ネットワーク & Linux内部構造完全ガイド — TCP/IP, DNS, iptables, systemd

[Application Data]
    ↓ アプリケーション層
[TCP Header | Application Data]
    ↓ トランスポート層
[IP Header | TCP Header | Application Data]
    ↓ インターネット層
[Ethernet Header | IP Header | TCP Header | Application Data | Ethernet Trailer]
    ↓ ネットワークアクセス層

# パケットキャプチャ - 各層のヘッダーを確認
sudo tcpdump -i eth0 -vvv -c 10

Client                    Server
  |                         |
  |--- SYN (seq=x) ------->|   ステップ1: クライアントがSYN送信
  |                         |
  |<-- SYN-ACK (seq=y,      |   ステップ2: サーバーがSYN-ACK応答
  |    ack=x+1) ------------|
  |                         |
  |--- ACK (ack=y+1) ----->|   ステップ3: クライアントがACK送信
  |                         |
  |===== 接続確立完了 ======|

Client                    Server
  |                         |
  |--- FIN ----------------->|   ステップ1: クライアントがFIN送信
  |                         |
  |<-- ACK -----------------|   ステップ2: サーバーがACK応答
  |                         |
  |<-- FIN -----------------|   ステップ3: サーバーがFIN送信
  |                         |
  |--- ACK ----------------->|   ステップ4: クライアントがACK送信
  |                         |
  |== TIME_WAIT (2*MSL) ====|

# TCP接続状態の確認
ss -tan

# 状態別接続数のカウント
ss -tan | awk 'NR>1 {print $1}' | sort | uniq -c | sort -rn

# 現在のTCPウィンドウサイズを確認
ss -ti | grep -A 1 "ESTAB"

# TCPウィンドウスケーリング設定の確認
sysctl net.ipv4.tcp_window_scaling

# 現在の輻輳制御アルゴリズムを確認
sysctl net.ipv4.tcp_congestion_control

# 利用可能なアルゴリズム一覧
sysctl net.ipv4.tcp_available_congestion_control

# BBRに変更（高帯域、高遅延ネットワークに効果的）
sudo sysctl -w net.ipv4.tcp_congestion_control=bbr

GET /api/users HTTP/1.1
Host: example.com
Connection: keep-alive
Accept: application/json

単一のTCP接続上で:

Stream 1: GET /index.html    ─────>  [HEADERS frame]  [DATA frame]
Stream 3: GET /style.css     ─────>  [HEADERS frame]  [DATA frame]
Stream 5: GET /script.js     ─────>  [HEADERS frame]  [DATA frame]

# curlでHTTP/2リクエスト
curl -v --http2 https://example.com

# nghttp2でHTTP/2フレームを確認
nghttp -v https://example.com

HTTP/1.1:  TCP + TLS（別々のハンドシェイク）
HTTP/2:    TCP + TLS（マルチプレクシング、しかしTCPレベルのHOLブロッキング）
HTTP/3:    QUIC（UDPベース、ストリームごとの独立したフロー制御）

# curlでHTTP/3リクエスト
curl --http3 https://example.com

# QUIC接続の確認
curl -v --http3 https://cloudflare-quic.com

ブラウザ
  |
  |-- 1. ローカルキャッシュを確認
  |
  v
ローカルDNSリゾルバ（例: 192.168.1.1）
  |
  |-- 2. キャッシュにない場合、再帰クエリを開始
  |
  v
ルートDNSサーバー (.)
  |
  |-- 3. ".comのネームサーバーはa.gtld-servers.netです"
  |
  v
TLD DNSサーバー (.com)
  |
  |-- 4. "example.comのネームサーバーはns1.example.comです"
  |
  v
権威DNSサーバー (example.com)
  |
  |-- 5. "example.comのIPは93.184.216.34です"
  |
  v
ローカルDNSリゾルバ（キャッシュに保存）
  |
  v
ブラウザ（IPアドレスで接続）

# Aレコードの問い合わせ
dig example.com A

# 特定のDNSサーバーで問い合わせ
dig @8.8.8.8 example.com

# MXレコードの問い合わせ
dig example.com MX

# TXTレコードの問い合わせ（SPF確認）
dig example.com TXT

# 逆引きDNS
dig -x 93.184.216.34

# 完全なDNSトレース
dig +trace example.com

# 短縮出力
dig +short example.com

# DNSSEC検証
dig +dnssec example.com

# systemd-resolvedのキャッシュ統計（Linux）
resolvectl statistics

# DNSキャッシュのフラッシュ
sudo resolvectl flush-caches

# /etc/resolv.confの確認
cat /etc/resolv.conf

# nsswitch.confでDNS解決順序を確認
grep hosts /etc/nsswitch.conf

Client                                Server
  |                                     |
  |--- ClientHello ------------------>  |   サポートする暗号スイート、鍵共有
  |    (+ key_share)                    |
  |                                     |
  |<-- ServerHello ------------------- |   選択された暗号スイート、鍵共有
  |    (+ key_share)                    |
  |<-- EncryptedExtensions ----------- |
  |<-- Certificate ------------------- |   サーバー証明書
  |<-- CertificateVerify ------------- |   署名検証
  |<-- Finished ---------------------- |
  |                                     |
  |--- Finished --------------------->  |
  |                                     |
  |==== 暗号化通信開始 ===============|

ルートCA（自己署名）
  |
  |-- 中間CA（ルートCAが署名）
        |
        |-- サーバー証明書（中間CAが署名）

# 証明書チェーンの確認
openssl s_client -connect example.com:443 -showcerts

# 証明書の詳細情報
openssl x509 -in cert.pem -text -noout

# 証明書の有効期限確認
echo | openssl s_client -connect example.com:443 2>/dev/null | \
  openssl x509 -noout -dates

# TLSバージョンと暗号スイートの確認
openssl s_client -connect example.com:443 -tls1_3

# certbotのインストール（Ubuntu）
sudo apt install certbot python3-certbot-nginx

# 証明書の発行（Nginx）
sudo certbot --nginx -d example.com -d www.example.com

# 証明書更新のテスト
sudo certbot renew --dry-run

# 自動更新タイマーの確認
systemctl list-timers | grep certbot

# オープンソケットの確認
ss -tuln

# プロセス情報付きソケット表示
ss -tulnp

# ソケット統計
ss -s

select/poll: O(n) - 全fdをスキャンして準備完了のものを探す
epoll:       O(1) - イベントが発生したfdのみ返す

epollの動作:
1. epoll_create() - epollインスタンスの作成
2. epoll_ctl()    - 監視するfdの登録/変更/削除
3. epoll_wait()   - イベント待ち（ブロッキングまたはノンブロッキング）

                    PREROUTING
                        |
                  [ルーティング判断]
                   /         \
              INPUT        FORWARD
                |              |
          [ローカルプロセス]  [他のインターフェース]
                |              |
             OUTPUT        POSTROUTING
                \            /
              POSTROUTING

# 現在のルールを表示
sudo iptables -L -n -v

# 特定ポートの許可
sudo iptables -A INPUT -p tcp --dport 80 -j ACCEPT
sudo iptables -A INPUT -p tcp --dport 443 -j ACCEPT

# 特定IPのブロック
sudo iptables -A INPUT -s 10.0.0.100 -j DROP

# SSH接続制限（1分あたり3回）
sudo iptables -A INPUT -p tcp --dport 22 -m state --state NEW \
  -m recent --set --name SSH
sudo iptables -A INPUT -p tcp --dport 22 -m state --state NEW \
  -m recent --update --seconds 60 --hitcount 4 --name SSH -j DROP

# NAT設定（マスカレード）
sudo iptables -t nat -A POSTROUTING -o eth0 -j MASQUERADE

# ルールの保存
sudo iptables-save > /etc/iptables/rules.v4

# 現在のnftルールを表示
sudo nft list ruleset

# テーブルの作成
sudo nft add table inet my_filter

# チェーンの作成
sudo nft add chain inet my_filter input \
  '{ type filter hook input priority 0; policy drop; }'

# ルールの追加
sudo nft add rule inet my_filter input tcp dport 80 accept
sudo nft add rule inet my_filter input tcp dport 443 accept

# ルールの保存
sudo nft list ruleset > /etc/nftables.conf

# ルーティングテーブルの表示
ip route show

# デフォルトゲートウェイの確認
ip route | grep default

# 特定宛先への経路を確認
ip route get 8.8.8.8

# スタティックルートの追加
sudo ip route add 10.10.0.0/24 via 192.168.1.1 dev eth0

# ポリシーベースルーティング
sudo ip rule add from 10.0.1.0/24 table 100
sudo ip route add default via 10.0.1.1 table 100

# /etc/systemd/system/myapp.service
[Unit]
Description=My Application Server
After=network.target postgresql.service
Requires=postgresql.service
Documentation=https://example.com/docs

[Service]
Type=notify
User=myapp
Group=myapp
WorkingDirectory=/opt/myapp
Environment=NODE_ENV=production
EnvironmentFile=/etc/myapp/env
ExecStartPre=/opt/myapp/scripts/check-deps.sh
ExecStart=/usr/bin/node /opt/myapp/server.js
ExecReload=/bin/kill -HUP $MAINPID
Restart=on-failure
RestartSec=5
StartLimitBurst=3
StartLimitIntervalSec=60

# セキュリティ強化
NoNewPrivileges=true
ProtectSystem=strict
ProtectHome=true
ReadWritePaths=/var/lib/myapp /var/log/myapp
PrivateTmp=true

[Install]
WantedBy=multi-user.target

# サービス状態の確認
systemctl status myapp.service

# サービスの起動/停止/再起動
sudo systemctl start myapp.service
sudo systemctl stop myapp.service
sudo systemctl restart myapp.service

# 設定変更後のリロード（PID維持）
sudo systemctl reload myapp.service

# 起動時の自動起動設定
sudo systemctl enable myapp.service
sudo systemctl enable --now myapp.service  # 即時起動 + 自動起動

# ユニットファイル変更後のデーモンリロード
sudo systemctl daemon-reload

# 失敗したサービスの確認
systemctl --failed

# サービスの依存関係を確認
systemctl list-dependencies myapp.service

# 特定サービスのログを確認
journalctl -u myapp.service

# リアルタイムログの監視
journalctl -u myapp.service -f

# 過去1時間のログ
journalctl -u myapp.service --since "1 hour ago"

# 特定の時間範囲
journalctl --since "2026-04-12 10:00:00" --until "2026-04-12 12:00:00"

# エラーレベル以上のみ表示
journalctl -u myapp.service -p err

# ブート別ログ
journalctl -b -1  # 前回のブート
journalctl -b 0   # 現在のブート

# ディスク使用量の確認
journalctl --disk-usage

# 古いログの削除
sudo journalctl --vacuum-time=7d
sudo journalctl --vacuum-size=500M

# /etc/systemd/system/backup.timer
[Unit]
Description=Daily Backup Timer

[Timer]
OnCalendar=*-*-* 02:00:00
Persistent=true
RandomizedDelaySec=300

[Install]
WantedBy=timers.target

# /etc/systemd/system/backup.service
[Unit]
Description=Daily Backup

[Service]
Type=oneshot
ExecStart=/opt/scripts/backup.sh

# タイマーの有効化
sudo systemctl enable --now backup.timer

# 全タイマーの確認
systemctl list-timers --all

# タイマーの次回実行時刻を確認
systemctl status backup.timer

Parent Process (PID 100)
    |
    |-- fork() --> Child Process (PID 101)
                       |
                       |-- exec("/bin/ls") --> lsプログラムの実行

# プロセスツリーの確認
pstree -p

# 特定プロセスの詳細情報
cat /proc/PID/status

# プロセスが使用しているファイルディスクリプタ
ls -la /proc/PID/fd/

# ゾンビプロセスの確認
ps aux | awk '$8 ~ /Z/'

# オーファンプロセスはinit（PID 1）が自動的に引き取る
# ゾンビプロセスは親がwait()を呼び出す必要がある

# ゾンビプロセスの親を探す
ps -eo pid,ppid,stat,cmd | grep -w Z

# cgroup v2の確認
mount | grep cgroup2

# 現在のcgroupを確認
cat /proc/self/cgroup

# CPU使用量を50%に制限するcgroupの作成
sudo mkdir /sys/fs/cgroup/my_limited_group
echo "50000 100000" | sudo tee /sys/fs/cgroup/my_limited_group/cpu.max

# メモリ制限（512MB）
echo "536870912" | sudo tee /sys/fs/cgroup/my_limited_group/memory.max

# プロセスをcgroupに割り当て
echo PID | sudo tee /sys/fs/cgroup/my_limited_group/cgroup.procs

# 名前空間の一覧
lsns

# 新しいネットワーク名前空間の作成
sudo ip netns add test_ns

# 名前空間内でコマンドを実行
sudo ip netns exec test_ns ip addr

# unshareで隔離環境を作成
sudo unshare --pid --fork --mount-proc bash

# 名前空間の一覧
ip netns list

ユーザープロセス
    |
    |-- open(), read(), write() ...
    |
    v
VFS (Virtual File System)
    |
    ├── ext4
    ├── XFS
    ├── btrfs
    ├── NFS
    ├── procfs (/proc)
    └── sysfs (/sys)

# ファイルのinode番号を確認
ls -i file.txt

# inodeの詳細情報
stat file.txt

# ファイルシステムのinode使用量を確認
df -i

# ハードリンク vs シンボリックリンク
# ハードリンク: 同じinodeを共有
ln original.txt hardlink.txt

# シンボリックリンク: 別のinode、パスを指す
ln -s original.txt symlink.txt

# ファイルシステムタイプの確認
df -Th

# ファイルシステムの詳細情報
sudo tune2fs -l /dev/sda1    # ext4
sudo xfs_info /dev/sda1      # XFS
sudo btrfs filesystem show    # btrfs

# CPU情報
cat /proc/cpuinfo

# メモリ情報
cat /proc/meminfo

# ロードアベレージ
cat /proc/loadavg

# カーネルバージョン
cat /proc/version

# ネットワーク接続情報
cat /proc/net/tcp

# 特定プロセスの情報
cat /proc/PID/status    # プロセス状態
cat /proc/PID/maps      # メモリマップ
cat /proc/PID/cmdline   # 実行コマンド

# ブロックデバイス情報
ls /sys/block/

# ネットワークインターフェース情報
ls /sys/class/net/

# CPU周波数情報
cat /sys/devices/system/cpu/cpu0/cpufreq/scaling_cur_freq

# ディスクスケジューラの確認
cat /sys/block/sda/queue/scheduler

# すべてのTCP接続（リスニング含む）
ss -tuln

# ESTABLISHED状態のみ
ss -t state established

# 特定ポートへの接続数を確認
ss -tn dport = :443 | wc -l

# プロセス情報を含む
ss -tulnp

# ソケットメモリ使用量
ss -tm

# TIME_WAIT状態の接続
ss -t state time-wait

# 特定インターフェースでキャプチャ
sudo tcpdump -i eth0

# 特定ホストとの通信のみキャプチャ
sudo tcpdump -i eth0 host 10.0.0.1

# 特定ポートのキャプチャ
sudo tcpdump -i eth0 port 80

# DNSクエリのキャプチャ
sudo tcpdump -i eth0 port 53

# ファイルに保存
sudo tcpdump -i eth0 -w capture.pcap

# 保存されたファイルの読み込み
tcpdump -r capture.pcap

# HTTPリクエスト/レスポンスの内容を表示
sudo tcpdump -i eth0 -A port 80

# SYNパケットのみキャプチャ（新規接続の監視）
sudo tcpdump -i eth0 'tcp[tcpflags] & (tcp-syn) != 0'

# システムコールのトレース
strace -p PID

# ネットワーク関連のシステムコールのみ
strace -e trace=network -p PID

# ファイル関連のシステムコール
strace -e trace=file ls

# 時間情報を含む
strace -T -p PID

# 子プロセスも追跡
strace -f -p PID

# 出力をファイルに保存
strace -o output.txt -p PID

# 特定ポートを使用しているプロセスの確認
sudo lsof -i :80

# 特定プロセスが開いているファイル
lsof -p PID

# 特定ファイルを使用しているプロセス
lsof /var/log/syslog

# 削除されたがまだ開いているファイル（ディスク空間が回収されない）
lsof +L1

# ネットワーク接続の確認
lsof -i -P -n

# 特定ユーザーの開いているファイル
lsof -u username

# CPUプロファイリング（10秒）
sudo perf record -g -p PID -- sleep 10

# 結果の確認
sudo perf report

# リアルタイムのトップ関数
sudo perf top -p PID

# システム全体の統計
sudo perf stat -a -- sleep 5

# フレームグラフの生成
sudo perf record -g -p PID -- sleep 30
sudo perf script > out.perf
# FlameGraphツールで変換
./stackcollapse-perf.pl out.perf > out.folded
./flamegraph.pl out.folded > flamegraph.svg

# 1. インターフェース状態の確認
ip addr show
ip link show

# 2. ルーティングの確認
ip route show
traceroute TARGET_HOST

# 3. DNSの確認
dig TARGET_DOMAIN
nslookup TARGET_DOMAIN

# 4. 接続の確認
ping TARGET_HOST
curl -v http://TARGET_HOST

# 5. ポートの確認
ss -tuln
sudo lsof -i :PORT

# 6. ファイアウォールの確認
sudo iptables -L -n
sudo nft list ruleset

# 7. パケットキャプチャ
sudo tcpdump -i eth0 host TARGET_HOST

# 8. システムリソースの確認
top
free -h
df -h

# 9. ログの確認
journalctl -xe
dmesg | tail