IPv4ヘッダとは？意味をわかりやすく簡単に解説

text: XEXEQ編集部

IPv4ヘッダとは

IPv4ヘッダは、IPv4パケットの先頭に位置し、パケットの送信元と宛先のIPアドレスなどの重要な情報を含んでいます。IPv4ヘッダの構造を理解することは、ネットワークの仕組みを把握する上で不可欠な知識となります。

IPv4ヘッダは、合計20バイトの固定長で構成されており、バージョン、ヘッダ長、サービスタイプ、全長、識別子、フラグ、フラグメントオフセット、TTL、プロトコル、ヘッダチェックサム、送信元IPアドレス、宛先IPアドレスなどのフィールドが含まれています。各フィールドは、パケットの適切な処理と配送に必要な情報を提供するために使用されるのです。

IPv4ヘッダのバージョンフィールドは、使用されているIPプロトコルのバージョンを示し、現在はバージョン4が主に使用されています。ヘッダ長フィールドは、IPヘッダの長さを32ビット単位で表しており、通常は5となります。

サービスタイプフィールドは、パケットの優先度や転送方法を指定するために使用され、全長フィールドは、IPヘッダとデータを含むIPパケット全体の長さをバイト単位で示しています。識別子、フラグ、フラグメントオフセットの各フィールドは、パケットのフラグメンテーションに関連する情報を提供するために使われるのです。

TTLフィールドは、パケットが通過できるルータの最大数を制限し、ループを防止するために使用されます。プロトコルフィールドは、IPヘッダの次に続く上位層プロトコルを示し、ヘッダチェックサムは、IPヘッダの整合性を確認するために使用されるのです。

IPv4ヘッダの各フィールドの役割

IPv4ヘッダの各フィールドの役割に関して、以下3つを簡単に解説していきます。

IPv4ヘッダのアドレッシングに関するフィールド
IPv4ヘッダのフラグメンテーションに関するフィールド
IPv4ヘッダのその他の重要なフィールド

IPv4ヘッダのアドレッシングに関するフィールド

IPv4ヘッダには、送信元IPアドレスと宛先IPアドレスの2つのフィールドが含まれています。これらのフィールドは、パケットの送信元と宛先を特定するために使用されます。

送信元IPアドレスは、パケットを送信するデバイスのIPアドレスを示し、宛先IPアドレスは、パケットの最終的な宛先のIPアドレスを示しています。これらのアドレス情報は、ルータがパケットを適切に転送するために使用するのです。

また、IPヘッダ内のプロトコルフィールドは、IPヘッダの次に続く上位層プロトコル(TCP、UDPなど)を示すために使用されます。これにより、宛先ホストは受信したパケットを適切に処理することができるのです。

IPv4ヘッダのフラグメンテーションに関するフィールド

IPv4ヘッダには、識別子、フラグ、フラグメントオフセットの3つのフィールドがあり、これらはパケットのフラグメンテーションに関連する情報を提供します。フラグメンテーションは、大きなパケットを複数の小さなパケットに分割するプロセスを指します。

識別子フィールドは、フラグメント化されたパケットを一意に識別するために使用され、フラグフィールドは、パケットがフラグメント化されているかどうかを示しています。フラグメントオフセットフィールドは、元のパケットにおけるフラグメントの位置を示すために使われるのです。

これらのフィールドを使用することで、宛先ホストはフラグメント化されたパケットを正しい順序で再構成し、元のデータを復元することができます。フラグメンテーションは、パケットがネットワーク上の最大伝送単位(MTU)を超える場合に発生するのです。

IPv4ヘッダのその他の重要なフィールド

IPv4ヘッダには、アドレッシングとフラグメンテーションに関連するフィールド以外にも、重要なフィールドがいくつかあります。これらのフィールドは、パケットの適切な処理と配送に役立ちます。

TTL(Time to Live)フィールドは、パケットが通過できるルータの最大数を制限するために使用されます。これにより、パケットが無限にネットワーク上を循環することを防ぎ、ループを防止することができるのです。

ヘッダチェックサムフィールドは、IPヘッダの整合性を確認するために使用されます。送信側はヘッダチェックサムを計算し、受信側はそれを検証することで、転送中にヘッダが破損していないことを確認するのです。

IPv4ヘッダのサイズと効率

IPv4ヘッダのサイズに関して、以下3つを簡単に解説していきます。

IPv4ヘッダの固定長サイズ
IPv4ヘッダのオーバーヘッド
IPv4ヘッダのサイズがネットワークに与える影響

IPv4ヘッダの固定長サイズ

IPv4ヘッダは、固定長の20バイトで構成されています。これは、IPv4ヘッダ内のすべてのフィールドが予め定義されたサイズを持っているためです。固定長のヘッダサイズは、パケットの処理を簡素化し、効率を向上させることができます。

しかし、固定長のヘッダサイズは、柔軟性に欠けるという欠点もあります。新しい機能や拡張を追加するには、IPv4ヘッダの構造を変更する必要があり、これは既存のネットワークとの互換性の問題を引き起こす可能性があるのです。

そのため、IPv6では、拡張ヘッダを使用することで、ヘッダのサイズを柔軟に変更できるようになっています。これにより、新しい機能を追加しながら、基本的なヘッダ構造を維持することができるのです。

IPv4ヘッダのオーバーヘッド

IPv4ヘッダは、パケットの総サイズに対してオーバーヘッドを追加します。オーバーヘッドとは、実際のデータ以外に必要となる追加の情報を指します。IPv4ヘッダの20バイトは、パケットのデータ部分とは別に、各パケットに追加されるのです。

オーバーヘッドは、ネットワークの効率に影響を与えます。ヘッダサイズが大きいほど、パケットあたりの実際のデータ量が少なくなり、ネットワーク帯域幅の利用効率が低下することになります。

特に、音声やビデオなどのリアルタイムアプリケーションでは、オーバーヘッドの影響が大きくなります。これらのアプリケーションは、多数の小さなパケットを高い頻度で送信するため、ヘッダのオーバーヘッドが全体的なネットワーク効率に大きな影響を与えるのです。

IPv4ヘッダのサイズがネットワークに与える影響

IPv4ヘッダのサイズは、ネットワークのパフォーマンスと効率に直接的な影響を与えます。ヘッダサイズが大きいほど、各パケットに含まれる実際のデータ量が少なくなり、ネットワーク帯域幅の利用効率が低下します。

また、大きなヘッダサイズは、ルータやスイッチなどのネットワークデバイスの処理負荷を増加させます。これらのデバイスは、パケットを転送する際にヘッダ情報を解析する必要があるため、ヘッダサイズが大きいほど処理に時間がかかるのです。

そのため、ネットワークの設計や構成の際には、IPv4ヘッダのサイズを考慮に入れる必要があります。ヘッダサイズを最小限に抑えることで、ネットワークの効率を向上させ、パフォーマンスを最適化することができるのです。

IPv4ヘッダのセキュリティ

IPv4ヘッダのセキュリティに関して、以下3つを簡単に解説していきます。

IPv4ヘッダの脆弱性
IPv4ヘッダを対象とした攻撃手法
IPv4ヘッダのセキュリティ対策

IPv4ヘッダの脆弱性

IPv4ヘッダには、いくつかの脆弱性が存在します。これらの脆弱性は、攻撃者がネットワークに対して悪意のある行為を行うために悪用される可能性があります。IPv4ヘッダの脆弱性の一つに、送信元IPアドレスの偽装があります。

攻撃者は、IPv4ヘッダの送信元IPアドレスフィールドを偽装することで、パケットの本当の送信元を隠すことができます。これにより、攻撃者は匿名性を維持しながら、不正なパケットを送信することが可能となるのです。

また、IPv4ヘッダのフラグメンテーションメカニズムも脆弱性の一つです。攻撃者は、意図的に細かくフラグメント化されたパケットを送信することで、ネットワークデバイスに過剰な負荷をかけ、サービス拒否(DoS)攻撃を引き起こすことができるのです。

IPv4ヘッダを対象とした攻撃手法

IPv4ヘッダを対象とした攻撃手法には、IPスプーフィング、フラグメンテーション攻撃、IPヘッダ内のフィールド manipulation などがあります。IPスプーフィングは、送信元IPアドレスを偽装することで、攻撃者が別のホストになりすましてパケットを送信する手法です。

フラグメンテーション攻撃は、意図的に細かくフラグメント化されたパケットを送信することで、ネットワークデバイスに過剰な負荷をかける攻撃手法です。IPヘッダ内のフィールド manipulation は、攻撃者がIPヘッダ内の特定のフィールドを変更することで、ネットワークの動作を妨害したり、不正な動作を引き起こしたりする手法となります。

これらの攻撃手法は、ネットワークのセキュリティを脅かし、機密情報の漏洩や、サービスの中断などの深刻な問題を引き起こす可能性があります。したがって、IPv4ヘッダのセキュリティ対策を適切に実施することが重要なのです。