インターネットプロトコル（IP）とは：仕組み・役割・TCPとの関係
インターネットプロトコル（IP）の仕組み・役割とTCPとの関係を図解で解説。ネットワークの基礎を短時間で理解。
インターネットプロトコル（IP）は、ネットワークの境界を越えてデータを中継するための、インターネットプロトコルスイートの中で最も重要な通信プロトコルです。基本的にはインターネットを構築するものである。従来、IPは接続性を提供するものではなく、パケットをどのように生成するかを指定するだけでした。この機能は、TCP（Transmission Control Protocol）によって実現されていました。どちらか一方が欠けてもその役割を果たせないため、お互いに依存していることを示すためにTCP/IPと呼ばれるようになりました。
IPは、郵便システムのようなものだと思ってください。荷物に宛名を書いてシステムに投函することはできますが、あなたと受取人の間には実際の直接的なつながりはありません。その代わりに、相互に接続されたリンクの「ウェブ」があります。ここで登場するのがIPとTCPです。IPはパケットの宛先とそこへの行き方を伝え、TCPはパケットのエラーをチェックし、エラーを検出したら「再送」を要求することで、信頼できる接続を確保します。
IPの基本的な性質
- コネクションレス（Connectionless）：IP自体は接続を確立しない。各パケットは独立して送られ、経路や到着順はそれぞれ異なることがある。
- ベストエフォート（Best-effort）：IPはパケット配送を保証しない。パケットの遅延・損失・重複・順序の入れ替わりが起こる可能性があり、それらの補償は上位のプロトコル（例：TCP）が行う。
- 階層構造：IPは「ネットワーク層」に位置し、下位のリンク層（イーサネットなど）と上位のトランスポート層（TCP/UDPなど）をつなぐ役割を持つ。
IPアドレスとアドレス体系
- IPv4：従来の形式で、32ビットのアドレスを用いる。一般に「192.0.2.1」のようなドット区切りの10進表記（dotted decimal）で表される。アドレス枯渇を受け、CIDR（クラスレスドメイン間ルーティング）による柔軟なサブネット指定が広く使われている。
- IPv6：128ビットのアドレスを用い、16進のコロン区切り（例：2001:db8::1）で表される。アドレス空間が大幅に拡張され、オートコンフィギュレーションや拡張ヘッダなどIPv4と異なる設計がある。
- プライベートアドレスとNAT：IPv4の枯渇に対応して、社内ネットワーク向けのプライベートアドレス（例：192.168.x.x）が使われる。これらをインターネットに接続する際はNAT（Network Address Translation）で外部アドレスに変換することが多い。
パケット（IPパケット）とヘッダの構造（概略）
IPパケットは「ヘッダ」と「ペイロード（上位プロトコルのデータ）」から成る。ヘッダにはルーティングや制御に必要な情報が含まれる。代表的なフィールド（IPv4を例に簡略化）：
- バージョン（Version）
- ヘッダ長（IHL）
- サービス種別 / DSCP（QoS関連）
- 全長（Total Length）
- 識別 / フラグ / 断片化オフセット（フラグメンテーション関連）
- TTL（Time To Live）：ルータを通過するごとに減少し、0になると廃棄される（ループ防止）
- プロトコル：上位に渡すプロトコルを示す（例：6=TCP、17=UDP）
- ヘッダチェックサム（IPv4のみ）
- 送信元／宛先IPアドレス
IPv6ではヘッダが簡素化され、チェックサムが廃止されるなどの違いがあり、拡張ヘッダでオプション機能を付加する方式を採る。
ルーティングと転送の仕組み
- ネットワーク上の各ルータは「ルーティングテーブル」を持ち、宛先IPに基づいてどの外向きインターフェイスへ転送するかを決める。
- 最適経路は静的ルート／動的ルーティングプロトコル（OSPF、BGP、RIPなど）により決定される。インターネットのバックボーンでは主にBGPが用いられる。
- パケットは経路途中で分割（フラグメンテーション）されることがある。MTU（Maximum Transmission Unit）より大きいパケットは分割され、受信側で再構成される。
TCPとの関係（TCP/IP）および他のトランスポート層プロトコル
- TCP（Transmission Control Protocol）：信頼性のあるコネクション指向のプロトコル。順序制御、再送、フロー制御、コングestion制御を行い、HTTPやSMTPなど多くのアプリケーションで使われる。
- UDP（User Datagram Protocol）：簡易で遅延が小さいコネクションレスのプロトコル。DNS、音声・映像ストリーミング、DHCPなど遅延やオーバーヘッドの少なさが優先される用途で使われる。
- IPはこれらトランスポート層のデータを「ペイロード」として運搬する役割を担うため、TCPとIPはセットで利用されることが多く、まとめて「TCP/IP」と呼ばれる。
補助プロトコルとセキュリティ
- ARP（Address Resolution Protocol）：IPv4アドレスをリンク層のMACアドレスに変換するための仕組み（同一ネットワーク内）。
- NDP（Neighbor Discovery Protocol）：IPv6でARPに相当する機能やアドレス自動設定を提供する。
- ICMP（Internet Control Message Protocol）：ネットワークのエラーメッセージや診断（pingやtracerouteに利用）を伝えるためのプロトコル。
- IPsec：IP層での暗号化・認証を行い、VPNやセキュアな通信に用いられる。
実用例と注意点
- ウェブ閲覧：アプリケーション（ブラウザ）→TCP（信頼と順序）→IP（ルーティング）→リンク層（Ethernet/Wi‑Fi）という流れでデータが送られる。
- ストリーミングやVoIP：UDP＋IPの組合せが多い。パケット損失を許容してでも遅延を抑える設計。
- ネットワーク設計では、アドレス計画（サブネット割当）、MTU設定、NATやファイアウォールの挙動、ルーティングポリシーなどを総合的に考慮する必要がある。
まとめ
IPはインターネットの"道"を作るプロトコルであり、パケットを宛先まで運ぶためのルールと情報を提供する。一方で信頼性や順序保証を行わないため、その上で動作するTCPやUDPなどのトランスポート層プロトコルと組み合わされて初めて、さまざまな通信サービスが実現される。IPv4からIPv6への移行、NATやセキュリティ技術の適用など、実運用では多くの周辺技術と合わせて理解することが重要です。
機能
インターネットプロトコルは、送信元のコンピュータから送信先のコンピュータへ情報を取得します。その情報をパケットという形で送ります。
現在使用されているインターネット・プロトコルには、2つのバージョンがあります。現在、インターネットプロトコルには、IPv4とIPv6の2つのバージョンがあり、IPv4が最も使用されています。また、IPは、一般的な物理的な住所のように、コンピュータがお互いを識別するためのIPアドレスを与えます。
IPは、7つの抽象層からなる通信プロトコル群であるインターネット・プロトコル・スイートのインターネット層の主要プロトコルである（OSIモデル参照）。
IPの主な目的と課題は、送信元ホスト（送信元コンピュータ）から送信先ホスト（受信元コンピュータ）へ、アドレスに基づいてデータグラムを配信することです。これを実現するために、IPにはデータグラム内にタグ（メタデータの一部であるアドレス情報）を付けるための方法や構造があります。このタグをデータグラムに付けることを「カプセル化」といいますが、これは郵便制度に似ています。IPは、送信者（送信元ホスト）が荷物（データグラム）の宛先を指定（カプセル化）してシステム（インターネット）に入れるという点で、米国の郵便制度に似ています。しかし、送信者と受信者の間には直接的なリンクはありません。
パッケージ（データグラム）はほとんどの場合、断片に分かれていますが、各断片には受信者（宛先ホスト）のアドレスが含まれています。最終的には、それぞれのピースが受信者に届きますが、多くの場合、異なるルート、異なる時間で届きます。これらのルートや時間は、IPであるPostal Systemによっても決定されます。しかし、ポスタルシステム（トランスポート層とアプリケーション層）は、受信者（宛先ホスト）に届ける前に、すべてのピースを元に戻します。
注：IPは実際にはコネクションレス・プロトコルであり、（送信元ホストによる）送信前に受信者（宛先ホスト）への回線を設定する必要はない。例えて言えば、手紙やパッケージに記載されている物理的な返送先住所と、受信者の住所が、手紙やパッケージを送る前に直接接続されている必要はありません。
もともとIPは、1974年にヴィント・サーフとボブ・カーンが作成した伝送制御プログラムの中の、コネクションレスのデータグラムサービスだった。その後、接続を許可するフォーマットとルールが適用され、接続型の伝送制御プロトコルが誕生しました。この2つを合わせたものがインターネットプロトコルスイートであり、TCP/IPと呼ばれることが多い。
インターネットプロトコルバージョン4（IPv4）は、IPの最初のメジャーバージョン。これは、インターネットの主流のプロトコルです。しかし、iPv6は活発に使用されており、その展開は世界中で増加しています。
アドレス指定とルーティングは、IPの中でも最も複雑な要素です。しかし、ネットワークのインテリジェンスはノード（ネットワークの相互接続点）にあり、データグラムを最終目的地までのルート上にある次の既知のゲートウェイに転送するルーターの形をしています。ルーターは、内部ゲートウェイプロトコル（IGP）または外部ゲートウェイプロトコル（EGP）を使用して、転送ルートを決定します。ルートは、データグラム内のルーティングプレフィックスによって決定されます。そのため、ルーティング処理は複雑になりがちです。しかし、光の速さで（あるいはそれに近い速さで）ルーティング・インテリジェンスが最適なルートを決定し、データグラムの断片とデータグラムのすべてが最終的に目的地に到着します。
IPパケット
IPパケット（データグラム）には2つの部分があります。第1の部分はヘッダーで、封筒のラベルのようなものです。第2の部分はペイロードで、これは封筒の中の手紙のようなものです。ヘッダーには、送信元と送信先のIPアドレスのほか、いくつかの追加情報が含まれています。この情報はメタデータと呼ばれ、パケット自体に関する情報です。データをヘッダー付きのパケットに入れることがカプセル化です。
ルーティング
ネットワーク上のすべてのコンピュータは、何らかのルーティングを行っています。専用のコンピュータが相互に通信を行い、パケットの送信先を決定します。これらのコンピュータはルーターと呼ばれ、ルーティングプロトコルを使用して通信します。
パケットの各ホップで、コンピューターがヘッダーを読みます。宛先のIPアドレスを見て、そのパケットをどこに送ればいいかを考えます。
信頼性について
インターネットの初期の祖先であるARPANETは、核戦争に耐えられるように設計されていました。1台のコンピュータが破壊されても、他のすべてのコンピュータ間の通信は可能である。コンピュータ・ネットワークは今でもこの設計を踏襲している。コンピューターネットワークをシンプルにするために、お互いに話し合うコンピューターが「スマート」な機能を担当します。エラーのチェックは中央機関ではなくエンドノードが行います。スマート」な機能をエンドコンピュータやノードに持たせることは、エンド・ツー・エンドの原則に従っている。
インターネットプロトコルでは、パケットが安全に届くことを確認せずに送り出す。これはベストエフォート型の配信であり、信頼性に欠けます。パケットが乱れたり、紛失したり、重複したり、順番に届かなかったりします。TCP（Transmission Control Protocol）のような上位のプロトコルは、パケットが正しく配信されることを保証します。また、IPはコネクションレスなので、通信の記録を残しません。
インターネットプロトコルバージョン4（IPv4）では、チェックサムを使用してIPヘッダーのエラーをチェックします。すべてのチェックサムは、送信元と送信先の組み合わせに固有のものです。ルーティングノードは、パケットを取得すると、新しいチェックサムを生成します。新しいチェックサムが古いチェックサムと異なる場合、ルーティングノードはそのパケットが悪いものであることを知り、それを捨てます。IPv6では、別のプロトコルがエラーをチェックすることを想定し、チェックサムを省いています。これはパフォーマンスを向上させるためです。
歴史
1974年、米国電気電子学会から「A Protocol for Packet Network Intercommunication」という論文が発表された。この論文では、パケットスイッチングを使ってコンピューター同士が会話する方法が書かれていた。このアイデアの大きな部分を占めていたのが「伝送制御プログラム」だった。この「伝送制御プログラム」は大きすぎたため、TCPとIPに分かれた。このモデルは現在、「DoD Internet Model and Internet Protocol Suite」または「TCP/IP Model」と呼ばれています。IPのバージョン0から3までは実験的なもので、1977年から1979年にかけて使用されました。
アドレスの数は有限であるため、IPv4アドレスは枯渇します。この問題を解決するために、IEEEはさらに多くのアドレスを持つIPv6を作りました。IPv4には43億個のアドレスがありますが、IPv6には3,400億個のアドレスがあります。これは、IPv6のアドレスが枯渇することはないということです。IPv5は、実験的にしか使われていなかったインターネット・ストリーム・プロトコルのために確保されていました。
質問と回答
Q: インターネット・プロトコルとは何ですか?
A: インターネットプロトコル（IP）は、ネットワークの境界を越えてデータを伝送するためにインターネットプロトコルスイートで使用される主要な通信プロトコルです。
Q: IPはインターネットにおいてどのような役割を担っているのですか?
A: IPは、インターネットを確立するプロトコルです。
Q: IPは過去に接続性を提供していましたか?
A: いいえ、過去には、IPはパケットをどのように作成すべきかを規定していただけでした。
Q:伝送制御プロトコルとは何ですか?
A: TCP（Transmission Control Protocol）は、パケットをネットワーク上で伝送することにより、接続性を提供するプロトコルです。
Q: IPとTCPはどのように互いに依存しているのですか?
A: IPとTCPは、それぞれ単独でタスクを実行することができないため、互いに依存しています。TCPは接続性を提供し、IPはインターネットを確立しています。この2つを合わせて、TCP/IPと名付けました。
Q: IPは何か他のものと比較できますか?
A: はい、IPは郵便制度に例えることができます。宛名を書いて投函することはできますが、受取人との間に直接のつながりはありません。
Q:データ伝送におけるTCPの役割とは何ですか?
A: データ通信におけるTCPの役割は、信頼できる接続を確保することであり、パケットのエラーをチェックし、エラーを検出した場合は再送信を要求します。
百科事典を検索する