TCP/IPをハンズオンで学ぶ[TCP/IPとは]

IPプロトコルとTCPプロトコルを組み合わせることで、荷物(ビット列で表現された何かしらのデータのこと)がちゃんと目的地まで届くことを実現できる

IPプロトコルとIPアドレスの関係

IPアドレスは、IP(Internet Protocol)というプロトコルで通信するのに必要な識別子の一つ。 IPはインターネットの根幹をなすプロトコルである。

なるほど、IPプロトコルで通信する際に、IPアドレスが必要なのか。

IPアドレスはネットワーク(プライベート、パブリック問わず)一意でなければならない。

• IPプロトコルでは、通信先に届ける荷物(データ)のことをパケットと呼ぶ。
• IPによって運ばれるパケットの一つ一つには、差出人と宛先のIPアドレスが載っている。これをヘッダと呼ぶ(もちろん簡略的に言っているだけでその他のフィールドもヘッダには含まれている)。つまりパケットにはヘッダが付属する。IP以外のプロトコルにもヘッダという概念は存在していて、ヘッダにはそのプロトコルで通信を成立させるために必要となるさまざまな情報が含まれている。
• ヘッダの中で情報を記載する領域のことはフィールドと呼ぶ。

IPアドレスは32ビットで構成されていて、8ビットずつ10進数にして、ドットで繋いだものである。

上の画像は「IPヘッダのフォーマット」である。要はIPヘッダの構造を図示したものである。この図は左から右に、上から下に向かって読んでいく。このようなヘッダが、実際にはビット列として、ネットワーク上でそれぞれのパケットを表現している。

https://advancedinternettechnologies.wordpress.com/ipv4-header/

https://wa3.i-3-i.info/word12597.html

ip address show

ip address showで差出人のIPアドレスを確認できる。inetの部分を見ればIPアドレスが何かわかる。
今回の場合、 127.0.0.1や172.17.0.2がコンピュータのIPアドレスである。

root@60a459bf9d33:/# ip address show | grep inet
    inet 127.0.0.1/8 scope host lo
    inet 172.17.0.2/16 brd 172.17.255.255 scope global eth0

root@60a459bf9d33:/# ip address show
1: lo: <LOOPBACK,UP,LOWER_UP> mtu 65536 qdisc noqueue state UNKNOWN group default qlen 1000
    link/loopback 00:00:00:00:00:00 brd 00:00:00:00:00:00
    inet 127.0.0.1/8 scope host lo
       valid_lft forever preferred_lft forever
2: tunl0@NONE: <NOARP> mtu 1480 qdisc noop state DOWN group default qlen 1000
    link/ipip 0.0.0.0 brd 0.0.0.0
3: ip6tnl0@NONE: <NOARP> mtu 1452 qdisc noop state DOWN group default qlen 1000
    link/tunnel6 :: brd ::
175: eth0@if176: <BROADCAST,MULTICAST,UP,LOWER_UP> mtu 1500 qdisc noqueue state UP group default
    link/ether 02:42:ac:11:00:02 brd ff:ff:ff:ff:ff:ff link-netnsid 0
    inet 172.17.0.2/16 brd 172.17.255.255 scope global eth0
       valid_lft forever preferred_lft forever

1:や2:の後ろにあるloやeth0@if176はネットワークインターフェースと呼ぶ。

• ネットワークインターフェースとは、LANケーブルを指すネットワークインターフェースカード(NIC)や無線LANアダプタなどをソフトウェアから扱う上で抽象化した概念のこと。 そのため、実際には物理的なデバイスが存在しないネットワークインターフェイスもある。loとかが代表的。
• ネットワークインターフェースには、必要に応じてIPアドレスが付与される。
  • loというネットワークインターフェースには、127.0.0.1というIPアドレスが付与される
  • eth0@if176というネットワークインターフェースには、172.17.0.2というIPアドレスが付与される

すごくざっくり解釈するとネットワークインターフェースが存在するから、自分のホストはローカルのネットワークに接続できる。多分。あと、PCにネットワークインターフェースが内蔵されているから、PCにIPアドレスがあると思うのか。実際はIPアドレスはネットワークインターフェースに対して付与される

• 127.0.0.1というIPアドレスは、ループバックアドレスという特殊なIPアドレスである。ループバックアドレスは、自分自身を表している。ループバックアドレスが付与されているネットワークインターフェイスはループバックインターフェイスと呼ばれる。今回であればloだが、このネットワークインターフェイスは仮想的なものである。つまり、物理的なネットワークインターフェースカードなどがコンピュータに刺さっているわけではない。
  • 動作確認など自分自身だけに関わる通信をしたいときに、このループバックアドレスを使うと便利である

ネットワークインターフェースカード

ネットワークインターフェースカードとは、コンピュータなどの通信機器を通信ネットワーク(LAN)に繋げるためのカード型の拡張装置。かつてはコンピュータ本体に通信機能がついておらず、NICを差し込んでネットワーク機能を追加するのが一般的だった。現在ではコンピュータに通信機能があらかじめ組み込まれているので、単体のNICを使うことは無くなった。
https://e-words.jp/w/NIC.html

ループバックコマンドでpingを実行するとめちゃくちゃ早い。そりゃそう。自分自身に対して通信しようとしているんだもん。

root@60a459bf9d33:/# ping -c 3 127.0.0.1
PING 127.0.0.1 (127.0.0.1) 56(84) bytes of data.
64 bytes from 127.0.0.1: icmp_seq=1 ttl=64 time=0.637 ms
64 bytes from 127.0.0.1: icmp_seq=2 ttl=64 time=0.048 ms
64 bytes from 127.0.0.1: icmp_seq=3 ttl=64 time=0.042 ms

--- 127.0.0.1 ping statistics ---
3 packets transmitted, 3 received, 0% packet loss, time 2038ms
rtt min/avg/max/mdev = 0.042/0.242/0.637/0.279 ms

つまり、この環境では、172.17.0.2が差出人に相当するIPアドレスである。

それぞれのパケットは、IPアドレスがフィールドに書きこまれたヘッダによって表現されています。

これがよくわからん。IPヘッダとパケットって別物じゃないんか？やっぱここは実装しないとわからなそう。

成功してたら3 receivedして、0% packet lossが出る。失敗してたら、0 received 100% packet lossが出たりする。

このコースにはある程度決まった組み合わせがあるので、悩むことはないそう。

そうか、IPプロトコルで送信先のIPアドレスに対して運ぶデータのことをパケットというのか。

IPのパケットはIPのヘッダとペイロード(データ本体)から構成される。ペイロードはIPのヘッダではないので注意。ペイロードには、IPのパケットが運ぶデータが入る場所。IPヘッダはIPパケットの先頭にある。なるほどね。やっと理解した

こちらの出した要求に対して応答が全て無事に届いている。3packetstransmitted,3received,0%packetloss"という表示からわかります。これは「3つ要求を送って、3つ応答が戻ってきました。途中で失われた内容は0%です」という意味

momijiame. Learning TCP/IP networking by exercise on Linux (Japanese Edition) (p. 27). Kindle Edition.

root@60a459bf9d33:/# traceroute -n 8.8.8.8
traceroute to 8.8.8.8 (8.8.8.8), 30 hops max, 60 byte packets
 1  172.17.0.1  2.233 ms  2.146 ms  2.129 ms
 2  * * *
 3  * * *
 4  * * *
 5  * * *
 6  * * *
 7  * * *
 8  * * *
 9  * * *
10  * * *
11  * * *
12  * * *
13  * * *
14  * * *
15  * * *
16  * * *
17  * * *
18  * * *
19  * * *
20  * * *
21  * * *
22  * * *
23  * * *
24  * * *
25  * * *
26  * * *
27  * * *
28  * * *
29  * * *
30  * * *

tracerouteコマンドを使って、パケットがどのような道順で目的につくのか確認できる。
パケットが通る道順のことは、一般に「経路(Route)」と呼ばれる。
tracerouteコマンドの結果として表示される一つ一つの行は、パケットが通過した一つ一つのルータを表している。それぞれの行に表示されているIPアドレスは、パケットが通過したルータが持っているIPアドレスである。

パケットが通過するルータの台数はインターネットにおける論理的な距離として扱われる。この通過するルータの台数のことをホップ数と呼ぶ。

• IPアドレスを持ってネットワークにつながっている、ルータではないコンピュータのことをホスト(Host)と呼ぶ。
• また、ホストやルータといった区別をしない、ネットワークにつながったコンピュータの総称をノード(Node)と呼ぶ。

これが自分のPCのルーティングテーブル

root@60a459bf9d33:/# ip route show
default via 172.17.0.1 dev eth0
172.17.0.0/16 dev eth0 proto kernel scope link src 172.17.0.2

ルーティングテーブルは複数のルーティングエントリ(ルーティングテーブルの各行のこと)で構成されている。ルーティングエントリを構成する2大要素は、「宛先(defaultや172.17.0.0/16)」と「次にパケットを渡す相手(Next Hopとも呼ぶ)」である

注) ルーティングエントリのことを経路と呼ぶこともある。

defaultは他のどの宛先にも該当しないときに使われる宛先。デフォルトルートと呼ばれる。
172.17.0.0/16は、複数のIPアドレスをまとめた表現方法。この表記方法では、256個のIPアドレスをまとめて宛先として指定している。つまり、ルーティングテーブルでは、宛先となるIPアドレスを必ずしもひとつずつ書くわけではない。もちろん一つずつ書くこともできるけど、効率が悪いので、いくつかまとめて扱えるようにしている。

ホスト部が全て0のIPアドレスはネットワークアドレスである。 ネットワークアドレスは
　ネットワーク自体を指すアドレスとして使用される。ネットワークに割り当てるアドレスなので、ホストに割り当てることはできない。

https://www.infraexpert.com/study/ip4.html

宛先の後ろにあるのがネクストポップである(次にパケットを渡す相手)。
宛先がデフォルトルートのルーティングエントリの場合、via 172.17.0.1がネクストポップに該当する。 つまり、デフォルトルートのルーティングエントリを解釈すると、他に該当しない全ての宛先のパケットは、172.17.0.1に転送する」という意味である。

なるほど、つまりルーティングテーブルのデフォルトルートの先にインターネットがありそう。

devとなっているネクストポップについて、これは該当する宛先についてはそのネットワークインターフェースを用いて通信することを示している。 たしかに、自分以外のホストと通信する際の自分のIPアドレスは、 172.17.0.2/16であり、ネットワークインターフェースはeth0だったな。

172.17.0.0/16 dev eth0の場合、自分自身のホストがそのネットワークに存在しているので、ネクストポップとなるルータを必要とせずに、通信することができる。なるほどね。わかってきた

要は、同じネットワークに所属しているホストたちだから、ルータを必要とせずに通信できるよねって話。

てことは、複数のホストがあるネットワークに所属している場合、そのネットワークに所属しているルータを使わずとも、複数のホストは通信できるということか。自分のネットワークとは別のネットワークに所属しているホストと通信する場合は、自分のネットワークに存在するルータを経由しないとダメ。わかってきた

実は、IPv4のアドレスは、普及に伴って新たに使えるものが少なくなってきているのです。そのため、今は次世代のインターネットとしてIPv6への移行が試みられています。

momijiame. Learning TCP/IP networking by exercise on Linux (Japanese Edition) (p. 59). Kindle Edition.

19ただし、NAT64/DNS64のように、異なるアドレス体系のインターネットに対して間接的にアクセスする技術も存在します。

momijiame. Learning TCP/IP networking by exercise on Linux (Japanese Edition) (p. 61). Kindle Edition.

そうか、超個人的に解釈すると、インターネットって、TCP/IPのプロトコル群で複数のネットワークが接続された世界的なネットワークのことなのか。要は世界中のネットワークの集合体がインターネット。インターネットへの行き方はデフォルトルートで表される。自分と同じネットワークに所属しているルータがインターネットへ案内してくれる

https://nyoken.com/internet