IPv4アドレスの不足
Vint Cerf（IPの父）によると、IPv4 32ビットアドレスサイズは任意に選択されました。IPは政府/学術的な共同実験であり、現在のパブリックインターネットは想定されていませんでした。IPパラダイムでは、接続された各デバイスには一意のIPアドレスがあり（IPデバイス間で送信されるすべてのパケットはソースIPアドレスから宛先IPアドレスにエンドツーエンド接続されます）、IPを使用する多くのプロトコルは各デバイスに依存します一意のIPアドレスを持つ。
考えられるすべてのIPv4アドレス*を使用できると仮定すると、4,294,967,296個のIPv4アドレスしかありませんが、（2018年9月現在）世界の人口は7,648,290,361人です。ご覧のように、すべての人が1つでも持つことができる十分なIPv4アドレスはありませんが、多くの人がコンピューター、プリンター、携帯電話、タブレット、ゲーム機、スマートTVなどを持ち、それぞれにIPアドレスが必要です。 IPアドレスのビジネスニーズについても触れていません。また、IoT（モノのインターネット）の先端にあり、すべてのデバイスにIPアドレスが必要です：電球、サーモスタット、温度計、雨量計とスプリンクラーシステム、アラームセンサー、家電、車両、ガレージドアオープナー、エンターテイメントシステム、ペットの首輪、そして他のすべてを知っている人。
* ホストのアドレス指定に使用できないIPv4アドレスのブロックがあります。たとえば、マルチキャストには、ホストのアドレス指定に使用できない268,435,456アドレスのブロックがあります。IANAは、すべての特別なアドレスブロックとその目的を文書化するために、https： //www.iana.org/assignments/iana-ipv4-special-registry/iana-ipv4-special-registry.xhtmlにIANA IPv4特別目的アドレスレジストリを維持しています。 。
IANA（Internet Assigned Numbers Authority）は、それぞれの地域で割り当てられるRIR（Regional Internet Registries）に割り当てるIPv4アドレスブロックを使い果たしました。また、RIRも各地域で割り当てるIPv4アドレスを使い果たしました。ISP（インターネットサービスプロバイダー）およびIPv4アドレスを必要または必要とする企業は、RIRからIPv4アドレスを取得できなくなり、（IPv4アドレスの不足が深まるにつれて、IPv4アドレスの価格が上昇するため、企業からIPv4アドレスを購入する必要があります。上がる）。
特別な目的のために予約され、ホストのアドレス指定に使用できないすべてのIPv4アドレスが使用可能になったとしても、IPv4アドレスのサイズが制限されているためにIPv4アドレスが十分にないため、同じ位置にいます。
IPv4アドレス不足の緩和
IANAとIETF（インターネットエンジニアリングタスクフォース）がIPv4アドレス不足の緩和策を採用していなかった場合、IANAとRIRはIPv4アドレスを使い切る何年も前に使い果たしていたでしょう。1つの重要な緩和策は、CIDR（Classless Inter-Domain Routing）を支持するIPv4ネットワーククラスの廃止です。クラスフルアドレッシングでは、3つの割り当てられたネットワークサイズ（ネットワークごとに合計16,777,216、65,536、または256個のホストアドレス）しか使用できません。これは、多くのアドレスが無駄になることを意味します（300個のホストアドレスしか必要としないビジネスでは、65,536個のホストを持つクラスフルネットワークを割り当てる必要があります）アドレス、クラスフルネットワーク内のアドレスの99％以上を無駄にします）、
IPv4の寿命を延ばすのに最も大きな影響を与えた緩和策は、プライベートアドレス指定と、NAPT（ネットワークアドレスポート変換）と呼ばれるNAT（ネットワークアドレス変換）の変種の使用です。 NATまたはPATを参照してください（PATはベンダー固有のNAPTの用語です）。残念ながら、NAPTはIPエンドツーエンドのパラダイムを破るい回避策であり、固有のIPアドレス指定に依存するプロトコルを破り、さらにdependい回避策を必要とします。
NAT / NAPT
NATの概念は非常に単純です。パケットがNATデバイスを通過するときに、パケットヘッダー内の送信元および宛先IPv4アドレスのいずれかまたは両方を置き換えます。実際には、IPv4ヘッダーにはIPv4ヘッダーの整合性を確認する計算フィールドがあり、IPv4ヘッダーに加えられた変更にはフィールドの再計算が必要であり、パケットペイロードの一部のトランスポートプロトコルにも独自の計算フィールドがあるため、計算が必要ですパケット転送に使用できるNATデバイスのコンピューティングリソースを使用して、再計算する必要があるフィールド。
基本NATでは、NATデバイスには、内部ネットワークから外部ネットワークに送信されるIPv4パケットのパケットヘッダーのソースIPv4アドレスを置き換えるために使用するIPv4アドレスのプールがあり、変換テーブルを維持して変換します内部ネットワーク上の正しいホストにパケットを配信するために、外部ネットワークから戻るトラフィックの宛先IPv4アドレス。これには、変換テーブルを構築および維持し、テーブル検索を実行するためのNATデバイス上のリソースも必要です。NATが使用するリソースは、パケット転送に使用できるリソースから取得されるため、このリソースの使用により、パケットの転送が遅くなる可能性があります。
NAPTは、TCPおよびUDPのトランスポートプロトコルアドレス（ポート）、およびICMPのクエリIDも変換することにより、基本的なNATをさらに進めます。トランスポート層アドレスも変換することにより、NAPTは多くの内部ホストIPv4アドレスに対して単一の外部IPv4アドレスの使用を許可します。NAPTは、トランスポート層プロトコルごとに個別のテーブルを必要とし、トランスポートプロトコルの整合性計算も実行する必要があるため、Basic NATよりもさらにリソースを消費します。
複数のネットワークで再利用できるプライベートIPv4アドレッシングの使用（ほとんどのホーム/レジデンシャルネットワークは、デフォルトで同じ192.168.1.0/24ネットワークを使用することに気づいたかもしれません。これは、IANAが割り当てたプライベートIPv4アドレス範囲の1つにあります） 、NAPTとともに、ビジネスユーザーとホームユーザーがそれぞれ大規模な内部（プライベートアドレス指定）ネットワークに単一の外部（パブリック）アドレスを使用できるようにします。これにより、非常に多くのIPv4アドレス（可能なIPv4アドレスの合計数の数倍）が節約され、IPv4の寿命がNAPTなしで崩壊した時点をはるかに超えて延長されました。NAPTにはいくつかの重大な欠点があります。
- NAPTはIPエンドツーエンドのパラダイムを破り、TCP、UDP、およびICMPでのみ機能し、他のトランスポートプロトコルを破ります。TCPやUDPは名目上NAPTで動作しますが、TCPまたはUDPを使用するアプリケーション層プロトコルもあり、NAPTによって壊れます。一部のアプリケーション層プロトコルでは、STUN / TURNなどの他の緩和策が利用できる場合がありますが、コストと複雑さが増す可能性があります。
- NAPTは非常にリソースを集中的に使用するため、NATを使用しない場合に比べてパケット転送が遅くなります。一部のベンダーは、専用のハードウェアを追加して、パケット転送からリソースを盗む必要性を軽減していますが、これには追加の費用、サイズ、複雑さ、および電力使用量が伴います。
- NAPTを使用する場合、NAPTネットワークの外部から開始されたトラフィックは、内部開始トラフィックによって追加される変換テーブルに変換エントリがないため、内部ネットワークに配信できません。単一の外部（パブリック）アドレスはNATデバイスで構成され、その宛先IPv4アドレスを持ち、トランスポートプロトコルの変換テーブルにソースIPv4アドレスのエントリがないパケットは、NAPTデバイス自体であると想定されます。内部ネットワーク。この問題には、ポート転送と呼ばれる緩和策があります。
- ポートフォワーディングは、特定のトランスポートプロトコルおよびプロトコルのアドレスを宛先とする外部から開始されるトラフィックを特定の内部ホストに配信できるように、変換テーブルの永続的なエントリを基本的に手動で設定します。これには、1つの内部ホストのみが特定のトランスポートプロトコルとアドレスのターゲットになることができるという欠点があります。たとえば、内部ネットワークに複数のWebサーバーがある場合、TCPポート80（Webサーバーのデフォルト）で公開できるWebサーバーは1つだけです。
- IPv4アドレスの不足は非常に深刻であるため、ISP（インターネットサービスプロバイダー）は顧客に割り当てるためにパブリックアドレスが不足しています。ISPは、これ以上パブリックアドレスを取得できなくなったため、特にホーム/住宅ユーザーを傷つけるいくつかの緩和策を採用しました。ISPは、パブリックアドレスを取得する特権に対して支払いを希望する企業顧客のために、貴重なパブリックアドレスプールを予約したいと考えています。そのため、ISPは自宅または住宅の顧客にプライベートアドレスまたは共有アドレスの割り当てを開始し、ISPは独自のルーターでNAPTを使用して、単一のパブリックアドレスで複数のプライベートアドレスまたは共有アドレスの使用を促進します。これにより、ホーム/住宅ネットワークが2つのNAPT変換（ISP NAPTから顧客NAPTへ）の背後にあるという状況が生じます。
- 内部ホストは外部から直接アドレス指定できないため、多くの人がNAPTとセキュリティを同一視するという間違いを犯します。これは誤った安心感です。ネットワークをパブリックインターネットに接続するファイアウォールはNAPTを実行するのに便利な場所であるため、状況を混乱させるだけです。これにより、NAPT自体がファイアウォールであり、実際のファイアウォールは不要であるという危険な認識が生まれます。ネットワークセキュリティは、デフォルトですべての外部から開始されたトラフィックをブロックするファイアウォールから発生します。許可するように明示的に設定されたトラフィックのみを許可し、パケットコンテンツを詳細に検査して危険なパケットペイロードをドロップします。一部の人々が実現できないのは、NAPTデバイスを保護するために、NAPTデバイスの外側または内蔵のハードウェアまたはソフトウェアにファイアウォールがない場合、NAPTデバイス自体が脆弱であるということです。NAPTデバイスが侵害された場合、NAPTデバイス、ひいては攻撃者は、プライベートにアドレス指定された内部ネットワークに完全にアクセスできます。変換テーブルと一致しない外部から開始されたパケットは、NAPTデバイス自体に宛てられます。これは、NAPTデバイスが実際に外部アドレスでアドレス指定されるため、NAPTデバイスが直接攻撃される可能性があるためです。
IPv4アドレス不足の解決策
IETFはIPv4アドレスの不足を予測し、ソリューションを作成しました。それは、128ビットアドレスを使用するIPv6です。つまり、340,282,366,920,938,463,463,374,607,431,768,211,456の可能なIPv6アドレスがあります。想像を絶する数のIPv6アドレスにより、NAPTの必要性がなくなり（IPv6にはNAT標準がなく、IPv4にはありますが、実験的なIPv6 NAT RFCはNAPTを特に禁止しています）、元のIPエンドツーエンドパラダイムを復元します。IPv4アドレス不足の緩和策は、IPv6が遍在するまでIPv4の寿命を延ばすことを意図しており、その時点でIPv4は消滅します。
人間は、IPv6に使用されるサイズの数字を本当に理解することはできません。たとえば、標準のIPv6ネットワークは、ネットワークアドレスのネットワーク部分とホスト部分のそれぞれに64ビットを使用します。これは、18,446,744,073,709,551,616の可能なIPv6標準/ 64ネットワークと、それらの各ネットワークの同じ（膨大な）ホストアドレス数です。その数の数字を理解するために、ネットワーク上のすべての可能なアドレスをスキャンするツールを検討してください。そのようなツールが1秒あたり1,000,000個のアドレスをスキャンする可能性が低い場合、単一の/ 64 IPv6ネットワークでスキャンを実行するには584,542年以上かかります。現在、全IPv6アドレス空間の1/8のみがグローバルIPv6アドレスに割り当てられています。これは、2,305,843,009,213,693,952標準IPv6 / 64ネットワークに適用されます。これらの210億人のすべてが109,802,048個の標準IPv6 / 64ネットワークを持つことができ、各ネットワークには18,446,744,073,709,551,616個の可能なホストアドレスがあります。残念ながら、IPv4アドレスの不足（数十年）によって人々のアドレスの保存が深く根付いているため、多くの人はそれを手放すことができず、それをIPv6に適用しようとしますが、これは無意味で実際に有害です。IPv6は、実際にはアドレスを浪費するように設計されています。
IETFには後知恵の利点もあり、うまく機能しなかったIPv4の機能を削除し、一部のIPv4機能を改善し、IPv4にない機能を追加して、新しく改善されたIPを作成することにより、 。IPv6はIPv4とは完全に独立したプロトコルであるため、IPv4からIPv6への移行時にIPv4と並行して実行できます。ホストとネットワークデバイスは、同じインターフェイス上でIPv4とIPv6の両方を同時に（デュアルスタックで）実行でき、それぞれはもう見えません。2つのプロトコル間に干渉はありません。
IPv6の問題は、実際にはユビキタスIPv4と互換性のない完全に異なるプロトコルであり、IPv4アドレス不足の緩和策は多くの人々に「十分」であると見られていることです。 IPv6が標準化されてから何年も経ちましたが、IPv6を使用することで実際に牽引力を得ています（2018年9月現在、Googleの報告によると、世界でのIPv6の採用率は20％を超えており、米国でのIPv6採用率は35％を超えています）。最終的にIPv6に移行する理由は、割り当てられる未使用のIPv4アドレスがもうないことです。
他の障害もあり、すべてIPv4文化の一部であり、人々が過去を見るのは簡単ではありません。また、多くの人々がIPv6を怖がり、成長し、IPv4、いぼ、その他すべてに満足しています。たとえば、IPv6アドレスはIPv4アドレスに比べて大きくていように見えますが、これは多くの人を先送りにしているようです。実際には、IPv6は多くの場合、特にアドレス指定に関してIPv4より簡単で柔軟性があり、IPv4で学んだ教訓は最初からIPv6に適用されています。