このページでは、OSI基本参照モデルの7層とTCP/IPの4層、MACアドレス・IPアドレス・ポート番号の役割、ネットワークをまたぐ通信の流れがわかります。
- 一言で言うと：
- 違うメーカーや世代の機器どうしでも話が通じるように、通信の約束ごと（プロトコル）を階層に分けて標準化した話
- 標準化のためのモデルがOSI基本参照モデル（7層）、実際にインターネットで使われているのがTCP/IP（4層）
7層の地図（OSI基本参照モデル）→ 実際のセット（TCP/IPプロトコルスイート）→ 3つの住所（MACアドレス・IPアドレス・ポート番号）→ ネットワークをまたぐ通信
覚え方の軸
- 7層は、下から「物・デ・ネ・ト・セ・プ・ア」
- 物理 → データリンク → ネットワーク → トランスポート → セション → プレゼンテーション → アプリケーション
- 下の4層（1〜4）が下位層、上の3層（5〜7）が上位層
- TCP/IPの4層は、OSIの7層をまとめ直したもの
- 1・2層 → ネットワークインタフェース層、3層 → インターネット層、4層 → トランスポート層、5〜7層 → アプリケーション層
- 住所は層ごとに3つある
- データリンク層はMACアドレス（隣の機器まで）、ネットワーク層はIPアドレス（最終の宛先まで）、トランスポート層はポート番号（その機器の中のどのアプリか）
- 例えば、MACアドレスは「次に渡す配達員」、IPアドレスは「届け先の住所」、ポート番号は「その家の中の誰宛てか」
- ネットワークをまたぐと、MACは付け替え、IPは最後まで同じ
- 同じネットワークの中はデータリンク層の通信、ネットワークを越えるのはネットワーク層の通信
- ヘッダは、上の層から順に外側へ付いていく
- データ → TCPヘッダ（セグメント）→ IPヘッダ（パケット）→ MACヘッダ（フレーム）
OSI基本参照モデル：通信を7つの層に分ける
- OSI基本参照モデル：
- OSIは、Open System Interconnectionの略
- 異なる設計思想や世代のシステムとの通信を、円滑に行うことを目的に標準化された
- プロトコルの単機能化と、交換の容易さを目的として、7つの層に分けている
- 階層化の利点：
- 一部の階層の技術が変わっても、その階層だけ取り替えればよいので、コストを最小にできる
- 例えば、ケーブルを光ファイバに変えても（物理層）、メールソフト（アプリケーション層）は作り直さなくてよい
各層の役割（★）
| 層 | 名前 | 役割 | 例 |
|---|---|---|---|
| 7（上位層） | アプリケーション層 | やりとりされたデータの意味内容を直接扱う。アプリケーションごとに特化したプロトコル | SMTP（メール）、HTTP（Webアクセス） |
| 6（上位層） | プレゼンテーション層 | データの表現形式を管理する。文字コードや圧縮の種類などのデータの特性を決める | − |
| 5（上位層） | セション層 | 通信の目的に合わせて、データの送受信管理をする。コネクション確立やデータ転送のタイミング管理を行い、特性の違う通信の差を吸収する | − |
| 4（下位層） | トランスポート層 | エラーの検出・再送などのデータ転送の制御で、通信の品質を保証する。ポート番号で、ノード内のアプリケーションを特定する | TCP、UDP |
| 3（下位層） | ネットワーク層 | エンドツーエンド（送信元から最終の宛先まで）のやりとりを決める。ここのアドレスは、通信の最初から最後まで一貫している | IP |
| 2（下位層） | データリンク層 | 同じネットワークにつながった隣接ノード間の通信を決める | HDLC手順、MACフレームの規格 |
| 1（下位層） | 物理層 | システムの物理的・電気的な性質を決める。デジタルデータを、電流の波形や電圧の高低にどう割り付けるか、ケーブルの抵抗、コネクタピンの形状など | − |
- ネットワーク層とデータリンク層のアドレスの違い：
- MACアドレスなどのデータリンクアドレスは、ローカルネットワークの中だけで有効
- だから、ネットワークを越えるときは付け替える必要がある
- ネットワーク層のアドレス（IPアドレス）は、通信の最初から最後まで同じ
- 7層の覚え方：
- 下から「物・デ・ネ・ト・セ・プ・ア」
- 上から「ア・プ・セ・ト・ネ・デ・物」（「アプセトネデブ」）
プロトコルとサービス
- N層：
- OSI基本参照モデルで、それぞれの階層のこと
- エンティティ：
- N層にある、通信機器などの実体
- プロトコル：
- N層に属するエンティティどうし（同じ層どうし）が、相互に通信をするための取り決め
- 例えば、送り手のトランスポート層と、受け手のトランスポート層の間の約束
- サービス：
- 上の層は下の層を使いながら通信するので、異なる階層のエンティティどうしが通信する窓口が必要
- この窓口を下位層が提供する機能のこと
- サービスアクセスポイント：
- N層がN＋1層にサービスを提供する接点（窓口）
- プロトコルに沿うことの利点：
- プロトコルに沿った仕様で製品を作れば、異なるベンダの機器でも通信できる
- プロトコルとサービスの例え：
- プロトコルは、日本の社長とアメリカの社長が「英語で話そう」と決める約束（同じ立場どうし）
- サービスは、社長が秘書に「この手紙を出しておいて」と頼む窓口（上と下の立場）
TCP/IPプロトコルスイート：インターネットで使う4層のセット（★）
- プロトコルの相性：
- 1つの通信システムは、物理層からアプリケーション層まで、いろいろなプロトコルを組み上げて作る
- 「ネットワーク層がこれなら、トランスポート層はこれにするとトラブルがない」という相性がある
- プロトコルスイート：
- 同じ団体が作ったプロトコルは、セットで使われることが多い。このセットのこと
- TCP/IPプロトコルスイート：
- IPを中心に組まれた、最も代表的なプロトコルスイート
- 独自の階層モデル（4層）を持つ
- TCPとIP：
- TCPもIPも独立したプロトコル
- IPはOSIのネットワーク層、TCPはトランスポート層に当たる
TCP/IPの階層
| TCP/IPの層 | OSIの層 | 実装例 |
|---|---|---|
| アプリケーション層 | アプリケーション層、プレゼンテーション層、セション層（5〜7層） | HTTP、SMTP、FTP、DHCP、DNS、SNMP、POP3、Telnet |
| トランスポート層 | トランスポート層（4層） | TCP、UDP |
| インターネット層 | ネットワーク層（3層） | IP、ICMP など |
| ネットワークインタフェース層 | データリンク層、物理層（1〜2層） | イーサネット |
① TCP/IPの通信
- パケット：
- TCP/IPでは、データをパケットという単位に区切り、各パケットにヘッダを付けて送る
- パケット交換方式：
- TCP/IPでは、パケット交換方式でデータのやりとりをする（後の「交換方式」で扱う）
- ヘッダ：
- 各階層ごとに付けられ、次の階層へ渡される
- その階層で必要な送信元、送信先、大きさ、順番など、パケット自体の情報が入っている
- IPヘッダやTCPヘッダの中身は、後で詳しく扱う
ヘッダ付加のイメージ
- トランスポート層：
- ポート番号で通信するためのTCPヘッダを付ける
- ネットワーク層：
- IPアドレスで通信するためのIPヘッダを付ける
- データリンク層：
- MACアドレスで通信するためのMACヘッダを付ける
- ヘッダを付けたものの呼び名：
- TCPヘッダを付けたものはTCPセグメント
- IPヘッダを付けたものはIPパケット
- MACヘッダを付けたものはMACフレーム、またはイーサネットフレーム
- ヘッダ付加の例え：
- 手紙（データ）を「部署名を書いた封筒（TCP）」に入れ、それを「住所を書いた封筒（IP）」に入れ、さらに「次の配達所宛ての袋（MAC）」に入れる。受け取った側は、外側から順に開ける
② 3つのアドレス（★）
- MACアドレス：
- イーサネットやFDDIで使う物理アドレス
- データリンク層で使い、同じネットワークにつながった隣接ノード間の通信で、相手を識別する
- MACは、Media Access Controlの略
- MACアドレスの構成：
- 長さは6バイト（48ビット）
- 先頭24ビットがOUI（ベンダID）、後ろ24ビットが固有製造番号（製品に割り当てた番号）
- MACアドレスの管理：
- 機器が固有に持つ番号なので、必ず一意に決まるようにIEEEが管理している
- IPアドレス：
- ネットワーク層のプロトコルIPで使う、ノードを特定するためのアドレス
- ポート番号：
- トランスポート層で、ノード内のアプリケーションを識別するための番号
- 指定できる範囲は、TCPやUDPごとに0〜65535
- ウェルノウンポート（well-known ports）：
- 0〜1023の番号。FTPやHTTPなど、よく使われるアプリケーションのポート番号
ウェルノウンポートの代表例（★）
| プロトコル | ポート番号 |
|---|---|
| SSH | TCP 22 |
| Telnet | TCP 23 |
| SMTP | TCP 25 |
| DNS | UDP 53 |
| HTTP | TCP 80 |
| POP3 | TCP 110 |
| NTP | UDP 123 |
| IMAP4 | TCP 143 |
| SNMP | UDP 161 |
| SNMP Trap | UDP 162 |
| HTTPS | TCP 443 |
- ポート番号の覚え方：
- 20番台は「SSH 22 → Telnet 23 → SMTP 25」と、遠隔操作とメール送信
- HTTPは80、HTTPSは443、POP3は110、IMAP4は143
- セキュリティ分野の攻撃でも、SMTPの25番（OP25B）、DNSのUDP 53番・NTPのUDP 123番（リフレクタ攻撃）が出てくる
③ ネットワーク間の通信
- ネットワーク間の通信の基本：
- 同じネットワークにつながったノード間は、データリンク層の通信
- ネットワークを越えたノード間は、ネットワーク層の通信
- 例（ノードA → ノードB）：
- ノードBは、ノードAのデータリンク層の通信が届く範囲の外にあるので、直接は通信できない
- 「ノードA → ルータA → ルータB → ノードB」の順に、パケットを届ける
- そのため、ノードAには、宛先であるノードBのIPアドレスと、ルータAのMACアドレスが必要
- 流れ：
- まず、ルータAにパケットを届ける。同じデータリンク層の範囲なので、MACアドレスを使う
- ルータAは、宛先IPアドレスに届けるため、ルータBに転送する
- ルータBからノードBへも同じ
- 宛先アドレスの変わり方：
- 宛先IPアドレスは、最初から最後までノードBのまま
- 宛先MACアドレスは、ルータA → ルータB → ノードBと、区間ごとに付け替わる
- 例え：
- 東京から大阪の友だちに荷物を送る。伝票の届け先（IPアドレス）はずっと「大阪の友だち」。でも、トラックの行き先（MACアドレス）は「近くの集配所 → 大阪の集配所 → 友だちの家」と区間ごとに変わる
混同しやすいペア
- 上位層 ／ 下位層
- 上位層は、5〜7層（セション、プレゼンテーション、アプリケーション）
- 下位層は、1〜4層（物理、データリンク、ネットワーク、トランスポート）
- プレゼンテーション層 ／ セション層
- プレゼンテーション層は、データの表現形式（文字コード、圧縮）を決める
- セション層は、コネクション確立やデータ転送のタイミングを管理する
- トランスポート層 ／ ネットワーク層
- トランスポート層は、通信の品質を保証し、ポート番号でアプリを特定する（TCP、UDP）
- ネットワーク層は、エンドツーエンドの通信を決め、IPアドレスで宛先を特定する（IP）
- ネットワーク層 ／ データリンク層
- ネットワーク層は、最初から最後まで一貫したアドレス（IPアドレス）で、ネットワークを越えて届ける
- データリンク層は、ローカルネットワーク内だけで有効なアドレス（MACアドレス）で、隣の機器まで届ける
- プロトコル ／ サービス
- プロトコルは、同じ層のエンティティどうしの取り決め
- サービスは、下位層が上位層に提供する窓口の機能
- OSI基本参照モデル ／ TCP/IP
- OSI基本参照モデルは、7層。標準化のためのモデル
- TCP/IPは、4層（アプリケーション、トランスポート、インターネット、ネットワークインタフェース）。実際に使われているプロトコルスイート
- インターネット層 ／ ネットワークインタフェース層
- インターネット層は、OSIのネットワーク層に当たる（IP、ICMP）
- ネットワークインタフェース層は、OSIのデータリンク層と物理層に当たる（イーサネット）
- TCPセグメント ／ IPパケット ／ MACフレーム
- TCPセグメントは、TCPヘッダを付けたもの
- IPパケットは、IPヘッダを付けたもの
- MACフレーム（イーサネットフレーム）は、MACヘッダを付けたもの
- MACアドレス ／ IPアドレス ／ ポート番号
- MACアドレスは、データリンク層。隣接ノードを識別する（6バイト、IEEEが管理）
- IPアドレスは、ネットワーク層。ノードを特定する
- ポート番号は、トランスポート層。ノード内のアプリケーションを識別する（0〜65535）
- OUI ／ 固有製造番号
- OUIは、MACアドレスの先頭24ビット。ベンダID
- 固有製造番号は、後ろ24ビット。製品に割り当てた番号
- ウェルノウンポート ／ それ以外のポート
- ウェルノウンポートは、0〜1023。よく使われるアプリケーション用
- それ以外は、1024〜65535
- 宛先IPアドレス ／ 宛先MACアドレス（ネットワーク間の通信）
- 宛先IPアドレスは、最後まで変わらない（最終の宛先）
- 宛先MACアドレスは、区間ごとに付け替わる（次の機器）