4の解答を表示する

例として、IPv4アドレスが 192.168.1.10、サブネットマスクが 255.255.255.0 だった場合:

192.168.1.10 / 255.255.255.0
ネットワーク部は 192.168.1
192.168.1.20 など、前3つが同じでホスト部(1〜254)が違うアドレスなら正解です(.0 と .255 を挙げていないか注意)

問題5の解答を表示する

解答例: 192.168.1.255 はこのネットワークの全機器宛て(ブロードキャストアドレス)として予約されているので、特定の機器に割り当ててはいけない。192.168.1.0 はネットワーク自体の識別名(ネットワークアドレス)なので、これも機器には使えない。機器に使えるのは 192.168.1.1〜192.168.1.254。

この「予約アドレス」の考え方は、実機演習編でDHCPの配布範囲を設計するときにそのまま使います。

第4章 IPアドレスとサブネットマスク