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OSI 参照モデル

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ネットワークを理解するための“プロトコル”

ネットワークの勉強を始めると、必ず「OSI参照モデル」という用語を目にします。ネットワークの世界では、その複雑な動きを分割して階層化することで、開発者の異なるシステムの互換性を高め、再利用を可能にし、開発を容易にしています。なかでも、OSI 参照モデルは、ネットワークを理解するための“プロトコル”となっています。

ネットワーク装置や端末を提供しているのが1社だけであれば、その会社が決めたネットワーク プロトコルだけでネットワークを運用することができます。しかし、ネットワークが普及するにつれて、さまざまな機器をネットワークに接続する要求が生まれ、各社のネットワークに合わせた開発が必要になったのでした。このような問題を解決するために生まれたのが、国際標準化機構(ISO)によって制定された「開放型システム間相互接続(OSI:Open System Interconnect)」です。そして、OSIの設計方針に基づいて通信機能を分割して階層化したのが「OSI参照モデル」というわけです。7 つの階層から構成されるため、「7階層モデル」と呼ばれることもあります。

レイヤ 7

アプリケーション層 サーバのプログラムと、ユーザが利用するアプリケーションとの間の通信を提供します。例えば、Web を参照するプロトコルである HTTP は、サーバで稼動している Web サーバ プログラムと、Web ブラウザとの間の通信を制御します。同様に FTP は、ファイル転送サーバと、ユーザが使用するファイル転送プログラムに対して、プログラム間通信のための機能を提供します。

レイヤ 6

プレゼンテーション層 データの表現形式を規定し、テキスト、画像、ストリーミングといったデータ形式を区別します。また、データの暗号化、圧縮方式、文字コードといったデータの表現形式についても、このレイヤで規定しています。

Web を参照するプロトコルである HTTP では、このレイヤで文字コードを認識し、どのような国の言葉であっても、また日本語であればシフト JIS であっても EUC コードであっても、文字化けすることなく正しくブラウザに表示します。

レイヤ 5

セッション層 通信内容(プロセス)を区別し、論理的な通信路を確立します。セッションとは、通信が開始されてから、一連の通信が終了するまでをいい、レイヤ 5 ではセッションを管理する機能を提供します。

例えば、Web を参照するプロトコルである HTTP では、ページのテキストとは別に画像1つ1つに対してセッションを確立し、ページ全体をブラウザに取り込むようになっています。そのため、先にテキストが表示されてから、順次画像が表示されるといった動きになります。

レイヤ 4

トランスポート層 エラー制御やフロー制御によって、通信品質を確保し、信頼性のあるデータ転送を可能にします。つまり、データが正しく相手にまで届いたかどうかを確認しながらデータを分割して送信したり、受信したほうではエラーを訂正したり正しい順番に並び替えたりします。

代表的なレイヤ 4 プロトコルには、TCP や UDP があります。

レイヤ 3

ネットワーク層 レイヤ 2 で通信できる範囲を超えて、隣接したネットワークに接続されたノードとのデータ通信を可能にします。隣接したネットワークとの通信が可能になれば、その隣にあるネットワークとの通信も可能になり、遠く離れていたとしても隣接したネットワークを次々にたどることによって、任意のノードとのデータ通信が可能になります。

レイヤ 3 では、通信可能な範囲全体に対して、各ノードにユニークなアドレスが必要となります。そのため、多くのレイヤ 3 プロトコルでは、ネットワークを識別するネットワーク番号と、そのネットワークに接続されたノードを識別するノード番号の 2 つ番号を組み合わせたアドレスを採用しています。

レイヤ 2

データリンク層 隣接したノードへのデータ通信を可能にします。「フレーム」と呼ばれる意味のある通信単位が導入され、データの正当性や電気信号の誤り訂正なども行います。また、ノードを識別するためのアドレスを持っているので、データを届ける相手を指定することができます。また、レイヤ 2 プロトコルの多くはレイヤ1と密接な関係を持っており、これらのプロトコルによって接続形態(トポロジー)も決まります。

レイヤ 2 のプロトコルには、PPP(Point to Point Protocol)、イーサネット、トークンリングなどがあります。トポロジーは、PPP は 1 対 1、イーサネットはバス型、トークンリングはリング型です。レイヤ 2 のネットワーク装置には、ブリッジやスイッチがあり、異なる媒体間の接続を可能にするブリッジング装置もあります。

レイヤ 1

物理層 ハードウェアに依存した物理特性を扱います。例えば、ケーブル、ケーブルとの接続部分のコネクタの形状、ケーブルを流れる電気信号の電圧・クロックなどを規定し、物理的な伝送路を確保します。

インターフェイス(コネクタ)の形状を定めた RS-232C や RJ-45 や、イーサネット、光ファイバ、シリアルケーブルといったケーブル類は、レイヤ 1 プロトコルの例となります。また、レイヤ 1 のネットワーク装置には、ハブやリピータ(増幅器)などがあります。

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現在、利用されているネットワークの多くには、TCP/IP とイーサネットが使用されています。この 2 つのテクノロジーを例にして、レイヤ1からレイヤ4までの動きを見てみることにしましょう。

レイヤ1(物理層)

もっとも簡単なネットワーク構成を考えてみましょう。2台のPCをイーサネットのクロスケーブルを使って接続します。これで、もっとも小さいネットワークが出来上がります。

イーサネットの場合、レイヤ 1 にあたる規定は、ケーブルとコネクタです。ケーブルには、同軸ケーブル、UTP、光ファイバなどが使われます。最も古いイーサネットには同軸ケーブルが使われており、転送速度は 10Mbps でした。その後、UTP(シールドなしツイストペア)ケーブルが主流となり、伝送速度も 10 Mbps から 100 Mbps、1000 Mbps へと変わってきました。また、光ファイバでは 10 Gbps までサポートされるようになっています。

レイヤ2(データリンク層)

イーサネットは、レイヤ 1 の技術であると同時に、レイヤ 2 もサポートします。イーサネットは、CSMA/CD(Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection)という通信方式を採用しており、1つのノードから送出された信号は、同じイーサネットに接続されたすべてのノードに送信されます。つまり、同じイーサネットに接続されているノードは、どれもが「隣接ノード」ということになります。

イーサネットでの通信単位は「イーサネット フレーム」と呼ばれ、ノードの識別には MAC(Media Access Control)アドレスが使われます。MAC アドレスは、6バイト(48ビット)で構成され、各ノードに装着されたネットワーク インターフェイス カードに書き込まれています。この48ビットは、IEEE(米国電気電子学会)が割り当てた 24 ビットのベンダーIDと、ベンダーで一意に割り当てる 24 ビットから構成され、常に世界で 1 つだけの番号になるようになっています。

イーサネットの場合、1つのノードから送出された信号が同じイーサネットに接続されているすべての端末に送信され、全ノードが電気信号をイーサネットフレームに組み立て直します。そして、宛先アドレスを確認し、自分宛てのフレームなら受け取り、自分宛てでなければフレームを捨てるという処理を行います。

レイヤ3(ネットワーク層)

レイヤ2では、同じスイッチあるいはハブに接続されている端末どうしでの通信が可能になりました。このネットワークの範囲がLAN(ローカルエリアネットワーク)となります。レイヤ3では、LANどうしの接続を実現します。つまり、ネットワークを相互接続する「インターネットワーキング」です。

インターネットでは、IP(Internet Protocol)がレイヤ 3 のプロトコルとして使用されています。そのため、インターネットの技術を利用したネットワークのことを「IP ネットワーク」と呼ぶこともあります。

IP で扱うデータ列は「IP パケット」と呼ばれます。また、各ノードに割り当てられるレイヤ3用のアドレスは、「IP アドレス」と呼ばれます。IP アドレスは 4 バイト(32 ビット)で構成され、どの部分をネットワーク部として扱い、どの部分をホスト部として扱うかは、最初の 3 ビットで分かるようになっています。ただし、インターネットの普及により、32 ビットでは世界中のノードに一意の IP アドレスを付けることができなくなっています。これが「IP アドレス枯渇問題」であり、サブネットマスクや NAT(Network Adress Translation)といった技術で対応してきました。しかし、このような方法は一時的な回避策でしかなく、根本的な解決にはなりません。これは、次世代の IP ネットワークである IPv6 によって解決されようとしています。

レイヤ 3 のネットワーク装置の代表はルータです。ルータは、日本語では「LAN間接続装置」ということになります。基本的には2つのネットワークを相互接続する装置ですから、2 つのインターフェイスを持っています。インターフェイスの種類には、イーサネットのほかにも、WAN接続のためのフレームリレー、シリアル、ISDNなどがあり、ルータにどのような種類のインターフェイスが付いているかが重要となります。

ルータの主な機能は、その名のとおりに経路(ルート)の計算です。あるネットワークから別のネットワークに到達するためには、どのような経路を選択すべきであり、受け取ったパケットをどこに転送するかを決めることです。経路計算の方法にはいくつかの種類があり、それらを「ルーティング プロトコル」と呼んでいます。ルーティング プロトコルには、RIP、OSPF、EIGRPなどがあります。

レイヤ4(トランスポート層)

インターネットで使われているレイヤ 4 のプロトコルには、TCP(Transmission Control Protocol)や UDP(User Datagram Protocol)があります。TCP は、エラー訂正機能やフロー制御機能を提供し、信頼性の高い通信を可能にします。UDP は、エラー訂正やフロー制御の機能がなく、エラーが発生すればそのパケットは捨てるだけで、相手に届いたという保証はしません。それだけに“軽い”プロトコルであり、転送速度は速くなります。

レイヤ 4 プロトコルとして TCP を使うか、UDP を使うかは、その上位層のプロトコルの使用目的によって異なります。たとえば、対話型アプリケーションをサポートする Telnet や、信頼性の低い伝送路を使ってデータ転送を行う FTP や HTTP には、TCP が使われています。また、主に LAN のなかで利用されるファイル共有の場合には、伝送路でのエラーが少ないこともあって、UDP が使われています。

レイヤ 4 には、その上位層のプロトコルを識別するために使用する番号があります。これを「ポート番号」と呼んでおり、リクエストの受付窓口のような役割をします。ポート番号は、ポート番号は 0 から 65535 の数値で、0 から 1023 までを「ウェルノウン ポート」と言い、特定のプログラムに割り当てることが決まっています。例えば、FTP は 21、Telnet は 25、HTTP は 80、HTTP のセキュア版である HTTPS は 443 です。また、1024~49151はアプリケーションの開発者が使ってよいことになっており、Web サーバの公開前のテスト時などに使われることもあります。さらに 49152~65535 は自由に使えるポート番号で、クライアント側のアプリケーションにダイナミックにポート番号を割り当てるのにも使われています。

インターネットでは、レイヤ 3 の IP、レイヤ 4 の TCP 以外にも、多くのプロトコルが利用されています。しかし、この 2 つの代表的なプロトコルの名称を使って、一連のプロトコルを TCP/IP プロトコル群と呼んでいます。TCP/IP プロトコル群に含まれるレイヤ 5 からレイヤ 7 のプロトコルの多くは、現在、1 つのプロトコルで 3 階層をまたがった機能を提供しています。このように、イーサネットや TCP/IP プロトコル群が、必ずしも OSI 参照モデルの 7 階層に合わせて設計されているわけではありません。それでも OSI 参照モデルは、TCP/IP の各プロトコルを説明するのに欠かせない道具となっているのです。