Cisco 200-301: IPv4アドレッシング、サブネッティング、ルーティング — 学習ガイド
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概要
IPv4アドレッシングとルーティングは、パケットがどのように識別され、サブネットに分割され、ネットワーク間で転送されるかの基盤です。アドレス構造、マスク、ARPベースのローカル配信、およびルーティング決定（最長プレフィックス一致や再帰的解決を含む）を習得することは、スケーラブルで回復力のあるトポロジを構築するために不可欠です。このセクションでは、サブネットの設計、範囲の計算、ゲートウェイと静的ルートの設定、到達可能性の検証、および集約、スケーラビリティ、障害分離の間のトレードオフについて考察する方法を説明します。
IPv4アドレッシングの基礎
IPv4アドレスは32ビットで、通常はドット区切りの10進数で表記されます。概念的には、各アドレスはサブネットマスクによって定義されるネットワーク部とホスト部で構成されます。
パブリック空間 vs プライベート空間
- パブリックアドレスはグローバルに一意であり、インターネット上でルーティング可能です。
- プライベート（RFC 1918）範囲はグローバルにルーティングできず、内部使用を目的としています。
- 10.0.0.0/8
- 172.16.0.0/12
- 192.168.0.0/16
- プライベートアドレッシングはグローバルなアドレス空間を節約し、異なる組織が内部で同じ範囲を再利用できるようにします。インターネットアクセスには通常NATが使用されます。
特別な用途の範囲とアドレス
- 0.0.0.0/0: デフォルトルート（すべての宛先に一致）。
- 0.0.0.0/8: 「このネットワーク」（歴史的なもので、ホスト割り当てには使用されません）。
- 127.0.0.0/8: ループバックアドレス（ローカルホストのテスト用）。
- 169.254.0.0/16: リンクローカルアドレス（APIPA）、一部のホストでDHCPが失敗した場合に使用されます。
- 224.0.0.0/4: マルチキャスト。
- 240.0.0.0/4: 予約済み（クラスE）。
- 255.255.255.255: リミテッドブロードキャスト（ローカルネットワークブロードキャスト）。
- ダイレクトブロードキャスト: ネットワーク + すべて1のホスト部（例: /24の場合の10.1.1.255）。不正使用を防ぐため、ルーターではデフォルトで無効になっています。
一般的な障害モード
- NATなしでグローバルなインターネット到達性を期待してプライベート範囲を使用する。
- 特別な範囲（例: 127/8や169.254/16）のアドレスをインターフェースに割り当てる。
- サイト間でサブネットが重複し、曖昧なルーティングを引き起こす。
サブネット化、VLSM、および集約
サブネットマスクは、何ビットがネットワーク部で何ビットがホスト部かを定義します。Classless Inter-Domain Routing (CIDR)は、プレフィックス長表記（/N）を使用します。Variable-Length Subnet Masks (VLSM)により、同じアドレス空間内で実際の要件に合わせて異なるサイズのサブネットを使用できます。
計算
- オクテットごとのブロックサイズ = 256 − そのオクテットのマスク値（255/0以外のオクテットの場合）。
- ネットワークアドレス: ホストビットを0に設定。
- ブロードキャストアドレス: ホストビットを1に設定。
- 使用可能な範囲: ネットワークアドレス+1からブロードキャストアドレス−1まで（ホストビットが2つ以上あるサブネットの場合）。
- 例: 192.168.10.0/26
- マスク: 255.255.255.192; ブロックサイズ 64
- サブネット: .0, .64, .128, .192
- 192.168.10.64/26の場合: ネットワーク .64, ブロードキャスト .127, 使用可能 .65–.126
ポイントツーポイントリンク
- /30（255.255.255.252）は2つの使用可能なアドレスを提供し、ルーター間で一般的に使用されます。
- /31（RFC 3021）はブロードキャストなしで2つのエンドポイントを許可し、最新の機器で効率的です。
VLSMの設計手順
- 必要なサブネットとホスト数を洗い出す。
- サイズ順にソートし、最大のものを最初にきれいな境界に割り当てる。
- 重複を避け、割り当てを綿密に文書化する。
- ディストリビューション/エッジでルート集約を使用して、アドバタイズメントを圧縮する。
ルート集約
- 同じ上位ビットを共有する連続したサブネットを集約する（例: 10.1.8.0/24から10.1.15.0/24 → 10.1.8.0/21）。
- 利点: ルーティングテーブルの縮小、収束の高速化、CPU/メモリ使用量の削減。
- トレードオフ: 障害分離が低下する—集約ルートがアドバタイズされ続けていると、構成要素であるサブネットの障害がマスクされる可能性があります。ポリシーや条件付きアドバタイズメントを使用して緩和します。
一般的な障害モード
- ブロックサイズを誤って計算し、VLSM範囲を誤って重複させてしまう。
- 構成要素の到達可能性を確保せずに集約ルートをアドバタイズし、ブラックホールを引き起こす。
- 慎重に設定しない限り連続性を前提とするプロトコルで、不連続なネットワークを使用する。
転送の基本: ARP、ゲートウェイ、ローカル vs リモート配信
ホストは、自身のIPアドレスとサブネットマスクを使用して、宛先がローカルかリモートかを判断します。
ローカル配信
destIP AND maskがsrcIPのネットワーク部と等しい場合、ホストは宛先MACアドレスをARPで解決し、L2フレームを直接送信します。- 障害モード: ARPキャッシュの破損、IPアドレスの重複、L2ループ、またはスイッチの古いCAMエントリが、断続的なパケットロスを引き起こす可能性があります。
リモート配信
- ローカルでない場合、ホストはゲートウェイのMACアドレスをARPで解決し、デフォルトゲートウェイ（ルーター）にパケットを送信します。
- ルーターはTTLをデクリメントし、L2ヘッダーを書き換え、ルーティングテーブルに従って転送します。
- 障害モード: デフォルトゲートウェイの間違い、ゲートウェイへの到達不能、ルーター上のルート欠落、ホストが誤ったマスクを使用することによるローカル/リモートの誤分類。
デフォルトゲートウェイの設定
- エンドホスト上: 同じサブネット内の単一のIPネクストホップ。
- L2のみのスイッチ上:
ip default-gateway x.x.x.x（管理プレーン用）。 - L3インターフェース（SVIまたはルーテッドポート）上: VLAN/サブネット内のIPを割り当て、下流のホストはそのIPをゲートウェイとして使用します。
有用な検証方法
show arpまたはarp -aでL3からL2への解決を確認。ping default-gatewayを実行し、パケットキャプチャでARPリクエスト/リプライを確認。
ルーティングとルート選択、検証、設計のトレードオフ
ルータはルーティングテーブルに基づいて転送を行い、最長プレフィックス一致 (LPM) によって最適なエントリを選択します。複数のルートが同じプレフィックス長を持つ場合、アドミニストレーティブディスタンス (AD) と、単一プロトコル内ではプロトコルメトリックによって選択が決定されます。
最長プレフィックス一致
- 宛先に一致する最も具体的なルート (最大の /N) が選択されます。
- 例: 10.1.2.3に対して、0.0.0.0/0、10.0.0.0/8、10.1.0.0/16のルートが存在する場合、/16が選択されます。
アドミニストレーティブディスタンス (値が低いほど優先)
- 代表的な値: connected 0、static 1、eBGP 20、EIGRP internal 90、OSPF 110、RIP 120。
- フローティングスタティックルートは、動的プロトコルよりも高いADを使用するため、動的ルートが失われた場合にのみインストールされます。
スタティックルート
- ネクストホップ形式:
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- 出力インターフェース形式 (ポイントツーポイントの場合):
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- デフォルトルート:
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- フローティングスタティック:
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障害モード: 到達不能なネクストホップを指している (connected/再帰ルートがない)、マルチアクセスメディアで出力インターフェースを使用し、すべての宛先に対してARPが発生する、集約ルートにそれより具体的なルートがない場合のスタティックなブラックホール。
再帰ルックアップとCEF隣接関係
- ルートがネクストホップIPを指している場合、ルータはそのネクストホップに到達するためのconnectedルートを見つける必要があります。そうでなければ、ルートは未解決となり使用できません。
- マルチアクセスリンクでは、ARPがネクストホップのMACを解決します。解決に失敗すると、ARPが成功するまでパケットはドロップされます。
ファーストホップ冗長化プロトコル (FHRP)
- 目的: 仮想デフォルトゲートウェイを提供し、アップストリームデバイスの障害時にもホストの到達可能性を維持する。
- HSRP (Cisco)
- グループで共有される仮想IP。1台のアクティブルータと1台のスタンバイルータ。
- helloにはマルチキャスト224.0.0.2を使用。デフォルトのプライオリティは100。プリエンプトはデフォルトで無効。
例:
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VRRP (標準ベース)
- 1台のマスターを持つ仮想ルータ。224.0.0.18を使用。プリエンプトは事実上デフォルトで有効。
一般的な落とし穴: グループ番号や認証の不一致、必要な箇所でのプリエンプトの欠如、VLANの不一致によるスプリットブレイン。
検証とトラブルシューティングのワークフロー
show ip interface briefでインターフェースの状態とアドレッシングを確認。show ip routeでエントリ、AD、再帰解決を確認。show ip cefとshow adjacency detailでネクストホップの解決を検証。pingとtracerouteで到達可能性とパスをテスト。show arpでネイバー解決を確認。- FHRPの場合:
show standby briefまたはshow vrrpで役割とタイマーを検証。 - パケットキャプチャでARPとICMPの動作を確認。本番環境でのデバッグには注意が必要。
設計のトレードオフ
- 集約はテーブルサイズとコンバージェンス時間を削減しますが、障害を隠蔽する可能性があります。重要な、より具体的なルートをリークさせるか、すべてのコンポーネントが故障したときに集約ルートを取り下げる動的トラッキングの使用を検討します。
- VLSMはアドレス効率を向上させますが、計画の複雑さが増します。エラーはアドレスの重複や曖昧なルーティングにつながります。
- デフォルトルートはエッジ展開を簡素化しますが、意図しないトラフィックを引き寄せるリスクがあります。ルートフィルタで制限し、対称性を確保します。
- FHRPはゲートウェイの耐障害性を高めますが、アップストリームのルーティング障害をマスクする可能性があります。オブジェクトトラッキングと組み合わせて、到達可能性に基づいてフェイルオーバーさせます。
実践的な問題シナリオ
Contoso Manufacturing社は、レガシーなフラットネットワーク10.0.0.0/16を、それぞれにISPアップリンクを持つ2台のディストリビューションスイッチにまたがるルーテッドVLANに集約しようとしています。目標は、IPv4スペースを節約し、耐障害性の高いデフォルトゲートウェイを提供し、アップストリームでのルーティングチャーンを最小限に抑えることです。
- 実際のニーズに基づいてVLSMを使用してサブネットを切り出す。
- 根拠: 最大200ホストの生産VLANに/24、プリンタ/IoTに/27、ディストリビューションとコア間のポイントツーポイントリンクに/30または/31を割り当てます。これにより、無駄を防ぎ、ACLを簡素化します。最初にサイズでソートすることで、重複を回避します。
- コアおよびISPエッジに向けて集約を実装する。
- 根拠: 生産フロア用に10.0.16.0/20、サーバーVLAN用に10.0.32.0/23を集約します。いくつかの集約ルートをアドバタイズすることで、WAN全体のルーティングテーブルサイズとコンバージェンス時間を削減します。集約ルートがバイナリ境界に沿っており、到達可能な具体的なルートのみで構成されていることを確認します。
- ディストリビューションスイッチペアに、ユーザーVLANのデフォルトゲートウェイ用のFHRPを構築する。
根拠: VLANごとに一貫した仮想IP、プライマリ/セカンダリのプライオリティ、およびプリエンプトを設定したHSRPを構成します。Dist-AのVLAN20での例:
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これにより、ホストに安定したゲートウェイMAC/IPが提供され、ディストリビューションスイッチに障害が発生した場合に高速なフェイルオーバーが可能になります。
- フローティングバックアップを使用してISPへのデフォルトルーティングを構成する。
根拠: Dist-Aでは、プライマリデフォルトルートでISP-Aを優先します。フェイルオーバー用に、より高いADを持つISP-B経由のフローティングデフォルトルートをインストールします。
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AD 200により、プライマリルートが削除された場合にのみバックアップルートがインストールされることが保証されます。ISPのネクストホップの到達可能性を追跡し、回線がレイヤ2を超えて障害を起こした場合にデフォルトルートを取り下げます。
- アップリンクでARPと再帰解決を検証する。
- 根拠:
show ip routeを使用して0/0のネクストホップがconnectedインターフェース経由で解決されていることを確認し、show arpを使用してISPのネクストホップMACが学習されていることを確認します。これにより、未解決のネクストホップによるサイレントなブラックホールを防ぎます。
- 選択的なリークによって障害ドメインの境界を強制する。
- 根拠: ユーザーVLANをコアに集約しますが、重要なサービス (例: VIP) のためには、より具体的な/32ルートをリークさせます。これにより、部分的な障害時にもアップストリームのパス選択が正確に保たれます。これは、スケーラビリティと障害分離のバランスを取るものです。
- データプレーンのパスとコンバージェンスを検証する。
- 根拠: ユーザーVLANのSVIから、ゲートウェイ、ISPのネクストホップ、およびパブリックなターゲットにpingを実行します。
tracerouteを使用して、意図したISP経由で出ていくことを確認します。フェイルオーバーテスト中は、HSRPの状態変化 (show standby brief) とルーティングテーブルの更新 (show ip route) を観察し、LPMが正しいネクストホップを選択し、フローティングデフォルトが適切な場合にのみアクティブになることを確認します。
アドレス効率 (VLSM)、チャーンの削減 (集約)、耐障害性の高いゲートウェイ (HSRP)、および決定論的な出口選択 (プライマリおよびフローティングデフォルトルート) を組み合わせることで、Contoso社は障害ドメインを封じ込め、予測可能な転送動作を維持しながら、スケーラブルな成長を実現します。
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