TCP/IPとOSIの違いとは？

Ethernetスイッチは、コンピューターネットワークにおけるデバイス間のデータ転送で重要な役割を果たし、汎用プロトコルの階層を指すOpen Source Interconnect（OSI）モデルのさまざまな階層で動作します。汎用プロトコルモデルは、異なるネットワーク階層間でパケットを送受信するための共通ルールを規定しています。 レイヤー2スイッチ 同じネットワーク内ではMACアドレスを使用してパケットを転送する一方、 レイヤー3スイッチ IPアドレスを使用して、異なるネットワーク間でデータを転送します。OSIモデルのほかに、Transmission Control Protocol（TCP）およびInternet Protocol（IP）モデルも、ネットワーク通信を説明するために使用される概念モデルであり、4つの層で構成されています。OSIには7つの層があり、TCP/IPには4つの層があります。効率的で安全なネットワークの設計と実装には、これらのモデルを理解することが不可欠です。

OSI参照モデルの階層

OSIモデルは、ネットワーク通信に関与するさまざまなソフトウェアおよびハードウェアコンポーネント間の役割分担と相互作用を標準化する概念的な枠組みとして、7つの層で構成されています。

レイヤー7：アプリケーション層

OSIモデルのアプリケーション層は、必要に応じてソフトウェアアプリケーションに通信機能を提供する役割を担い、エンドユーザーに最も近い層です。その主な機能には、データ転送を円滑に行うために、通信リソースと通信相手が利用可能かどうかを確認することが含まれます。さらに、この層では、DNS、FTP、HTTP、IMAP、POP、SMTP、SNMP、Telnet（端末をエミュレートするもの）など、エンドアプリケーション向けのプロトコルを定義します。

レイヤー6：プレゼンテーション層

通信リソースとのデータの互換性はプレゼンテーション層で確認され、アプリケーション層と下位層の両方が受け入れられる形式に変換できます。受信側のアプリケーションが理解できるようにデータを整形することで、データが正確に送信されることを保証します。この層はデータの圧縮、暗号化、復号を担い、異なる文字エンコーディング方式間でのデータ変換も処理します。プレゼンテーション層の主な目的は、送信に使用される基盤ネットワークプロトコルにかかわらず、アプリケーション層が受信したデータをアプリケーションが理解できる形式で提示することです。プレゼンテーション層は、データ送信の完全性を保護し、データ転送中の正確性とセキュリティを確保する役割を担います。

レイヤー5：セッション層

セッション層は、コンピューター間の通信リンクを管理します。その主な機能は、ローカルアプリケーションとリモートアプリケーション間の接続を作成、管理、維持、終了することです。さらに、レイヤー5のソフトウェアは認証および認可プロセスを処理し、データが正常に配信されるようにします。

レイヤー4：トランスポート層

トランスポート層は、送信元ホストから宛先ホストへのデータシーケンスの伝送を担います。エラー訂正や同様の機能により、転送されるデータの高い品質と完全性を確保します。トランスポート層の主な機能の1つは、明示的なフロー制御を提供することです。これにより、データの送受信速度を管理し、ネットワークの輻輳を防ぐことができます。TCPとUser Datagram Protocols (UDP)はOSIモデルに厳密には準拠していませんが、さまざまな状況でデータ伝送を処理できるため、レイヤー4の重要なプロトコルと見なされています。トランスポート層により、データ伝送の効率と信頼性を高めることができます。

レイヤー3：ネットワーク層

ネットワーク層は、論理アドレス指定とスイッチング機能を使用してパケットのルーティングを管理します。ネットワークは複数のノードを接続し、各ノードにはアドレスがあります。新しいメッセージがあるノードから別のノードへ送信されるとき、メッセージの内容と宛先ノードのアドレスが提供され、ネットワークはそのメッセージを宛先ノードに届けます。ネットワークは長いメッセージを複数のセグメントに分割して個別に送信し、場合によっては別のノードを経由するように転送し、別のノードで断片を再構成することがあります。

レイヤー2：データリンク層

データリンク層は、ノードからノードへデータを転送する手段として機能し、情報をフレームにパッケージ化したり、フレームから取り出したりする処理を行います。さらに、Point-to-Point Protocol (PPP)など、物理的に接続されたデバイス間の接続を確立および終了するためのプロトコルを定義します。データリンク層は通常、メディアアクセス制御（MAC）層と呼ばれる層と、論理リンク制御（LLC）層と呼ばれる層の2つのサブレイヤーで構成されます。MAC層は、ネットワーク内のデバイスがメディアにアクセスし、データ送信の許可を得る方法を管理します。一方、論理リンク制御層は、ネットワーク層プロトコルの識別とカプセル化に加え、エラーチェックとフレーム同期を監督します。

レイヤー1：物理層

物理層は、データが伝送される媒体を定義し、伝送媒体の電圧レベル、電流、信号速度、およびファイバーの種類、帯域幅、動作波長などの伝送媒体の特性を含む、すべてのデータ伝送リンクの電気的および物理的仕様を定義します。さらに、信号の符号化、変調、エラー検出を行うことで、データの正確な送受信を保証します。最終的に、物理層はデジタルデータを通信媒体上で伝送可能な信号に変換する役割を担います。

TCP/IPモデルのレイヤー

TCP/IPモデルは、インターネットプロトコルスイートとも呼ばれ、4つの層で構成される階層型参照モデルです。TCPとIPは基盤となるプロトコルであり、モデル名の由来にもなっていますが、このフレームワーク内で使用されるのはTCP/IPプロトコルだけではなく、ほかのプロトコルも利用されています。

アプリケーション層

TCP/IPモデルでは、アプリケーション層によってアプリケーションが他の層のサービスにアクセスできるようになり、アプリケーションがデータ交換に使用するプロトコルが確立されます。アプリケーション層の代表的なプロトコルには、HTTP、FTP、SMTP、Telnet、DNS、SNMP、およびルーティング情報プロトコル（RIP）があります。

トランスポート層

ホスト間トランスポート層は、単にトランスポート層とも呼ばれ、アプリケーション層にセッション通信サービスとデータグラム通信サービスを提供します。この層で使用される主なプロトコルには、TCPとUDPがあります。TCPは、コネクション指向の1対1で信頼性の高い通信サービスを提供します。送信されたパケットの順序制御と受信確認、および伝送中に失われたパケットの再取得を担います。一方、UDPはコネクションレスで、1対1または1対多の信頼性を保証しない通信サービスを提供します。一般に、1つのパケットに収まる少量のデータを転送する際に使用されます。

インターネット層

インターネット層は、ホストのアドレス指定、パッケージ化、およびルーティングの各タスクを実行する役割を担います。主なプロトコルには、IP、ARP、ICMP、およびIGMPがあります。ルーティング可能なプロトコルであるIPは、IPアドレス指定、ルーティング、パケットの断片化、および再構成を処理します。一方、ARPはネットワークアクセス層のアドレスを検出します。これは、特定のインターネット層アクセスに関連付けられたハードウェアアドレスを指す場合があります。ICMPは、IPパケットの配信に失敗した場合に診断機能とエラー報告を提供します。IGMPはIPマルチキャストグループを管理します。この層では、IPアドレスを含むIPヘッダーがパケットに追加されます。現在、32ビットのIPv4アドレスと128ビットのIPv6アドレスの両方が使用されています。

ネットワークアクセス層

ネットワークアクセス層はリンク層とも呼ばれ、TCP/IPパケットをネットワーク媒体上に送出し、ネットワーク媒体からTCP/IPパケットを取得する役割を担います。TCP/IPは、ネットワークアクセス方式、フレーム形式、媒体に依存しないよう意図的に設計されているため、特定のネットワーク技術に結び付けられていません。そのため、TCP/IPはさまざまな種類のネットワーク間での通信を可能にします。

データ伝送のプロセスとは何か、またその間にデータはどのように処理されるのか？

プロトコルデータユニット（PDU）は、階層型システムにおいて異なるレイヤー間でデータを交換する際の形式です。以下の表は、このようなシステムで使用されるさまざまな種類のPDUを示しています。

ユーザーがデバイスでウェブ閲覧操作を行うと、リモートサーバーのソフトウェアは、要求されたデータをアプリケーション層に提供することで処理を開始します。そこから、データは各層を順番に通って処理されます。ネットワークプロトコルの各層にはそれぞれ異なる機能があり、データはネットワークの物理層を通過します。データが各層を上るにつれて、対象のサーバーであれ別のデバイスであれ、目的の宛先に到達することが保証されます。各層は割り当てられた処理を実行し、最終的に受信側のソフトウェアによって利用されます。

カプセル化とは、伝送中に各レイヤーが上位レイヤーから受け取ったプロトコルデータユニット（PDU）にヘッダーまたはフッター、あるいはその両方を追加するプロセスです。この追加情報は、パケットの送信先を指定し、パケットを識別します。ヘッダー（およびフッター）とPDUの元データが、次の下位レイヤーに渡されます。このプロセスは、最下位レイヤー（物理レイヤーまたはネットワークアクセスレイヤー）に到達するまで繰り返され、そこからデータが受信デバイスへ伝送されます。

データを受信すると、受信デバイスは各レイヤーでヘッダーとフッターの情報を抽出してデータのカプセル化を解除します。この情報によって、カプセル化解除プロセスが制御されます。最後に、アプリケーションが抽出されたデータを使用します。この一連の処理は、送信と受信を含むデータ転送の全プロセスを通じて行われます。

TCP/IPおよびOSIモデルによるトラブルシューティング

ネットワーク階層を理解することで、接続障害の原因を診断できるようになります。一般的には、最上位層から始めるのではなく、ネットワークの最下位層からトラブルシューティングを開始し、上位層へ進めることが推奨されます。これは、各層がその上の層にサービスを提供するように設計されているため、次の層で発生する問題に対処しやすくなるからです。

ネットワークに問題が発生した場合、最初に物理層を確認する必要があります。これには、ネットワークケーブルが正しく接続されていること、および無線アクセスポイント（WAP）がその スイッチ, RJ45ピンが良好な状態であることを確認します。

TCP/IPモデルとOSIモデルの比較

前述のとおり、TCP/IPモデルとOSIモデルには多くの違いがあります。次の例は、両者の対応関係を示しています。

TCP/IPモデルの各層をOSIモデルの各層と比較すると、TCP/IPモデルのアプリケーション層がOSIモデルの第5層、第6層、第7層に対応していることが分かります。ただし、TCP/IPモデルには、プレゼンテーション層とセッション層を表す独立した層はありません。TCP/IPのトランスポート層は、OSIのトランスポート層の機能と、OSIのセッション層の一部の機能を担います。一方、TCP/IPのネットワークアクセス層には、OSIモデルの物理層とデータリンク層が含まれます。他方、OSIモデルのデータリンク層で利用できるシーケンス制御サービスと確認応答サービスは、TCP/IPモデルのインターネット層では使用されません。

OSI モデルと TCP/IP モデルは、ネットワーク上のデバイス間の通信をどのように構成すべきかを定義する 2 つのネットワーキングモデルです。 どちらのモデルにも、同様の機能を実行する類似した層がありますが、OSIモデルはより理論的で、ネットワークの標準化されたフレームワークを提供する一方、TCP/IPモデルはインターネット上のネットワークで実際に使用されています。OSIモデルの開発は、異なるデバイス同士の通信を容易にする汎用的なフレームワークの構築を目的としていました。これに対し、TCP/IPモデルは、現代のインターネットの前身であるARPANET向けに、相互接続されたコンピューターのネットワーク全体で信頼性の高い通信を実現するために特別に開発されました。両モデルには違いがあるものの、現在も使用されており、その概念と原則は現代のネットワークプロトコルや規格に組み込まれています。

結論

この記事では、あらゆる形式のネットワーク通信を説明するために設計された抽象的なフレームワークであるTCP/IPモデルとOSIモデルの両方について、包括的な概要を説明しました。特にTCP/IPは、インターネット運用を円滑にするうえで重要な役割を果たします。ネットワーク機器のレイヤー2、3、7について説明する際には、通常、OSIモデルを参照します。一方、TCP/IPモデルは、現代のインターネットインフラストラクチャのモデルとして機能し、すべてのネットワーク伝送を管理する標準的な規則一式を定めています。