IPヘッダー

読み：あいぴーへっだー　／　英語表記：IP header

IP・IPv6
通信の基礎

IPパケットの先頭に付く制御情報である。宛先と送信元のIPアドレスなどを含み、転送や受信後の処理に使う。IPv4ではオプションがない場合に20バイトとなる。

イマシルちゃんの解説

パケットは、ネットワークで運ぶデータのまとまりだよ。
IPヘッダーはその先頭に付く制御情報で、封筒に書く宛先や差出人の情報に似ているんだ。
ルータは宛先を見て、パケットを次にどこへ送るか判断するよ。

IPv4では、通過するルータで値を減らすTTLも入っているんだ。
値が尽きたパケットは捨てるので、経路に輪があっても回り続けるのを防げるよ。
さらに、中身をTCPやUDPなどのどの処理へ渡すかは、プロトコル番号で見分けるの。
単なる宛名ではなく、届け方や受け取った後の扱いにも必要な情報なんだよ。

より深い解説

定義

IPヘッダーは、ネットワーク層のプロトコルであるIPが、パケット（データグラム）の先頭に付ける制御情報である。ルータは、IPヘッダーの情報だけを見て、パケットを転送する。

IPv4ヘッダーの主なフィールド

フィールド	長さ	内容
バージョン	4ビット	IPv4なら4
ヘッダー長	4ビット	ヘッダーの長さ（4バイト単位）
ToS（DSCP、ECN）	8ビット	優先制御（QoS）のための情報
全長	16ビット	ヘッダーを含めたパケット全体の長さ
識別子、フラグ、フラグメントオフセット	32ビット	分割（フラグメント）されたパケットを組み立て直すための情報
TTL（生存時間）	8ビット	パケットが通過できるルータの数の上限
プロトコル番号	8ビット	データ部に入っている上位のプロトコル（TCPは6、UDPは17）
ヘッダーチェックサム	16ビット	ヘッダーの誤りの検出
送信元IPアドレス	32ビット
宛先IPアドレス	32ビット
オプション	可変	通常は使わない

層ごとのヘッダーに入っているもの

どの情報がどの層のヘッダーに入っているかを整理すると、次のようになる。

情報	イーサネット	IP	TCP	UDP
MACアドレス	○
IPアドレス		○
TTL		○
プロトコル番号		○
ポート番号（送信元、宛先）			○	○
シーケンス番号、確認応答番号			○
チェックサム		○（ヘッダーだけ）	○	○

TCPとUDPの両方のヘッダーにあるのは、送信元ポート番号、宛先ポート番号、チェックサムである。IPアドレスやTTLはIPヘッダーに、MACアドレスはイーサネットのヘッダーに入っており、TCPやUDPのヘッダーには入っていない。

TCPとUDPのヘッダーの比較

	TCPヘッダー	UDPヘッダー
長さ	20バイト（オプションなし）	8バイト
フィールド	送信元ポート番号、宛先ポート番号、シーケンス番号、確認応答番号、データオフセット、コントロールフラグ、ウィンドウサイズ、チェックサム、緊急ポインタ	送信元ポート番号、宛先ポート番号、データ長、チェックサム

UDPのヘッダーは、ポート番号と、長さとチェックサムだけのとても単純な構造である。

チェックサムと疑似ヘッダー

TCPとUDPのチェックサムは、自分のヘッダーとデータだけでなく、IPヘッダーの一部（送信元・宛先IPアドレス、プロトコル番号など）から作る疑似ヘッダーも含めて計算する。宛先を間違えて届いたパケットを検出するためである。このため、NATでIPアドレスを書き換えたときは、TCPやUDPのチェックサムも計算し直す必要がある。

IPv6ヘッダーとの違い

IPv6の基本ヘッダーは40バイトの固定長で、ヘッダーチェックサムがなく、分割の情報やオプションは拡張ヘッダーに分けられた。TTLに当たるフィールドは、ホップリミットという名前になっている。

検査する範囲と省略の可否

IPv4、TCP、UDPでは、同じチェックサムという名前でも、検査する範囲と省略できる条件が異なる。

フィールド	計算の対象	IPv4での省略
IPv4ヘッダーのチェックサム	IPv4ヘッダーだけ	不可
TCPのチェックサム	疑似ヘッダー、TCPヘッダー、データ	不可
UDPのチェックサム	疑似ヘッダー、UDPヘッダー、データ	可能

IPv4のUDPでは、フィールドを0にすると未計算を示す。実際に計算した結果が0になるときは、すべてのビットを1として送る。計算時に一時的にフィールドを0として扱うことと、省略を示す0を送ることは別である。

インターネットチェックサムは、16ビット単位の1の補数加算を用いる。独自の単純な例では、対象の語が0x1234と0x0102なら、和は0x1336、そのビット反転は0xECC9となる。受信側でチェックサムも含めて加算すると0xFFFFになる。

IPv4のルータではTTLなどのヘッダー値が変わるため、このチェックサムも更新する。IPv6の基本ヘッダーには同じフィールドがない。一方、誤り検出用の加算値は、攻撃者による改ざんを防ぐ認証の代わりにはならない。

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