IPv4とは何か？ 構造、機能、及び制限

IPv4の基本を探り、ネットワーク上のデバイス間の通信を可能にする方法、そしてインターネットの爆発的な成長の中での制限について理解しましょう。

**IPv4（インターネットプロトコルバージョン4）**は、デバイスがネットワーク、つまりインターネット上でどのように通信するかを規定する基本的なルールのセットです。簡単に言うと、デバイスが互いに見つけ合い、データを交換できるようにするもので、広大なグローバルネットワークのアドレッシングシステムとして機能します。

IPv4は32ビットのアドレスを使用しており、ユニークなアドレスの総数を約43億に制限します。インターネットの初期段階では十分と思われていましたが、接続されたデバイスの急速な増加により、利用可能なIPv4アドレス空間は枯渇しています。この制限にもかかわらず、IPv4はその後継であるIPv6とともに、業界で広く使用されています1。

IPv4アドレスの構造

IPv4アドレスの構造

IPv4アドレスは通常、ドットで区切られた4つの部分からなるコードとして表され、これをドット10進法表記と呼びます（例: 192.168.1.1）。各部分はオクテットと呼ばれ、0から255の間の値を表す8ビットの数値です。

主な要素:

• オクテット: 4つの部分それぞれがオクテットで、8ビットのデータです。$2^8 = 256$なので、各オクテットの値は0から255までの範囲になります。
• ネットワーク部分（NetID）: 最初のオクテットがデバイスが属する特定のネットワークを特定し、郵便番号のように機能します。
• ホスト部分（HostID）: 残りのオクテットは、そのネットワーク内での個々のデバイスを指定します。これは家の番号のようなものです。

アドレス割り当てにおけるサブネットマスクの役割

サブネットマスクは、IPv4アドレスのネットワーク部分とホスト部分の境界を定義する32ビットの数値です。これはフィルターとして機能し、ネットワークにどの部分のアドレスがネットワークを特定し、どの部分が個々のデバイスを特定するかを示します。

例えば、一般的なサブネットマスクは255.255.255.0です。バイナリでは、255のオクテットはすべて1で、ネットワーク部分に対応します。このマスクは最初の3つのオクテット（24ビット）をネットワークに割り当て、最後のオクテット（8ビット）をそのネットワーク内のホストの識別に使用します。サブネットマスクを使用することで、より小さく管理しやすいサブネットワークを作成でき、特定のドメイン内のIPアドレスの効率的な割り当てが可能になります。

IPv4の機能

IPv4は、単にデバイスをユニークに識別するだけではなく、いくつかの重要な機能を果たします。

1. ルーティング: IPv4は、データパケットをソースから宛先へ導くルーティングプロセスを容易にします。ルータはIPアドレス情報を使用してパケット配信の最適な経路を決定します。
2. フラグメンテーション: IPv4には、データパケットのサイズがネットワークまたはデバイスの制限を超えた場合に、それを小さなフラグメントに分割するメカニズムが含まれています。これらのフラグメントは、受取人によって再構成され、元のパケットが復元されます。
3. サービス処理: IPv4は、アプリケーションの要件に基づいてデータパケットを優先順位付けやグループ化することを可能にする、**サービスの品質（QoS）や差別化サービス（DiffServ）**など、さまざまなサービス処理オプションをサポートします。
4. ネットワークアドレス変換（NAT）: NATは、ローカルネットワーク内で使用されるプライベートIPアドレスを、インターネットに接続する際にパブリックIPアドレスに変換する技術です。これにより、ローカルネットワーク内の複数のデバイスが1つのパブリックIPアドレスを共有でき、IPアドレスの不足問題の軽減に重要な役割を果たしています2。
5. エンドツーエンドの通信の確保: 各デバイスにはユニークなIPアドレスがあり、ルータはルーティングプロトコルを使用して接続されたネットワークに関する情報を共有し、目的のIPに基づいてパケットを効率的に転送できるマップを作成します。

IPv4を使用する利点

古さや制限があるにもかかわらず、IPv4にはいくつかの利点があります。

• 簡潔さと効率: IPv4パケットの小さなヘッダーサイズにより、ルータはそれらを迅速に処理でき、データフローがスムーズになります。そのシンプルな構造は、ネットワークの構成やトラブルシューティングをより簡単にします。
• 広範な採用と互換性: ほぼすべてのデバイスやオンラインサービスはIPv4を使用しており、シームレスな通信とアクセスを確保しています。これはインターネットの共通の言語です。
• 成熟した技術： 数十年の使用により、IPv4は堅牢で信頼性の高い技術となりました。確立された知識基盤があり、明確に定義されたベストプラクティス、ツール、および専門知識が容易に手に入ります。
• ブロードキャスト機能： IPv4はブロードキャストメッセージをサポートしており、ネットワーク上のすべてのデバイスに一度に送信することができ、ネットワークアナウンスや発見などの作業を簡素化します。

IPv4の課題と制限

現代におけるIPv4の主な課題は、アドレス空間の固有の制限です。

アドレス空間の制限

約43億のユニークアドレスの制限は、特にスマートフォン、タブレット、IoTデバイスの普及に伴い、ユニークIPアドレスの世界的な需要を満たすにはもはや不十分です。この枯渇は、NATのような回避策を必要としましたが、効果的である一方、特定の種類のインターネット通信を複雑にし、アドレス不足の根本的な問題を解決するものではありません。

セキュリティの懸念

IPv4は、インターネットセキュリティが主要な懸念事項ではなかった時代に設計されました。その結果、組み込みのセキュリティ機能が欠けており、IPスプーフィングやサービス拒否（DoS）攻撃を含むさまざまな攻撃に対して脆弱です。IPSecのような追加のセキュリティプロトコルは存在しますが、オプションでありIPv4に本質的に統合されていないため、潜在的なセキュリティの隙間が残ります。

ルーティングの非効率性とスケーラビリティ

IPv4のルーティングインフラは、IPアドレスの割り当てとルーティングの方法により非効率的になることがあります。これにより、ルーティングテーブルが大きくなり、ルーターによる処理時間が増加し、インターネットが成長し続けるにつれて最終的にインターネットの速度が遅くなる可能性があります。

前進するために：IPv6への移行

これらの課題に対処するために、インターネットは徐々にIPv6に移行しています。IPv6は128ビットアドレスを使用し、はるかに大きなアドレス空間（$2^{128}$のユニークアドレス）、組み込みのセキュリティ機能、より効率的なルーティング、改善されたQoS機能を提供します。

移行は遅く続いているプロセスですが、ネットワークチームはプロセスを円滑にするためのいくつかの技術を採用しています：

• デュアルスタックネットワーキング： ネットワーク上でIPv4とIPv6を同時に実行し、デバイスがサポートしているプロトコルを使用して通信できるようにします。
• トンネリング： IPv6パケットをIPv4パケット内にカプセル化し、既存のIPv4インフラストラクチャを介して転送できるようにします。
• 変換メカニズム： IPv4とIPv6アドレスの間で変換するプロトコルにより、異なるプロトコルを使用するデバイス間の通信を可能にします。

IPv4とプロキシソリューション

ウェブスクレイピングや市場調査、その他のデータ収集活動に従事しているユーザーにとって、プロキシの選択はしばしばIPv4およびIPv6アドレスの両方を含みます。Scrapelessのような高品質のプロキシプロバイダーは、プロトコルに関係なく最適なパフォーマンスを確保するために、多様なプロキシタイプを提供しています。

Scrapelessは、住宅用、静的ISP、データセンター、およびIPv6プロキシを含む世界規模のプロキシネットワークを提供し、9000万以上のIPへのアクセスと、最大**99.98％**の成功率を誇ります。彼らのIPv6プロキシは、ヘビーデューティのスクレイピングタスク向けに特別に設計されており、高速で専用のIPを提供し、新しいプロトコルの広大なアドレス空間を活用しています。

ScrapelessのIPv6プロキシの特徴：

• 高速で専用のIPv6プロキシ。
• 自動IPv6プロキシローテーション。
• 5000万以上のプレミアムIPv6プール。
• HTTP(S) & SOCKS5をサポート。
• GB単位の課金。

Scrapelessは、IPv4ベースのプロキシ（住宅用、データセンター）と専用のIPv6ソリューションの両方を提供することで、ユーザーが特定のニーズに最も適した将来を見据えたアドレッシング方式を選択できることを保証します。

結論

IPv4は現代のインターネットの基礎を築いた画期的な技術です。そのアドレス空間の制限がIPv6の必要性を推進していますが、依然として世界のネットワークインフラの重要な部分です。ネットワーキングやデータ収集に関わるすべての人にとって、その構造、機能、および制限を理解することは不可欠です。IPv4とIPv6の利点を活用しようとする人々にとって、Scrapelessのようなプロバイダーは、将来を見据えた機能を確保するために必要なツールとアドレスの多様性を提供します。

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参考文献

1 Cloudflare - IPv6とは？
2 Cisco - ネットワークアドレス変換 (NAT)
3 TechTarget - IPsecの定義
4 IETF - インターネットプロトコル (RFC 791)
5 Scrapeless - プロキシソリューション