第7章　ネットワークサービスとインターネット

この章の目的

ここまでの章で、パケットがIPアドレスを頼りに、スイッチとルーターを経由して届く仕組みを学びました。ただし、まだ説明していないことが残っています。

第3章の演習で使ったIPアドレスは、誰が割り当てたのか(自動割り当ての正体)
Webサイトは「www.なんとか.com」という名前で開けるが、配達に必要なのはIPアドレスのはず(名前とアドレスの変換)
プライベートアドレスしか持たない機器が、どうやってインターネットと通信するのか(第4章の宿題)

この章では、これらを支えるサービス — DHCP(Dynamic Host Configuration Protocol)・DNS(Domain Name System)・NAT(Network Address Translation)を扱います。第6章で学んだTCP・UDP・ポート番号が、それぞれのサービスの土台になっています。

知識の章はこの章で最後です。章の後半では、DHCPを実機で体験し(7-9)、DNSの通信をWiresharkで実物確認します(7-10)。

この章でできるようになること

DHCPが自動で配る「4点セット」を言える
DHCPのやり取り(4段階)を図で説明できる
DNSが「名前からIPアドレスを調べる仕組み(名前解決)」であることを説明できる
第6章のポート番号(80・443・53)が、実際のサービスでどう使われるかが分かる
Webページが表示されるまでの流れを、順番に説明できる
プライベートアドレスだけでインターネットと通信できる理由(NAT)を説明できる
VLAN・VPN・ファイアウォールの目的を言える(詳細は実機演習編)
実機でDHCPの取得・解放・再取得を操作できる

7-1 この章で扱う4つのサービス

PCを起動してWebページを1枚表示するまでに、裏では少なくとも4つのサービスが働いています。

サービス	役割	学ぶ場所
DHCP	IPアドレスなどの設定を自動で割り当てる	7-2
DNS	名前からIPアドレスを調べる(名前解決)	7-3
TCP/UDP・ポート番号	データを正しいアプリケーションに届ける	第6章(7-4でおさらい)
NAT	プライベートアドレスとグローバルアドレスを変換する	7-6

順に見ていきます。

7-2 DHCP — IPアドレスの自動割り当て

4点セットを自動で配る

DHCP は、第4章で紹介したとおり、ネットワークに接続してきた機器に、必要な設定を自動で割り当てるプロトコルです(第4章では「つなぐと住所が自動でもらえる」ことと「切り離すと失われる」ことを確認しました)。ここでは、その中身を詳しく見ます。割り当てを行う側を DHCPサーバー と呼び、会社ではサーバーやルーターが、家庭ではWi-Fiルーターがこの役割を担っています。

このとき配られるのが、いわば 「4点セット」 です。

配られるもの	意味(学んだ章)
IPアドレス	自分の住所(第4章)
サブネットマスク	ネットワーク部の区切り位置(第4章)
デフォルトゲートウェイ	別ネットワーク宛ての送り先(第5章)
DNSサーバー	名前解決の問い合わせ先(この章の7-3)

第3章の演習で「会場のネットワークが自動で割り当てた値」と言っていたのは、このDHCPの仕事でした。ipconfig で見てきた値は、DHCPサーバーがまとめて配ったものです。

取得までのやり取りは4段階

機器がネットワークにつながってから4点セットを受け取るまでのやり取りは、次の4段階です。

①が ブロードキャスト(第3章)で送られる点に注目してください。つながった直後のPCは、DHCPサーバーがどこにいるか知らないため、「全員宛て」で呼びかけるしかないのです。

アドレスは「借り物」

DHCPで受け取ったアドレスは「もらう」のではなく「期限つきで借りる」ものです。これを リース と呼びます。接続し直すと別の値になることがあるのはこのためです。

逆に、サーバーやプリンターのように「アドレスが変わると困る機器」は、DHCPに頼らず固定のアドレスを手動で設定します。この「自動で借りる」と「固定で決める」の使い分けは、実機演習編(LAN側IPアドレスとDHCP)で「配る側」の視点から設計します。

7-3 DNS — 名前からIPアドレスを調べる

Webサイトは「www.example.com」のような 名前(ドメイン名) で開きます。しかし、配達に必要なのは IPアドレス です(第4章)。

名前からIPアドレスを調べる仕組みが DNS で、この変換を 名前解決 と呼びます。世界規模の電話帳に相当する仕組みです(この対比は導入だけに使います)。

似た変換の仕組みを第3章でも学びました。整理すると次のとおりです。

仕組み	変換の内容	働く範囲
ARP(第3章)	IPアドレス → MACアドレス	同じLANの中
DNS(この章)	名前 → IPアドレス	世界中

名前解決を手動で実行するコマンドが nslookup です(実行は7-10で行います。以下は表示例です)。

nslookup www.example.com

サーバー:  UnKnown
Address:  192.168.1.1

権限のない回答:
名前:    www.example.com
Address:  198.51.100.80

下2行が結果です。「www.example.com のIPアドレスは 198.51.100.80」と分かりました。

上2行の「サーバー: 192.168.1.1」は、問い合わせを受け付けたDNSサーバー を示しています。この例ではルーターです。DHCPの4点セットで「DNSサーバー=ルーター」と配られる構成が、家庭や小規模オフィスでは一般的です。

8.8.8.8 の正体

第4章の問題に登場した 8.8.8.8 は、Googleが公開している DNSサーバーのIPアドレス です。覚えやすい値のため、トラブル調査の宛先としても広く使われています(第8章で使います)。

7-4 ポート番号のおさらい — DNSは53、Webは443

第6章で学んだ ポート番号 と TCP・UDP が、この章のサービスを支えています。この章で使う番号を整理します。

ポート番号	サービス	トランスポート
80	Web(暗号化なし・HTTP)	TCP
443	Web(暗号化あり・HTTPS)。現在のWebはほぼこちら	TCP
53	DNS	主にUDP

DNSがUDPを使う理由は、第6章の知識で説明できます。名前解決は「短い質問と短い回答の一往復」なので、TCPの接続手順(3ウェイハンドシェイク)を省いて速さを優先するほうが合理的だからです。

7-5 WANとISP

第1章の復習です。建物の外に出た通信は、WAN(拠点間を結ぶ回線)や インターネット を通ります。

インターネットへの接続点を提供するのが ISP(Internet Service Provider・インターネットサービスプロバイダー)です。家庭も会社も、必ずどこかのISPと契約して接続点を借りています。「インターネットにつなぐ」とは、正確には「ISPの接続点まで自分のネットワークをつなぐ」ことです。

7-6 NAT — アドレスの変換

第4章の宿題を回収します。「プライベートアドレスしか持たない機器が、どうやってインターネットと通信するのか?」

答えは、ルーターが送信元アドレスを変換している からです。この仕組みを NAT と呼びます。

NATの概要図。LANの中のPC(192.168.1.10)の通信が、ルーターを通るときに送信元アドレスをルーターのグローバルアドレス(203.0.113.5)に書き換えられてインターネットへ出ていく

図7-1 NAT — 送信元をプライベートアドレスからグローバルアドレスに書き換えて出す

図の LAN側・WAN側 は、第5章で学んだルーターの接続口の呼び方です。処理の流れは次のとおりです。

PC(192.168.1.10)がWebサーバー宛てのパケットを送る。送信元はプライベートアドレスのまま
ルーターがWAN側へ出すとき、送信元を自分のグローバルアドレスに書き換える。誰の通信かは変換表に記録しておく
応答が戻ったら、変換表を参照して正しいPC(192.168.1.10)へ戻す

この方式では、LANの中の全機器が 1つのグローバルアドレスを共有 します。「同じグローバルアドレスを使う複数のPCを、どう区別するのか?」— ここで第6章のポート番号が使われます。アドレスとポート番号の組で区別しながら共有する 方式を NAPT(Network Address Port Translation)と呼び、家庭や会社のルーターが実際に行っているのはこちらです。

NATがあると、通信の考え方が変わる

第5章と接続しておきます。

第5章の原則との関係: 「宛先IPアドレスは終点まで変わらない」(第5章の山場)は、ルーターが転送だけを行う場合の原則でした。NATはこの原則の 意図的な例外 です。境界のルーターが、送信元(戻りの通信では宛先)を書き換えます。第5章の演習で外部へのpingが通ったのも、実はこの書き換えが働いていたからです(5-9の予告の回収です)
重要な帰結: NATの内側から外へは出られますが、外から内側へは、こちらが始めた通信への応答以外は入れません。そして相手のLANも同じ構えです。つまり、NATの内側(プライベートLAN)同士は、互いに直接通信できません。「経路の問題ではなく、届かないのが仕様」— この“壁”の意味と、正当に越える方法(VPN)は、実機演習編の該当モジュールで実物として体験できます

7-7 総集編 — Webページが表示されるまで

この章のサービスがそろいました。ブラウザーに「www.example.com」と入力してからページが表示されるまでを、通しで確認します。

この短いやり取りの裏で、これまでの全章の仕組みが動いています。

PCは、DHCPから4点セットを受け取って準備が済んでいる(7-2)
DNSに名前で問い合わせ、IPアドレスを得る(7-3)
Webサーバーは別ネットワークなので、パケットはデフォルトゲートウェイへ(第4・5章)
ルーターがNATで変換して送り出す(7-6)
サーバーに着いたら、ポート443のWebサービスに渡る(第6章・7-4)
ページのデータが同じ経路を戻ってくる

7-8 守る・分ける — VLAN・VPN・ファイアウォール

最後に、実機演習編で主役になる3つの技術を、目的だけ 押さえます。

技術	目的	詳しく学ぶ場所
VLAN	1台のスイッチの中でLANを複数に分割する(部署ごとの分離、ブロードキャストの範囲の限定)	実機演習編第6章(実機で構築)
VPN	離れた拠点同士を、インターネット越しに暗号化されたトンネルで結ぶ	実機演習編第5章(実機で構築)
ファイアウォール	通してよい通信だけを通す(ポート番号などの条件で判定)	この研修では目的の理解まで

重要な心構えが1つあります。VLANやファイアウォールがある環境では、「通信できない」ことが設計どおりの正常な状態 の場合があります。「pingが通らない=故障」と決めつけず、「そもそも通ってよい通信なのか」を確認する視点を持ってください。

7-9 実機演習 — DHCPで4点セットを受け取る

第5章までの構成(スイッチ+PC2台+RTX1200)を使い、第4章で紹介し第5章から使ってきた RTXのDHCP を、あらためて詳しく確かめます。

RTX1200は、DHCPサーバー機能が初期状態から有効 です(配布範囲は 192.168.100.2〜192.168.100.191)。家庭のWi-Fiルーターが「つなぐだけでアドレスをくれる」のと同じで、多くのルーターはDHCPサーバーを内蔵し、初期状態で配布を始めます。

手順1: いま配られている「4点セット」を確認する

第5章でルーターを追加してから、PCはこのルーターのDHCPから住所をもらってきました(第4章で紹介したDHCPです)。その配布内容を、あらためて詳しく見ます。

各PCで、/all を付けて実行します。

ipconfig /all

次の4項目(4点セット)が、すべて 自動で 設定されているはずです。

IPv4アドレス: 192.168.100.101 など(配布範囲の値)
サブネットマスク: 255.255.255.0
デフォルトゲートウェイ: 192.168.100.1
DNSサーバー: 192.168.100.1

第5章で ping 8.8.8.8 も ping yahoo.co.jp も通ったのは、この4点セット — 特に 出口(ゲートウェイ)と名前調べ係(DNS) が、DHCPでまとめて配られていたからでした。1項目ずつ手で設定すれば4回の入力が必要な値を、DHCPは接続しただけで一度に配ってくれます。

手順2: 返して、借り直す

DHCPのアドレスが「借り物(リース)」であることを、コマンドで確認します。

ipconfig /release

いま借りているアドレスを返却します。ipconfig で確認すると、IPv4アドレスが空になっています(この状態では通信できません)。

ipconfig /renew

借り直します。数秒で4点セットが再び設定されます。この裏で、7-2の4段階のやり取りが行われています。

手順3(講師の案内があるとき): DHCPのやり取りをWiresharkで見る

Wiresharkの表示フィルターに dhcp と入力してキャプチャを開始し、手順2の /release → /renew を実行すると、7-2の図で学んだやり取りのパケットが観察できます(表示されるメッセージの種類は、状況によって変わります)。

手順4: 会場のネットワークへ戻る

島での演習はここまでです。講師の指示に従い、島(ルーター・スイッチ)を外し、会場のLANケーブルをPCに直接つなぎ直します(第3章で挟んだ機器を取り去り、元の状態に戻す形です)。

つなぎ替えたら ipconfig を確認してください。何も設定し直していないのに、会場のネットワークの4点セット(第3章でメモした値と同じ系統)が入っています。

固定設定のままなら、場所を移るたびに手動の設定変更が必要でした
自動(DHCP)なら、つなぎ替えるだけで、その場所の正しい設定が入ります

ノートPCを持ち歩いてどこでもネットワークにつながるのは、このDHCPの仕組みによるものです。

演習後の状態について: 島の機材(スイッチ・ルーター)の片付けは講師の指示に従ってください。PCは会場のネットワークに接続したまま、次の7-10と第8章に進みます。

7-10 Wiresharkで確認 — DNSの問い合わせを実物で見る

会場のネットワークに戻ったので、外部への名前解決が使えます。7-3で学んだDNSの「質問と回答」を実物で確認します。

Wiresharkで表示フィルターに dns と入力し、キャプチャを開始する
コマンドプロンプトで nslookup www.example.com を実行する(宛先は講師の指定に従ってください)
停止して、パケットを確認する

見る場所	確認できること
Info欄の `Standard query`	「〜のIPアドレスは?」という質問
Info欄の `Standard query response`	「〜です」という回答(名前とIPアドレスの対応が見える)
詳細ペインのUDPの行	宛先ポートが 53(DNS)になっている

質問と回答のペア、そしてポート53とUDP — 7-3・7-4で学んだ構造が、1組のパケットの中にそのまま入っています。

実務で大切なポイント

切り分けの視点は「IPは取れているか? 名前は引けるか?」 — ipconfig で4点セットが入っていなければDHCP側、アドレスはあるのに名前で開けなければDNS側を疑います。この2段階の視点だけで、原因調査が大幅に速くなります(第8章で実践)。
DHCPサーバーの「二重稼働」は事故のもと — 誰かがWi-FiルーターをLANに勝手に接続すると、DHCPサーバーが2台になり、誤った4点セットが配られて通信障害が起きます。この事故は、実機演習編で安全な環境で再現できます。
「つながらないのが正しい」場合がある — ファイアウォールやVLANの環境では、遮断が設計どおりの正常動作のことがあります。修復を試みる前に「通ってよい通信か」を確認するのが正しい手順です。

もう一歩深く

初めての方は読み飛ばして構いません。興味のある方向けの補足です。

443の中身 — 暗号化(HTTPS)

ポート443のWeb通信は、TLS という仕組みで暗号化されています。Wiresharkで観察しても、データ部分は読めない文字列に見えます。「通信の中身は経路上では読めないのが現在の標準」— これがブラウザーのアドレス欄の鍵マークの意味の1つです。もう1つの意味(相手が本物である証明)は、第10章で扱います。

DNSは階層で分担している

世界中の名前を1つのサーバーで管理することは不可能なので、DNSは「comの部分」「example.comの部分」のように 階層で分担 しています。問い合わせを受けたDNSサーバーは、必要に応じて上位の担当サーバーへ順に問い合わせ、結果を持ち帰ります。

よくある誤解

誤解	実際
「インターネットが見られない」=回線が切れた	DNSだけが不調で、名前解決に失敗しているだけの場合もよくあります。「IPアドレス直打ちなら届く」という症状がそのサインです。
ポート番号は機器に付いた番号	機器の番号はIPアドレスとMACアドレスです。ポート番号は機器の中のアプリケーションの窓口の番号です(第6章)。
NATがあるからセキュリティは万全	NATはアドレスの変換であって、通信を選別する機能ではありません。通信を止めるのはファイアウォールの仕事です。
DHCPのアドレスはずっと自分のもの	期限つきのリース(借り物) です。接続し直すと別の値になることがあります。
VPNは匿名化のためのツール	この研修で扱うVPNは、離れた拠点を安全に結ぶための業務技術です(実機演習編で構築できます)。

まとめ

DHCP はIPアドレスなどの自動割り当て。配るのは 4点セット(IPアドレス・サブネットマスク・デフォルトゲートウェイ・DNSサーバー)
DHCPのやり取りは 4段階(Discover→Offer→Request→Ack)。最初はブロードキャスト。アドレスは リース(借り物)
DNS は名前→IPアドレスの 名前解決。ARP(IP→MAC)との対比で整理できる
ポート番号の実例: Web=443(TCP)、DNS=53(主にUDP)
インターネットへの接続点は ISP から借りている
NAT(NAPT) は送信元アドレスの変換。LANの全機器で1つのグローバルアドレスを共有できる
Webページ1枚の表示は、DHCP→DNS→ゲートウェイ→NAT→ポート443の連携
VLAN=分割、VPN=暗号化トンネル、ファイアウォール=通信の選別。詳細は実機演習編へ

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)

DHCPが配る「4点セット」を4つ挙げてください。

問題2(知識)

ARPとDNSは、どちらも「変換の仕組み」です。それぞれ 何を何に 変換しますか。

問題3(第6章の復習)

TCPとUDPの違いを、それぞれ一言で説明してください。また、DNSの問い合わせに使われているのは主にどちらですか。

問題4(実操作)

コマンドプロンプトで nslookup を使い、普段見ているWebサイトのIPアドレスを調べてください(例: nslookup www.example.com)。あわせて、回答したDNSサーバーのアドレス(結果の上側に表示)も確認してください。

問題5(状況判断)

同僚から相談されました。「WebページのアドレスをIPアドレスで直接入力すると表示されるのに、www.〜 の名前で入力すると表示されないんです」。この章の知識で、どのサービスを疑いますか。理由も説明してください。

解答と解説

問題1の解答を表示する

解答: IPアドレス、サブネットマスク、デフォルトゲートウェイ、DNSサーバー

「自分の住所」「区切り位置」「別ネットワーク宛ての送り先」「名前解決の問い合わせ先」— 第4章・第5章・この章で学んだ設定が、まとめて自動配布されています。7-9の演習で受け取ったものです。

問題2の解答を表示する

解答: ARPは「IPアドレス → MACアドレス」(同じLANの中)。DNSは「名前 → IPアドレス」(世界中)。

変換の方向と働く範囲をセットで答えられれば正解です。

問題3の解答を表示する

解答例: TCPは相手と確認を取り合いながら送る「確実さ優先」。UDPは確認せずに送る「速さ優先」。DNSの問い合わせは主にUDP。

短い質問と回答の一往復だけなので、接続手順を省いて速さを取るUDPが適しています(7-4)。

問題4の解答を表示する

nslookup www.example.com のように実行し、「名前:」「Address:」の行でそのサイトのIPアドレスが確認できれば成功です。

結果の上側の「サーバー:」が、問い合わせに回答したDNSサーバーです。家庭ではルーターのアドレス(192.168.1.1 など)になっていることが多く、その場合「DNSの問い合わせ窓口をルーターが担っている」構成だと分かります。

問題5の解答を表示する

解答例: DNSを疑う。IPアドレス直打ちで表示される=アドレスさえ分かれば配達の仕組み(経路・サーバー)は正常に動いている。名前で開けないのは「名前→IPアドレス」の変換だけが失敗しているということなので、DNS(の設定またはサーバー)に原因があると考えられる。

「どこまでは動いているか」で範囲を絞る考え方が、次の第8章の主題です。この症状は第8章で実際に手を動かして切り分けます。

第7章 ネットワークサービスとインターネット