単元解説

TCP/IPとカプセル化の基礎

ネットワーク基礎CCNA

アプリケーションから送られたデータが、トランスポート層・インターネット層・ネットワークアクセス層でヘッダーを付けて送信され、受信側で元に戻る流れを学びます。

この単元で学ぶこと

Webページの閲覧、メールの送受信、ファイル転送など、アプリケーションが扱うデータは、そのままネットワークへ流れるわけではありません。通信を届けるために、各プロトコル層が必要な情報を付け加え、受信側で順に取り除きます。

この単元では、TCP/IPプロトコルスイート、アプリケーション層、トランスポート層、インターネット層、ネットワークアクセス層、デカプセル化、プロトコルデータユニット、ペイロード、ポート番号、プロトコルヘッダーの基本を学びます。

TCP/IPプロトコルスイートは、インターネット上の通信で使われるプロトコルを、役割ごとの層として整理した考え方です。代表的には、アプリケーション層、トランスポート層、インターネット層、ネットワークアクセス層として説明します。

層に分けると、アプリケーションはデータの内容を扱い、トランスポート層はアプリケーション間の通信を扱い、インターネット層はIPアドレスを使った配送を扱い、ネットワークアクセス層は同じリンク上での送信を扱う、というように役割を整理できます。

アプリケーション層は、利用者やアプリケーションが直接利用するサービスに近い層です。HTTP、DNS、SMTP、SSHなどのプロトコルが、この層の代表例です。

アプリケーション層では、Webの要求、名前解決の問い合わせ、メール本文など、利用目的に応じたデータを作ります。そのデータを遠隔のアプリケーションへ届ける処理は、下位の層に任せます。

トランスポート層は、端末上のアプリケーション同士の通信を扱います。TCPは信頼性、順序制御、再送、フロー制御などを提供し、UDPは比較的簡潔なデータグラム通信を提供します。

ポート番号を使うと、一台の端末上で複数のアプリケーションやサービスを区別できます。たとえば、同じIPアドレスの端末でも、Web、DNS、SSHなどを異なるポート番号で扱えます。

インターネット層は、IPアドレスを使って異なるネットワーク間でパケットを配送する層です。IPパケットには送信元IPアドレスと宛先IPアドレスが含まれ、ルータは宛先IPアドレスを参照して次の転送先を選びます。

端末から最終宛先までの経路には複数のルータが存在する場合があります。ルータは、各リンクで使うフレームを受信して取り除き、IPパケットを次のリンク用のフレームへ入れ直して転送します。

ネットワークアクセス層は、端末が接続されている同じネットワーク上でデータを送るための層です。Ethernet、無線LAN、ARPなどが関係し、MACアドレスとフレームを使って隣接する機器へデータを届けます。

遠隔の宛先へ送る場合でも、端末はまずデフォルトゲートウェイなど次に渡す相手へフレームを送ります。IPアドレスの最終宛先と、そのリンク上で使うMACアドレスの宛先は異なることがあります。

送信側では、アプリケーションデータに対して下位の層が順に制御情報を加えます。この処理をカプセル化と呼びます。トランスポート層ではTCPまたはUDPの情報、インターネット層ではIPの情報、ネットワークアクセス層ではフレームの情報を加えます。

各層が付け加える情報はプロトコルヘッダーとして扱われます。ヘッダーには、宛先、送信元、ポート番号、プロトコル種別、エラー検出など、その層で必要な情報が含まれます。

受信側では、受信したフレームからネットワークアクセス層の情報を確認して取り除き、IPパケットを上位へ渡します。さらにIPヘッダー、TCPまたはUDPヘッダーを順に処理し、最終的にアプリケーションデータを受信側のアプリケーションへ渡します。

この処理をデカプセル化と呼びます。送信側と受信側で同じプロトコルの規則を共有しているため、各層の情報を正しく解釈できます。

プロトコルデータユニットは、各層で扱うデータ単位を指す一般的な用語です。文脈により、セグメント、データグラム、パケット、フレームなどの呼び方が使われます。

ペイロードは、ある層から見て運びたい本体データです。たとえば、IPパケットから見るとTCPセグメント全体がペイロードであり、TCPセグメントから見るとアプリケーションデータがペイロードになります。

アプリケーションデータは、送信時にTCPまたはUDP、IP、Ethernetや無線LANの情報で順に包まれます。受信時には逆の順で情報を取り除きます。層ごとの役割を意識すると、ポート、IPアドレス、MACアドレス、ルータ、スイッチの関係を整理しやすくなります。