【Network Systems Foundations】ネットワーク層の学習整理

Last updated at 2025-11-29Posted at 2025-11-02

はじめに

本記事は、Coursera の Network Systems Foundations モジュール「Network Layer」で学んだ内容を整理する目的でまとめたものです。

リンク層は同一ネットワーク内での通信を扱いますが、異なるネットワーク間を接続して通信を成立させるのがネットワーク層の役割です。
ルータを介して、異なるサブネット間でパケットを中継します。

IP の通信は 信頼性を保証しない「Best Effort」方式です。

IP は「異なるリンク層を共通のアドレス空間で結ぶ」ことに特化し、最小限の共通機能のみを提供します。信頼性や順序保証は上位層（例: TCP）が担います。

IPv4: 32bit (例: 192.168.0.1)
IPv6: 128bit (例: 2001:db8::ff00:42:8329)
サブネット化: アドレスを階層的に分割し、管理しやすくする仕組み
CIDR (Classless Inter-Domain Routing): a.b.c.d/x の形式
- 例: 2.1.1.0/24
- x はネットワーク部のビット長（最長一致検索の単位）

💡 2.1.0.0/24 と 2.1.1.0/24 は連結して 2.1.0.0/23 と表せる（上位の集約）。

ネットワーク層の中心装置である ルータ (Router) は、主に 2 つの機能プレーンを持ちます。

プレーン	役割
コントロールプレーン (Routing)	経路情報の交換と転送テーブルの生成
データプレーン (Forwarding)	実際のパケット転送を担当

Line Card がパケットを受信
転送テーブルから宛先 IP を Longest Prefix Match (LPM) で検索
（リンク層では完全一致だが、ネットワーク層ではプレフィックス最長一致）
出力ポートを決定し、Switch Fabric を介して送信

方式	概要	特徴・制約	イメージ
① メモリ方式	CPU が「入力 → メモリ → 出力」を順番に処理	CPU/メモリ帯域に依存、並列化困難	郵便局で一度倉庫に置いてから仕分け
② バス方式	全ポートが共有バスを利用して順番に転送	バスがボトルネック、同時転送不可	一本の廊下を全員で共有
③ クロスバー方式	入力と出力をマトリクス配線で直結	並列動作が可能、コスト高	交差点信号のように動的接続
④ 分散処理方式	マルチコア CPU で並列転送（仮想スイッチ）	ソフトウェア柔軟性・クラウド対応	自動仕分け機での高速処理

ルーティングは 経路探索アルゴリズム により「どのルータ経由で目的地に送るか」を決定します。

各 AS (Autonomous System) が経路情報を交換。
経路は「AS の列（AS Path）」として表現。
経路選択は距離だけでなく、ビジネスポリシー（提供者・顧客・ピア関係）を考慮。
- 例: Provider / Customer / Peer の関係で情報共有制限あり。
- BGP 属性（AS Path 長, Local Pref, MED 等）をもとに最適経路を選択。
Inter（異なる自治体間） で利用される。

機能	内容
IANA / RIR	世界および地域レベルで IP アドレス空間を管理
ISP	一般ユーザーに IP を割り当て
ARP (Address Resolution Protocol)	IP アドレス → MAC アドレスの変換
DHCP (Dynamic Host Configuration Protocol)	IP アドレスを動的に割り当て、再利用性を高める

ツール	機能	解説
ping	ノード到達性・遅延確認	ICMP Echo Request/Reply を利用
traceroute	経路確認	TTL 値を 1 ずつ増やして ICMP Time Exceeded を受信
iperf3	通信スループット計測	TCP/UDP ベースで帯域・遅延を測定可能

💡 実践ポイント:
ping で疎通を確認 → traceroute で経路を特定 → iperf3 で帯域を測定、の順で問題箇所を特定できます。