TCP/IP基礎入門：IPv4/IPv6アドレス計算と主要ポート番号・プロトコル一覧【LinuC102】



Linuxサーバーが外部と通信し、Webやデータベース、ファイル共有などのサービスを提供するためには、TCP/IPネットワークの論理構造を正確に理解しておく必要があります。LinuC 102試験の主題1.07.1「インターネットプロトコルの基礎」は重要度4が割り当てられており、TCP/IP 4層モデルの役割分担、TCPとUDPのプロトコル特性、IPv4のサブネット計算（CIDR）、IPv6の基本表記、そして主要なウェルノウンポート番号と設定ファイル（/etc/services, /etc/protocols）が広範に出題されます。本稿では、インフラエンジニアの基礎体幹となるこれらネットワーク基礎概念を、実機検証ログとともに論理的に解説します。

目次

1. 1. TCP/IP 4層アーキテクチャとカプセル化
   1. 1.1 OSI 7層参照モデルとTCP/IP 4層モデルの対応関係
   2. 1.2 データのカプセル化と非カプセル化
2. 2. トランスポート層プロトコル：TCP vs UDP
   1. 2.1 TCPの特徴：コネクション型・高信頼性・順序制御
   2. 2.2 TCPの3ウェイハンドシェイク
   3. 2.3 UDPの特徴：コネクションレス・軽量・リアルタイム性
   4. 2.4 プロトコル番号の定義ファイル（/etc/protocols）
3. 3. IPアドレス体系（IPv4 / IPv6）とサブネット計算
   1. 3.1 IPv4アドレスの基本構造
   2. 3.2 ネットワーク部とホスト部、サブネットマスクとCIDR表記
   3. 3.3 ネットワークアドレスとブロードキャストアドレスの算出
   4. 3.4 プライベートIPアドレス（RFC 1918）と特殊用途アドレス
   5. 3.5 IPv6アドレスの構造と表記省略ルール
4. 4. ポート番号と主要ネットワークサービス
   1. 4.1 ポート番号の範囲分類
   2. 4.2 LinuC 102試験で必須の主要ウェルノウンポート完全一覧
   3. 4.3 サービス定義ファイル（/etc/services）
5. 5. 実機ハンズオン演習：AlmaLinux 9でプロトコルとサービス定義を調査
   1. 5.1 実機検証環境の確認
   2. 5.2 演習1：/etc/protocols からプロトコル番号を抽出
   3. 5.3 演習2：/etc/services を用いた主要ポート番号の逆引き検索
   4. 5.4 演習3：実機IPアドレスに基づくネットワーク部・ホスト部・CIDRの特定
6. 6. LinuC 102試験対策まとめとコマ問頻出チェック
   1. 6.1 主要ポート番号・プロトコル番号完全対比表
   2. 6.2 コマ問（記述式）頻出キーワード一覧表
   3. 6.3 Ping-t演習へのブリッジ（対象分野と推奨学習順）
7. 7. まとめと次回予告

1. TCP/IP 4層アーキテクチャとカプセル化#

現代のインターネット通信は、通信機能を階層ごとに独立させた「TCP/IPプロトコルスイート」によって標準化されています。

1.1 OSI 7層参照モデルとTCP/IP 4層モデルの対応関係#

国際標準化機構（ISO）が定めた概念モデルである「OSI基本参照モデル（7層）」に対し、実際のインターネット実装で広く普及したのが「TCP/IPモデル（4層）」です。

1.2 データのカプセル化と非カプセル化#

送信側ホストにおいて、アプリケーション層で生成された実データは、下位層へと渡されるたびに各層の制御情報（ヘッダ）が付加されます。これをカプセル化（Encapsulation）と呼びます。

• トランスポート層: 送信元・宛先ポート番号を含む「TCP/UDPヘッダ」を付与
• インターネット層: 送信元・宛先IPアドレスを含む「IPヘッダ」を付与
• リンク層: 送信元・宛先MACアドレスおよび誤り検出符号（FCS）を含む「イーサネットヘッダ」を付与

受信側ホストでは逆順に下位層からヘッダを検証・除去（非カプセル化）しながら上位層へとデータを引き渡します。

2. トランスポート層プロトコル：TCP vs UDP#

トランスポート層では、通信の信頼性を最優先するTCPと、速度・軽量性を最優先するUDPの2大プロトコルが使い分けられます。

2.1 TCPの特徴：コネクション型・高信頼性・順序制御#

TCP（Transmission Control Protocol）は、通信開始前に送信元と宛先の間で仮想的な通信路を確立する「コネクション型」プロトコルです。

• 順序制御と再送制御: シーケンス番号と確認応答番号（ACK）を用いて、パケットの抜け漏れや到着順序の狂いを検知し、欠落したパケットを自動再送します。
• 輻輳制御とフロー制御: ネットワークの混雑度や受信側のバッファ空き容量に応じて、一度に送信するデータ量（ウィンドウサイズ）を動的に調整します。

2.2 TCPの3ウェイハンドシェイク#

TCPセッションは、3つのパケット交換（3ウェイハンドシェイク）によって確実に開始されます。

切断時は、互いに終了フラグ（FIN）を送信し、それぞれにACKを返す4ステップのシーケンスで正常終了します。

2.3 UDPの特徴：コネクションレス・軽量・リアルタイム性#

UDP（User Datagram Protocol）は、事前のコネクション確立や到達確認（ACK）を一切行わず、データを一方的に送り出す「コネクションレス型」プロトコルです。

• ヘッダサイズが小さく（TCPの20バイトに対しUDPは8バイト）、遅延が極小であるため、リアルタイム性が重視される音声通話（VoIP）、動画配信、DNS名前解決、DHCP、NTPなどで採用されます。

2.4 プロトコル番号の定義ファイル（/etc/protocols）#

IPヘッダ内には、上位のトランスポート層がどのプロトコルであるかを示す「プロトコル番号（8ビット）」が記録されます。Linuxシステム上では /etc/protocols ファイルで番号と名称のマッピングが定義されています。

3. IPアドレス体系（IPv4 / IPv6）とサブネット計算#

インターネット層において、通信ノードを一意に識別する論理アドレスがIPアドレスです。

3.1 IPv4アドレスの基本構造#

IPv4アドレスは32ビット（4バイト）の数値であり、人間が視読しやすいよう8ビットずつ4組に区切り、10進数でドット表記（Dotted Decimal Notation）します（例: 192.168.2.138）。

3.2 ネットワーク部とホスト部、サブネットマスクとCIDR表記#

IPアドレスは、「どのネットワークに属するか」を表すネットワーク部と、「そのネットワーク内のどの端末か」を表すホスト部に分かれます。この境界線を明示するビット列がサブネットマスクです。

• サブネットマスク表記: ネットワーク部に相当するビットを 1、ホスト部に相当するビットを 0 で表現（例: 255.255.255.0）。
• CIDR（Classless Inter-Domain Routing）表記: ネットワーク部のビット長をスラッシュ（/）に続く数値（プレフィックス長）で簡潔に表記（例: /24）。

3.3 ネットワークアドレスとブロードキャストアドレスの算出#

ホスト部のビットがすべて0、およびすべて1のアドレスは特別な用途に予約されており、個別のサーバーやPCに割り当てることはできません。

例: 192.168.1.0 / 24 の場合
・ネットワークアドレス:      192.168.1.0   （ホスト部8ビットが全0 ➔ ネットワーク自身を表現）
・ブロードキャストアドレス:  192.168.1.255 （ホスト部8ビットが全1 ➔ セグメント内全員宛の一斉同報）
・利用可能ホスト範囲:        192.168.1.1 〜 192.168.1.254 （最大 256 - 2 = 254 台）

3.4 プライベートIPアドレス（RFC 1918）と特殊用途アドレス#

インターネット上で重複が許されない「グローバルIPアドレス」に対し、組織内LANなどの閉じた環境で自由に使用できるアドレス帯が「プライベートIPアドレス」です。

特殊用途アドレス：

• ループバックアドレス: 127.0.0.0/8（通常 127.0.0.1 / localhost）。自身を指し示す仮想アドレス。
• リンクローカルアドレス（APIPA）: 169.254.0.0/16。DHCPサーバーからIPを取得できなかった場合に自動割り当てされる自己構成アドレス。

3.5 IPv6アドレスの構造と表記省略ルール#

IPv4アドレスの枯渇対策として策定されたIPv6は、128ビット（16バイト）の広大なアドレス空間を持ちます。16ビットずつ8つのブロックに分け、コロン区切りの16進数で記述します。

省略ルール（試験頻出）：

• 各ブロック内の先行するゼロは省略できる（例: 0042 ➔ 42、0000 ➔ 0）。
• 連続するゼロのブロック群は、全体で1度だけ ::（ダブルコロン）に圧縮できる（2箇所以上で使うと元のビット長を復元できなくなるため不可）。
• ループバックアドレスは ::1（IPv4の 127.0.0.1 に相当）。
• 未指定アドレスは ::（IPv4の 0.0.0.0 に相当）。
• リンクローカルアドレスは fe80::/10 で始まる。

4. ポート番号と主要ネットワークサービス#

1台のサーバー上で複数のネットワークサービス（Web、SSH、メール等）を同時に稼働させる際、どのプロセス宛のパケットかを識別する数値がポート番号（16ビット: 0〜65535）です。

4.1 ポート番号の範囲分類#

• ウェルノウンポート（Well-known Ports）: 0 〜 1023
  IANAによって標準プロトコル向けに予約されたポート。セキュリティ上、root（管理者権限）で動作するプロセスのみがリッスン（bind）できます。
• 登録ポート（Registered Ports）: 1024 〜 49151
  各種ベンダー製アプリケーション（MySQLの3306、PostgreSQLの5432等）向けに登録されたポート。
• 動的・私用ポート（Dynamic / Ephemeral Ports）: 49152 〜 65535
  クライアント側が通信送信元として一時的にランダム使用するポート。

4.2 LinuC 102試験で必須の主要ウェルノウンポート完全一覧#

以下のポート番号とプロトコルの組み合わせは、記述式問題を含めて暗記が必須です。

4.3 サービス定義ファイル（/etc/services）#

サービス名とポート番号の対応関係は、/etc/services テキストファイルに記載されています。Linux上のネットワークコマンド（ss, netstat等）はこのファイルを参照してポート番号をサービス名（22 ➔ ssh）に変換して出力します。

[user01@linuc-node01 ~]$ grep -E '^sshs' /etc/services
ssh             22/tcp                          # The Secure Shell (SSH) Protocol
ssh             22/udp                          # The Secure Shell (SSH) Protocol

5. 実機ハンズオン演習：AlmaLinux 9でプロトコルとサービス定義を調査#

実機linuc-node01のネットワーク設定とシステム定義ファイルを調査します。

5.1 実機検証環境の確認#

稼働しているネットワークインターフェースとIP構成を確認します。

[user01@linuc-node01 ~]$ ip -brief addr
lo               UNKNOWN        127.0.0.1/8 
eth0             UP             192.168.2.138/24

5.2 演習1：/etc/protocols からプロトコル番号を抽出#

IPヘッダで使用されるプロトコル番号の定義を閲覧します。

[user01@linuc-node01 ~]$ grep -E '^(icmp|tcp|udp)s' /etc/protocols
icmp    1       ICMP            # internet control message protocol
tcp     6       TCP             # transmission control protocol
udp     17      UDP             # user datagram protocol

ICMPが1、TCPが6、UDPが17であることが明確に記録されています。

5.3 演習2：/etc/services を用いた主要ポート番号の逆引き検索#

試験頻出のポート番号（DNS、NTP、HTTPS）の設定を逆引き検索します。

# DNS (53)
[user01@linuc-node01 ~]$ grep -w '53/udp' /etc/services | head -n 1
domain          53/udp

# NTP (123)
[user01@linuc-node01 ~]$ grep -w '123/udp' /etc/services | head -n 1
ntp             123/udp                         # Network Time Protocol

# HTTPS (443)
[user01@linuc-node01 ~]$ grep -w '443/tcp' /etc/services | head -n 1
https           443/tcp                         # http protocol over TLS/SSL

5.4 演習3：実機IPアドレスに基づくネットワーク部・ホスト部・CIDRの特定#

実機の 192.168.2.138/24 についてパラメータを算出します。

• プレフィックス長: /24（サブネットマスク: 255.255.255.0）
• ネットワーク部: 192.168.2（先頭24ビット）
• ホスト部: 138（末尾8ビット）
• ネットワークアドレス: 192.168.2.0
• ブロードキャストアドレス: 192.168.2.255
• アドレス分類: クラスCプライベートIPアドレス（RFC 1918）

6. LinuC 102試験対策まとめとコマ問頻出チェック#

主題1.07.1から、記述式（コマ問）として出題されやすい重要キーワードを総整理します。

6.1 主要ポート番号・プロトコル番号完全対比表#

6.2 コマ問（記述式）頻出キーワード一覧表#

6.3 Ping-t演習へのブリッジ（対象分野と推奨学習順）#

LinuC 102試験の「インターネットプロトコルの基礎」は、数字を答える問題が多いため、Ping-tでの反復演習が最も効果を発揮します。

• 主題1.07：ネットワークの基礎
  • 「インターネットプロトコルの基礎」分野（重要度4）：ポート番号（20〜443）の記述、CIDRプレフィックス計算、プライベートIPの範囲判別、IPv6のゼロ省略ルールを重点的に演習し、全問正解できるまで周回します。

7. まとめと次回予告#

次回は主題1.07の総仕上げとなる「ネットワーク設定・ルーティング・トラブルシューティングとクライアントDNS（nmcli / ip / ping / traceroute / dig / /etc/resolv.conf）」を詳細に解説します。