OSI参照モデルとTCP/IPモデルを図解で理解する

ネットワーク通信の仕組みを理解するためには、OSI参照モデルとTCP/IPモデルという2つの階層モデルを押さえておくことが不可欠です。これらのモデルは、複雑なネットワーク通信を論理的な層に分割し、各層がどのような役割を担っているかを明確にします。

本記事では、OSI参照モデルとTCP/IPモデルについて以下の内容を解説します。

• OSI参照モデルの7層それぞれの役割と代表的なプロトコル
• TCP/IPモデルの4層の構造と各層の機能
• 両モデルの対応関係と違い
• なぜネットワークが階層化されているのか

この記事を読むことで、ネットワーク通信の全体像を把握し、各層の役割を説明できるようになります。

前提条件

• コンピュータネットワークの基本的な用語（IPアドレス、パケットなど）を聞いたことがある
• Webブラウザでインターネットを利用した経験がある

特別な環境構築は不要です。概念の理解に重点を置いた内容となっています。

なぜネットワークは階層化されているのか

ネットワーク通信では、データを送信元から宛先へ届けるために多くの処理が必要です。これらの処理を1つの巨大なシステムとして実装すると、開発・保守・拡張が非常に困難になります。

階層化には以下のメリットがあります。

1. 関心の分離: 各層は特定の機能に集中でき、他の層の詳細を知る必要がない
2. 相互運用性: 同じ層のプロトコルであれば、実装を入れ替えても他の層に影響しない
3. 開発効率の向上: 各層を独立して開発・テストできる
4. トラブルシューティングの容易さ: 問題が発生した層を特定しやすい

たとえば、Webブラウザ（アプリケーション層）は、データがどのような経路を通って届くか（ネットワーク層）を意識する必要がありません。各層が自分の役割に専念することで、システム全体が効率的に動作します。

OSI参照モデルとは

OSI（Open Systems Interconnection）参照モデルは、1984年にISO（国際標準化機構）によって策定された通信の標準モデルです。ネットワーク通信を7つの層（レイヤー）に分割し、各層の役割を明確に定義しています。

以下の図は、OSI参照モデルの7層構造を示しています。

graph TB
    subgraph OSI参照モデル
        L7["第7層: アプリケーション層<br/>Application Layer"]
        L6["第6層: プレゼンテーション層<br/>Presentation Layer"]
        L5["第5層: セッション層<br/>Session Layer"]
        L4["第4層: トランスポート層<br/>Transport Layer"]
        L3["第3層: ネットワーク層<br/>Network Layer"]
        L2["第2層: データリンク層<br/>Data Link Layer"]
        L1["第1層: 物理層<br/>Physical Layer"]
    end
    
    L7 --> L6
    L6 --> L5
    L5 --> L4
    L4 --> L3
    L3 --> L2
    L2 --> L1

OSI参照モデル各層の役割

第1層: 物理層（Physical Layer）

物理層は、ビット列を電気信号、光信号、または電波として物理的に伝送する層です。

物理層では、ケーブルの種類、コネクタの形状、電圧レベル、伝送速度などの物理的な仕様を定義します。

第2層: データリンク層（Data Link Layer）

データリンク層は、直接接続された機器間でのデータ転送を担当します。物理層で発生しうるエラーを検出・訂正する機能も持ちます。

データリンク層では、MACアドレス（物理アドレス）を使用して、同一ネットワーク内の機器を識別します。

第3層: ネットワーク層（Network Layer）

ネットワーク層は、異なるネットワーク間でのデータ転送（ルーティング）を担当します。

ネットワーク層では、IPアドレス（論理アドレス）を使用して、世界中のどこにあるホストにもデータを届けることができます。

第4層: トランスポート層（Transport Layer）

トランスポート層は、エンドツーエンド（端末間）の通信を管理します。データの信頼性や順序制御を提供します。

トランスポート層では、ポート番号を使用して、同一ホスト上の複数のアプリケーションを区別します。

第5層: セッション層（Session Layer）

セッション層は、通信セッションの確立・維持・終了を管理します。

現代のインターネットでは、セッション層の機能はアプリケーション層に統合されていることが多いです。

第6層: プレゼンテーション層（Presentation Layer）

プレゼンテーション層は、データの表現形式を管理します。暗号化・復号化や、データ圧縮もこの層の役割です。

プレゼンテーション層により、異なるシステム間でデータ形式の違いを吸収できます。

第7層: アプリケーション層（Application Layer）

アプリケーション層は、ユーザーやアプリケーションが直接やり取りする層です。

ユーザーが日常的に利用するWebブラウジングやメール送受信は、すべてアプリケーション層のプロトコルを使用しています。

TCP/IPモデルとは

TCP/IPモデル（インターネット・プロトコル・スイート）は、現在のインターネットで実際に使用されている通信モデルです。OSI参照モデルより歴史が古く、1970年代にDARPA（米国防高等研究計画局）によって開発されました。

TCP/IPモデルは4つの層で構成されています。

graph TB
    subgraph TCP/IPモデル
        T4["アプリケーション層<br/>Application Layer"]
        T3["トランスポート層<br/>Transport Layer"]
        T2["インターネット層<br/>Internet Layer"]
        T1["ネットワークインターフェース層<br/>Network Interface Layer"]
    end
    
    T4 --> T3
    T3 --> T2
    T2 --> T1

TCP/IPモデル各層の役割

ネットワークインターフェース層（Network Interface Layer）

ネットワークインターフェース層は、OSI参照モデルの物理層とデータリンク層を統合した層です。

この層は、使用するネットワーク技術（Ethernet、Wi-Fiなど）によって実装が異なります。

インターネット層（Internet Layer）

インターネット層は、OSI参照モデルのネットワーク層に相当します。

IPプロトコルは、インターネット全体でデータを転送するための中核的な役割を果たします。

トランスポート層（Transport Layer）

トランスポート層は、OSI参照モデルのトランスポート層と同じ役割を持ちます。

TCPは信頼性の高い通信を提供し、UDPは軽量で高速な通信を提供します。

アプリケーション層（Application Layer）

アプリケーション層は、OSI参照モデルのセッション層、プレゼンテーション層、アプリケーション層を統合した層です。

TCP/IPモデルでは、セッション管理やデータ形式変換の機能もこの層に含まれます。

OSI参照モデルとTCP/IPモデルの対応関係

以下の図は、OSI参照モデルとTCP/IPモデルの対応関係を示しています。

graph TB
    subgraph OSI["OSI参照モデル（7層）"]
        direction TB
        O7["第7層: アプリケーション層"]
        O6["第6層: プレゼンテーション層"]
        O5["第5層: セッション層"]
        O4["第4層: トランスポート層"]
        O3["第3層: ネットワーク層"]
        O2["第2層: データリンク層"]
        O1["第1層: 物理層"]
    end
    
    subgraph TCP["TCP/IPモデル（4層）"]
        direction TB
        T4["アプリケーション層"]
        T3["トランスポート層"]
        T2["インターネット層"]
        T1["ネットワークインターフェース層"]
    end
    
    O7 -.-> T4
    O6 -.-> T4
    O5 -.-> T4
    O4 -.-> T3
    O3 -.-> T2
    O2 -.-> T1
    O1 -.-> T1

両モデルの主な違いは以下のとおりです。

OSI参照モデルは理論的なフレームワークとして教育やトラブルシューティングで使用され、TCP/IPモデルは実際のインターネット通信で使用されています。

データの流れ: カプセル化と非カプセル化

データが送信元から宛先へ届くまでに、各層でどのような処理が行われるかを見てみましょう。

カプセル化（送信時）

送信側では、上位層から下位層へデータが渡される際に、各層でヘッダー（制御情報）が付加されます。これをカプセル化といいます。

graph TB
    subgraph 送信側
        A["アプリケーション層<br/>データ"] --> B["トランスポート層<br/>TCPヘッダ + データ"]
        B --> C["インターネット層<br/>IPヘッダ + TCPヘッダ + データ"]
        C --> D["ネットワークインターフェース層<br/>フレームヘッダ + IPヘッダ + TCPヘッダ + データ + FCS"]
    end

各層で付加されるヘッダーの内容は以下のとおりです。

非カプセル化（受信時）

受信側では、下位層から上位層へデータが渡される際に、各層でヘッダーが取り除かれます。これを非カプセル化といいます。

graph BT
    subgraph 受信側
        D["ネットワークインターフェース層<br/>フレームヘッダ + IPヘッダ + TCPヘッダ + データ + FCS"] --> C["インターネット層<br/>IPヘッダ + TCPヘッダ + データ"]
        C --> B["トランスポート層<br/>TCPヘッダ + データ"]
        B --> A["アプリケーション層<br/>データ"]
    end

このように、各層が自分の担当するヘッダーのみを処理することで、関心の分離が実現されています。

代表的なプロトコル一覧

各層で使用される代表的なプロトコルをまとめます。

アプリケーション層のプロトコル

トランスポート層のプロトコル

インターネット層のプロトコル

実務での活用例

OSI参照モデルとTCP/IPモデルの理解は、以下のような場面で役立ちます。

ネットワークトラブルシューティング

問題が発生した層を特定することで、効率的にトラブルシューティングできます。

セキュリティ対策

各層に対応したセキュリティ対策を講じることができます。

まとめ

本記事では、OSI参照モデルとTCP/IPモデルについて解説しました。重要なポイントを振り返ります。

1. OSI参照モデルは7層で構成される理論的な参照モデルで、教育やトラブルシューティングで使用される
2. TCP/IPモデルは4層で構成され、実際のインターネット通信で使用されている
3. 階層化により、関心の分離、相互運用性、開発効率の向上が実現される
4. データは送信時にカプセル化され、受信時に非カプセル化される
5. 各層の役割を理解することで、ネットワークのトラブルシューティングやセキュリティ対策が効率的に行える

次回は「IPアドレスとサブネットマスクの基礎」について解説し、ネットワーク層でのアドレス指定の仕組みを詳しく見ていきます。

参考リンク

• RFC 1122: Requirements for Internet Hosts – Communication Layers
• 総務省 - インターネットの仕組み
• Cisco - OSI and TCP/IP Models
• MDN Web Docs - TCP