なんでIPで通信できるの？

なんでIPで通信できるの？
IPアドレスと MACアドレスと ARP
あと OSI参照モデル
1

Layer 2
Layer 2 は MACアドレスで通信する
2

A
B
C
L2SW
【PC-C】
MAC addr : CC-CC-CC-CC-CC-CC
【PC-A】
MAC addr : AA-AA-AA-AA-AA-AA
【PC-B】
MAC addr : BB-BB-BB-BB-BB-BB
MACアドレスとは…
ネットワークに接続する機器を一意に識別するための情報。48ビットの数値で表現される。
NIC(Network Interface Card)に書き込まれているため、物理アドレス、ハードウェアアドレスともいう。
僕もMACアドレス持ってるけど、
ここではその話は割愛します…
Port 1 Port 3
Port 2
3

A
B
C
L2SW
【PC-C】
【PC-A】
Layer 2 で通信するときは…
通信相手へ届けたいデータに Layer 2 ヘッダを付けて送信します。
Layer 2 ヘッダには、宛先MACアドレスと、送信元MACアドレスの情報が含まれています。
(Layer 2 では、ヘッダとデータを含む電気信号の塊を「フレーム」と呼びます。)
Aさんと通信したい！
データL2ヘッダPort 1 Port 3
Port 2
【PC-B】
【Layer 2 ヘッダ】
送信元MAC addr : CC-CC-CC-CC-CC-CC
宛先MAC addr : AA-AA-AA-AA-AA-AA
4

A
B
C
L2SW
【PC-C】
【PC-A】
Layer 2 スイッチは、フレームの MACアドレスを見て①と➁の処理をします
①フレームを受信したポートと送信元MACアドレスを関連付けて、MACアドレステーブルを作成します。
MACアドレステーブルは、特定のMACアドレスの機器が、どのポートの先にいるかを示す情報になります。
(➁は次のページで！)
Port 1 Port 3
Port 2
【MAC addr テーブル】
CC-CC-CC-CC-CC-CC : Port 3
BB-BB-BB-BB-BB-BB : Port 2
Cさんからのフレームを Port 3 で受信したぞ。
Cさんは Port 3 の先にいるんだね。
MACアドレステーブルに書いとこう。
【PC-B】
データL2ヘッダ
5

A
B
C
L2SW
【PC-C】
【PC-A】
Layer 2 スイッチは、フレームの MACアドレスを見て①と➁の処理をします(つづき)
➁宛先MACアドレスを見て、MACアドレステーブルを参照し、転送するポートを決定します。
MACアドレステーブルに載ってない宛先だったら、受信したポート以外の全てのポートに転送します。
Port 1 Port 3
Port 2
Aさんは MACアドレステーブルに
載ってないから、受信した Port 3 以外の
全部のポートに転送しよう。
データL2ヘッダデータL2ヘッダ
【PC-B】
僕宛じゃない…
Ｃさん！
6

送信元MAC addr : AA-AA-AA-AA-AA-AA
宛先MAC addr : CC-CC-CC-CC-CC-CC
A
B
C
L2SW
【PC-C】
【PC-A】
Layer 2 スイッチは、フレームの MACアドレスを見て①と➁の処理をします(つづき)
以下も、①と➁の処理です。
➁の処理のとき、今度は宛先MACアドレスが MACアドレステーブルに載っているので、
特定のポートにだけフレームを転送しています。
Port 1 Port 3
Port 2
AA-AA-AA-AA-AA-AA : Port 1
Cさん宛のフレームだから、
Port 3 に転送すればいいね。
(➁)
データ L2ヘッダ
【PC-B】
Ｃさんに
返事するよ！
データ L2ヘッダ
Aさんは Port 1 にいるんだね。
MACアドレステーブルに書いとこう。
(①) Aさんと
通信できた~！
7

Layer 3
Layer 3 は IPアドレスで通信する
8

A
B
C
L2SW
【PC-C】
IP addr :10.0.0.3/24
【PC-A】
IP addr :10.0.0.1/24
【PC-B】
IP addr :10.0.0.2/24
IPアドレスとは…
TCP/IPのネットワークで使用される機器を識別するための情報。32ビットで表現される。
僕は Layer 2 スイッチなので
IPアドレスのことはよく分かりません…
Port 1 Port 3
Port 2
9

A
B
C
L2SW
【PC-C】
IP addr :10.0.0.3/24
【PC-A】
IP addr :10.0.0.1/24
Layer 3 で通信するときは…
通信相手へ届けたいデータに Layer 3 ヘッダを付けて送信します。
Layer 3 ヘッダには、宛先IPアドレスと、送信元IPアドレスの情報が含まれています。
(Layer 3 では、ヘッダとデータを含む電気信号の塊を「パケット」と呼びます。)
Aさんと通信したい！
データL3ヘッダPort 1 Port 3
Port 2
【PC-B】
IP addr :10.0.0.2/24
送信元IP addr : 10.0.0.3
宛先IP addr : 10.0.0.1
…
10

A
B
C
L2SW
【PC-C】
IP addr :10.0.0.3/24
【PC-A】
IP addr :10.0.0.1/24
Layer 2 スイッチは、IPアドレスのことはよくわかりません
でも、PCはお互いにIPアドレスが分かっているので、PC同士は通信できました。
めでたしめでたし！
Port 1 Port 3
Port 2
【PC-B】
IP addr :10.0.0.2/24
Ｃさん！
…
11

L2SW
ちょっと待ってよ…
12

A
B
C
L2SW
【PC-C】
IP addr :10.0.0.3/24
【PC-A】
IP addr :10.0.0.1/24
Layer 2 スイッチは、MACアドレスしか理解できません
間に挟まっている以上は、Layer 2 スイッチでも電気信号を処理する必要があります。
Layer 2 スイッチが転送処理するには、宛先と送信元の MACアドレスの情報が必要です。
でも、Pingを実行したりするときも、IPアドレスのことしか考えたことないですよね…？
Port 1 Port 3
Port 2
【PC-B】
IP addr :10.0.0.2/24
僕が間に挟まっているんだから、
僕に分かるように MACアドレスで
通信してもらう必要があるよ！
？
？？
え…だって、PC-Aの
IPアドレスしか
知らないよ？
13

ARP
Address Resolution Protocol
14

ARPで解決
A
B
C
L2SW
【PC-C】
IP addr :10.0.0.3/24
【PC-A】
IP addr :10.0.0.1/24
通信するときは…
通信相手の IPアドレスだけでなく、MACアドレスも知っている必要があります。
Layer 3 の処理をする機器は、IPアドレスと MACアドレスを関連付ける ARPテーブルを持っています。
(ARP…Address Resolution Protocol：アドレス解決プロトコル)
Port 1 Port 3
Port 2
【PC-B】
IP addr :10.0.0.2/24
【ARPテーブル】
10.0.0.2 : BB-BB-BB-BB-BB-BB
10.0.0.3 : CC-CC-CC-CC-CC-CC
15

ARPで解決
A
B
C
L2SW
【PC-A】
IP addr :10.0.0.1/24
通信相手の MACアドレスを知らないときは…
①特定の IPアドレスに対応する MACアドレスを問合せる ARP要求をブロードキャストします。
(Layer 2 ヘッダの宛先MACアドレスは、ブロードキャストアドレスの FF-FF-FF-FF-FF-FF です。)
Port 1 Port 3
Port 2
【PC-B】
IP addr :10.0.0.2/24
Aさんのことは
IPアドレスしか知らないから、
MACアドレスを教えて！
ブロードキャストは
全ポート転送～
(受信ポート以外)
Cさんが僕の MACアドレスを
知りたがってる！
【PC-C】
IP addr :10.0.0.3/24
僕じゃない…
ARP要求L2ヘッダARP要求L2ヘッダ ARP要求L2ヘッダ
【ARP要求】
送信元 IP addr : 10.0.0.3
宛先 IP addr : 10.0.0.1
宛先MAC addr : FF-FF-FF-FF-FF-FF
16

ARPで解決
A
B
C
L2SW
【PC-A】
IP addr :10.0.0.1/24
通信相手の MACアドレスを知らないときは…(つづき)
➁該当の IPアドレスを持つ機器は、自分の MACアドレスを回答する ARP応答を返信します。
ARP要求と ARP応答をやりとりした機器は、お互いの情報を自分の ARPテーブルに載せます。
これ以降は、4ページ目のような通信ができるようになります。
Port 1 Port 3
Port 2
【PC-B】
IP addr :10.0.0.2/24
10.0.0.1 : AA-AA-AA-AA-AA-AA
10.0.0.3 : CC-CC-CC-CC-CC-CC
宛先MACアドレス
見て転送～
僕の MACアドレスを答えるよ！
Cさんの IPアドレスと MACアドレスも
覚えておくね！※
AさんがMACアドレス
教えてくれた！
【PC-C】
IP addr :10.0.0.3/24
※前頁の①ARP要求の中には、問合せ元の IPアドレスと MACアドレスの情報も含まれているため、
ARP要求を受信した機器も、相手の IPアドレスと MACアドレスの情報を入手できています。
ARP応答 L2ヘッダ ARP応答 L2ヘッダ
【ARP応答】
送信元 IP addr : 10.0.0.1
送信元MAC addr : AA-AA-AA-AA-AA-AA
宛先 IP addr : 10.0.0.3
宛先MAC addr : CC-CC-CC-CC-CC-CC
17

ARPで解決
A
B
C
L2SW
【PC-C】
IP addr :10.0.0.3/24
【PC-A】
IP addr :10.0.0.1/24
じゃあ、Layer 3 ヘッダはどこへ…？
結局 MACアドレスで通信するんだったら、
宛先IPアドレスと送信元IPアドレスが入ってる Layer 3 ヘッダは
どこへ行ってしまうんでしょうか…？
Port 1 Port 3
Port 2
【PC-B】
IP addr :10.0.0.2/24
IPアドレスって
なんなの…？
僕にはよく分かりません…
18

OSI参照モデル
通信機能の階層構造
19

OSI参照モデルの階層構造
A
B
C
L2SW
Layer 3 ヘッダは Layer 2 ヘッダで包まれる
Layer 3 ヘッダは、Layer 2 フレームのデータ部分の中にあります。
Port 1 Port 3
Port 2
【PC-A】
IP addr :10.0.0.1/24
【PC-B】
IP addr :10.0.0.2/24
【PC-C】
IP addr :10.0.0.3/24
20

A
B
C
L2SW
Layer 2 スイッチは Layer 2 ヘッダのみ参照して転送します
Layer 2 スイッチは、基本的にフレームを転送するのが仕事です。
Layer 2 ヘッダの宛先MACアドレスと送信元MACアドレスを見てフレームを転送するだけなので、
データ部分の中にある Layer 3 ヘッダは処理しません。
Port 1 Port 3
Port 2
【PC-A】
IP addr :10.0.0.1/24
【PC-B】
IP addr :10.0.0.2/24
【PC-C】
IP addr :10.0.0.3/24
宛先MACアドレス
見て転送～
21

A
B
C
L2SW
Layer 3 の機器は Layer 2 ヘッダと Layer 3 ヘッダを処理します
Layer 3 に対応する機器は、Layer 2 ヘッダと Layer 3 ヘッダの両方を処理します。
Layer 2 ヘッダの宛先MACアドレスが自分のMACアドレスだったときは、自分宛のフレームとして、
Layer 2 ヘッダを外して、データ部分の中にある Layer 3 ヘッダを処理します。
Port 1 Port 3
Port 2
【PC-B】
IP addr :10.0.0.2/24
【PC-C】
IP addr :10.0.0.3/24
あ、
MACアドレスが
僕宛だ
あ、
IPアドレスも
僕宛だ
【PC-A】
IP addr :10.0.0.1/24
なんだか
二度手間みたい…
22

A C
もし Layer 2 スイッチがいなくても…
Layer 3 に対応する機器は、同様に Layer 2 ヘッダと Layer 3 ヘッダの両方を処理します。
【PC-C】
IP addr :10.0.0.3/24
あ、
MACアドレスが
僕宛だ
あ、
IPアドレスも
僕宛だ
【PC-A】
IP addr :10.0.0.1/24
Layer 2 スイッチがいなくても、
Layer 2 ヘッダが必要なの…？
23

10.0.0.0/2410.1.1.0/24
A’
B
C
L2SW
IPアドレスはネットワークを超えられる MACアドレスはネットワークを超えられない
MACアドレスで通信できるのは、同じネットワークアドレスの中だけです。
別なネットワークアドレスにいる機器と通信するには、IPアドレスを使う必要があります。
別なネットワークにパケットを転送するには、Layer 3 の機器であるルータが必要です。
Port 3
【PC-C】
IP addr :10.0.0.3/24
Default Gateway : 10.0.0.254/24
【PC-A‘】
IP addr :10.1.1.1/24
そういえば、今までは
全部同じネットワークアドレスの
機器だけだったな…
Port 1
Router IP:10.0.0.254/24
MAC:DD-DD-DD-DD-DD-DD
IP:10.1.1.254/24
MAC:EE-EE-EE-EE-EE-EE
24
Layer 2
MACアドレスで通信できる範囲
Layer 2
MACアドレスで通信できる範囲
Layer 3
IPアドレスで通信できる範囲

10.0.0.0/2410.1.1.0/24
A’
B
C
L2SW
別なネットワークの通信相手と通信するときは…
①まず、同じネットワークアドレスにいるルータにデータを渡して、ルーティングしてもらう必要があります。
届けたいデータに、通信相手の IPアドレスを宛先にした Layer 3 ヘッダを付けたら、
さらに、ルータの MACアドレスを宛先にした Layer 2 ヘッダを付けて送信します。
Port 3
【PC-C】
IP addr :10.0.0.3/24
【PC-A’】
IP addr :10.1.1.1/24
Port 1
Router
宛先MAC addr : DD-DD-DD-DD-DD-DD
IP:10.0.0.254/24
IP:10.1.1.254/24
A’さんは違うNW
だから、ゲートウェイに
投げなきゃ
25
10.0.0.254 : DD-DD-DD-DD-DD-DD
あ、Layer 2 ヘッダの宛先はルータだけど、
Layer 3 ヘッダの宛先はA’さんだ！

10.0.0.0/2410.1.1.0/24
A’
B
C
L2SW
別なネットワークの通信相手と通信するときは…(つづき)
➁ルータは、Layer 2 ヘッダの宛先MACアドレスが自分の MACアドレスなので、
自分宛のフレームとして、Layer 2 ヘッダを外して、Layer 3 ヘッダを見ます。
Layer 3 ヘッダの宛先IPアドレスが自分の IPアドレス以外なら、宛先へルーティングします。
Port 3
【PC-C】
IP addr :10.0.0.3/24
【PC-A】
IP addr :10.1.1.1/24
おっ、ルータでは
二度手間じゃない感じ！
Port 1
Router
宛先MAC addr : DD-DD-DD-DD-DD-DD
IP:10.0.0.254/24
IP:10.1.1.254/24
あ、
MACアドレスが
僕宛だ
でも
IPアドレスは
僕宛じゃない！
26

10.0.0.0/2410.1.1.0/24
A’
B
C
L2SW
別なネットワークの通信相手と通信するときは…(つづき)
➂ルータも宛先IPアドレスに向けて、ARP解決などの処理をしながら、パケット(フレーム)を転送します。
このとき、Layer 2 ヘッダについては改めて作り直し、データに付けて送信します。
Port 3
【PC-C】
IP addr :10.0.0.3/24
送信元MAC addr : EE-EE-EE-EE-EE-EE
データL2ヘッダ Port 1
Router IP:10.0.0.254/24
IP:10.1.1.254/24
IPアドレスは
Aさん宛だから
転送するよ！
10.1.1.1 : AA-AA-AA-AA-AA-AA
27
あ、Layer 2 ヘッダの宛先と送信元が
さっきまでと違う！
でも、Layer 3 ヘッダの宛先と送信元は
ずっと変わってない！
あ、
MACアドレスが
僕宛だ
あ、
IPアドレスも
僕宛だ
【PC-A】
IP addr :10.1.1.1/24
MACアドレスと IPアドレスの両方を使って、
別なネットワークまで通信できるんだね！

A’ C
L2SW
OSI参照モデルは、標準化されたネットワーク通信機能の階層構造
ネットワーク通信に関わる色々な機能を階層別に分類し、それぞれの機能の独立性を高めています。
それぞれの機器が、Layer 1 (電気信号)から自分の対応する Layer までの処理をします。
Router
28
L2SW
Layer 5
Layer 4
Layer 7
Layer 6
Layer 1
Layer 3
Layer 2
Layer 1
Layer 3
Layer 2
Layer 1
Layer 2
Layer 5
Layer 4
Layer 7
Layer 6
Layer 1
Layer 3
Layer 2
アプリケーション層まで！ネットワーク層まで！
データリンク層まで！
アプリケーション層まで！
アプリケーション層
プレゼンテーション層
セション層
トランスポート層
ネットワーク層
データリンク層
物理層

A C
L2SW
対応する各Layerについて、既定の処理をします
自分と接続されている機器が、どの Layer まで対応する機器だったとしても
接続相手によって処理を変える必要はありません。
Router
29
L2SW
接続相手が誰だろうが、自分は
同じように各Layerの処理をすればいいんだね～
Layer 5
Layer 4
Layer 7
Layer 6
Layer 1
Layer 3
Layer 2

ご参考まで！
OSI参照モデルについては
もう少し勉強してみてください…
30

なんでIPで通信できるの？

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