IPアドレスとサブネット — なぜ住所を2段に割るのか

IPアドレスは 192.168.1.50 のように4つの数で書かれますが、実体は32ビットの1つの数です。4つに区切って書くのは人間が読みやすいようにしているだけで、機械にとっては区切りのない32桁の2進数です。

ここで素朴な疑問が出てきます。32ビットあれば約43億個のアドレスが表せるのに、なぜそれを「ネットワーク部」と「ホスト部」に割るのでしょうか。 全部を機器の通し番号にしてしまえば、単純で分かりやすいはずです。

理由は、途中の装置の立場を考えると見えてきます。パケットを中継するルータが知りたいのは、「この宛先はどの方向へ流せばよいか」ということだけです。最終的にどの1台かは、その方向の先にいる装置が判断すればよいのです。

もし43億個が全部ばらばらの通し番号だったら、ルータは43億行の対応表を持つしかありません。そこでアドレスの前半を「どのネットワークか」、後半を「その中のどの機器か」と読むことにします。こうすればルータは前半だけを見て判断でき、表は「ネットワークの数」で済みます。

住所と同じ発想です。郵便を運ぶ人は、市区町村までを見て仕分けをします。番地まで見るのは、最後の配達員だけです。

ここまでで「切れ目はマスクが決める」と述べました。ではマスクは自由に決められるのでしょうか。

決められません。 マスクには左から連続した1でなければならないという制約があります。RFC 4632 はこれを「唯一残された制約はマスクが left contiguous であること」と表現し、RFC 1812 はより具体的に「上位側に連続した1、下位側に連続した0が並び、その間に別のビットが混じらないこと」と述べています。

11111111 11111111 11111111 00000000 は許されますが、11111111 11111111 11111111 00001111 のような飛び飛びのパターンは許されません。

その結果、範囲の大きさは必ず2の累乗になります。

プレフィックス長   全アドレス数   割り当て可能   ホスト部のビット数
/22                   1024          1022         10
/23                    512           510          9
/24                    256           254          8
/25                    128           126          7
/26                     64            62          6
/27                     32            30          5

ここから、実務でよく効く事実が出てきます。「200台ぴったりの範囲」は作れません。 /25 は126個しか入らず足りない。ひとつ上の /24 は254個で、54個余ります。余るのが分かっていても /24 を使うしかありません。

なぜこんな不便な制約があるのでしょうか。効率のためではなく、経路の判断を成立させるためです。

マスクが左詰めの連続した1であれば、範囲は「先頭何ビットが一致するか」という長さ1つの数字で表せます。/24 と /25 なら、25の方が細かい範囲だと数字の大小だけで判定できます。

もし飛び飛びのビットパターンが許されたら、この比較ができません。「先頭24ビットと末尾4ビットが一致する範囲」と「先頭25ビットが一致する範囲」のどちらが細かいのか、長さという一次元の量に還元できないので、大小関係が定義できないのです。

次回学ぶ最長一致は、当てはまった複数の経路から「最も長く一致しているもの」を選ぶ規則です。その規則が成り立つには、すべての範囲が長さという共通のものさしで比較できなければなりません。ビット境界でしか切れないという制約は、最長一致が成立するための前提条件なのです。

最後に、例外を1つだけ正確に扱っておきます。

ここまでの原則からすると、/31 はホスト部が1ビットしかないので、2個のアドレスが両方とも予約されてしまい、使えるアドレスが0個になるはずです。

ところが RFC 3021 は、point-to-point リンクにおいては2つのアドレスを両方ともホストアドレスとして解釈しなければならない、と定めています。ルータ同士を直結する区間で、わざわざ4個(/30)を消費せずに2個で済ませるための規定です。

成立する理由が本質的です。point-to-point では相手が1つしかいないので、受信者が一意に定まります。 「全ホスト宛て」という宛先表現を区別する必要がそもそも無いのです。予約の根拠が「全1は全ホストを意味する」ことにあったのだから、区別する相手がいなければ根拠ごと消えます。