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グローバルIPアドレスの払い出し方の実際

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Chironian

C++総合1位

グローバルIPとサブネットについてでsuzukisさんから教えて頂いたのですが、グローバルIPアドレスをサブネットに入れた形(通常のLAN接続的な構成)でプロバイダが払い出しても、グローバルIPアドレスをPPPより無駄に消費することはないということでした。

私自身は以下のように理解していました。どこか実態と異なるはずです。できればそれを把握しておきたいので、質問させて下さい。(なお、サブネット単位でのグローバルIPアドレス配布についは除外下さい。レアケースですし話がややこしくなりますので。)

  1. ブロードキャストの分割等の要因により、巨大なサブネットを細かいサブネットへ分割することが一般的である。
  2. 分割する度にネットワーク・アドレスとブロードキャスト・アドレスのために最低2つのアドレスが無駄になる。(従って、極端に細かくしない。)
  3. 分割されたサブネット内で全てのアドレスを払い出してしまうと、ユーサ側で機器交換した時など、再割当てに支障が発生するので、多少のマージンは必須となる。
  4. サブネット内のアドレス使用率を高く保つためには、空きが最小になるようユーザをサブネットへ上手に詰め込む必要があり、運用がかなりたいへんである。現実的にはどうしてもサブネット単位でそこそこの未使用アドレスが発生する。
  5. このようなサブネット分割によるIPv4アドレスの使用率低下が問題になるため、グローバルIPv4アドレスの配布時は、何か対策が打たれている。
  6. 上記3,4のような無駄はPPPでは発生しない。

しかし、CATVでもグローバルIPアドレスをサブネットに入れた形で払い出すことは珍しいことではなく、その際、PPPに較べてグローバルIPアドレスを贅沢に消費してはいないということですので、恐らく上記理解の1つ、または複数が実態と異なるのだと思います。

もし、そのようなCATVの実態をご存知の方がいらっしゃいましたら、是非、概要だけでも可能な範囲で教えて頂けないでしょうか?


【te2jiさんの追加・修正依頼により追記】

元の議論でもありましたが、CATVでグローバルを配布する際、「PPPと比べて」グローバルIPアドレスを贅沢に消費してはいないというのが正しいです。

その通りですね。
上記無駄のほとんどは3, 4と思います。PPPではそのような無駄は発生しないと理解してましたので省略しました。追記しておきます。

特に固定アドレスのつもりはないです。DHCPで配布と理解して頂けると幸いです。
DHCPで配布するにしても、あるユーザをどのルータ(サブネット)に入れるのか設定(もしかして工事)する必要があります。
ルータ設置場所(支所)ごとにルータの台数(サブネットの数)を決める必要があるでしょう。その台数を的確に運用するのは難しそうな気がしています。
例えば、ある支所の加入者が減り、他の支所の加入者が増え、サブネットを移転するべき状態になることってないでしょうか?
実際を知らないので、実は問題になるほどはないのかも知れません。


【不正確な表現と誤解を招く表現がいくつかあったので修正してます】
te2jiさん、stripeさんありがとうございます。


【一旦閉めます】
一般にIDを重複なく、かつ、余りなく割り当てる問題は難易度が高いです。
通常のLAN接続で各ホストにIPアドレスを割り当てるケースはこれに当てはまります。
DHCPは良い解で自動的に重複なく割り当てることができますが、余りなくはその課題に含まれていません。ホスト数の変動に対応するため、配布するアドレスに余裕を持たせることが一般的と思います。

しかし、イーサネット+IPv4の仕組みにサブネット内のIPアドレスを全て割り当てる問題と解決策について聞いたことがなく、そのような方向での研究はあまり活溌ではないように思います。
なので、グローバルIPv4アドレスをサブネットに入れて配布する場合、どうしても未使用アドレスが発生し、枯渇が問題となっているグローバルIPv4アドレスを無駄にしてしまうため、昨今ではそのような仕組みはなくなっている、もしくは、近々の内に無くなる方向と推測しています。

suzukisさんはそうではないという情報をお持ちのようでしたので、是非、それを教えて頂きたく質問を建てさせて頂きました。
残念ながらご回答頂けないご様子ですし、他の方からの回答もあまり活溌ではありませんので、この辺で一旦閉めさせて頂きます。
しかし、もし、この辺りの情報をお持ちの方がいらっしゃいましたら、可能な範囲でかまいませんので是非ご教授頂ければ幸いです。

疑問の解決には至りませんでしたか、いくつか貴重な情報をご提供頂けたte2jiさんの回答をベストアンサーとさせて頂きました。


【最終的に閉めます】
suzukisさんから回答頂けました。
おかげ様で、CATVでは3, 4の問題を解決できる能力を持つ装置が使われていることを理解できました。

suzukisさん、ありがとうございました。

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  • te2ji

    2016/04/13 11:57

    元の議論でもありましたが、CATVでグローバルを配布する際、「PPPと比べて」グローバルIPアドレスを贅沢に消費してはいないというのが正しいです。 あと一度整理して欲しいのですが、固定IPアドレスと配布するIP(PPPやDHCP)の話がごっちゃになっているようです。元の議論は配布アドレス、こちらは固定アドレスの内容に見受けられます。どちらを前提にされますか?

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  • Chironian

    2016/04/14 17:23

    あっと、追加・修正依頼への返信欄がありました。見落としてました。追加・修正しています。

    キャンセル

  • suzukis

    2016/04/15 13:30

    質問についさっき気付いたので回答しておきました

    キャンセル

回答 3

+1

これ読んでやっと「無駄」や「贅沢」といっておられた意味がわかりました。CATVはLANのような物と言ったのが誤解の元でしたね。LANのような物というのは「LANと同様にネットワークアドレスの概念が有り端末にはネットワークアドレスに属するアドレスが配布される」という意味だったのですが「ルータがあってHUBがあって接続されているルータのポートによってネットワークアドレスが厳密に決まっている教科書的なLAN」をイメージされてしまったのだと思います。

さて、5000ポートぐらいあるHUBを想像してみてください。ここに、ルータを1つつなげます。アドレスとして、192.168.0.1/24、192.168.1.1/24、192.168.2.1/24、192.168.3.1/24、...を設定します。(1つのポートに、です。)

端末は1台1台直接このHUBに接続するものとします。DHCPサーバは、192.168.0.0/24のプールからアドレスを払い出します。どんどん端末を繋いでいきます。192.168.0.0/24のプールがなくなったら、次は192.168.1.0/24のプールからIPアドレスが払い出されます。さらに繋いでいくと、次のプール、次のプール、とアドレスが払い出されます。プール自体が足りなくなればプールを追加します。

これであれば、MACが変更されて新しいアドレスが払い出される場合でもプールがいっぱいであれば次のプールから払い出されるだけですし、加入者の増減はこの範囲で平準化されます。新規加入者をどのポートに繋ぐべきかも考える必要はありません。プールごとに余裕を持っておく必要はなく/24のネットワークアドレスをほぼ使い切ることが出来ます。

これはあくまでイメージですが、おおむねこういうことです。

上記のようなことを普通にEthernet上でやってしまうと実際にはブロードキャストが問題になるのですが、CATVであればヘッドエンド(親玉の装置)が各ケーブルモデム配下の端末をすべて把握しているのでたとえばARPは不要ですしIPブロードキャストも送信先を選択できるなどするので問題になりません。

またCATVの場合、グローバルIPアドレス配布の場合一般に1加入者1端末に制限されています。この制限のため、ケーブルモデム側で端末台数が制御されていることが多いです。その点でも、必要なアドレス数は管理できるため、過剰なマージンを取る必要はありません。

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  • 2016/04/15 14:16

    横から失礼します。
    ARPを使用しなくて良いというところがよくわかりませんでした。
    ヘッドエンドとケーブルモデムが固定であるから必要ないという理解で正しいでしょうか?
    もし可能であれば、なにかイメージが共有できるようなものがあると嬉しいです。

    キャンセル

  • 2016/04/15 14:19 編集

    こんにちは。

    ご回答ありがとうございます!!

    > 「ルータがあってHUBがあって接続されているルータのポートによってネットワークアドレスが厳密に決まっている教科書的なLAN」をイメージされてしまったのだと思います。

    全くその通りです。

    > CATVであればヘッドエンド(親玉の装置)が各ケーブルモデム配下の端末をすべて把握しているのでたとえばARPは不要ですしIPブロードキャストも送信先を選択できる

    なるほど。
    「各ケーブルモデム配下の端末をすべて把握」ということは恐らく各ケーブルモデム配下の端末にIDを割り振って管理しているのですね。ユーザ・エンドにIDが割り当てられているのであればPPPと同様なレベルでIPv4アドレスの割り振りが可能であること理解できます。納得しました。

    途中、私の無知が原因でご不快な思いをさせたかも知れません。
    それにも関わらずご回答頂け、誠にありがとうございました。

    本来であれば、疑問を解消頂けたこちらにベストアンサーするべきなのですが、ベストアンサーの変更は個人的にあまりしたくないので、+評価にてご容赦頂ければ幸いです。

    キャンセル

  • 2016/04/15 14:29

    DHCPでの払い出しそのものにはケーブルモデムの識別は関係なく、リクエストが来たものに対して払い出しをしているだけです(上記5000ポートのHUBの例の範囲)。PPPと同等というのが1接続1IPアドレスで複数接続が許されない(一般的に)のことをさしているのであれば、ケーブルモデムでの端末接続台数制限がそれに該当します。

    キャンセル

  • 2016/04/15 14:38

    書いてませんでしたが、CATVは上り下り非対称なので、端末間通信でも必ずヘッドエンドが中継します。端末がARPリクエストを送信するまではEthernetの世界と同じですが、端末のIPアドレスとMACアドレスはヘッドエンドがすべて持っていますので、ブロードキャストを転送する必要は無くヘッドエンドが替わりに応答できます。

    キャンセル

  • 2016/04/15 15:14

    理解しました。ありがとうございました!

    キャンセル

  • 2016/04/15 15:44

    追加のコメントでもう少し理解できた気がします。

    > DHCPでの払い出しそのものにはケーブルモデムの識別は関係なく、リクエストが来たものに対して払い出しをしているだけです(上記5000ポートのHUBの例の範囲)。

    一般にDHCPは自分が属するサブネットのIPアドレスを割り当てると思っていたのですが、それは設定でそのようにしているだけで、サブネットは気にしないで単純に未使用IPアドレスを割り当てるのですね。
    そして、そのDHCPリクエストと応答をヘッドエンドが監視して、IPアドレスとMACアドレスの対応表を作り、ヘッドエンドが以後のARPに応答していると理解しました。

    ARP以外のブロード・キャスト制御をどのようにしているのか分かりませんが、ヘッドエンドがVLANの機能を持っていれば対応できますね。ヘッドエンドは各ポートの先に接続されている端末が属するサブネットも把握できますので。

    であれば、特にIDを割り振らなくても、適切に自動的にサブネットへ入れることができますね。なるほど、頭のいい方法です。ありがとうございます。

    キャンセル

  • 2016/04/15 16:59

    大幅に簡略化した説明の上ですので「イメージのレベルでは明らかに誤りとは言えない」ぐらいの状態ではありますが、技術的には全く正確な理解ではないのでそのようにご認識ください。どの分野でもそうですが、基礎知識がない分野の話は絶対に正確な理解にはたどり着けないので。

    キャンセル

  • 2016/04/15 18:23

    教科書的な基礎知識くらいは持っているつもりですが、ヘッドエンドの技術の概要を把握するには全く足りないのですね。なんとなく分かります。
    「LAN形式のままグローバルIPv4をムダにすることなくユーザに割り当てる技術が存在し、使われているが、詳しいことは専門家に聞いてくれ」と自分の中でさせて頂きます。
    お付き合い頂き、誠にありがとうございました。

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checkベストアンサー

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ちょっと質問に対しての思い込みとかもありそうなので、質問の前提に対して誤った回答になるかもしれませんが、面白そうなので参加させてもらいます。

6,VLANとDHCPを利用することで、PPPとあまり変わらない程度のコントロールは可能です。
CATVでグローバルIPアドレスが使える場合、STBにグローバルが振られる場合と、その先の端末までグローバルが振られる場合があるようです。前者であれば、PPPとほぼおなじ数のグローバルアドレスですね。

以下、その他の箇所で気になったところ
1,ネットワークの分割は、ブロードキャストの分割、ポリシーの分割(ロケーションや役割等)、障害時影響範囲の分割等で行われます。ルータの限界が主原因ではないです。
2,端末に使用できないアドレスという意味ではブロードキャストアドレスもあるので2つですね。

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  • 2016/04/13 14:38 編集

    > 6,VLANとDHCPを利用することで、PPPとあまり変わらない程度のコントロールは可能です。

    なるほど、VLANを使えば支所間でもサブネットを共有できるから、サブネットの移転問題はそうそう起きないですね。

    しかし、PPPはユーザ・エンドにIDを割り当てますが、LANではそれができません。(MACアドレスは機器が変わると変わりますし、IPアドレスはそもそも可変ですし。)なので、PPPと同じレベルでアドレス割り当てすることは困難な気がしているのですが、実はVLANならできる?
    調べてみました。ユーザベースVLANならできそうですね。http://wa3.i-3-i.info/word12088.html
    ユーザごとにどのサブネットに入れるのか設定で決めることが出来るのであれば、PPPと同じレベルでアドレス割り当てできそうな印象です。そういうことでしょうか?

    ところで、分割は1の要因が主なのですね。なるほど。2は失念してました。
    ご教授ありがとうございます。

    キャンセル

  • 2016/04/13 23:06

    802.1xを利用した管理が一時期はやっていましたが、今はどうなんでしょうかねぇ。エンタープライズでは結構引き合いがありましたが、プロバイダが積極的に入れた例は聞かなかった気がします。少し業界から離れているのでどなたかくわしい方がいるとイイんですけど。

    キャンセル

  • 2016/04/14 00:22

    本当に「実態」となると中々ネットで検索しても判らないので、詳しい方がいらっしゃると有り難いですね。

    JCOMさんが総務省のサイトに2012年までにCGNを導入するという計画を載せてました。
    http://www.soumu.go.jp/main_content/000119405.pdf
    suzukisさんのコメントからたぶん実施されてないのでしょうけど、圧力は結構かかっていて縮小方向なのかなとも感じます。

    キャンセル

-2

1.数万台ものホストを収容できようなルータはなく、巨大なサブネットを細かいサブネットへ分割することが一般的である。

ルータに収容できるアドレス数に制限はありません。
小さいサブネットに分割するのは、ブロードキャスト範囲を狭くして無駄なトラフィックの発生を防ぐためです。

2.分割する度にネットワーク・アドレスのために最低1つのアドレスが無駄になる。(従って、極端に細かくしない。)

ユーザーに対してサブネット単位でアドレスを割り当てることもあります。そのため、どの程度サブネットを細かくするのかは、サービス内容しだいです。

3.分割されたサブネット内で全てのアドレスを払い出してしまうと、ユーサ側で機器交換した時など、再割当てに支障が発生するので、多少のマージンは必須となる。

別にサブネット内の全てのアドレスを払い出しても、機器交換に支障はありません。

4.ユーザの物理回線をどのルータへ接続するのか?の問題により、サブネット内のアドレス使用率を高く保つためには、運用がかなりたいへんなことになる。結果、どうしてもサブネット単位でそこそこの未使用アドレスが発生する。

「ユーザの物理回線をどのルータへ接続するのか?の問題により」って、いったい何が問題になるのか意味不明です。
特に何の問題もなく運用していけると思います。

PPPの利用は、プロバイダ〜ユーザー間の回線接続方式の話なので、アドレスの払い出しとは関係ありません。

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  • 2016/04/14 17:11 編集

    > ルータに収容できるアドレス数に制限はありません。
    > 小さいサブネットに分割するのは、ブロードキャスト範囲を狭くして無駄なトラフィックの発生を防ぐためです。

    なるほどです。性能限界はありそうに思いますが、それよりブロードキャストの要因の方が大きいのですね。ありがとうございます。

    > ユーザーに対してサブネット単位でアドレスを割り当てることもあります。

    ああ、すいません。サブネット単位での割り当てはレアケースですので、当初より頭にありませんでした。申し訳ないですが、除外して考えて頂けると幸いです。

    > 別にサブネット内の全てのアドレスを払い出しても、機器交換に支障はありません。

    まじっすか? DHCPはリース期限があります。全てのアドレスを払い出した状態であるユーザが故障等により適切な切断処理をできないままNICを交換するとそのリース期限が来るまで、交換後のNICにはIPアドレスを割り振れないのではないかと思っています。交換後の接続テストが通らないのでNICが原因ではなかったと判断して頭痛いことになりそうです。
    実際にやってみたことはないので、推測ですが。

    > 「ユーザの物理回線をどのルータへ接続するのか?の問題により」って、いったい何が問題になるのか意味不明です。

    ルータと書いたのが良くなかったですね。すいません。どのサブネットへいれるのか?の問題です。
    グローバルIPv4を無駄に消費しないためには、サブネット内のアドレスを出来る限り使用している状態を保つ必要があります。空きは全て無駄になりますので。
    /24のサブネットなら、理想は常に254個のアドレスが使用されている状態を保つことです。ユーザの新規加入や脱退に対応する必要があり、ポートベースVLANを使ったとしても、アドレスに空きが生じないよう、どの支所にあるどのポートをどのサブネットへ入れるか設定し、かつ、そのポートにユーザ回線を間違いなく接続することは結構困難なことではないでしょうか?
    逆に空きを気にしなければそんな面倒な設定は不要ですし、接続するルータさえ間違えなければ接続先ポートも気にしないで運用できます。格段に運用が楽になります。

    実は、この問題を解決できるような技術的手段(例えばユーザベースVLAN)が使われているのか、もしくは、空きを許容して運用しているのか、どちらかだろうと予想しています。

    キャンセル

  • 2016/04/14 19:40

    Chironianさんの頭の中では、ユーザーがプロバイダのDHCPから直接アドレスを取得することになっているんですか?
    それって、一人のユーザーが複数のアドレスを取得できるってことですか?
    プロバイダがそういう形態のサービスを提供しているなら、アドレス管理は完全にDHCPサーバ任せです。

    それから、VLANはレイヤー2の話、IPアドレスはレイヤー3の話、「ポートベースVLANを使ったとしても、アドレスに空きが生じないよう」って言われても、全然話が通りません。

    「どの支所にあるどのポートをどのサブネットへ入れるか設定し、かつ、そのポートにユーザ回線を間違いなく接続することは結構困難なことではないでしょうか?」って、全然困難な要素がありません。
    どのポートがどのサブネットなのかは、プロバイダならごく当たり前に管理されています。


    > 逆に空きを気にしなければそんな面倒な設定は不要ですし

    いったい何の設定の話をしてるんですか?

    キャンセル

  • 2016/04/14 21:56 編集

    Stripeさん。

    Stripeさんのコメントに私のコメントへの反論が含まれている様子ですが、反論の主旨を読み取ることができませんでした。
    その原因は、Stripeさんの回答に対して一部反論させて頂きましたが、私の説明力不足のせいでその意味を伝えることに失敗していることにあると思います。

    結構頑張って説明文を書いたつもりですが、力至らず申し訳ありません。
    これ以上の説明は私の手に余りますので、このまま質疑応答を継続してもお互いに時間を無駄に費やすだけと思います。
    折角、質問にお付き合い頂いているのにたいへん申し訳ないのですが、Stripeさんとの当話題に関する質疑応答はこれに終了させて頂きます。

    ご回答、ありがとうございました。

    【編集しました】
    意味は同じですが用語を変更しました。「議論」を「質問」と「質疑応答」へ変更しています。

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  • 2016/04/14 22:28

    議論??
    あなたは、IPアドレスの払い出し方法について質問していたのではないのですか?

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