IPv4パケットヘッダー構造

IPv4パケットヘッダー構造
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IPv4（Internet Protocol version 4）のパケットは、先頭に付与されるヘッダーと、その後に続くデータ（ペイロード）から構成されています。ヘッダーは32ビット（4バイト）単位の行が積み重なる形で定義されており、基本部分は20バイト、オプションを含めると最大60バイトになります。ここでは各フィールドの役割について解説します。

各フィールドの説明
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フィールド名	サイズ	説明
バージョン (Version)	4 ビット	IPのバージョンを示す。IPv4では固定値 `4` が入る。
IHL (Internet Header Length)	4 ビット	ヘッダー長を32ビット（4バイト）単位で表す。オプションがない場合の最小値は5（=20バイト）、最大値は15（=60バイト）。
サービスタイプ (Type of Service / DSCP + ECN)	8 ビット	パケットの優先度や輻輳通知を制御するフィールド。上位6ビットがDSCP（Differentiated Services Code Point）、下位2ビットがECN（Explicit Congestion Notification）として使用される。
全長 (Total Length)	16 ビット	IPヘッダーとデータを合わせたパケット全体のバイト数。最大65535バイトまで表現できる。
識別子 (Identification)	16 ビット	パケットを分割（フラグメント化）した際に、同一パケットから分割されたことを識別するための値。
フラグ (Flags)	3 ビット	フラグメント制御用のビット列。bit0は予約（0固定）、bit1はDF（Don’t Fragment、分割禁止）、bit2はMF（More Fragments、後続フラグメントの有無）を表す。
フラグメントオフセット (Fragment Offset)	13 ビット	分割されたデータが元のパケットの先頭から何バイト目（8バイト単位）に位置するかを示す。
生存時間 (TTL / Time To Live)	8 ビット	パケットが経由できるルータの最大ホップ数。ルータを1つ経由するごとに1減算され、0になった時点で破棄される。ループするパケットが永続することを防ぐための仕組み。
プロトコル (Protocol)	8 ビット	データ部分に格納されている上位層プロトコルの種別を示す。
ヘッダーチェックサム (Header Checksum)	16 ビット	IPヘッダー部分のみを対象とした誤り検出用のチェックサム。ルータを通過するたびにTTLが変化するため、都度再計算される。
送信元アドレス (Source Address)	32 ビット	パケットの送信元IPアドレス。
宛先アドレス (Destination Address)	32 ビット	パケットの宛先IPアドレス。
オプション (Options)	可変長（0〜40 バイト）	セキュリティやタイムスタンプ記録など、追加機能を指定する際に使用される任意のフィールド。存在する場合は32ビット境界に揃うようパディングが付加される。IHLが5より大きい場合にのみ存在する。
データ (Data / Payload)	可変長	上位層（TCP、UDP、ICMPなど）から渡されるデータ本体。

プロトコル値の代表例
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プロトコルフィールドの値は、データ部分に格納されている上位層プロトコルの種別を示します。代表的な値は以下の通りです。

プロトコル値	プロトコル
`1`	ICMP
`2`	IGMP
`6`	TCP
`17`	UDP
`41`	IPv6（IPv6カプセル化）
`47`	GRE
`50`	ESP（IPsec）
`51`	AH（IPsec）
`89`	OSPF
`132`	SCTP

プロトコル番号はIANAが管理しており、割り当て済みの全一覧は以下で公開されています。

IANA - Protocol Numbers

ヘッダー長とフラグメンテーション
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IHLはあくまでヘッダー長のみを表す値であり、パケット全体の長さはTotal Lengthフィールドで別途表される。

項目	サイズ	備考
IPヘッダー（オプションなし）	20 バイト	IHL = 5 の場合。最も一般的な構成。
IPヘッダー（オプションあり）	24〜60 バイト	IHL = 6〜15 の場合。4バイト単位で増加する。
IPパケット全体	最大65535 バイト	Total Lengthフィールドで表現できる上限値。

経路上のリンクのMTU（Maximum Transmission Unit）よりもパケットサイズが大きい場合、送信元またはルータによってパケットが分割（フラグメンテーション）されます。分割されたパケットは、識別子・フラグ・フラグメントオフセットの各フィールドを用いて受信側で再構成されます。ただしDFビットが立っている場合は分割が禁止され、MTUを超えるパケットは破棄されてICMP到達不能メッセージが送信元へ返されます。