IP関連技術

TCP/IP通信はIPを中核としてやり取りしますが、IPに付帯する技術が必要になります。IPの代わりに住所を文字で表現するドメイン名の構造やDNSサーバー、IPアドレスからMACアドレスを取得するためのARP要求とARP応答、等の概要を説明します。
質問などありましたら、お気軽にどうぞ。

DNSの概要

• 「www.yahoo.co.jp」のように「通信先を特定するもの」をドメイン名と言い、このドメイン名を探してくれるサーバはDNSサーバという。
• DNSの役割
  コンピュータ上での住所であるIPアドレスを覚えておくのは大変なため、文字での名前（ドメイン名）を覚えるようにしている。
• ネットワーク層のプロトコルとしてはドメイン名を備えていない。そこで、DNSサーバがIPアドレスとドメインの変換を請け負っている。
• 上記を名前解決といい、名前解決は各アプリケーションやOSがドメインによるアクセスをしようとしたときにOS（DNSクライアント）がDNSサーバへ依頼する。

名前解決の情報共有

hostファイルの場合

• DNSが出てくる前は、ホスト名とIPアドレスの対応を定義するhostsファイルが使われていた。現在でも、会社内や個人等で利用している。
• Windowsでの配置場所
  C:\Windows\System32\drivers\etc\hosts
• hostsファイルの場合は、1個のファイルを共有して使うため、組織間で情報共有したり情報を統合的に（一元）管理することは難しい。

DNSの場合

• ホストを管理している組織毎に、ホスト名とIPアドレスの対応関係を管理する。
• 組織内で変更すれば、インターネット全体に反映される仕組みになっている。
• （初期登録時や上位レベルの変更を除き、）ほかの機関に報告や申請をする必要はない。

ドメイン名の構造

• ドメイン名は、いくつかの部分に分割出来る。
  www.yahoo.co.jpの場合
  「www」はサーバ（ホスト）名、「yahoo」は組織名、「co」はセカンドレベルドメイン、「jp」はトップレベルドメイン、等と呼ぶ。
  （ドメインは4階層とは限らず、2階層や10階層等様々な場合がある。各階層が何なのかはその時々に応じて変化する。）
• ドメイン名からIPアドレスに変換することを名前解決といい、名前解決の要求を出したクライアントのことをネームリゾルバと言う。
• jpやnetやorg等のトップレベルドメインを管理しているのはルートネームサーバー。
• 各ネームサーバが管理する階層（ドメイン）のことをゾーンという。
  上の例の場合、ヤフーが管理するゾーンはyahoo.co.jp配下、株式会社日本レジストリサービス（JPRS）が管理するゾーンはco.jp配下(jp配下もJPRSが管理)。
  （※[]内には同じものが入る。）
• 管理組織のドメイン（ゾーン）そのもの（のIPアドレスとドメイン名）は、上位のDNSサーバに管理してもらう。
  上の例の場合、yahoo.co.jp自体は株式会社日本レジストリサービス（JPRS）が管理する。

DNSの問い合わせ順序

1. リゾルバ（OS等）が設定したキャッシュDNSサーバへ問い合わせを行う。
2. キャッシュDNSサーバは該当情報を持っていればそれを返す。
3. 該当情報を持っていなければ、ルートサーバへ問い合わせる。
4. そして、ドメインの木構造を上から順番にたどることで、目的の情報があるDNSサーバーを見つける。
5. その目的のゾーン情報を持っているDNSサーバから必要な情報を得る。
6. 得た情報をリゾルバへ返す。

代表的なゾーンファイルのレコード

レコード	内容
SOA	ゾーンの開始・情報
A	ホスト名に対するIPアドレス
NS	DNSサーバー
CNAME	ホストの別名に対する正式名
MX	メールサーバー
PTR	逆引き用

IPアドレスとMACアドレスの連携

ARPの概要

• 宛先IPアドレスを手掛かりにして、MACアドレスを取得するプロトコル。
• 同一ネットワーク内のホスト宛の場合は、宛先ホストのMACアドレスを得ることになる。
• 異なる（別の）ネットワークのホスト宛の場合は、次ホップ（デフォルトゲートウェイ）のルーターのMACアドレスを得ることになる。
• ARPはIPv4とセットになっており、IPv6では使われない。
• 宛先IPアドレスに対するMACアドレスを知らない場合に、ARPによる情報交換が行われる。（知っている場合は行われない。）
• ARPはホスト（WindowsやLinux等）やルーターのOS等に実装されている。

ARPの要求と応答

1. 送信元ホストからARP要求がブロードキャスト送信される
2. ブロードキャストなので、全てのノードのNICが受信する
3. 宛先ホスト以外では、そのパケットを破棄する
4. 宛先ホストでは、そのパケットを受け取り、送信元のMACアドレスを取得しておく。
5. 宛先ホストはARP応答を送信元ホストへ返却する。
6. 送信元でARP応答を受け取り、宛先ホストのMACアドレス得る。
7. その（ARPで取得した）情報は数分間キャッシュする。

IPアドレスとMACアドレスの併用

• 住所（宛先）を示すのはあくまでもIPアドレス。
• データリンク層のアドレスはなくても、全てブロードキャスト送信してしまえば送ることは出来る。それでは混雑してしまうため、データリンク層レベルでもMACアドレスを用いることで、ユニキャストの送信が出来る様にしている。
• MACアドレスは同じブロードキャストドメイン内で宛先を示すためのものであり、IPアドレスはブロードキャストドメインを跨いでも宛先を示せる。
• IPアドレスは最終目的地を示し、MACアドレスは次の宛先を示す。

DHCP

DHCPはIPアドレスを一括管理したり自動的に設定するためのサービスである。DHCPを構築済みの環境であれば、PC等をLANに接続するだけで、IPアドレスが自動的に（割り振られて）設定される。

サーバーとクライアント

DHCPを利用するには、DHCPサーバーを立ち上げる必要がある。サーバーに予め使用するIPアドレスの範囲等を設定しておく。
1台１台のノードのOSにDHCPクライアントが備わており、クライアントとサーバーでやり取りをして自動割り当てが行われる。

DHCP割り当ての流れ

１．DHCP要求をするときはDHCPサーバのIPアドレスを知らなくても良いようにブロードキャストアドレスの255.255.255.255で送出する。

２．DHCPサーバはクライアントに、以下の４情報を割り当てる。（主要な４情報）
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。また、DHCPサーバはMACアドレスを利用して固定的に割り当てることもできる。

NATとPAT

ルータのNAT機能は２つIPアドレスを相互に変換する。グローバルIPアドレスであろうともプライベートIPアドレスであろうとも関係なく変換できる。
しかし、一般的にはグローバルIPアドレスとプライベートIPアドレスを変換する。（それ以外の用途でも使うが、まれである。）

名称	内容
静的NAT	グローバルIPとプライベートIPを１対１で割り当てる。管理者が一度登録したら、管理者が変更するまで、対応が変わらない。
動的NAT	グローバルIPとプライベートIPを１対１で割り当てるが、管理者は固定の設定せず、あいているグローバルIPをそのつど割り当てる。
PAT（NAPT）	グローバルIPとプライベートIPを１対多で割り当てる。１つのグローバルIPでLAN内の何台ものPCをインターネット接続するときに役立つ。

NATで通信するイメージ

パソコンAがサーバAにアクセスする場合（NATの場合）

内部（パソコン側）			外部（サーバー側）
	内部ローカル	内部グローバル		外部ローカル	外部グローバル
A	10.10.1.10	30.10.40.92	A	今回は無し	180.100.100.1 :80

行き	１．パソコンAからルータAまで	あて先　180.100.100.1 送信元　10.10.1.10
	２．ルータAからサーバA	あて先　180.100.100.1 送信元　30.10.40.92
帰り	３．サーバAからルータA	あて先　30.10.40.92 送信元　180.100.100.1
	４．ルータAからパソコンA	あて先　10.10.1.10 送信元　180.100.100.1

パソコンAとパソコンBがサーバAにアクセスする場合（PAT（NAPT）の場合）

内部（パソコン側）			外部（サーバー側）
	内部ローカル	内部グローバル		外部ローカル	外部グローバル
A	10.10.1.10　:24000	30.10.40.92 :26500	A	今回は無し	180.100.100.1 :80
B	10.10.1.77 :49900	30.10.40.92 :50688		今回は無し	180.100.100.1 :80

その他のIP関連技術

ICMP とは
通信が届いているかどうかを確認するためのプロトコルである。

トンネリング とは
インターネット等のなんらかのネットワークで接続されている2点間を、仮想の回線（トンネル）によりあたかも同一点であるかのように扱えるようにすること。

VRRP（ Virtual Router Redundancy Protocol ） とは
複数のルーターによるデフォルトゲートウェイの冗長化によって障害体制を高めるプロトコル。