ネットワーク・インターフェースの理解：ループバック、ローカルIP、パブリックIP
多くのコンピュータユーザーは、`localhost` や `127.0.0.1`、または直接ローカル IP を入力して使用する場面に遭遇したことがあるでしょう。一見すると、これらはすべてローカルマシンにアクセスできるように見えますが、なぜ 3 種類の形式が存在するのでしょうか？また、それぞれにどのような違いがあるのでしょうか？見た目は単純ですが、実際には大きな違いがあります。
さらに、公的ネットワーク（インターネット）とプライベートネットワーク（ローカルネットワーク）、ネットワークインターフェースカード（NIC）と IP アドレスの関係についても混乱することがあるかもしれません。以下で、それらの疑問を一つずつ解説します。
ローカル IP アドレス
コンピュータのマザーボードには複数のネットワークインターフェースカード（NIC）が組み込まれており、一般的に以下の種類が存在します。
仮想ネットワークインターフェース（ループバック）
注意：これは物理的なネットワークカードではなく、仮想的なものです。これはローカルループバックアドレス（またはインターフェース）と呼ばれ、通常 `127.0.0.1` がループバックアドレスとして設定されています。
有線ネットワークインターフェース（イーサネット）
これはイーサネット（LAN）で使用されるもので、一般的に「ネットワークカード」と言えばこれを指します。有線接続で、LAN ケーブルを挿入することで使用します。
無線ネットワークインターフェース（WLAN）
無線 LAN（Wi-Fi）を使用するためのネットワークカードで、ノート PC には通常これが内蔵されています。イーサネットのように物理的なケーブルを必要とせず、無線技術を利用して通信を行います。
これらのネットワークインターフェースにはそれぞれローカル IP アドレスが割り当てられます。
`localhost` は特別なドメイン名
まず `localhost` は IP アドレスではなく、特別なドメイン名（サフィックスなし）です。デフォルトではローカル IP（すなわち `127.0.0.1`）に解決され、本機の `hosts` ファイルによって管理されています。もし希望するなら、`localhost` を任意のパブリック IP アドレスにマッピングすることも可能です。
デフォルトでは、以下のように設定されています。
IPv4: `127.0.0.1`
IPv6: `[::1]`
`hosts` ファイルの場所:
C:\Windows\System32\drivers\etc`127.0.0.1` はローカル専用のプライベート IP
`127.0.0.1` はプライベート IP の一種で、ローカルループバックアドレス（loopback address）として使用されます。本質的には仮想ネットワークインターフェース（ループバックインターフェース）にバインドされた IP アドレスです。
ループバックアドレスとは？
ループバックアドレスとは、ホストが自分自身に対して通信を行うための特別なアドレスです。たとえば、同じホスト内で動作する 2 つのサービスが通信する場合、ループバックアドレスを使用すると、TCP/IP スタックの下層（リンク層や物理層、イーサネット）を経由せず、直接ネットワーク層とトランスポート層で処理されます。
IP ネットワークの `127.x.x.x` は、ネットワークアドレスではなく、すべてループバック用に予約されているため、生成された IP パケットは外部のネットワークインターフェースに到達することはなく、ホスト内で処理されます。
したがって、`127.0.0.1` は一般的にローカルの TCP/IP プロトコルスタックをテストするために使用されます。もし `ping 127.0.0.1` が成功すれば、ネットワークカードや IP プロトコルのインストールに問題がないことを確認できます（このテストはインターネット接続の有無とは無関係です）。
実際には、IPv4 では `127.0.0.0/8` の範囲全体がループバック用に予約されています。つまり、`127.0.0.1` 以外のアドレスも同様にループバック通信に利用できます。また、`0.0.0.0` というアドレスもよく混同されますが、`0.0.0.0` は厳密にはローカルアドレスを指し、`127.0.0.1` とは用途が異なります。
例えば、ある PC に 2 枚のネットワークカードがあり、一方がパブリック IP を使用してインターネットに接続し、もう一方がプライベート IP でローカルネットワークに接続しているとします。この PC で Web サーバーを稼働させ、どちらのネットワークからもアクセス可能にしたい場合、サーバーのバインドアドレスを `0.0.0.0` に設定すれば、すべての利用可能なネットワークインターフェースでリクエストを受け付けることができます。
`localhost`、ローカル IP、`127.0.0.1` の違い
ネットワーク要件の違い
`localhost` と `127.0.0.1` は、ネットワーク接続がなくても使用できます。インターネットに接続されていない環境でも、これらにアクセスすればローカルマシンを見つけることができます。
ローカル IP のうち、有線ネットワーク IP や無線ネットワーク IP は、ネットワークに接続されている場合にのみ割り当てられ、アクセス可能になります。これらは、外部に公開される IP アドレスです。
アクセス対象の違い
`localhost` はローカルマシンへのアクセス
`127.0.0.1` もローカルマシンへのアクセス
ローカル IP は、ローカルマシンまたは外部のデバイスからのアクセスが可能
ドメインと IP アドレスの違い
`localhost` はドメイン名であり、デフォルトで `127.0.0.1` に解決されます。
ローカル IP は、ネットワークインターフェース（物理 NIC）にバインドされ、外部デバイスからのアクセスを許可します。
LAN 内でのアクセス
同じサブネット（LAN 内の同じネットワークセグメント） にある他の PC は、ローカル IP を使用して対象の PC にアクセスできます（プライベート IP については後述します）。
ネットワークインターフェースのアドレス & IP アドレス
ネットワークインターフェースのアドレス（MAC アドレス）
ネットワークインターフェースのアドレス（MAC アドレス）は、メディアアクセス制御（Media Access Control） の略で、物理アドレスまたはハードウェアアドレスとも呼ばれます。これは、ネットワークデバイスの識別のために使用されます。
OSI 参照モデルにおいて、
第 3 層（ネットワーク層）が IP アドレス を担当し、
第 2 層（データリンク層）が MAC アドレス を担当します。
したがって、1 つのネットワークインターフェースには 1 つの MAC アドレスが割り当てられますが、ネットワークの接続先ごとに異なる IP アドレス が設定されることがあります。
MAC アドレスはネットワークカードに組み込まれており、通常変更できず、グローバルに一意であることが保証されています。これを人間の身分証明書の番号のように考えることもできます。
IP アドレス
IP アドレス（Internet Protocol Address） は、インターネット上のデバイスを識別するためのアドレスです。これは、インターネット上のネットワークとホストに一意のロジカルアドレスを割り当て、物理アドレス（MAC アドレス）の違いを抽象化するために使用されます。
まとめ
簡単に言えば、
MAC アドレス はネットワークインターフェースに固有の物理アドレスであり、通常変更できない。
IP アドレス は、ネットワークによって割り当てられるソフトアドレスであり、変更が可能。
補足：Windows では、`ipconfig /all` コマンドを使用して、IP アドレスと MAC アドレスを確認できます。
パブリック IP（公的 IP）とプライベート IP（私的 IP）
私たちは、`127.0.0.1` を使用してローカルマシンにアクセスし、プライベート IP を使用して LAN 内の他のデバイスにアクセスし、パブリック IP を使用してインターネット上の他のデバイスにアクセスします。
パブリック IP アドレス（公的 IP）
企業レベルのネットワークを構築する際、インターネットサービスプロバイダー（ISP）からインターネット接続（ブロードバンド）を申請します。ISP は、私たちに 1 つまたは複数の IP アドレスを割り当てます。これらの IP アドレスは、企業内のデバイスがインターネットにアクセスするために使用されます。
パブリックアドレス（Public Address） は、Internet Network Information Center（INIC、インターネット情報センター） によって管理されています。これらの IP アドレスは、INIC に登録された組織に割り当てられ、インターネット上で直接アクセスできます。
プライベート IP アドレス（私的 IP）
企業や家庭内でローカルネットワーク（LAN）を構築する際、プライベート IP が使用されます。
プライベートアドレス（Private Address） は、非登録アドレスであり、組織内でのみ使用されるため、インターネット上には表示されません。プライベート IP からのトラフィックは、ISP のルーターでブロックされるため、直接インターネットに接続することはできません。
企業内の PC がインターネットにアクセスするためには、NAT（Network Address Translation） を使用して、プライベート IP をパブリック IP に変換する必要があります。
パブリックネットワークとプライベートネットワークのアクセス関係
プライベートネットワークからパブリックネットワーク（インターネット）へアクセスする場合、SNAT（Source Network Address Translation） を適用する必要があります。
パブリックネットワークからプライベートネットワークへのアクセスは、DNAT（Destination Network Address Translation） や VPN（Virtual Private Network） などの技術を利用する必要があります。
2 つの異なるプライベートネットワーク間で通信する場合も、VPN を利用することで接続が可能になります。
インターネット（外部ネットワーク）とプライベートネットワーク（内部ネットワーク）
企業内部のネットワークは一般に「プライベートネットワーク」と呼ばれ、企業外部のネットワークを「外部ネットワーク」と呼びます。しかし、外部ネットワークには ISP が提供するパブリックネットワーク（インターネット）だけでなく、他の企業や家庭のネットワーク（プライベートネットワーク）も含まれる場合があります。
そのため、「外部ネットワーク」と「パブリックネットワーク（インターネット）」は完全に同じ意味ではありませんが、一般的には区別せずに使われることが多いです。
すべての IP アドレスの範囲
IP アドレスは 5 つのクラスに分けられており、それぞれの範囲は以下のとおりです：
A クラス IP: `1.0.0.1 ～ 127.255.255.254`
B クラス IP: `128.0.0.1 ～ 191.255.255.254`
C クラス IP: `192.0.0.1 ～ 223.255.255.254`
D クラス IP: `224.0.0.0 ～ 239.255.255.255`（マルチキャスト用）
E クラス IP: `240.0.0.0 ～ 255.255.255.255`（将来の用途のために予約）
このうち、A・B・C クラスの IP アドレス はインターネットやユーザーで使用可能ですが、D クラス はマルチキャスト通信に使用され、E クラス は将来の用途のために予約されています。
特殊な IP アドレス
`0.0.0.0` → 現在のホストを指す
`255.255.255.255` → 現在のサブネットのブロードキャストアドレス
`127.0.0.1 ～ 127.255.255.255` → ループバックテスト専用
E クラス IP (`11110` で始まるアドレス) → 研究・将来用途のために予約
`ネットワークIDの最初の6ビットがすべて0` → ローカルネットワークを表す
パブリック IP アドレスの範囲
IP アドレスの A・B・C クラスのうち、以下の範囲はパブリック IP として利用可能です。
A クラスのパブリック IP
`1.0.0.0 ～ 9.255.255.255`
`11.0.0.0 ～ 126.255.255.255`
B クラスのパブリック IP
`128.0.0.0 ～ 172.15.255.255`
`172.32.0.0 ～ 191.255.255.255`
C クラスのパブリック IP
`192.0.0.0 ～ 192.168.255.255`
`192.169.0.0 ～ 223.255.255.255`
プライベート IP アドレスの範囲
プライベート IP アドレスとして予約されている範囲は以下のとおりです。
A クラス: `10.0.0.0 ～ 10.255.255.255`（`10.0.0.0/8`）
B クラス: `172.16.0.0 ～ 172.31.255.255`（`172.16.0.0/12`）
C クラス: `192.168.0.0 ～ 192.168.255.255`（`192.168.0.0/16`）
これらのアドレスは、インターネット上ではルーティングされず、ISP はプライベート IP アドレスのトラフィックをブロックします。そのため、直接インターネットに接続することはできません。しかし、NAT 技術 を利用すれば、プライベート IP アドレスをパブリック IP アドレスに変換してインターネットと通信することが可能です。
また、プリンターや管理用ハブなど、インターネット接続を必要としないデバイスは、プライベート IP を使用することで IP アドレスの節約が可能です。
ネットワークセグメント（サブネット）とローカルネットワーク（LAN）
ネットワークセグメント（サブネット）とは？
ネットワークセグメント（サブネット） とは、同じ物理層のネットワークデバイス（例：ハブ、スイッチ）によって直接通信可能な範囲のことを指します。つまり、同じネットワークセグメント内のコンピュータは、ルーターを介さずに直接通信することができます。
ローカルネットワーク（LAN）とは？
LAN（Local Area Network） は、スイッチなどのネットワーク機器を使用して構成されるネットワーク全体を指します。通常、LAN 内のすべてのデバイスは同じサブネット内にあり、直接通信できます。しかし、VLAN（仮想 LAN） を利用すれば、1 つの LAN を複数のネットワークセグメントに分割することも可能です。
同じサブネット内のデバイスのみが直接通信可能
ネットワーク内のデバイスが同じサブネットに属している場合、直接通信が可能です。したがって、1 つの LAN 内にネットワークセグメントが 1 つしかない場合、LAN ＝ ネットワークセグメント となります。
異なるネットワークセグメントの判別方法
IP アドレスとサブネットマスクを使用した判別
サブネットマスクを利用すると、2 つの IP アドレスが同じネットワークセグメントに属しているかどうかを判別できます。
例 1
以下の 2 つの IP アドレスを考えます。
IP アドレス 1: `192.168.1.1`（サブネットマスク：`255.255.255.0`）
IP アドレス 2: `192.168.1.2`（サブネットマスク：`255.255.255.0`）
サブネットマスク `255.255.255.0` を適用すると、両方とも `192.168.1.0/24` のネットワークセグメントに属している ため、直接通信できます。
例 2
IP アドレス 1: `192.168.1.1`（サブネットマスク：`255.255.255.0`）
IP アドレス 2: `192.168.1.2`（サブネットマスク：`255.255.0.0`）
一見すると似ていますが、サブネットマスクが異なるため、同じネットワークセグメントには属していません。
`192.168.1.1 & 255.255.255.0` → `192.168.1.0/24`
`192.168.1.2 & 255.255.0.0` → `192.168.0.0/16`
このため、異なるネットワークセグメントに属していると判断できます。
例 3
IP アドレス 1: `192.168.1.1`（サブネットマスク：`255.255.252.0`）
IP アドレス 2: `192.168.2.1`（サブネットマスク：`255.255.252.0`）
サブネットマスク `255.255.252.0` を適用すると、どちらも `192.168.0.0/22` のネットワークセグメントに属している ため、同じネットワークセグメント内で直接通信が可能です。
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