第8章 ネットワークの基礎 — OSI参照モデルとTCP/IP

8.1 ネットワークとは — コンピュータ同士がデータをやり取りする

ネットワークとは、複数のコンピュータをつないで、互いにデータをやり取りできるようにした仕組みのことです。あなたがメールを送る、Webページを見る、社内の共有フォルダを開く——これらはすべて、コンピュータ間でデータが行き来した結果です。1台では「情報の孤島」だったコンピュータが、つながることで一気に世界へ広がります。

ネットワークは、その広がり(範囲)によって呼び分けられます。まず押さえたいのがLANとWANの違いです。

自宅のWi-FiにつながったスマホとPCは同じLANの中にいます。そのLANがルーターを通じてWAN(インターネット)につながり、世界中のサーバーへ届く——これが日常のネットワークの基本構図です。インターネットとは、世界中の無数のネットワークが相互接続した「ネットワークのネットワーク」だと考えてください。

8.2 通信を「層」で考える — なぜ階層に分けるのか

ネットワークの通信は、電気信号を送るという物理的な話から、Webページを表示するという人間に近い話まで、非常に幅広い内容を含みます。これらを一つのかたまりとして扱うと、あまりに複雑で手に負えません。そこで先人たちは、通信の役割をいくつかの層(レイヤー)に分けて整理しました。これがネットワークを理解する最大のカギです。

身近な例で考えましょう。あなたが友人に手紙を郵送するとき、役割は自然に分かれています。

ここで大切なのは、各担当は自分の役割だけに集中し、隣の層のやり方には口出ししないという点です。あなたは手紙の中身を書くだけで、トラックがどの道を通るかは気にしません。郵便局は中身を読まず、宛名だけを見て運びます。この「役割分担」のおかげで、道路が舗装から高速道路に変わっても、あなたの手紙の書き方は変わりません。

8.3 OSI参照モデル — 通信を7つの階層で整理する

OSI参照モデルは、ネットワーク通信の役割を7つの層に分けて整理した、世界共通の「地図」です。実際の通信をそのまま実装したものではなく、通信を理解し議論するための「ものさし」として使われます。IT部門で「これはレイヤー2の問題だ」「L4で止まっている」といった会話が出てくるのは、このモデルが共通言語になっているからです。

下の層ほど「物理的・機械的」で、上の層ほど「人間に近い」ことに注目してください。第1層はただの信号、第7層は私たちが直接触れるアプリです。データを送るときは第7層から第1層へと下り、受け取るときは第1層から第7層へと上がっていきます。

8.4 TCP/IPモデル — 実際に使われている4階層

OSIモデルは理解のための地図ですが、現実のインターネットはTCP/IPモデルという、もっとシンプルな4階層の仕組みで動いています。OSIの7層を実務向けにまとめ直したものと考えてください。両者の対応は次のとおりです。

プロトコルとは、通信のための「約束事(手順や決まり)」のことです。相手と同じプロトコルを話せなければ通信は成立しません。人間が会話するのに共通の言語が必要なのと同じです。「TCP/IP」という名前は、この体系の中で特に重要な2つのプロトコル、TCP(トランスポート層)とIP(インターネット層)から取られています。

8.5 パケットとカプセル化 — データはどう包まれて送られるか

ネットワークを流れるデータは、そのまま一気に送られるのではなく、パケットという小さな単位に分割されて送られます。大きなファイルも、細切れのパケットに分けて送り、受け取った側で組み立て直します。道路が渋滞しても小さな荷物なら回り道でき、途中で1つ壊れてもその1つだけ送り直せばよい——分割にはこうした利点があります。

各パケットは、下の層へ降りるたびに、その層が必要とする情報(ヘッダ)を前に付け足されていきます。これをカプセル化といいます。手紙を封筒に入れ、その封筒をさらに宅配便の箱に入れ、その箱を配送伝票付きのパレットに載せる——という入れ子のイメージです。

受け取った側は、逆に一枚ずつ包みを開けながら上の層へ渡していきます(非カプセル化)。各層のヘッダは、その層の担当者への「指示書」だと考えると分かりやすいでしょう。IPアドレスはネットワーク層への指示、ポート番号はトランスポート層への指示、というわけです。

8.6 TCPとUDP — 確実さのTCP、速さのUDP

トランスポート層には、性格の異なる2つの主役、TCPとUDPがいます。どちらも「相手のアプリまでデータを届ける」役目ですが、そのやり方が対照的です。

TCPが接続を確立するときに行うのが、有名な3ウェイハンドシェイクです。3回のやり取りで「送りますよ」「いいですよ」「では始めます」と互いに確認してから通信を始めます。

クライアント ──[1] SYN(接続したい)──────────▶ サーバー
クライアント ◀─[2] SYN+ACK(いいですよ・了解)── サーバー
クライアント ──[3] ACK(では始めます)─────────▶ サーバー
             ↓
        接続確立。以降データをやり取り

この後もTCPは、データが届くたびに「受け取りました(ACK)」を返し、返事が来なければ再送します。だから多少回線が不安定でも、Webページやファイルは欠けずに届くのです。一方UDPは確認をしないぶん高速で、多少データが欠けても困らない動画配信や音声通話に向いています。「1フレーム落ちても通話は続けたい」——そんな用途にはUDPが最適なのです。

ポート番号 — どのアプリ宛てかを示す番号

1台のコンピュータでは、Webブラウザ・メールソフト・ビデオ会議など複数のアプリが同時に通信しています。届いたデータを「どのアプリに渡せばよいか」を区別するのがポート番号です。IPアドレスが「建物の住所」なら、ポート番号は「部屋番号」にあたります。よく使われる代表的なポートは覚えておくと実務で役立ちます。

ブラウザで https://example.com を開くと、宛先IPアドレスの443番ポートに向けてTCP接続が張られます。「サーバーのどのサービスと話すか」がポート番号で決まる、と覚えておきましょう。

8.7 MACアドレスとIPアドレス — 物理の住所と論理の住所

データを宛先まで届けるには「住所」が要ります。ネットワークには2種類の住所があり、この違いは第9章以降を理解する土台になります。

MACアドレスは、ネットワーク機器(NIC、第1章参照)に製造時に割り当てられた、原則として変わらない固有の番号です。同じLANの中で「隣の機器へ渡す」ときに使われます。一方IPアドレスは、ネットワーク上の「今いる場所」を表す住所で、つなぐ場所によって変わります。引っ越すと住所が変わるのと同じで、会社のLANと自宅のWi-Fiでは別のIPアドレスになります。遠くのネットワークまで届ける「宛先」はIPアドレスが担います。MACアドレスとIPアドレス、サブネットの詳しい話は第9章で扱います。

まとめ

• ネットワークはコンピュータ同士をつなぐ仕組み。狭い範囲がLAN、広い範囲がWAN(インターネット)
• 通信は役割を「層」に分けて整理する。層は独立していて差し替えができる
• OSI参照モデルは7階層の共通の地図、TCP/IPモデルは実際に使われる4階層
• データはパケットに分割され、各層でヘッダを付けられて(カプセル化)送られる
• TCPは確実さ重視(3ウェイハンドシェイク・再送)、UDPは速さ重視。宛先アプリはポート番号で区別する
• MACアドレスは物理の住所(同じLAN内)、IPアドレスは論理の住所(ネットワークをまたぐ)

練習問題