IPv4とIPv6の違い

インターネットプロトコル (IP) は、ネットワーク境界を越えてデータを送信するための主要なルールセットとして機能します。その主な機能は、デバイスに一意のアドレスを提供し、インターネットを介してデバイス間でデータをルーティングすることです。

IP は長年にわたって進化しており、IPv4 は世界中で導入された最初のメジャーバージョンであり、IPv6 は IPv4 の制限に対処するために設計された後継バージョンです。これら 2 つのバージョンの違いを理解することは、ネットワークエンジニア、IT プロフェッショナル、および企業のデジタル変革に携わるすべての人にとって重要です。

IPv4 と IPv6 の主な違いは、IPv4 では 32 ビットのアドレス指定が可能で、約 43 億の固有アドレスが使用できるのに対し、IPv6 では 128 ビットの方式を使用して、セキュリティと効率性が向上し、事実上無制限の数のデバイスをサポートできることです。

IPv4 と IPv6 の違いをすべて理解しましょう。

IPv4の概要

1981 年に導入されたインターネットプロトコルバージョン 4 (IPv4) は、ネットワーク環境におけるデータ通信の基礎となっています。IPv4 は 32 ビットのアドレススキームを使用し、約 43 億の固有アドレスを許可します。

インターネットの初期の頃はこの数は十分であるように思われましたが、接続デバイスの爆発的な増加により、このアドレス空間はすぐに不十分になり、アドレス枯渇の可能性が生じました。

IPv6 Way が発明された理由

IPv4 の制限を克服するために、1999 年に IPv6 が導入されました。IPv6 は 128 ビットのアドレス空間を使用し、可能なアドレスの数が約 340 冪乗 (3.4 x 10^38) に大幅に増加します。これは、インターネットに接続されたデバイスが世界中で将来的に増加した場合に必要となる機能強化です。

このアドレス空間の大幅な拡張は、IPv6 の開発と段階的な導入の主な原動力です。

IPv4とIPv6のアドレスサイズの比較

IPv4 アドレスは 32 ビット長で、10 進数ではドットで区切られた 4 つの数字で表されます (例: 192.168.1.1)。一方、IPv6 アドレスは 128 ビット長で、16 進数ではコロンで区切られた 4 つの 16 進数字の 8 つのグループで表されます (例: 2001:0db8:85a3:0000:0000:8a2e:0370:7334)。

IPv4 アドレス空間には、当初は明らかではなかった制限があります。モノのインターネット (IoT) の出現とネットワーク化が進む世界により、IPv4 プロトコルではすべてのデバイスに十分に対応できなくなりました。IPv6 はアドレス空間が広く、数十億のデバイスに固有のパブリック IP アドレスを割り当てることができるため、アドレス枯渇対策として IPv4 ネットワークで一般的に使用されているネットワークアドレス変換 (NAT) が不要になります。

IPv4とIPv6のヘッダーフォーマットとパケット処理の詳細な比較

IPv4 ヘッダーの長さは可変 (20 ～ 60 バイト) で、IPv6 ヘッダーにはないいくつかのフィールドが含まれています。IPv6 ヘッダーは 40 バイトに固定されており、不要なオプションを削除してオプションの拡張ヘッダーに配置することで、処理を簡素化および高速化するように設計されています。

IPv4 では、送信側と中間ルーターの両方でパケットの断片化が可能です。これにより、効率が低下し、待ち時間が長くなる可能性があります。IPv6 では、送信側のみがパケットを断片化できるようにすることでこの作業が簡素化され、ルーターの負荷と複雑さが軽減され、ネットワーク全体のパフォーマンスが向上します。

IPv4 ヘッダー:

可変長IPv4 ヘッダーは最も単純なものでは 20 バイトですが、オプションフィールドとオプションにより最大 60 バイトまで拡張できます。
田畑: バージョン、ヘッダー長、サービスタイプ、合計長、識別、フラグ、フラグメントオフセット、存続時間 (TTL)、プロトコル、ヘッダーチェックサム、送信元アドレス、宛先アドレス、オプション (ある場合) などのフィールドが含まれます。オプションが存在すると、ヘッダーサイズが大きくなり、ヘッダー処理が複雑になる可能性があります。
断片化: パケットサイズがネットワークパスの最大転送単位 (MTU) を超える場合、送信側と中間ルーターの両方がパケットを断片化できます。これにより、断片化のオーバーヘッドなどの問題が発生する可能性があり、パケット損失の可能性が高まります。
チェックサム: ヘッダーのみをカバーするチェックサムフィールドが含まれます。このチェックサムは、パケットが通過するときに各ルーターで再計算する必要があり、処理のオーバーヘッドが追加されます。

IPv6 ヘッダー:

固定長: IPv6 ヘッダーは常に 40 バイトの長さで、より合理化されたアプローチが採用されています。
田畑: 含まれるフィールドは少なくなります: バージョン、トラフィッククラス、フローラベル、ペイロード長、次のヘッダー、ホップ制限、送信元アドレス、および宛先アドレス。
簡素化された処理IPv6 ヘッダーの固定サイズとフィールド数の削減により、ルーターによる処理が高速化されます。オプションはヘッダーに含まれず、拡張ヘッダーを使用して処理されます。拡張ヘッダーは宛先ノードによってのみ処理されるため、パケットのパスに沿った各ホップの処理負荷が軽減されます。
断片化: IPv6 では、ルーターはフラグメンテーションを実行しません。パケットが MTU を超えると、パケットはドロップされ、ICMPv6 Packet Too Big メッセージが送信者に返されます。フラグメンテーションは送信者が行う必要があります。このアプローチにより、ルーターの複雑さとリソース要求が軽減されます。
ヘッダーチェックサムなし: IPv6 にはヘッダーチェックサムが含まれていません。エラーチェックはトランスポート層に委任されるため、各ホップの処理負荷が軽減され、ルーティングが高速化されます。

IPv6 拡張機能に関する追加情報:

フローラベルIPv6 ヘッダーのフローラベルフィールドは、IPv4 では利用できないサービス品質 (QoS) 処理のために、同じフローに属するパケットを識別するために使用されます。この機能は、特にリアルタイムアプリケーションに役立ちます。
ホップ制限: パケットの存続期間を決定するために、Time to Live (TTL) フィールドを置き換えます。ホップリミットは、パケットを転送するルータごとに 1 ずつ減少します。ホップリミットが 0 に達すると、パケットは破棄されます。
トラフィッククラス: IPv4 の Type of Service と同様に、このフィールドはパケットの優先度を指定するために使用されます。

IPv4 から IPv6 へのこれらの機能強化と変更は、以前のプロトコルバージョンの制限に対処するだけでなく、相互接続が進む世界におけるネットワークサービスの効率と機能も向上させます。

IPv4 から IPv6 へのセキュリティ強化:

IPv4 はセキュリティを考慮して設計されていなかったため、安全な通信には IPsec などの追加プロトコルが必要でした。IPv6 には、暗号化されたトラフィックと認証された通信をネイティブにサポートする IPsec によってプロトコルにセキュリティが組み込まれているため、IPv6 は本質的に IPv4 よりも安全です。

セキュリティは、IPv6 とその前身である IPv4 とを大きく差別化する重要な側面です。

IPv4 セキュリティの概要:

初期設計IPv4 は、インターネットが現在ほど広く普及していなかった時代に開発されたため、セキュリティは主要な懸念事項ではありませんでした。そのため、IPv4 には固有のセキュリティ機能が欠けており、追加のセキュリティ対策が必要になります。
アプリケーションへの依存IPv4 ネットワークのセキュリティは、上位層のプロトコルとアプリケーションに大きく依存します。たとえば、IPv4 経由の安全な通信には通常、トランスポート層セキュリティ (TLS) またはセキュアソケットレイヤー (SSL) の実装が必要です。
IPsec (オプション): IPsec は IPv4 で使用できますが、必須ではなく、両方のエンドポイントで明示的に構成およびサポートされている必要があります。IPv4 の IPsec は、ホストのペア (ホスト間)、セキュリティゲートウェイのペア (ゲートウェイ間)、またはセキュリティゲートウェイとホスト (ゲートウェイ間) 間のデータフローを暗号化できます。

IPv6 セキュリティ強化:

必須の IPsec: IPv4 とは異なり、IPv6 は IPsec をネイティブに統合しているため、必須のプロトコルコンポーネントとなっています。この要件により、すべての IPv6 デバイスが IPsec をサポートできるようになりますが、すべての通信で IPsec を使用する必要はありません。IPsec の必須サポートにより、データの機密性、データの整合性、およびデータ発信元の認証のための堅牢なオプションが提供されます。
エンドツーエンドの暗号化と認証: IPsec を IPv6 に統合すると、エンドツーエンドの暗号化と認証が可能になります。これは、NAT デバイスなどのミドルボックスがトラフィックを保護する IPsec の機能を妨害する可能性がある IPv4 に比べて大幅に改善されています。IPv6 では、インターネットのエンドツーエンドの原則が維持され、セキュリティとプライバシーが強化されます。
簡素化されたヘッダー構造: IPv6 の簡素化されたヘッダー構造では、必須でないフィールドが拡張ヘッダーに移動され、中間ルーターでのパケット処理が効率化されます。この設計により、ヘッダー処理に関連するセキュリティ上の脆弱性の可能性が最小限に抑えられ、中間デバイスがパケットに対して実行できるアクションの数を制限することで攻撃対象領域が縮小されます。

追加のセキュリティプロトコル:

セキュアネイバーディスカバリ (SEND)IPv6 では、同一リンク上の隣接ノード間の相互作用に不可欠な近隣探索プロトコル (NDP) の拡張であるセキュア近隣探索プロトコルが導入されています。SEND は NDP にセキュリティを追加します。これは、ルーターのスプーフィングやリダイレクトなどのさまざまな攻撃を防ぐために不可欠です。SEND は暗号化方式を使用して、近隣ノード間で交換されるメッセージの正当性を保証します。
ルーター広告セキュリティIPv6 には、ネットワーク上のデバイスの自動構成に不可欠なルーター広告を保護するための機能が強化されています。ルーター広告がなりすましの影響を受けやすい IPv4 とは異なり、SEND を備えた IPv6 ではこれらのメッセージを認証できるため、悪意のあるルーター構成から保護できます。

IPv6 セキュリティの導入:

ファイアウォールとネットワークセキュリティ: IPv6 に移行するには、新しいプロトコルを処理するためにファイアウォール構成やその他のネットワークセキュリティツールを更新する必要があります。IPv6 の異なるパケット構造とアドレス指定では、IPv4 ネットワークとのセキュリティの同等性を維持するために、トラフィックに合わせて調整された特定のルールが必要です。
教育とトレーニング: IPv6 の複雑さと新機能を考慮すると、IT プロフェッショナルは IPv6 のセキュリティ機能とベストプラクティスに関する最新のトレーニングを受ける必要があります。適切な知識の普及により、進化する脅威に対してネットワークを効果的に保護できます。

IPv6 は、主に IPsec の必須サポートと SEND などの機能強化により、セキュリティの面で IPv4 よりも大幅に改善されています。これらの進歩は、IPv4 のセキュリティ上の欠点に対処するだけでなく、インターネット通信のプライバシーとセキュリティを強化するという現代のニーズにも合致しています。

ネットワーク構成と管理: IPv4 から IPv6 への移行

IPv4 から IPv6 への移行には、ネットワーク構成と管理のいくつかの側面が関係しており、それぞれがネットワーク機能を強化しながらスムーズな切り替えを保証する上で重要な役割を果たします。

IPv6 は、スケーラビリティとアドレス空間の面で IPv4 の制限に対処するだけでなく、ネットワークの構成と管理にも大きな改善をもたらします。これらの機能強化により、管理オーバーヘッドが削減され、ネットワークの柔軟性が向上し、セキュリティが本質的に強化されるため、IPv6 はインターネットインフラストラクチャの将来の開発のための堅牢な基盤となります。

したがって、IPv6 への移行は、より多くのデバイスに対応することだけではなく、ネットワークをより管理しやすく、安全にし、次世代のインターネットアプリケーションに対応できるようにすることです。

IPv4 ネットワーク構成の概要:

手動および DHCP 構成:

IPv4 ネットワーク管理者は、各デバイスでネットワーク設定を手動で構成するか、動的ホスト構成プロトコル (DHCP) を使用して IP アドレスやその他のネットワーク設定を自動的に割り当てる必要があります。DHCP は管理を簡素化しますが、IP 情報を配布するために中央サーバーに依存しているため、単一障害点になる可能性があります。

サブネット化とアドレス管理:

複雑なサブネット化IPv4 ネットワークでは、限られたアドレス空間を効率的に利用するために、複雑なサブネット化スキームが必要になることがよくあります。これらのサブネットの管理と最適化は手動で行うことが多く、エラーが発生しやすいため、管理上の負担が増大する可能性があります。
ネットワークアドレス変換 (NAT): アドレス空間が限られているため、IPv4 では NAT を広範に使用して、プライベートネットワーク上の複数のデバイスが 1 つのパブリック IP アドレスを共有できるようにしています。このアプローチではアドレス空間が節約されますが、ネットワーク管理が複雑になり、エンドツーエンドの接続と特定のプロトコルが妨げられます。

IPv6 ネットワーク構成の強化:

ステートレスアドレス自動構成 (SLAAC):

自動ネットワーク構成IPv6 では SLAAC が導入され、DHCP などのサーバーベースのメカニズムを必要とせずに、デバイスがネットワーク上で自動的に自分自身を構成できるようになります。各デバイスは、ローカルルーターによってアドバタイズされたネットワークプレフィックスと独自のハードウェア (MAC) アドレスに基づいて独自のアドレスを生成できます。
EUI-64 フォーマット: 自動構成プロセスでは、多くの場合、EUI-64 形式が使用されます。この形式では、デバイスの 48 ビット MAC アドレスが 64 ビットに拡張され、128 ビット IPv6 アドレスのインターフェイス識別子が形成されます。この方法により、デバイスのセットアップとネットワークへの統合が簡素化されます。

改良された DHCP (DHCPv6):

オプション使用SLAAC はデバイスのアドレス指定を迅速かつ効率的に行う方法を提供しますが、DNS 設定、ドメイン名、その他のネットワークパラメータなど、より詳細な構成をクライアントにプッシュする必要があるシナリオでは、DHCPv6 も引き続き使用できます。
ステートフル構成: DHCPv6 はステートフルモードで使用してアドレスの割り当てを追跡できるため、詳細なクライアント構成と監査が必要な管理対象ネットワーク環境で役立ちます。

ネットワークの再構成と再番号付け:

より簡単なIP再割り当てIPv6 の広大なアドレス空間と柔軟なアーキテクチャにより、ネットワークの再番号付け、つまりネットワーク上のデバイスが使用する IP アドレスの変更が容易になります。IPv6 では、プロトコルがインターフェイスごとに複数のアドレスをサポートしているため、中断を最小限に抑えてサブネット全体の番号付けを行えます。

複雑さへの対処と管理の簡素化:

階層型アドレス割り当て:

構造化アドレス指定IPv6 は、より階層的な IP アドレス構造をサポートし、インターネットルーターでのルート集約を強化し、ルーティングテーブルのサイズを縮小します。これにより、グローバルルーティングシステムの効率と拡張性が向上します。
ローカルアドレス指定IPv6 では、リンクローカルアドレスとユニークローカルアドレスも導入され、多くの場合、グローバルアドレスの構成を必要とせずにローカル通信が容易になります。これは、内部ネットワークの構成とサービスの分離に特に役立ちます。

セキュリティとネットワークポリシー:

セキュリティ構成の改善: IPv6 は IPsec をネイティブでサポートしているため、ネットワーク管理者は暗号化されたネットワークトラフィックやホスト間の認証された通信など、強力なセキュリティポリシーを IP レイヤー内で直接実装できます。
ネットワークポリシーの適用IP 層にセキュリティを埋め込む機能により、ネットワークセキュリティポリシーの適用が簡素化され、上位層プロトコルやアプリケーションレベルのセキュリティ対策への依存が軽減されます。

IPv4とIPv6の17の違い

特徴	IPv4	IPv6
アドレスの長さ	32ビット	128ビット
アドレス指定タイプ	ドット付き 10 進表記で表される数値 (例: 192.168.1.1)	英数字、16進数で表されます（例：2001:0db8::1）
総アドレス数	約43億	約3.4 x 10^38
ヘッダーフィールド	可変長の12フィールド	8つの固定長フィールド
ヘッダーの長さ	20～60バイト、可変	40バイト、固定
チェックサム	エラーチェック用のチェックサムフィールドが含まれています。	チェックサムフィールドなし。レイヤー2/3テクノロジーで処理されます。
安全	エラーチェック用のチェックサムフィールドが含まれています	IPsecが組み込まれており、ネイティブのセキュリティ機能を提供します
断片化	送信者とルーターの両方で実行	送信者のみが実行
アドレス設定	手動設定またはDHCP	ステートレスアドレス自動構成 (SLAAC) または DHCPv6
ブロードキャストアドレス指定	ブロードキャストアドレスを使用する	ブロードキャストは使用せず、代わりにマルチキャストを使用します
IPからMACへの解決	ARP (アドレス解決プロトコル) を使用します	NDP (近隣探索プロトコル) を使用する
可動性	サポートは限定的、モバイル IP が必要	組み込みのモビリティ機能による優れたサポート
ネットワークアドレス変換 (NAT)	階層型アドレス指定により効率が向上し、ルート集約が可能	アドレス空間が大きいため不要
ルーティング効率	フラットで非階層的なアドレス構造のため効率が低い	階層型アドレス指定により効率が向上し、ルート集約が可能
サブネット化	サブネットとCIDR（クラスレスドメイン間ルーティング）を使用します	CIDR を使用します。アドレス空間が大きいため、従来のサブネット化は不要です。
移行メカニズム	該当なし	デュアルスタック、トンネリング、変換技術を含む
管理の容易さ	IPアドレスとサブネットの慎重な管理が必要	自動構成と豊富なIPアドレスによる管理の簡素化

結論

IPv6 は、IPv4 の枯渇により必要になっただけではありません。ネットワーク設計とパフォーマンスの大きな前進を意味します。IPv6 の採用は、インターネットの将来の拡張性とセキュリティにとって非常に重要です。今後、ネットワーク化された世界のすべての関係者にとって、IPv6 の採用は必須となります。