インターネットプロトコルの基礎 - TCP/IP・ポート・IPv4/IPv6【LPIC-1 109.1】

2026-05-30 読了時間: 約14分 難易度: 中級

この記事で達成できること

• TCP/IP 4階層モデルの各層と役割を説明できる
• IPv4 アドレスをネットワーク部とホスト部に分け、サブネットマスク／CIDR で表せる
• プライベートアドレス範囲とブロードキャストアドレスを判別できる
• IPv6 のコロン16進表記と省略規則を正しく適用できる
• ウェルノウンポートと /etc/services の対応を確認できる
• TCP（コネクション型）と UDP（コネクションレス型）を使い分けられる

LPIC-1 主題 109.1「インターネットプロトコルの基礎」の中核。アドレス計算とプロトコルの役割分担を押さえれば、ネットワーク設定やトラブル対応の土台が固まる。

TCP/IP はどんな階層で動くのか

TCP/IP は 4 つの階層に役割を分担する。下位層が上位層を運ぶ「カプセル化」の構造で、各層は隣接層とだけやり取りする。

OSI 参照モデルの 7 階層と対比されることが多いが、LPIC-1 では TCP/IP の 4 階層モデルで役割を理解しておけば十分。トランスポート層の「ポート番号」とインターネット層の「IP アドレス」を組み合わせて通信相手を特定する点が要となる。

IPv4 アドレスはどう読むのか

IPv4 アドレスは 32 ビットを 8 ビットずつ 4 つに区切り、各 8 ビットを 10 進数で表記する（ドット10進表記）。各オクテットは 0〜255 の範囲を取る。

アドレスは「ネットワーク部」と「ホスト部」に分かれ、その境界をサブネットマスクが示す。

ip addr show eth0

2: eth0: <BROADCAST,MULTICAST,UP,LOWER_UP> mtu 1500 qdisc fq_codel state UP group default qlen 1000
    link/ether 52:54:00:12:34:56 brd ff:ff:ff:ff:ff:ff
    inet 192.168.1.10/24 brd 192.168.1.255 scope global eth0
    inet6 fe80::5054:ff:fe12:3456/64 scope link

inet 192.168.1.10/24 の /24 がサブネットマスク長（CIDR 表記）。/24 は先頭 24 ビットがネットワーク部、残り 8 ビットがホスト部であることを意味する。brd 192.168.1.255 がブロードキャストアドレス。

サブネットマスクと CIDR の対応

サブネットマスクは「ネットワーク部のビットを 1、ホスト部のビットを 0」にした 32 ビット値。CIDR 表記（/n）は先頭から連続する 1 の個数を示す。

利用可能ホスト数は「2 のホストビット乗 − 2」。差し引く 2 つは、ホスト部が全 0 の「ネットワークアドレス」と全 1 の「ブロードキャストアドレス」で、いずれも個別ホストには割り当てられない。

プライベートアドレス範囲

インターネット上で重複しないグローバルアドレスとは別に、組織内部で自由に使える範囲が RFC 1918 で予約されている。

172.16.0.0/12 は 172.16 〜 172.31 までで、172.32 は含まない点に注意。試験ではこの範囲の境界がよく問われる。

IPv6 の表記と省略規則

IPv6 アドレスは 128 ビット。16 ビットずつ 8 つのブロックに区切り、各ブロックをコロンで区切った 16 進数で表記する（コロン16進表記）。

2001:0db8:0000:0000:0000:ff00:0042:8329

長くなるため、2 つの省略規則がある。

1. 各ブロック先頭の 0 は省略できる（0db8 → db8、0000 → 0）
2. 連続する 0 のブロックは :: で 1 回だけ省略できる

上記アドレスは次のように短縮される。

2001:db8::ff00:42:8329

主要な IPv6 アドレス

fe80:: で始まるリンクローカルアドレスは、ルーターを越えず同一セグメント内でのみ使える。ip addr の出力で scope link と表示されるのがこれにあたる。

ポート番号と /etc/services の関係

IP アドレスがホストを特定するのに対し、ポート番号はホスト上のどのアプリケーションかを特定する 16 ビット（0〜65535）の番号。用途で 3 区分される。

サービス名とポート番号の対応は /etc/services に定義されている。

grep -E '^(ssh|http|https|domain|smtp|ftp) ' /etc/services

ftp             21/tcp
ssh             22/tcp
smtp            25/tcp
domain          53/tcp
domain          53/udp
http            80/tcp
https           443/tcp

各行は「サービス名 ポート番号/プロトコル」の形式。domain（DNS）のように TCP と UDP の両方を持つサービスもある。

主要プロトコルとポート番号

DNS は通常 UDP 53 を使い、応答サイズが大きい場合（ゾーン転送など）に TCP 53 を使う。この「DNS は UDP と TCP の両方」という点は頻出。

TCP と UDP はどう違うのか

トランスポート層の TCP と UDP は、信頼性と速度のトレードオフで使い分ける。

TCP は通信開始時に「3 ウェイハンドシェイク」で接続を確立する。

1. クライアント → サーバ: SYN（接続要求）
2. サーバ → クライアント: SYN/ACK（要求受理＋応答）
3. クライアント → サーバ: ACK（確認）

この 3 段階を経てからデータ転送が始まるため、パケットの到達と順序が保証される。一方 UDP はハンドシェイクを行わず、いきなりデータを送る。確認応答がない分、低遅延だがパケットロスは検知しない。

現在の待ち受けポートは ss で確認できる。

ss -tlnp

State    Recv-Q   Send-Q     Local Address:Port      Peer Address:Port
LISTEN   0        128              0.0.0.0:22             0.0.0.0:*
LISTEN   0        128              0.0.0.0:80             0.0.0.0:*

-t が TCP、-l が待ち受け（LISTEN）状態、-n が数値表示、-p がプロセス表示。UDP を見るには -t を -u に変える。

よくあるミスと対処

ミス1: サブネットの利用可能ホスト数を「2 のホストビット乗」と数える

ネットワークアドレス（全 0）とブロードキャストアドレス（全 1）の 2 つを引き忘れるパターン。/24 なら 256 ではなく 254 が正解。「2 のホストビット乗 − 2」を必ず適用する。

ミス2: TCP と UDP の役割を取り違える

「信頼性が必要 = TCP、速度・軽量が必要 = UDP」が原則。DNS の通常クエリや DHCP が UDP である点を、HTTP/SSH（TCP）と混同しやすい。

ミス3: IPv6 で :: を 2 回使う

:: は 1 アドレスにつき 1 回まで。複数の 0 ブロックがあっても、省略は 1 か所に限られる。残りは 0 を明記する。

ミス4: プライベートアドレス範囲の境界を誤る

特に 172.16.0.0/12 は 172.16 〜 172.31 の範囲。172.32.x.x をプライベートと誤認しないこと。

ミス5: ループバックを忘れる

IPv4 は 127.0.0.1、IPv6 は ::1。両方が「自ホスト」を指す予約アドレスである点を押さえる。

トラブルシューティング

症状: ip addr で IPv4 アドレスが表示されない

原因: インターフェースが down している、または DHCP からアドレスを取得できていない

確認:

ip addr show

対処: インターフェース状態が DOWN なら ip link set eth0 up で起動。DHCP 利用環境ならクライアントの再取得を行う。

症状: サービス名からポート番号が引けない

原因: /etc/services に該当サービス名のエントリが無い、または綴りが違う

確認:

grep -i ssh /etc/services

対処: 正しいサービス名で検索する。独自サービスは /etc/services に追記すれば名前解決できるが、ポート番号での指定でも通信は可能。

症状: ループバック通信はできるが外部に到達しない

原因: ループバック（127.0.0.1 / ::1）は自ホスト内で完結するため、外部疎通とは無関係

確認:

ip addr show lo
ping -c1 192.168.1.1

対処: 外部疎通はループバックではなく、eth0 等の物理インターフェースのアドレスとデフォルトゲートウェイで確認する。

作業完了チェックリスト

• [ ] TCP/IP 4階層の各層と代表プロトコルを言える
• [ ] /24 等の CIDR からホスト部ビットと利用可能ホスト数を計算した
• [ ] プライベートアドレス 3 範囲の境界を確認した
• [ ] IPv6 の :: 省略を 1 回だけ適用した
• [ ] /etc/services で主要サービスのポートを確認した
• [ ] ss で TCP / UDP の待ち受けポートを確認した

まとめ

インターネットプロトコルの基礎は、ネットワーク設定・DNS・トラブルシューティングすべての前提となる。アドレス計算とプロトコルの役割分担を固めたら、実際の設定とトラブル対応へ進もう。