Internet Protocol

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。