IPアドレスとは、ネットワーク上のコンピューター（パソコンやスマートフォンなど）に割り当てられた識別番号です。「192.168.1.10」のようにドットで区切られた4つの数字で表され、データを正しい宛先へ届けるための「住所」として機能します。スイッチングハブの記事で登場したMACアドレスが機器に固定された「製品のシリアルナンバー」であるのに対し、IPアドレスは接続するネットワークに応じて変わりうる「住所」に相当します。LAN内ではプライベートIPアドレスが、インターネット上ではグローバルIPアドレスが使われ、ルーターがNATという仕組みでその橋渡しをしています。IPv4のアドレス不足という根本問題を解決するために、IPv6という新形式への移行も進んでいます。

はじめに

LANとWANの記事では、LAN内で使う「プライベートIPアドレス」とインターネット上で使う「グローバルIPアドレス」という言葉が登場しました。今回はそもそもIPアドレスとは何か、なぜプライベートとグローバルの2種類があるのかを掘り下げます。

IPアドレスとは何か ― ネットワーク上の「住所」の正体

IPアドレス（IP Address）とは、ネットワーク上の機器を識別するための番号です。インターネットで使われる通信規格「IP（インターネットプロトコル）」に基づいており、データを送る際の「宛先」と「送り元」を示すときに使われます。

郵便によくたとえられます。手紙（データ）を届けるには、封筒に宛先の住所（宛先IPアドレス）と差出人の住所（送信元IPアドレス）を書きます。郵便局（ルーター）はその住所を見て、どこへ転送するかを判断します。

IPv4とは ― IPアドレスの4つの数字が持つ意味

現在広く使われているIPアドレスは IPv4（アイピーブイフォー） と呼ばれる形式で、0〜255の数字4つをドットでつないだ形で表記します。例：192.168.1.10

各グループには0から255まで256通りの数字が使えます。4ケタの暗証番号が0〜9の10通り×4ケタで1万通りになるのと同じ考え方で、IPアドレスは256×256×256×256で約43億通りになります。家庭のルーターには 192.168.1.1 というアドレスがついていることが多く、接続したスマートフォンやパソコンには 192.168.1.2 や 192.168.1.10 といった番号が割り当てられます。

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flowchart LR
    subgraph ip["IPアドレス：192.168.1.10"]
        direction LR
        B1["192
（0〜255）"]
        B2["168
（0〜255）"]
        B3["1
（0〜255）"]
        B4["10
（0〜255）"]
        B1 -.- B2 -.- B3 -.- B4
    end
    subgraph np["ネットワーク部"]
        direction LR
        N["192.168.1
「どのネットワークか」"]
    end
    subgraph hp["ホスト部"]
        H["10
「何番目の機器か」"]
    end
    B1 & B2 & B3 --> N
    B4 --> H

図：IPアドレス（192.168.1.10）の4つのブロックとネットワーク部・ホスト部の構造

ネットワーク部とホスト部 ― IPアドレスの内側の構造

IPアドレスの4つの数字は、「どのネットワークか」を示す ネットワーク部 と「そのネットワーク内のどの機器か」を示す ホスト部 の2つに分かれています。

192.168.1.10 を例にすると、最初の3グループ（192.168.1）がネットワーク部、最後の1グループ（.10）がホスト部です。家庭用LANでは 192.168.1 までをネットワーク部として設定することが多いですが、192.168 までのようにネットワーク部を長くしたり短くしたりすることもできます。

自宅のルーターが 192.168.1.1、パソコンが 192.168.1.10、スマートフォンが 192.168.1.20 というように、同じLAN内の機器はネットワーク部（192.168.1）を共有します。「192.168.1マンション」に住むルーター・パソコン・スマートフォンが、それぞれ1号室・10号室・20号室に入居しているイメージです。

DHCPとは ― Wi-Fi接続時にIPアドレスを自動で割り当てる仕組み

LAN内の機器にIPアドレスを割り当てる役目は、家庭では通常ルーターが担います。スマートフォンやパソコンがWi-Fiに接続した瞬間、ルーターが自動でIPアドレスを配布します。この仕組みを DHCP（Dynamic Host Configuration Protocol） といいます。DHCPのおかげで、機器の設定画面を開いて手動で番号を入力する必要がありません。

IPアドレスが足りなくなった理由 ― IPv4枯渇問題

IPv4のアドレスは約43億通りあります。インターネットが誕生した当初は一部の研究機関しか利用していなかったため、それで十分でした。

IPアドレスは郵便の住所と同様に重複が許されません。同じ住所が2か所あると荷物を届けられないのと同じで、同じIPアドレスが2台の機器に割り当てられると通信が混乱します。

ところが世界中の人々がインターネットを使い始め、スマートフォンやIoT機器まで普及した現在、43億通りでは足りなくなりました。世界人口が約80億人に達した今、1人1台のスマートフォンを持つだけでIPv4のアドレスをほぼ使い切ってしまう計算です。2011年には、IPアドレスの割り当てを管理するIANA（アイアナ）が新規のIPv4アドレスの配布を終了しました。この問題を解消するために、主に2つの解決策が生み出されました。

解決策① ― プライベートIPアドレスとグローバルIPアドレスに分ける

1つ目の解決策は、IPアドレスを「LAN内だけで使うプライベートIPアドレス」と「インターネット上で使うグローバルIPアドレス」の2種類に分けることです。

グローバルIPアドレスはインターネット上で唯一の番号です。「東京都□□区△△1-1-1」という住所が世界に複数存在しないのと同じです。一方プライベートIPアドレスはLAN内だけで有効な番号で、別々のLANが同じプライベートIPアドレスを使っていても衝突しません。「○○マンション1号室」という部屋番号が世界中の何万棟に存在しても問題ないのと同じです。

プライベートIPアドレスとして使える範囲はあらかじめ決められています。

この範囲に当てはまらないアドレスが、グローバルIPアドレスとして使われます。

NATとは ― ルーターがプライベートIPとグローバルIPを変換する仕組み

LAN内の機器がインターネットへ通信するとき、ルーターは送信元のプライベートIPアドレスをグローバルIPアドレスに書き換えてから送り出します。返ってきたデータは逆の変換をして、元の機器へ届けます。この変換の仕組みを NAT（ナット：Network Address Translation） または NAPT（ナプト：Network Address Port Translation） といいます。

ルーターは通信が始まったタイミングで「どの機器がどこへ通信を始めたか」の対応表を自動的に作成します。たとえばスマートフォン（192.168.1.20）がWebサーバーにアクセスすると、ルーターはその記録を残します。Webサーバーからの返事がグローバルIPアドレス宛てに届いたとき、この記録を参照してスマートフォンへ転送します。

郵便でたとえると、建物内の住人（LAN内の機器）が外へ手紙（データ）を送るとき、封筒の差出人住所を「東京都□□区△△1-1-1」（グローバルIPアドレス）に書き換えてから投函するイメージです。返事が届いたら、管理人（ルーター）が手元の記録を参照して正しい住人の部屋へ届けます。

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flowchart LR
    subgraph lan["🏠 LAN内（プライベートIPアドレス）"]
        SP["📱 192.168.1.20"]
        PC["💻 192.168.1.10"]
        TV["📺 192.168.1.30"]
    end
    R["🔀 ルーター
NAT変換
プライベートIP
→ グローバルIP"]
    subgraph wan["🌐 インターネット（グローバルIPアドレス）"]
        NET["グローバルIP
203.0.113.1
（1つで全機器共有）"]
    end
    SP & PC & TV --> R
    R --> NET

図：NATの仕組み：複数のプライベートIPアドレスを1つのグローバルIPアドレスに変換

この仕組みの大きな利点は、1つのグローバルIPアドレスをLAN内の複数の機器で共有できることです。何台スマートフォンやパソコンを追加しても、グローバルIPアドレスは1つで済みます。

解決策② ― IPv6で根本から解決する

プライベートIPアドレスとNATはIPアドレス不足をしのぐ応急処置です。IPv4が約43億通りしか用意できないことが根本の問題であり、それを解決するために登場したのが IPv6（アイピーブイシックス） です。

IPv6はコロン（：）で区切られた16進数8グループで表記します。16進数とは、0〜9の数字とA〜Fの文字を組み合わせて数を表す方法で、コンピューターの世界でよく使われます。アドレス数は2の128乗で約340澗（かん）。地球上のすべての砂粒の数よりもはるかに多く、事実上枯渇しない規模です。

IPv6を使えば各機器に世界でただ1つのIPアドレスを直接割り当てられるため、NATが不要になります。現在はIPv4とIPv6が並行して使われており、対応する機器や回線では自動的に切り替わります。

MACアドレスとIPアドレスの違い ― 「名前」と「住所」

スイッチングハブの記事でMACアドレスを学びました。MACアドレスとIPアドレスはどちらも機器を識別する情報ですが、役割が大きく異なります。

MACアドレスは機器そのものを識別する番号で、 人の名前 のようなものです。「田中太郎」という名前を知っても、その人が今どこにいるかはわかりません。「東京都□□区△△1-1-1」のような住所があって初めて居場所が特定できます。IPアドレスは 場所の住所 にあたり、「現在どのネットワークにいるか」を示します。

LAN内ではスイッチングハブがMACアドレスを使ってデータを届けます。別のネットワークへデータを送るにはIPアドレスが必要で、ルーターがIPアドレスをもとに転送先のネットワークを特定します。ルーターが転送先を絞り込んだあとは、LAN内でMACアドレスを使って最終的な機器まで届けます。このとき、IPアドレスからMACアドレスを調べる仕組みを ARP（Address Resolution Protocol） といいます。

まとめ

IPアドレスはネットワーク上の機器の「住所」として、データの宛先と送り元を示します。MACアドレスが機器に固定されたIDであるのに対し、IPアドレスは接続するネットワークによって変わる位置情報を持ち、ルーターがネットワーク間の転送に使います。LAN内ではプライベートIPアドレス、インターネット上ではグローバルIPアドレスが使われ、ルーターがNATによって変換します。プライベートIPアドレスはIPv4のアドレス不足を補い、1つのグローバルIPアドレスをLAN内の複数の機器で共有できます。IPv4のアドレス不足を根本から解消するIPv6への移行も進んでいます。

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