プロトコル・OSI参照モデル・TCP/IPの解説|【基本情報技術者試験対策】

基本情報技術者試験で頻出のプロトコル、OSI参照モデル、TCP/IPを初心者向けに図解で分かりやすく解説します。

プロトコルとは

インターネットでWebサイトを見たり、メールを送受信したりするときは、世界中のさまざまなコンピュータ同士が通信しています。

メーカーやOSが異なるコンピュータ同士でも、問題なく通信できるのは通信するときの共通ルール（プロトコル）が決められているからです。

プロトコルとは何か

プロトコルは、コンピュータ同士が通信するための共通ルールのことです。

普段、人と人がコミュニケーションを取る場合を例に説明すると、会話の手段(媒体)は電話にするか手紙にするか、言語は日本語にするか英語にするかなど、いくつかの約束事があります。

このような通信の約束事を階層化しているのがプロトコルなのです。

プロトコルを階層化する理由

前の章で提示した人間同士のコミュニケーションの例では媒体と言語の2つの約束事が出てきましたが、実際にコンピュータが通信は、回線の種類や、通信相手の住所(IPアドレスなど)や、送信データ作成の時の形式など、階層がたくさんあります。

通信プロトコルを階層化することで、複雑な通信処理を機能ごとに分割し、独立性や柔軟性を高めているのです。

次章からは実際の通信プロトコルである「OSI参照モデル」について説明します。

OSI参照モデル

コンピュータ通信はさまざまな処理が行われており、例えばWebサイトを見るだけでも、次のような処理が行われています。

相手の住所（IPアドレス）を調べる
通信経路を決める
データを送る
相手に届いたことを確認する
Webページを画面に表示する

これらの役割をすべて一つの仕組みで管理すると、とても複雑になってしまいます。

そこで、通信の役割を7つの階層（レイヤー）に分けて整理したものがOSI参照モデルです。

OSI参照モデルの7階層

OSI参照モデルでは、通信を次の7つの階層に分けています。

層	名称	役割
第7層	アプリケーション層	Webブラウザやメールなど、利用者が使うアプリケーションを提供する
第6層	プレゼンテーション層	データの文字コードや暗号化、圧縮などを行う
第5層	セッション層	通信の開始・終了や接続を管理する
第4層	トランスポート層	データを確実に相手へ届ける
第3層	ネットワーク層	IPアドレスを利用して通信経路を決定する
第2層	データリンク層	同じネットワーク内でデータを送受信する
第1層	物理層	ケーブルや電波などを使ってデータを送る

各層のことを「レイヤー」と呼びます。

各レイヤーの説明

第1層：物理層

通信を行う際の電気的な信号や方式、LANケーブルや光ファイバー、Wi-Fiといった通信媒体を決めるのが物理層です。

郵便配達で例えると、実際に荷物を運ぶトラックや道路

第2層：データリンク層

同じネットワーク（LAN）内でデータを送受信するためのレイヤーです。

パソコンやネットワーク機器など、ネットワークに繋げることができる機器にはMACアドレスという固有の識別情報が付与されています。

データリンク層は、このMACアドレスを利用して送信先を判断します。

MACアドレスをもとに送信する機器をブリッジやスイッチングハブと言います。

データリンク層は、同じネットワークの中という限られた範囲における通信を行うためのプロトコルなので、他のネットワークへの通信はレイヤー3(ネットワーク層)が担います。

郵便配達で例えると、同じ町の中で荷物を配達

第3層：ネットワーク層

ネットワーク層もデータをどこへ送るかを決める層ですが、IPアドレスを使用してIPアドレスを利用して、目的地までの通信経路（ルート）を決定します。

IPアドレスは、通信相手を識別するための「住所」です。
MACアドレスも通信相手を識別するための情報ですがMACアドレスは機器固有の識別情報なのに対し、IPアドレスはインターネット上の住所なので、機器が変わっても再割り当てが可能です。

第4層：トランスポート層

データが途中で失われたり、順番が入れ替わったりする可能性があります。

そこでトランスポート層では、データを確実に届けるか、それとも通信速度を優先するかを判断し、通信方法を制御します。

トランスポート層で利用される代表的なプロトコルには、TCPとUDPがあります。

TCP（Transmission Control Protocol）：データを確実に届けることを重視するプロトコル
UDP（User Datagram Protocol）：通信速度を重視するプロトコル

TCP（Transmission Control Protocol）は、データを確実に相手へ届けるためのプロトコルで、データを送信した後、相手が正しく受け取ったことを確認（確認応答：ACK）しながら通信を行います。

一方、UDP（User Datagram Protocol）は、通信速度を重視するプロトコルです。

多少データが失われても問題になりにくい通信では、UDPが利用されます。

TCP	UDP
確実に届ける	速さ重視
ACKあり	ACKなし
再送あり	再送なし

第5層：セッション層

通信の開始から終了までを管理する層です。

この後述べますが、普及している通信は第5：セッション層、第6層：プレゼンテーション層は、アプリケーション層にまとめられています。

第6層：プレゼンテーション層

コンピュータごとに文字コードや画像形式が異なる場合でも、お互いに理解できるように変換します。

また、データの暗号化や圧縮も、この層の役割です。

例えば、画像ファイルを圧縮したり、通信内容を暗号化したりする処理が行われます。

第7層：アプリケーション層

利用者が直接利用するサービスを提供する層です。

Webブラウザでホームページを表示したり、メールソフトでメールを送受信したりするなど、私たちが普段利用するアプリケーションは、この層で動作しています。

代表的なプロトコルには、HTTP、HTTPS、FTP、SMTPなどがあります。

TCP/IP

前の章では、通信の役割を7つの階層に分けて整理したOSI参照モデルについて学びました。

実は、OSI参照モデルは通信を分かりやすく説明するための考え方（参照モデル）であり、そのままインターネットで使われているわけではありません。
実際にインターネットで利用されている通信ルールは、TCP/IPと呼ばれるプロトコル群です。

TCP/IPとは

TCP/IPとは、インターネットで利用されている通信ルール（プロトコル）の集まりです。

名前に「TCP」と「IP」が付いていますが、実際にはHTTPやHTTPS、DNS、SMTPなど、多くのプロトコルをまとめてTCP/IPと呼んでいます。

OSI参照モデルとの違い

OSI参照モデルは、通信を理解しやすくするために7つの階層へ整理した考え方（参照モデル）です。
一方、TCP/IPは、実際にインターネットで利用されている通信ルール（プロトコル群）です。

OSI参照モデルは7階層ですが、TCP/IPは一般的に4階層で構成されています。

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