OSIモデルとTCP/IPモデルの比較 | どちらが優れているか

著者 Yana

日付 03/23/2022

OSIとTCP/IPは、いずれも最も広く普及しているインターネットモデルです。TCP/IPモデルとOSIモデルはどのような層で構成されているのでしょうか？OSIモデルとTCP/IPモデルにはどのような違いがあるのでしょうか？OSI対TCP/IPでは、現在および将来の利用において、どちらがより有望なのでしょうか？以下でその答えを見ていきましょう。

OSIモデルとTCP/IPモデルが使用される理由

OSIとTCP/IPはいずれもインターネットモデルであり、インターネットの基礎と考えることができます。では、なぜこれらのインターネットモデルが必要なのでしょうか？なぜOSIモデル/TCPモデルが使用されるのでしょうか？

それはまるで、ある日アメリカ人と日本人が出会うようなものです。

アメリカ人は言います：こんにちは

日本語では「こんにちは」と言います

言語の違いにより、彼らは互いを理解できません。そのため、国際的な場では、コミュニケーションのための言語として英語が徐々に使用されるようになっています。Internetと同様に、異なるアーキテクチャのネットワークは、インターネットモデルなしでは相互接続を実現できません。それは、携帯電話からPCにメッセージを送信しても、PCでは受信できないようなものです。

Why Is the OSI and TCP/IP Internet Model Used?

その結果、OSIやTCP/IPなどのインターネットモデルの登場はコンピュータネットワークの発展を促進し、異なるネットワーク構造やシステム間の互換性と相互接続の問題を解決しました。

OSIモデル

OSIモデルは、Open System Interconnection Reference Modelと呼ばれています。その名が示すとおり、OSIモデルはオープン標準を重視しており、OSI標準に従っていれば、どのシステムも他のシステムと通信できます。OSIモデルは階層型アーキテクチャ方式を使用し、大規模で複雑なシステムを、扱いやすい複数の小さなシステムに分割します。OSIモデルを使用すると、各層のネットワーク機能を視覚的に確認し、ネットワーク伝送のプロセス全体を理解できます。

ただし、OSIモデルは理想化された理論モデルであり、いくつかの概念を標準化しているにすぎません。各層で使用されるプロトコルやサービスについては詳しく説明していません。各層で何をすべきかを示すだけで、詳細な実装方法は提供していません。

OSIのレイヤーとは

レイヤー1 - 物理層

物理層はOSIモデルの最下層であり、電圧、物理データレート、最大伝送距離、物理カプラなど、システムの電気的、機械的、および機能的な規格を定義します。物理層の主な機能は、伝送媒体を使用してデータリンク層に物理接続を提供し、データフローの物理的な伝送を担うことです。

物理層伝送の基本単位はビットストリーム、すなわち0と1であり、つまり最も基本的な電気信号または光信号で、これが最も基本的な物理伝送特性です。

レイヤー2 - データリンク層

データリンク層の主な機能は、通信エンティティ間にデータリンク接続を確立し、ネットワーク層にエラー制御およびフロー制御サービスを提供することです。データリンク層における伝送の基本単位はフレームです。

データリンク層は、MACサブレイヤー（媒体アクセス制御サブレイヤー）とLLCサブレイヤー（論理リンク制御サブレイヤー）で構成されます。MACサブレイヤーは、物理回線上でフレームを送信する方法を規定します。LLCサブレイヤーは、同一ネットワークリンク上のデバイス間の通信を管理します。データリンク制御サブレイヤーは、主に異なるプロトコルタイプの識別とカプセル化を担当します。つまり、データリンク制御サブレイヤーはネットワークプロトコルデータやパケットデータグラムを受け取り、さらに制御情報を追加して、そのパケットを宛先デバイスへ送信します。

レイヤー3 - ネットワーク層

ネットワーク層は、ノード間のデータ伝送用の論理リンクを構築し、ルーティングアルゴリズムによってパケットに最適な経路を選択するよう設計されており、これにより輻輳制御やネットワーク相互接続の機能を実現します。

ネットワーク層は、ルーターを最上位ノードとする重要な層です。送信元ネットワークから宛先ネットワークへのパケットのルーティングを担います。インターネットは複数のネットワークの集合体です。ネットワーク層のルーティング機能により、複数のネットワークを相互接続し、情報を共有できます。

レイヤー4 - トランスポート層

トランスポート層は、ISOモデルの上位層と下位層を接続するインターフェース層です。トランスポート層の主な機能は、ユーザーにエンドツーエンドのサービスを提供し、データグラムエラーなどの伝送上の問題を処理することです。

トランスポート層は、OSIモデルにおける主要な層です。下位層のデータ通信の詳細を上位層から隠蔽するため、ユーザーは物理層、データリンク層、ネットワーク層の詳細を考慮する必要がありません。

レイヤー5 - セッション層

セッション層の主な機能は、2つのノード間の伝送接続を維持し、ポイントツーポイント伝送を確保し、データ交換を管理することです。

セッション層は、セッションの確立、管理、および終了を行います。また、ダイアログ制御を通じて、全二重通信や半二重通信など、使用する通信モードを決定することもできます。セッション層は、RPC (リモートプロセスコール)プロトコル、X-Windowsシステムプロトコル、AppleTalkセッションプロトコル、DNA SCPプロトコルなどの独自のプロトコルを使用して、要求と応答を調整します。

レイヤー6 - プレゼンテーション層

プレゼンテーション層の主な機能は、2つの通信システム間で交換される情報の表現を処理することであり、主にデータ形式の変換、データの暗号化と復号、データの圧縮と展開などが含まれます。プレゼンテーション層がアプリケーション層に提供するサービスには、構文変換、構文選択、接続管理が含まれます。

ネットワーク帯域幅が一定であることを前提とすると、データ圧縮後のサイズが小さいほど、伝送速度は速くなります。したがって、プレゼンテーション層におけるデータの圧縮と伸長は、ネットワーク伝送速度に影響を与える重要な要因と見なされています。さらに、プレゼンテーション層はデータ暗号化サービスも提供し、データの安全な伝送を保証します。

レイヤー 7 - アプリケーション層

アプリケーション層はOSIモデルの最上位層であり、ユーザーに直接接する層です。ユーザー間の通信はアプリケーションプロセスによって処理される必要があるため、アプリケーション層では、さまざまな種類のアプリケーション要件に対応するために、異なるアプリケーションプロトコルを採用する必要があります。

アプリケーション層には、異なるネットワークユーザー間の通信にサービスを提供するための、複数の独立したユーザーサービスプロトコルモジュールが含まれています。アプリケーション層はアプリケーションそのものではなく、アプリケーションにサービスを提供するものであることに注意してください。

TCP/IPモデル

TCP/IPは、最も広く使用されているインターネットモデルです。TCP/IPの正式名称はTransmission Control Protocol/Internet Protocolで、インターネットプロトコルスイートとも呼ばれます。TCP/IPプロトコルスイートには、最も重要なプロトコルであるTCP（Transmission Control Protocol）とIP（Internet Protocol）があります。TCPはリモートホストとの接続を担当し、IPはアドレス指定を担当します。これらはモデルの中核をなしています。そのため、このモデルはTCP/IPモデルと呼ばれます。TCP/IPモデルで使用されるプロトコルには、HTTP、TELNET、DNS、SMTP、UDPなども含まれます。

TCP/IPの起源と発展

TCP/IPモデルは、米国国防総省（DoD）の資金提供を受けて開発されました。TCP/IPの設計背景には、DoDがいつ、どのような状況でも存続できるネットワークを必要としていたことがあります。そのため、ネットワークはケーブル、マイクロ波、光ファイバー、衛星回線などのさまざまな接続方式に対応するだけでなく、優れた互換性と相対的な独立性を備えている必要がありました。この厳しい要件がTCP/IPモデルの確立を促し、TCP/IPが世界中のデータ通信のニーズに応えられるようになりました。

TCP/IPのレイヤーとは

レイヤー1 - ネットワークアクセスレイヤー

ネットワークアクセス層は、TCP/IPモデルの最下層です。ネットワークアクセス層の主な機能は、基本的にOSIモデルの物理層およびデータリンク層と一致しています。ネットワークを介したデータパケットの送受信、およびコンピューター間の情報伝送を担います。

レイヤー2 - インターネット層

インターネット層はTCP/IPモデルの第2層です。データ伝送中の最適な経路選択とパケット交換を担います。トランスポート層に対して、伝送経路の選択とトラフィック輻輳制御サービスを提供します。

インターネット層の管理プロトコルはIP（Internet Protocol）です。

レイヤー 3 - トランスポート層

トランスポート層は、主にデータ伝送の信頼性とフロー制御機能を提供するように設計されています。

トランスポート層には、TCP (Transmission Control Protocol) と UDP (User Datagram Protocol) の2つの伝送プロトコルがあります。 TCPは信頼性要件の高いアプリケーションに適している一方、UDPは信頼性要件が低く、経済的な伝送が求められる場合に適しています。

TCPは信頼性の高いデータ伝送を実現し、データフロー伝送、信頼性、フロー制御、全二重動作、マルチプレクシングなどの機能を提供します。一般的には、送信データ用のチャネルを事前に確立して接続し、その後データを送信し、最後にチャネルを切断します。一方、UDPではデータの損失、順序の乱れ、エラーが発生する可能性がありますが、柔軟かつ高速に伝送できるという利点があります。

TCPがサポートするアプリケーションプロトコルには、主にTelnet、FTP、SMTPがあります。また、UDPがサポートするアプリケーションプロトコルには、NFS、SNMP、DNS、TFTPがあります。

レイヤー4 - アプリケーションレイヤー

TCP/IPは、アプリケーション関連のすべての内容をアプリケーション層に分類し、次の層のためにデータのグループ化とパッケージ化を確実に行います。アプリケーション層には、TELNET、FTPなどのすべての高位層プロトコルが含まれます。

TCP/IP Model

TCP/IPモデルの構造

OSIモデルとTCP/IPモデルの違い

OSIモデルとTCPモデルに共通しているのは、階層構造を採用し、同じ層でプロトコルスタックの概念を使用している点です。しかし、両モデルは具体的な階層区分と機能設計が異なります。

OSIとTCP/IPの比較：レイヤー構造

OSIとTCP/IPはいずれも階層型アーキテクチャを採用していますが、OSIが7層であるのに対し、TCP/IPは4層のみです。TCP/IPモデルでは、OSIモデルの上位3層を1つの層であるアプリケーション層に統合しています。また、OSIの下位2層も1つの層であるネットワークアクセス層に統合しています。明らかに、TCP/IPモデルはOSIモデルよりも簡素化されています。

OSI Layers vs TCP/IP Layers

OSIレイヤーとTCP/IPレイヤーの比較

OSIとTCP/IPの比較：適用範囲

OSIモデルは特定のプロトコルが策定される前に設計されたため、モデル設計はあまり実用的ではありません。一部のプロトコルの実装を十分に導けない場合もあります。そのため、OSIの適用範囲は限定されています。一方、TCP/IPモデルはさまざまなプロトコルが確立された後に登場したため、OSIモデルと比べてアプリケーションにおける柔軟性が高くなっています。TCP/IPモデルは、インターネット相互接続における事実上の国際標準および業界標準となっています。

OSI 対 TCP/IP：コネクション型またはコネクションレス型

OSIモデルは、サービス品質やエラー率の保証など、通信の信頼性に重点を置いています。そのため、トランスポート層では、OSIモデルはコネクション型サービスのみを考慮しますが、TCP/IPモデルはコネクション型サービス（TCP）とコネクションレス型サービス（UDP）の両方を実現し、より実用的なニーズを満たします。

将来のトレンド：OSIかTCP/IPか

TCP/IPモデルはOSIとおおむね似ていますが、それぞれ独自の特徴があります。OSIもTCP/IPも完璧ではありません。OSIはTCP/IPモデルと比べて、より理想主義的で複雑かつ実用性に欠けますが、完全性と厳密性という利点があります。OSIモデルは教科書に近いものであり、教育や研究において大きな意義を持っています。

TCP/IPモデルはインターネットの発展を促進することに成功し、逆にインターネットの発展もTCP/IPの影響力を拡大してきました。しかし、TCP/IPも完璧ではありません。アドレス空間の不足、QoSサービス品質、セキュリティなどの問題は、常にTCP/IPを悩ませてきました。現在、IPv6の導入によって一部の問題は解決できますが、依然として改善が必要です。近い将来、より完成度が高く、業界標準に適合したTCP/IPモデルが登場すると確信しています。