ネットワーク基礎
LinuxのTCP/IP、ソケット、ネットワーク設定の基礎を学びます。
目次
OSI参照モデルとTCP/IP
レイヤー構造
┌─────────────────────────────────────────────────────────────┐
│ OSI参照モデル vs TCP/IP │
├─────────────────────────────────────────────────────────────┤
│ │
│ OSI参照モデル TCP/IP プロトコル例 │
│ ┌─────────────┐ │
│ │ 7.アプリケーション │ ┌───────────┐ │
│ ├─────────────┤ │アプリケーション│ HTTP, DNS, SSH │
│ │ 6.プレゼンテーション │ │ │ │
│ ├─────────────┤ └─────┬─────┘ │
│ │ 5.セッション │ │ │
│ ├─────────────┤ ┌─────┴─────┐ │
│ │ 4.トランスポート │ │ トランスポート │ TCP, UDP │
│ ├─────────────┤ └─────┬─────┘ │
│ │ 3.ネットワーク │ ┌─────┴─────┐ │
│ │ │ │ インターネット │ IP, ICMP │
│ ├──────── ─────┤ └─────┬─────┘ │
│ │ 2.データリンク │ ┌─────┴─────┐ │
│ ├─────────────┤ │ネットワーク │ Ethernet, ARP │
│ │ 1.物理 │ │ インターフェース│ │
│ └─────────────┘ └───────────┘ │
│ │
└─────────────────────────────────────────────────────────────┘
TCP vs UDP
| 特徴 | TCP | UDP |
|---|---|---|
| 接続 | コネクション型 | コネクションレス |
| 信頼性 | 高（再送、順序保証） | 低（ベストエフォート） |
| 速度 | 遅め | 速い |
| 用途 | HTTP, SSH, データベース | DNS, 動画ストリーミング |
TCPの3ウェイハンドシェイク
┌─────────────────────────────────────────────────────────────┐
│ TCP 3ウェイハンドシェイク │
│ │
│ クライアント サーバー │
│ │ │ │
│ │───── SYN (seq=x) ─────────────────►│ │
│ │ │ │
│ │◄──── SYN+ACK (seq=y, ack=x+1) ─────│ │
│ │ │ │
│ │───── ACK (ack=y+1) ───────────────►│ │
│ │ │ │
│ │◄═══════ 接続確立 ═══════════════════│ │
│ │ │ │
│ │───── FIN ─────────────────────────►│ │
│ │◄──── ACK ──────────────────────────│ │
│ │◄──── FIN ──────────────────────────│ │
│ │───── ACK ─────────────────────────►│ │
│ │
└─────────────────────────────────────────────────────────────┘
IPアドレスとサブネット
IPv4アドレス
┌─────────────────────────────────────────────────────────────┐
│ IPv4アドレス構造 │
│ │
│ 192.168.1.100/24 │
│ └┬─┘└┬─┘│└┬┘ └┬┘ │
│ │ │ │ │ └── プレフィックス長（サブネットマスク） │
│ │ │ │ └────── ホスト部 │
│ └───┴──┴──────── ネットワーク部 │
│ │
│ サブネットマスク: 255.255.255.0 │
│ ネットワークアドレス: 192.168.1.0 │
│ ブロードキャストアドレス: 192.168.1.255 │
│ 使用可能ホスト数: 254 (2^8 - 2) │
│ │
└─────────────────────────────────────────────────────────────┘
プライベートIPアドレス
| クラス | 範囲 | CIDR |
|---|---|---|
| A | 10.0.0.0 - 10.255.255.255 | 10.0.0.0/8 |
| B | 172.16.0.0 - 172.31.255.255 | 172.16.0.0/12 |
| C | 192.168.0.0 - 192.168.255.255 | 192.168.0.0/16 |
特殊なアドレス
| アドレス | 用途 |
|---|---|
| 127.0.0.1 | ループバック（localhost） |
| 0.0.0.0 | 全インターフェース（バインド時） |
| 169.254.0.0/16 | リンクローカル（DHCP失敗時） |
CIDR計算
# ipcalc で計算
ipcalc 192.168.1.0/24
# サブネット例
# /24 = 256 アドレス (254 ホスト)
# /25 = 128 アドレス (126 ホスト)
# /26 = 64 アドレス (62 ホスト)
# /27 = 32 アドレス (30 ホスト)
# /28 = 16 アドレス (14 ホスト)
ポートとソケット
ポート番号
┌─────────────────────────────────────────────────────────────┐
│ ポート番号範囲 │
├─────────────────────────────────────────────────────────────┤
│ │
│ 0-1023 ウェルノウンポート（特権ポート） │
│ └── root権限が必要 │
│ └── HTTP(80), HTTPS(443), SSH(22) │
│ │
│ 1024-49151 登録済みポート │
│ └── アプリケーションが使用 │
│ └── MySQL(3306), PostgreSQL(5432) │
│ │
│ 49152-65535 動的/プライベートポート │
│ └── クライアントの送信元ポート │
│ │
└─────────────────────────────────────────────────────────────┘
よく使うポート
| ポート | プロトコル | サービス |
|---|---|---|
| 22 | TCP | SSH |
| 80 | TCP | HTTP |
| 443 | TCP | HTTPS |
| 53 | TCP/UDP | DNS |
| 3306 | TCP | MySQL |
| 5432 | TCP | PostgreSQL |
| 6379 | TCP | Redis |
| 8080 | TCP | 代替HTTP |
ソケット
# ソケットの確認
ss -tuln # TCP/UDP リスニングソケット
ss -tulnp # プロセス情報付き
netstat -tuln # 古いコマンド
# 出力例
# State Recv-Q Send-Q Local Address:Port Peer Address:Port
# LISTEN 0 128 0.0.0.0:22 0.0.0.0:*
# LISTEN 0 128 0.0.0.0:80 0.0.0.0:*
# 接続状態の確認
ss -tan state established
ss -tan state time-wait
# 特定ポートの確認
ss -tuln | grep :80
lsof -i :80
ソケットの状態
┌─────────────────────────────────────────────────────────────┐
│ TCP ソケット状態 │
│ │
│ LISTEN → 接続待ち │
│ SYN_SENT → 接続要求送信済み │
│ SYN_RECV → 接続要求受信済み │
│ ESTABLISHED → 接続確立 │
│ FIN_WAIT_1 → 終了要求送信済み │
│ FIN_WAIT_2 → 終了要求の確認受信 │
│ TIME_WAIT → 接続終了後の待機（2MSL） │
│ CLOSE_WAIT → リモート終了後、ローカル終了待ち │
│ LAST_ACK → 最後の確認待ち │
│ CLOSED → 接続終了 │
│ │
└─────────────────────────────────────────────────────────────┘
ネットワークインターフェース
インターフェースの確認
# インターフェース一覧
ip link show
ip addr show
ip a # 省略形
# 特定インターフェース
ip addr show eth0
# 古いコマンド
ifconfig
ifconfig eth0
# インターフェース名の規則（systemd）
# eth0, eth1 → 従来の名前
# enp0s3 → PCI接続のイーサネット
# ens192 → スロット位置ベース
# docker0 → Dockerブリッジ
# veth* → 仮想イーサネット（コンテナ）
インターフェースの設定
# IPアドレス設定
sudo ip addr add 192.168.1.100/24 dev eth0
sudo ip addr del 192.168.1.100/24 dev eth0
# インターフェースの有効化/無効化
sudo ip link set eth0 up
sudo ip link set eth0 down
# MACアドレス変更
sudo ip link set eth0 address 00:11:22:33:44:55
設定ファイル
# Debian/Ubuntu (netplan)
cat /etc/netplan/01-netcfg.yaml
# network:
# version: 2
# ethernets:
# eth0:
# addresses:
# - 192.168.1.100/24
# gateway4: 192.168.1.1
# nameservers:
# addresses: [8.8.8.8, 8.8.4.4]
# RHEL/CentOS
cat /etc/sysconfig/network-scripts/ifcfg-eth0
# 設定適用
sudo netplan apply
ルーティング
ルーティングテーブル
# ルーティングテーブル表示
ip route show
ip r # 省略形
route -n # 古いコマンド
# 出力例
# default via 192.168.1.1 dev eth0
# 192.168.1.0/24 dev eth0 proto kernel scope link src 192.168.1.100
# 172.17.0.0/16 dev docker0 proto kernel scope link src 172.17.0.1
ルーティングの仕組み
┌─────────────────────────────────────────────────────────────┐
│ ルーティングの流れ │
│ │
│ パケット送信時: │
│ 1. 宛先IPアドレスを確認 │
│ 2. ルーティングテーブルを検索（最長一致） │
│ 3. 該当するルートのネクストホップへ転送 │
│ │
│ 例: 8.8.8.8 への送信 │
│ ┌─────────────────────────────────────────────────────┐ │
│ │ ルーティングテーブル │ │
│ │ 192.168.1.0/24 → eth0 (直接接続) │ │
│ │ 10.0.0.0/8 → 192.168.1.254 │ │
│ │ default → 192.168.1.1 (デフォルトゲートウェイ) │ │
│ └─────────────────────────────────────────────────────┘ │
│ → default ルートにマッチ → 192.168.1.1 へ転送 │
│ │
└─────────────────────────────────────────────────────────────┘
ルートの追加/削除
# デフォルトルート設定
sudo ip route add default via 192.168.1.1
# 特定ネットワークへのルート
sudo ip route add 10.0.0.0/8 via 192.168.1.254
sudo ip route add 10.0.0.0/8 via 192.168.1.254 dev eth0
# ルート削除
sudo ip route del 10.0.0.0/8
# 一時的なルート（再起動で消える）
sudo ip route add 192.168.2.0/24 via 192.168.1.254
IPフォワーディング
# 現在の設定確認
cat /proc/sys/net/ipv4/ip_forward
sysctl net.ipv4.ip_forward
# 一時的に有効化
echo 1 | sudo tee /proc/sys/net/ipv4/ip_forward
sudo sysctl -w net.ipv4.ip_forward=1
# 永続化
echo "net.ipv4.ip_forward = 1" | sudo tee -a /etc/sysctl.conf
sudo sysctl -p
DNS
名前解決の仕組み
┌─────────────────────────────────────────────────────────────┐
│ DNS名前解決の流れ │
│ │
│ 1. /etc/hosts を確認 │
│ 2. /etc/resolv.conf のDNSサーバーに問い合わせ │
│ 3. 再帰的問い合わせ │
│ │
│ クライアント │
│ │ │
│ │ example.com? │
│ ▼ │
│ ┌─────────────┐ │
│ │ ローカルDNS │ ────► ルートDNS (.の情報) │
│ │ キャッシュ │ ────► TLD DNS (.comの情報) │
│ └─────────────┘ ────► 権威DNS (example.comの情報) │
│ │ │
│ ▼ │
│ IPアドレス返却 │
│ │
└─────────────────────────────────────────────────────────────┘
DNS設定ファイル
# リゾルバ設定
cat /etc/resolv.conf
# nameserver 8.8.8.8
# nameserver 8.8.4.4
# search example.com
# ホストファイル（ローカルオーバーライド）
cat /etc/hosts
# 127.0.0.1 localhost
# 192.168.1.10 myserver.local myserver
# 名前解決順序
cat /etc/nsswitch.conf
# hosts: files dns
DNS問い合わせ
# nslookup
nslookup example.com
nslookup example.com 8.8.8.8 # 特定のDNSサーバー
# dig（詳細）
dig example.com
dig example.com +short # IPアドレスのみ
dig @8.8.8.8 example.com # 特定のDNSサーバー
dig example.com MX # MXレコード
dig example.com NS # NSレコード
dig -x 8.8.8.8 # 逆引き
# host
host example.com
host -t MX example.com
# getent（/etc/hostsも参照）
getent hosts example.com
レコードタイプ
| タイプ | 説明 | 例 |
|---|---|---|
| A | IPv4アドレス | example.com → 93.184.216.34 |
| AAAA | IPv6アドレス | example.com → 2606:2800:... |
| CNAME | 別名 | www.example.com → example.com |
| MX | メールサーバー | example.com → mail.example.com |
| NS | ネームサーバー | example.com → ns1.example.com |
| TXT | テキスト情報 | SPF, DKIM |
| PTR | 逆引き | 34.216.184.93 → example.com |
コンテナネットワーク
Docker のネットワークモード
┌─────────────────────────────────────────────────────────────┐
│ Docker ネットワークモード │
├─────────────────────────────────────────────────────────────┤
│ │
│ bridge（デフォルト） │
│ ┌─────────────────────────────────────────────────────┐ │
│ │ ホスト │ │
│ │ ┌────────────────────────────────────────────┐ │ │
│ │ │ docker0 (172.17.0.1) │ │ │
│ │ │ │ │ │ │
│ │ │ ├── veth ── Container1 (172.17.0.2) │ │ │
│ │ │ └── veth ── Container2 (172.17.0.3) │ │ │
│ │ └────────────────────────────────────────────┘ │ │
│ └─────────────────────────────────────────────────────┘ │
│ │
│ host: ホストのネットワーク名前空間を共有 │
│ none: ネットワークなし │
│ overlay: 複数ホスト間のネットワーク │
│ │
└────────────── ───────────────────────────────────────────────┘
Docker ネットワークコマンド
# ネットワーク一覧
docker network ls
# ネットワーク詳細
docker network inspect bridge
# カスタムネットワーク作成
docker network create mynetwork
docker network create --subnet=192.168.100.0/24 mynetwork
# コンテナをネットワークに接続
docker run --network mynetwork nginx
docker network connect mynetwork container-name
# ネットワーク削除
docker network rm mynetwork
コンテナ間通信
# 同一ネットワーク内はコンテナ名で通信可能
docker network create app-network
docker run -d --name db --network app-network postgres
docker run -d --name app --network app-network myapp
# app コンテナから db へ接続
# postgres://db:5432/mydb ← コンテナ名で名前解決
# ポート公開
docker run -p 8080:80 nginx # localhost:8080 → container:80
docker run -p 127.0.0.1:8080:80 nginx # localhostのみ
docker run -P nginx # ランダムポート
Kubernetes ネットワーク
# Pod間通信
# - 同一Pod内: localhost
# - 同一Namespace: service-name
# - 異なるNamespace: service-name.namespace.svc.cluster.local
# Service タイプ
# ClusterIP: クラスタ内部のみ
# NodePort: ノードのポートで公開
# LoadBalancer: 外部ロードバランサー
# CoreDNS による名前解決
# pod-ip.namespace.pod.cluster.local
# service-name.namespace.svc.cluster.local
まとめ
重要なコマンド
| 用途 | コマンド |
|---|---|
| IPアドレス確認 | ip addr show |
| ルーティング確認 | ip route show |
| ポート確認 | ss -tuln |
| DNS問い合わせ | dig, nslookup |
| 接続テスト | ping, curl |
トラブルシューティングの流れ
- IP設定確認 (
ip addr) - ルーティング確認 (
ip route) - 疎通確認 (
ping) - DNS確認 (
dig) - ポート確認 (
ss -tuln) - ファイアウォール確認 (
iptables -L)
次のステップ
- iptables/ファイアウォール - パケットフィルタリング
- ネットワークトラブルシューティング - 診断ツール
- Namespaces - ネットワーク名前空間