18.2 IPv6—次世代のインターネット

WWW (ワールドワイドウェブ)の出現により、ここ10年間でTCP/IP経由で通信を行うコンピュータの数が増大し、インターネットは爆発的に拡大しました。CERN (http://public.web.cern.ch)のTim Berners-Leeが1990年にWWWを発明して以来、インターネットホストは、数千から約1億まで増加しました。

前述のように、IPv4のアドレスはわずか32ビットで構成されています。しかも、多くのIPアドレスが失われています。というのは、ネットワークの編成方法のせいで、使われないIPアドレスが無駄に割り当てられてしまうからです。サブネットで利用できるアドレスの数は、(2のビット数乗- 2)で与えられます。たとえば、1つのサブネットワークでは、2、6、または14個のアドレスが使用可能です。たとえば128台のホストをインターネットに接続するには、256個のIPアドレスを持つサブネットワークが必要ですが、そのうち2つのIPアドレスは、サブネットワーク自体を構成するのに必要なブロードキャストアドレスと基本ネットワークアドレスになるので、実際に使用できるのは254個だけです。

現在のIPv4プロトコルでは、アドレスの不足を避けるために、DHCPとNAT (ネットワークアドレス変換)の2つのメカニズムが使用されています。これらの方法をパブリックアドレスとプライベートアドレスを分離するという慣習と組み合わせて使用することで、確かにアドレス不足の問題を緩和することができます。問題は、セットアップが面倒で保守しにくいその環境設定方法にあります。IPv4ネットワークでホストをセットアップするには、ホスト自体のIPアドレス、サブネットマスク、ゲートウェイアドレス、そして場合によってはネームサーバアドレスなど、相当数のアドレス項目が必要になります。管理者は、これらをすべて自分で設定しなければなりません。これらのアドレスをどこかから取得することはできません。

IPv6では、アドレス不足と複雑な環境設定方法はもはや過去のものです。ここでは、IPv6がもたらした進歩と恩恵について説明し、古いプロトコルから新しいプロトコルへの移行について述べます。

18.2.1 利点

この新しいプロトコルがもたらした最大かつ最もわかりやすい進歩は、利用可能なアドレス空間の飛躍的な増加です。IPv6アドレスは、従来の32ビットではなく、128ビットで構成されています。これにより、2の128乗、つまり、約3.41038個のIPアドレスが得られます。

しかしながら、IPv6アドレスがその先行プロトコルと異なるのはアドレス長だけではありません。IPv6アドレスは内部構造も異なっており、それが属するシステムやネットワークに関してより具体的な情報を有しています。詳細については、18.2.2項 「アドレスのタイプと構造」を参照してください。

以下に、この新しいプロトコルの利点をいくつか紹介します。

自動環境設定機能

IPv6を使用すると、ネットワークが「プラグアンドプレイ」対応になります。 つまり、新しくシステムをセットアップすると、手動で環境設定しなくても、(ローカル)ネットワークに統合されます。新しいホストは自動環境設定メカニズムを使用して、ネイバーディスカバリ (ND)と呼ばれるプロトコルにより、近隣のルータから得られる情報を元に自身のアドレスを生成します。この方法は、管理者の介入が不要なだけでなく、サアドレス割り当てを1台のサーバで一元的に管理する必要もありません。これもIPv4より優れている点の1つです。IPv4では、自動アドレス割り当てを行うために、DHCPサーバを実行する必要があります。

モバイル性

IPv6を使用すると、複数のアドレスを1つのネットワークインタフェースに同時に割り当てることができます。これにより、ユーザは複数のネットワークに簡単にアクセスできます。 これは携帯電話会社が提供する国際ローミングサービスに似ています。国際ローミングサービスとは、携帯電話を国外に持ち出し、現地サービスのサービス地域に入ると、電話が自動的に現地サービスにログインするというサービスで、これによりどこにいても同じ番号で電話を受けられ、また自国にいるのと同様に電話をかけることができます。

安全な通信

IPv4では、ネットワークセキュリティは追加機能です。IPv6にはIPSecが中核的機能の1つとして含まれているので、システムが安全なトンネル経由で通信でき、インターネット上での部外者による通信傍受を防止します。

下位互換性

現実的に考えて、インターネット全体を一気にIPv4からIPv6に切り替えるのは不可能です。したがって、両方のプロトコルが、インターネット上だけでなく1つのシステム上でも共存できることが不可欠です。これは、一方ではアドレスの互換性によって(IPv4アドレスは容易にIPv6アドレスに変換できます)、他方ではトンネルの使用によって保証されています。18.2.3項 「IPv4とIPv6の共存」を参照してください。また、システムはデュアルスタックIPテクニックによって、両方のプロトコルを同時にサポートできるので、2つのプロトコルバージョン間に相互干渉のない、完全に分離された2つのネットワークスタックが作成されます。

マルチキャストによるサービスの詳細なカスタマイズ

IPv4では、いくつかのサービス(SMBなど)が、ローカルネットワークのすべてのホストにパケットをブロードキャストする必要があります。IPv6では、これよりはるかにきめ細かいアプローチが取られ、サーバがマルチキャストという、複数のホストをグループの一部として扱う技術によって、ホストにデータを送信します(これは、すべてのホストにデータを送信するブロードキャストとも、各ホストに個別に送信するユニキャストとも異なります)。どのホストを対象グループに含めるかは、個々のアプリケーションによって異なります。事前定義のグループには、たとえば、すべてのネームサーバを対象とするグループ(全ネームサーバマルチキャストグループ)やすべてのルータを対象とするグループ(全ルータマルチキャストグループ)があります。

18.2.2 アドレスのタイプと構造

前述のように、現行のIPプロトコルには、2つの重要な側面が欠けています。つはIPアドレスの不足の問題が表面化していること、もう1つはネットワークの設定とルーティングテーブルの保守がますます複雑で厄介な作業になりつつあることです。IPv6では、1つ目の問題を、アドレス空間を拡張することによって解決しています。2番目の問題には、階層的なアドレス構造を導入し、ネットワークアドレスを割り当てる高度なテクニックとマルチホーミング (1つのデバイスに複数のアドレスを割り当てることによって、複数のネットワークへのアクセスを可能にします)を組み合わせて対応しています。

IPv6を扱う場合は、次の3種類のアドレスについて知っておくと役に立ちます。

ユニキャスト

このタイプのアドレスは、1つのネットワークインタフェースだけに関連付けられます。このようなアドレスを持つパケットは、1つの宛先にのみ配信されます。したがって、ユニキャストアドレスは、パケットをローカルネットワークまたはインターネット上の個々のホストに転送する場合に使用します。

マルチキャスト

このタイプのアドレスは、ネットワークインタフェースのグループに関連します。このようなアドレスを持つパケットは、そのグループに属するすべての宛先に配信されます。マルチキャストアドレスは、主に、特定のネットワークサービスが、相手を特定のグループに属するホストに絞って通信を行う場合に使用されます。

エニーキャスト

このタイプのアドレスは、インタフェースのグループに関連します。このようなアドレスを持つパケットは、基盤となるルーティングプロトコルの原則に従い、送信側に最も近いグループのメンバに配信されます。エニーキャストアドレスは、特定のネットワーク領域で特定のサービスを提供するサーバについて、ホストが情報を得られるようにするために使用します。同じタイプのすべてのサーバは、エニキャストアドレスが同じになります。ホストがサービスを要求すると、ルーティングプロトコルによって最も近い場所にあるサーバが判断され、そのサーバが応答します。何らかの理由でこのサーバが応答できない場合、プロトコルが自動的に2番目のサーバを選択し、それが失敗した場合は3番目、4番目が選択されます。

IPv6アドレスは、4桁の英数字が入った8つのフィールドで構成され、それぞれのフィールドが16進数表記の16ビットを表します。各フィールドは、コロン(:)で区切られます。各フィールドで先頭の0は省略できますが、数字の間にある0や末尾の0は省略できません。もう1つの規則として、0のバイトが5つ以上連続する場合は、まとめて2つのコロン(::)で表すことができます。ただし、この2つのコロン::は、1つのアドレスで一度しか使用できません。この省略表記の例については、例18.3. 「IPv6アドレスの例」を参照してください。 この3行はすべて同じアドレスを表します。

例 18.3 IPv6アドレスの例

fe80 : 0000 : 0000 : 0000 : 0000 : 10 : 1000 : 1a4
fe80 :    0 :    0 :    0 :    0 : 10 : 1000 : 1a4
fe80 :                           : 10 : 1000 : 1a4

IPv6アドレスの各部の機能は個別に定められています。最初の4バイトはプレフィクスを形成し、アドレスのタイプを指定します。中間部分はアドレスのネットワーク部分ですが、使用しなくてもかまいません。アドレスの最後の4桁はホスト部分です。IPv6でのネットマスクは、アドレスの末尾のスラッシュの後にプレフィクスの長さを指定して定義します。例18.4. 「プレフィクスの長さを指定したIPv6アドレス」に示すアドレスには、最初の64ビットがアドレスのネットワーク部分を構成する情報、最後の64ビットにホスト部分を構成する情報が入っています。言い換えると、64は、ネットマスクに64個の1ビット値が左から埋められていることを意味します。IPv4と同様、IPアドレスとネットマスクのANDをとることにより、ホストが同じサブネットワークにあるかそうでないかを判定します。

例 18.4 プレフィクスの長さを指定したIPv6アドレス

fe80::10:1000:1a4/64

IPv6は、事前に定義された複数タイプのプレフィクスを認識します。表18.4. 「IPv6のプレフィクス」に、一部のプレフィクスタイプを示します。

表 18.4 IPv6のプレフィクス

プレフィクス(16進)

定義

00

IPv4アドレスおよびIPv4 over IPv6互換性アドレス。これらは、IPv4との互換性を保つために使用します。これらを使用した場合でも、IPv6パケットをIPv4パケットに変換できるルータが必要です。いくつかの特殊なアドレス(たとえばループバックデバイスのアドレス)もこのプレフィクスを持ちます。

先頭桁が2または3

集約可能なグローバルユニキャストアドレス。IPv4と同様、インタフェースを割り当てて特定のサブネットワークの一部を構成することができます。現在、2001::/16 (実稼動品質のアドレス空間)と2002::/16 (6to4アドレス空間)の2つのアドレス空間があります。

fe80::/10

リンクローカルアドレス。このプレフィクスを持つアドレスは、ルーティングしてはなりません。 したがって、同じサブネットワーク内からのみ到達可能です。

fec0::/10

サイトローカルアドレス。ルーティングはできますが、それが属する組織のネットワーク内に限られます。要するに、IPv6版のプライベートネットワークアドレス空間です(たとえば、10.x.x.x)。

ff

マルチキャストアドレス。

ユニキャストアドレスは、以下の3つの基本構成要素からなります。

パブリックトポロジ

最初の部分(前述のいずれかのプレフィクスが含まれる部分)は、パブリックインターネット内でパケットをルーティングするために使用します。ここには、インターネットアクセスを提供する企業または団体に関する情報が入っています。

サイトトポロジ

2番目の部分には、パケットの配信先のサブネットワークに関するルーティング情報が入っています。

インタフェースID

3番目の部分は、パケットの配信先のインタフェースを示します。これを使用して、MACをアドレスの一部に含めることができます。MACは、世界中で重複がない固定の識別子であり、ハードウェアメーカによってデバイスにコーディングされるので、環境設定手順が大幅に簡素化されます。実際には、最初の64アドレスビットが統合されてEUI-64トークンを構成します。このうち、最後の48ビットにはMACアドレス、残りの24ビットにはトークンタイプに関する特別な情報が入ります。これにより、PPPやISDNのインタフェースのようにMACを持たないインタフェースにEUI-64トークンを割り当てられるようになります。

IPv6は、この基本構造の上で、以下の5種類のユニキャストアドレスを区別します。

:: (未指定)

このアドレスは、インタフェースが初めて初期化されるとき、すなわち、アドレスが他の方法で判定できないときに、ホストがそのソースアドレスとして使用します。

::1 (ループバック)

ループバックデバイスのアドレス。

IPv4互換アドレス

IPv6アドレスが、IPv4アドレスおよび96個の0ビットからなるプレフィクスで作成されます。このタイプの互換アドレスは、IPv4とIPv6のホストが、純粋なIPv4環境で動作している他のホストと通信するためのトンネリング(18.2.3項 「IPv4とIPv6の共存」を参照)として使用されます。

IPv6にマッピングされたIPv4アドレス

このタイプのアドレスは、IPv6表記で純粋なIPv4アドレスを指定します。

ローカルアドレス

ローカルで使用するアドレスのタイプには、以下の2種類があります。

リンクローカル

リンクローカル このタイプのアドレスは、ローカルのサブネットワークでのみ使用できます。このタイプの送信元または宛先アドレスを持つパケットをインターネットまたは他のサブネットワークにルーティングしてはなりません。これらのアドレスは、特別なプレフィクス(fe80::/10)とネットワークカードのインタフェースID、およびヌルバイトからなる中間部分からなります。このタイプのアドレスは、自動環境設定のとき、同じサブネットワークに属する他のホストと通信するために使用されます。

サイトローカル

このタイプのアドレスを持つパケットは、他のサブネットワークにはルーティングできますが、それより広いインターネットにはルーティングしてはなりません。つまり、組織自体のネットワークの内側だけで使用するように制限する必要があります。このようなアドレスはイントラネット用に使用され、IPv4によって定義されているプライベートアドレス空間に相当します。これらのアドレスは、特殊なプレフィクス(fec0::/10)とインタフェースID、およびサブネットワークIDを指定する16ビットのフィールドからなります。

IPv6では、各ネットワークインタフェースが複数のIPアドレスを持つことができるというたまったく新しい機能が導入されました。これにより、同じインタフェースで複数のネットワークにアクセスできます。これらのネットワークは、MACと既知のプレフィクスを使用して完全に自動設定できるので、IPv6を有効にすると すぐに、(リンクローカルアドレスを使用して)ローカルネットワーク上のすべてのホストに接続できるようになります。IPアドレスにMACが組み込まれているので、使用されるIPアドレスは世界中で唯一のアドレスになります。アドレスの唯一の可変部分は、ホストが現在動作している実際のネットワークによって、サイトトポロジパブリックトポロジを指定する部分になります。

複数のネットワークに接続するホストの場合、少なくとも2つのアドレスが必要です。1つはホームアドレスです。ホームアドレスには、インタフェースIDだけでなく、それが通常属するホームネットワークの識別子(および対応するプレフィクス)も含まれています。ホームアドレスは静的アドレスなので、通常は変更されません。しかし、モバイルホスト宛てのパケットは、それがホームネットワーク内にあるかどうかにかかわらず、すべてそのホストに配信できます。これは、IPv6で導入されたステートレス自動環境設定ネイバーディスカバリのようなまったく新しい機能によって実現されました。モバイルホストは、ホームアドレスに加え、ローミング先の外部ネットワークに属するアドレスも取得します。これらはケアオブアドレスと呼ばれます。ホームネットワークには、ホストが対象エリア外をローミングしている間、そのホスト宛てのすべてのパケットを転送する機能があります。IPv6環境において、このタスクは、ホームエージェントによって実行されます。ホームエージェントは、ホームアドレスに届くすべてのパケットを取得してトンネルに リレーします。 一方、ケアオブアドレスに届いたパケットは、特別迂回することなく、直接モバイルホストに転送されます。

18.2.3 IPv4とIPv6の共存

インターネットに接続されている全ホストをIPv4からIPv6に移行する作業は、段階的に行われます。両方のプロトコルは今後しばらく共存することになります。両方のプロトコルをデュアルスタックで実装すれば、同じシステム上に共存することが保証されます。しかし、それでもなお、IPv6対応のホストがどのようにしてIPv4ホストと通信するか、また多くがIPv4ベースの現行ネットワークでIPv6パケットをどのように伝送するかなど、解決すべき問題が残ります。最善のソリューションは、トンネリングと互換アドレスです(18.2.2項 「アドレスのタイプと構造」を参照)。

(世界的な) IPv4ネットワークから隔離されたIPv6ホストですが、トンネルを使用して通信することができます。つまり、IPv6パケットをIPv4パケットとしてカプセル化し、IPv4ネットワークを通じて伝送します。2つのIPv4ホスト間のこのような接続をトンネルと呼びます。これを行うには、パケットにIPv6の宛先アドレス(または対応するプレフィクス)とともに、トンネルの受信側にあるリモートホストのIPv4アドレスも含める必要があります。基本的なトンネルは、ホストの管理者間が合意すれば、手動で設定が可能です。これは、静的トンネリングとも呼ばれます。

ただし、静的トンネルの環境設定とメンテナンスは、あまりに手間がかかるので、多くの場合、日常の通信には向きません。そこで、IPv6は、動的トンネリングを実現する3つの異なる方法を提供しています。

6over4

IPv6パケットが自動的にIPv4パケットとしてカプセル化され、マルチキャスト対応のIPv4ネットワークによって送信されます。IPv6は、ネットワーク全体(インターネット)を巨大なLAN (local area network)だと思い込んで動作することになります。これにより、IPv4トンネルの着信側の端を自動的に判定できます。ただし、この方法は拡張性に欠けているだけではなく、IPマルチキャストがインターネット上で広く普及しているとはいえないという事実も障害となります。したがってこの解決方法を採用できるのは、マルチキャストが利用できる小規模な企業内ネットワークだけです。この方式の仕様は、RFC 2529に規定されています。

6to4

この方式では、IPv6アドレスからIPv4アドレスを自動的に生成することで、隔離されたIPv6ホストがIPv4ネットワーク経由で通信できるようにします。しかし、隔離されたIPv6ホストとインターネットの間の通信に関して、多くの問題が報告されています。この方式は、RFC 3056で規定されています。

IPv6トンネルブローカ

この方式は、IPv6ホスト専用のトンネルを提供する特殊なサーバに依存します。この方式は、RFC 3053で規定されています。

[Important]6boneイニシアチブ

旧式の」インターネットの中核部分では、トンネル経由で接続されたIPv6サブネットのネットワークが既に世界中に広がっています。これは6boneネットワーク(http://www.6bone.net)というIPv6テスト環境で、新しいプロトコルの実装に必要な経験を積むために、IPv6ベースのサービスを開発して提供するプログラマやインターネットプロバイダを対象としています。詳細については、同プロジェクトのインターネットサイトを参照してください。

18.2.4 IPv6の設定

通常、IPv6を設定するために、個々のワークステーションの設定を変更する必要はありません。ただし、IPv6サポートをロードする必要はあります。それには、root権限で、modprobeipv6コマンドを実行します。

IPv6の自動環境設定の概念があるため、ネットワークカードには、リンクローカルネットワーク内のアドレスが割り当てられます。通常、ワークステーション上ではルーティングテーブルの管理を実行しません。ワークステーションは、ルータアドバタイズプロトコルを使用して、実装する必要のあるプレフィクスとゲートウェイをネットワークルータに問い合わせます。IPv6ルータは、radvdプログラムを使用して設定できます。このプログラムは、IPv6アドレスに使用するプレフィクスとルータをワークステーションに通知します。または、zebraを使用してアドレスとルーティングを自動環境設定することもできます。

詳細については、ifup(8)のmanマニュアルページを参照してください。/etc/sysconfig/networkファイルを使用してさまざまなタイプのトンネルを設定する方法が説明されています。

18.2.5 関連情報

ここでの概要は、IPv6に関する情報を網羅しているわけではありません。IPv6の詳細については、次のオンラインドキュメントや書籍を参照してください。

http://www.ngnet.it/e/cosa-ipv6.php

IPv6の基本的な事項についての詳細を紹介した記事が収録されています。IPv6に関する優れた入門書です。

http://www.bieringer.de/linux/IPv6/

Linux IPv6-HOWTOと多くの関連トピックへのリンクが用意されています。

http://www.6bone.net/

トンネルIPv6ネットワークに参加するには、このサイトを参照してください。

http://www.ipv6.org/

IPv6のあらゆる情報にここからリンクできます。

RFC 2640

IPv6に関する基本的なRFCです。

IPv6 Essentials

Silvia HagenによるIPv6 Essentials (ISBN 0-596-00125-8)は、このトピックに関するあらゆる重要な面を扱っている本です。