第2章　通信の仕組みとOSI参照モデル

この章の目的

第1章で、ネットワークの全体像と機器の顔ぶれを押さえました。この章では、その機器たちが「どんな決まりごとにしたがって」通信しているのかを学びます。

プロトコル — 通信の約束事
パケット — データを小分けして送る仕組み
カプセル化 — 役割ごとのヘッダを重ねる仕組み
OSI参照モデル(OSI: Open Systems Interconnection) — 通信の役割を7つの層に整理したモデル

OSI参照モデルは、この研修全体で「いまどの層の話をしているか」を指すために使います。暗記は不要です。整理のための道具として、見方が分かれば十分です。

この章でできるようになること

「プロトコル」が何かを説明できる
データが小分け(パケット)で送られる理由を説明できる
「カプセル化」を、ヘッダを重ねる仕組みとして説明できる
OSI参照モデルが「暗記するもの」ではなく「通信を整理するモデル」であることを理解する
スイッチ・ルーターなどの機器が、どの層で働くかを言える
自分のPCの「第1層」を目視で確認できる

2-1 メーカーが違うのに、なぜ通信できるのか

あなたのスマートフォンと、隣の人のスマートフォンは、メーカーが違うかもしれません。会社のPCもプリンターも、それぞれ別の会社の製品です。Webサイトを動かしているサーバーは、海外製かもしれません。

製造元も内部のソフトウェアもばらばらなのに、当たり前のように通信できています。

理由は、「この決まりにしたがって通信する」という世界共通の約束事 があるからです。日本人とフランス語話者が「英語で話す」と決めれば会話できるのと同じで、共通の決まりに従うことで、異なる機器同士が通信できます。

この約束事を プロトコル と呼びます。

2-2 プロトコル — 通信の約束事

プロトコルは「決まった順番で、決まった形式のやり取りをする」というルールの集まりです。

身近な例では、電話の会話にも暗黙のプロトコルがあります(この例えは導入だけに使います)。

かけた側:「もしもし」
出た側:「はい、○○です」
かけた側: 名乗ってから用件を話す

この順番と形式を双方が守るから、会話が成立します。ネットワークのプロトコルも同じ発想です。

重要なのは、1つの巨大なルールがあるのではなく、役割ごとに多数のプロトコルが分担している ことです。

Webページの取り寄せ方の約束(HTTP)
宛先の指定方法の約束(IP)
相手が受け取れたかを確かめる約束(TCP)

名前は今の時点で覚える必要はありません。この研修では、必要になった章で1つずつ登場します。

2-3 データは小分けにして送る — パケット

ネットワークでデータを送るとき、写真1枚、メール1通をそのままの大きさでは送りません。小さく分割して送ります。この分割した単位を パケット と呼びます。

データを小分けにして送るイメージ。送りたい大きなデータをパケットに分割し、番号順に送り出す。届いた側では元どおりに組み立て直す

図2-1 データは小分け(パケット)にして送る

分割して送る理由は2つあります。

回線を独占しないため — 大きなデータを一度に流すと、その間、他の通信が待たされます。小分けなら、複数の通信のパケットが交互に流れられます
失敗に強くするため — 途中で1つのパケットが壊れたり届かなかったりしても、その1つだけ送り直せば済みます

2-4 カプセル化 — 役割ごとのヘッダを重ねる

分割したデータには、届けるための情報が必要です。データ本体に「送り届けるための付加情報(ヘッダ)」を付けることを カプセル化 と呼びます。

重要な特徴は、ヘッダが1種類ではなく、役割の違うヘッダを何層も重ねる ことです。手紙を封筒に入れ、さらに配達用の封筒に重ねて入れていく構造に相当します(この例えは導入だけに使います)。

カプセル化の図。送りたいデータに、確実な届け方のTCPヘッダ、ネットワークをまたぐ配達用のIPヘッダ、LANの中の配達用のイーサネットヘッダが、内側から外側へ重ねて付けられていく

図2-2 カプセル化 — 役割の違うヘッダを重ねていく

それぞれのヘッダに何が書かれているかは、第3章(イーサネットヘッダ)・第4章(IPヘッダ)・第6章(TCPヘッダ)で、構造図つきで1つずつ学びます。この章では次の2点を押さえてください。

データは、役割ごとのヘッダを重ねて 送られる(カプセル化)
受け取った側は、外側のヘッダから順に外して データを取り出す

2-5 OSI参照モデル — 通信の役割を7つの層に整理する

「プロトコルが多数ある」「ヘッダが何層も重なる」— 多数あるものには、整理のためのモデルが必要です。それが OSI参照モデル で、通信の仕事を役割ごとに 7つの層 に分けて整理しています。

層	名前	役割	この研修では
第7層	アプリケーション層	人間が使うサービスそのもの(Web、メールなど)	第7章
第6層	プレゼンテーション層	データの表現形式をそろえる	軽く触れる程度
第5層	セッション層	会話の開始と終了を管理する	軽く触れる程度
第4層	トランスポート層	確実に届けるための制御	第6章
第3層	ネットワーク層	ネットワークをまたぐ配達(アドレス)	第4・5章
第2層	データリンク層	同じLANの中の配達	第3章
第1層	物理層	ケーブル・電波・電気信号そのもの	この章の2-7・実機演習編

見方のポイントは2つです。

上の層ほど人間に近く、下の層ほど機械・ケーブルに近い
送る側では、データが上の層から下の層へ降りながらヘッダを重ねられ(カプセル化)、受け取る側では、下の層から上の層へ上がりながら外されていく

暗記しなくてよい理由

OSI参照モデルは試験のための表ではなく、話を整理するためのモデル です。この先の章で「いまどの層の話をしているか」を指させれば、それで役割を果たしています。7つの名前をそらで言える必要はありません。実際、第5層と第6層は現場の会話でもほとんど登場しません。

2-6 TCP/IPモデルと、研修のロードマップ

実務では、OSIの7層を実用的に4層にまとめた TCP/IPモデル という整理もよく使われます。

TCP/IPモデル	OSIでいうと	役割
アプリケーション層	第7〜5層	サービスそのもの
トランスポート層	第4層	確実に届ける制御
インターネット層	第3層	ネットワークをまたぐ配達
ネットワークインターフェイス層	第2〜1層	LANの中の配達と信号

OSIは細かい分類、TCP/IPは実用重視の分類で、どちらも同じ通信の仕組みを表しています。

これに機器とこの研修の章を重ねると、研修全体のロードマップ ができます。

層(OSI)	役割	代表的な機器	代表的なプロトコル	学ぶ章
第7〜5層	サービスそのもの	サーバー	HTTP(Web)、DNS(名前解決)	第7章
第4層	確実に届ける	―	TCP、UDP	第6章
第3層	ネットワークをまたぐ配達	ルーター	IP、ICMP(ping)	第4・5章
第2層	LANの中の配達	スイッチ	Ethernet、ARP	第3章
第1層	信号を運ぶ	LANケーブル、電波	―	2-7・実機演習

第1章で「スイッチとルーターは役割が違う」と学びました。その違いの正体は、働く層が違う ことです。

スイッチ = 第2層で働く機器(LANの中の配達)
ルーター = 第3層で働く機器(ネットワークをまたぐ配達)

この表は、この先すべての章の位置づけを示しています。迷ったらここへ戻ってください。

2-7 実機観察 — 自分のPCの「第1層」を見る

表のいちばん下、第1層(物理層)は、目で見て確認できる唯一の層です。いま使っているPCで確認します。

自分のPCのLANケーブルの 差し込み口(ポート)とケーブル を目視してください。この物理的な接続が第1層です
ポートの近くの 小さなランプ(リンクランプ) を確認してください。点灯していれば、信号のやり取りができる状態です(第1章の1-7で見たランプと同じものです)
(講師の案内があるときのみ)LANケーブルを一度抜いて、画面右下のネットワークアイコンの表示が変わることを確認し、すぐに挿し直してください。第1層が切れると、その上のすべての層が使えなくなる ことの確認です

無線(Wi-Fi)接続のPCでは、ケーブルの代わりに電波が第1層です。この場合はWi-Fiの接続状態表示が確認対象になります。

「まず第1層を目で見る」は、第8章で学ぶ障害切り分けの最初の手順でもあります。

Wiresharkの位置づけ(予告)

第3章から、Wireshark というソフトウェアを使います。PCを流れるパケットを記録して表示する道具です。

使い方の方針を先に示しておきます。Wiresharkは仕組みを理解するための道具ではなく、各章で構造図として学んだ内容を、実物のパケットで確認するための道具 として使います。パケットを1つ選ぶと、詳細画面には この章で学んだヘッダの重なりが、層ごとに1行ずつ 表示されます。カプセル化(図2-2)が実物として見える画面です。

実務で大切なポイント

「どの層の問題か」で切り分ける — 「ケーブルが抜けている」は第1層、「LANの中の配達がおかしい」は第2層、「別のネットワークに届かない」は第3層の問題です。層を意識すると、確認する場所を順番に絞れます(第8章で実践します)。
下の層から確認するのが原則 — 上の層は、下の層が動いていることの上に成り立っています。アプリの設定を調べる前に、まずケーブルとランプ(第1層)から確認します。
現場では「レイヤー」という言葉で通じ合う — 「それはレイヤー2の問題ですね」のような会話が、エンジニアの共通語として実際に使われています。層の感覚は、そのまま現場の会話力になります。

もう一歩深く

初めての方は読み飛ばして構いません。興味のある方向けの補足です。

OSIとTCP/IP、2つある理由

OSI参照モデルは、国際規格として「これからの通信はこの7層で作ろう」と設計されたものです。ところが、実際に世界へ普及したのは、先に実用化が進んでいたTCP/IPの仕組みでした。その結果、「実装はTCP/IP、説明・整理にはOSIの7層」という使い分けが定着しました。OSIは製品としては主流になりませんでしたが、整理のモデルとしては今も現役です。

第5層・第6層があまり話題にならない理由

セッション層(第5層)とプレゼンテーション層(第6層)の機能は、実際のソフトウェアではアプリケーション(第7層)の中に組み込まれて実装されることが多いためです。役割として存在はしますが、独立した層として意識する場面は多くありません。だからこそ「7つ全部の暗記」に価値はなく、第1〜4層と第7層の理解が重要になります。

よくある誤解

誤解	実際
OSI参照モデルは暗記しないといけない	暗記ではなく「話を整理するモデル」です。どの層の話かを指させれば十分です。
プロトコルとは難しいプログラムのこと	プロトコルは「約束事」です。プログラムはその約束事に従って動く側です。
データの分割は、異常時だけの特別な動作	分割は通常の動作です。ふだんの通信も、すべてパケットの形で流れています。
ヘッダを何層も重ねるのは無駄が多い	役割分担のためです。各層は自分のヘッダの分だけ処理すればよく、全体として仕組みがシンプルになります。

まとめ

通信が成り立つのは、世界共通の約束事 = プロトコル があるから
プロトコルは1つではなく、役割ごとに分担 している
データは パケット に小分けして送る(回線を独占しない・失敗に強い)
データは役割ごとのヘッダを重ねて送られる = カプセル化。受け取り側は外側から外す
OSI参照モデル は通信を7つの層に整理したモデル。暗記ではなく「どの層か」を指す道具
実務では4層の TCP/IPモデル もよく使う
スイッチは第2層、ルーターは第3層の機器。機器の違い = 働く層の違い
第1層(ケーブル・ランプ)は目で確認できる

確認問題

問題を解いてから、「解答と解説」で答え合わせをしてください。

問題1(知識)

「プロトコル」とは何ですか。「約束」という言葉を使って、1文で説明してください。

問題2(知識)

データをパケットに小分けして送る理由を、1つ挙げてください。

問題3(知識)

データ本体に「送り届けるための付加情報(ヘッダ)」を付け、さらに役割の違うヘッダを重ねていくことを何と呼びますか。

問題4(層の確認)

スイッチとルーターは、それぞれOSI参照モデルのどの層で主に働く機器ですか。

問題5(状況判断)

同僚のPCが「ネットワークにつながらない」そうです。確認したところ、LANケーブルがスイッチから抜けていました。これはOSI参照モデルでいうとどの層の問題ですか。また「下の層から確認する」という考え方が、なぜトラブル対応で役立つのか、一言で説明してください。

解答と解説

問題1の解答を表示する

解答例: メーカーや機種が違っても通信できるように、世界共通で決められた通信の約束のこと。

「決まった順番・決まった形式でやり取りする約束事」という趣旨が入っていれば正解です。

問題2の解答を表示する

解答例(どちらか1つで正解):

回線を独占せず、複数の通信が交互に流れられるから
途中で一部が壊れたり届かなかったりしても、その分だけ送り直せば済むから

問題3の解答を表示する

解答: カプセル化

受け取った側が「外側のヘッダから順に外していく」こともあわせて答えられると、なお良いです。

問題4の解答を表示する

解答: スイッチは第2層(データリンク層)、ルーターは第3層(ネットワーク層)。

「LANの中の配達が第2層のスイッチ、ネットワークをまたぐ配達が第3層のルーター」という役割とセットで覚えると、第3章・第5章の内容が整理しやすくなります。

問題5の解答を表示する

解答: ケーブルが抜けているのは第1層(物理層)の問題。

下の層から確認する理由の例: 上の層の仕組みは、下の層が動いていることの上に成り立っているから。

第1層が切れていれば、第2層から上をいくら調べても直りません。だから「まずケーブルとランプから」が原則です(2-7で確認したとおりです)。この考え方は第8章の障害切り分けで実践します。

第2章 通信の仕組みとOSI参照モデル