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ネットワーク/基礎/Lesson 02

ネットワーク基礎 — IP · DNS · ポート · OSI · ルーター · NAT

45分·theory

ネットワーク基礎 — IP · DNS · ポート · OSI · ルーター · NAT

🎯 このlessonを読み終えたら

このlessonをすべて読み終えると、以下の3つを自信を持ってこなせるようになります。

  • ▸✅ OSI 7層 vs. TCP/IP 4層のマッピング
  • ▸✅ IP · ポート · ソケットの正確な概念
  • ▸✅ DNSの動作（Recursive → Root → TLD → Authoritative）

学習目標をチェックリストとして手元に置き、すべて答えられるようになったらlessonを閉じましょう。

ネットワーク = コンピュータ同士の郵便配達

一言で言うと: ネットワークとは世界中のコンピュータの郵便システムのこと。IP（住所）+ DNS（名前）+ ポート（部屋番号）+ TCP/UDP（配送方式）。

4つのコア要素:

要素例え意味
IPアドレス住所コンピュータの識別（192.168.1.10 · 2001:db8::1）
DNS電話帳名前 → IP（codemaster40.com → 1.2.3.4）
ポート部屋番号どのアプリ？（80=HTTP · 443=HTTPS · 22=SSH）
TCP/UDP書留 · 普通郵便配送方式（保証あり vs. 高速）

URLの解剖:

code
https://api.codemaster40.com:443/users/42?ref=home
└─ ─┘   └────────────────┬─────────┘ └┬┘ └──┬───┘ └──┬──┘
  │              ホスト              ポート  パス     クエリ
  └─ プロトコル (TCP+TLS=HTTPS)

1つのリクエストが辿る道:
1. DNS検索: codemaster40.com → IP 1.2.3.4
2. TCPの3-wayハンドシェイクで接続
3. TLSハンドシェイクで暗号化
4. HTTPリクエスト・レスポンス
5. TCPの4-wayハンドシェイクで切断

IPアドレス + CIDR + NAT

IPv4（32ビット）— 約43億個。不足！

  • ▸例: 192.168.1.10 = 4オクテット × 8ビット
  • ▸クラスA · B · C — 旧来の方式（現在は使用されない）
  • ▸CIDRに置き換えられた

CIDR（Classless Inter-Domain Routing）:

code
192.168.1.0/24      → 192.168.1.0 ~ 192.168.1.255 (256 IP)
192.168.0.0/16      → 192.168.0.0 ~ 192.168.255.255 (65,536)
10.0.0.0/8          → 10.0.0.0 ~ 10.255.255.255 (16,777,216)
  • ▸/24 = 先頭24ビットがネットワークID、残り8ビットがホスト
  • ▸AWS VPC · K8s podのCIDRなど、インフラの基本知識

プライベートIPアドレス帯（インターネットには届かない、プライベートネットワーク用）:

  • ▸10.0.0.0/8
  • ▸172.16.0.0/12
  • ▸192.168.0.0/16

NAT（Network Address Translation） — IPv4不足の解決策:

  • ▸プライベートネットワーク上の複数の機器が1つのグローバルIPを共有
  • ▸ルーターはパケット送信時にポートマッピングを記録
  • ▸応答パケットが届くと、ポート番号をもとに元の機器へ転送
code
[My PC 192.168.1.10:55012] → [ルーター 1.2.3.4:55012] → 外部サーバー
                                        ↓ NATテーブルに保存
応答: 外部 → 1.2.3.4:55012 → 192.168.1.10:55012

IPv6（128ビット）— 事実上無限（340兆の1兆の1兆...）。

  • ▸2001:0db8:85a3:0000:0000:8a2e:0370:7334
  • ▸IoT · 5G時代のスタンダード。2025年のインターネットトラフィックの50%以上がIPv6

DNS + ポート + OSI 7層

DNS = 名前 → IPの変換システム（世界中に分散したデータベース）:

検索の流れ:
1. ブラウザキャッシュを確認
2. OSキャッシュ（/etc/hosts）
3. ローカルDNSサーバー（ISP · Google 8.8.8.8 · Cloudflare 1.1.1.1）
4. Root（.）→ .comはどこ？ → TLDサーバーを案内
5. TLD（.com） → codemaster40.comはどこ？ → Authoritativeを案内
6. Authoritative → 実際のIPを返す
7. 結果をキャッシュ（TTLの分だけ）

DNSレコードの種類:

  • ▸A — IPv4マッピング（example.com → 1.2.3.4）
  • ▸AAAA — IPv6
  • ▸CNAME — 別名のエイリアス（www → example.com）
  • ▸MX — メールサーバー
  • ▸TXT — テキスト（SPF · DKIMなどの認証）
  • ▸NS — ネームサーバー

ポート — 0〜65535（16ビット）:

  • ▸Well-known（0〜1023）: 22（SSH） · 25（SMTP） · 53（DNS） · 80（HTTP） · 443（HTTPS）
  • ▸Registered（1024〜49151）: 3000（Node） · 8080（代替HTTP） · 5432（Postgres）
  • ▸Dynamic（49152〜65535）: OSが一時的に割り当て

OSI 7層 — 通信を7つの抽象化レイヤーに分割:

層名前役割例
7アプリケーションユーザーインターフェースHTTP · SMTP · DNS
6プレゼンテーションエンコーディング · 暗号化TLS · JSON · UTF-8
5セッション接続管理（現代では多くが統合）
4トランスポートエンドツーエンドの信頼性TCP · UDP
3ネットワークルーティングIP
2データリンク同一ネットワーク内の配送Ethernet · Wi-Fi
1物理信号ケーブル · 電波

実用モデル（TCP/IP 4層）:

  • ▸Application = OSI 5+6+7
  • ▸Transport = 4
  • ▸Internet = 3
  • ▸Network Access = 1+2

> 💡 暗記不要。「どの層の問題か？」と問う際に使いましょう。

DNSの動作 — Recursive → Root → TLD → Authoritative

example.com を入力すると何が起こるか

0. ブラウザキャッシュ → OSキャッシュ → ルーターキャッシュ

まず自分のコンピュータのキャッシュを確認します。見つかれば即座にIPを返します。なければ次のステップへ。

1. Recursive DNS（ISPまたは8.8.8.8）

ユーザーが直接問い合わせる最初のサーバー。ISPが運営するか、Google 8.8.8.8 / Cloudflare 1.1.1.1。

code
[マイコンピュータ] → "example.com のIPは?" → [Recursive DNS]

Recursiveサーバーが残りのステップを代わりに処理します。

2. Root DNSサーバー

世界13グループのIPアドレス。「.com TLDサーバーがどこにあるか」を教えてくれます。

code
[Recursive] → "comの権威サーバーは?" → [Root]
[Root] → "com は a.gtld-servers.net 等が担当"

3. TLD（トップレベルドメイン）サーバー

.com / .net / .kr などドメイン拡張子ごと。「example.comの権威サーバーが誰か」を教えてくれます。

code
[Recursive] → "example.com の権威サーバーは?" → [.com TLD]
[.com TLD] → "ns1.example.com / ns2.example.com"

4. Authoritative（権威）サーバー

ドメイン所有者が運営する実際のDNSサーバー。「example.comのIP」を実際に把握しています。

code
[Recursive] → "example.com のIPは?" → [ns1.example.com]
[権威サーバー] → "93.184.216.34"

5. キャッシュして返す

Recursiveが結果をキャッシュ（TTLの分だけ）。次のリクエストは即座に応答。そのためDNSの変更が世界全体に反映されるまで時間がかかります（TTLが切れるまで）。

DNSレコード5種

タイプ意味
AIPv4アドレス
AAAAIPv6アドレス
CNAME別のドメインのエイリアス
MXメールサーバー
TXTテキスト（SPF · ドメイン所有の認証）
code
# example.com のレコード
A       93.184.216.34
AAAA    2606:2800:220:1:248:1893:25c8:1946
CNAME   www → example.com
MX      10 mail.example.com
TXT     "v=spf1 include:_spf.google.com ~all"

TTL — どのくらいキャッシュするか

code
example.com.    300    IN    A    93.184.216.34
                ^^^
                TTL（秒）
  • ▸短いTTL（60〜300秒）: 変更が素早く反映される。負荷 ↑
  • ▸長いTTL（24時間）: キャッシュ効率 ↑。変更反映が遅い

移行前はTTLを短く（5分）、安定後は長く（1時間）設定しましょう。

DNS確認コマンド

bash
# Mac/Linux
dig example.com A
dig example.com NS
dig +trace example.com    # 全委任チェーンをトレース

nslookup example.com 8.8.8.8

# Windows
nslookup example.com

DNSとCDN

CloudflareのようなCDNを利用する場合:

code
example.com → CNAME → example.com.cdn.cloudflare.net → 最寄りのエッジIP

地域ごとに異なるIPを返す → ユーザーは近くのサーバーを使用 → レイテンシ低減。

🤖 AIにこう聞いてみましょう

  • ▸「自分のドメインをCloudflareに移すDNS設定ガイドを教えて」
  • ▸「dig example.com A の結果を解釈して」
  • ▸「DNS TTLを移行前に60秒、終わったら3600に変えるタイミングを教えて」
先に読むとよい概念: ネットワーク
次のおすすめ: TCP · UDP — パケット・ハンドシェイク・フロー/輻輳制御
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