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通信プロトコルの標準化とは？OSI基本参照モデルとTCP/IPを基礎から理解しよう

ネットワーク通信に欠かせないプロトコルと標準化について、OSI基本参照モデルとTCP/IPの階層、実際のTCP/IP通信の流れを初心者向けに解説します。

読了時間：約10分
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通信プロトコルの標準化とは？OSI基本参照モデルとTCP/IPを基礎から理解しよう

はじめに

PCやスマートフォンは、メーカーやOSが違っていてもネットワークを通して通信できます。

なぜでしょうか？

それは、

通信するときの共通ルールが決められているから

です。

この通信ルールを**プロトコル（Protocol）**と呼びます。

この記事では、

プロトコルとは
↓
なぜ標準化するのか
↓
OSI基本参照モデル
↓
TCP/IP
↓
TCP/IP通信の流れ

という順番で学んでいきます。

1. プロトコルとは

**プロトコル（Protocol）**とは、

コンピュータ同士が通信するために定められた規約や手順

です。

人間同士でも、会話をするためには共通の言語やルールが必要です。

コンピュータも同じです。

例えばネットワークでは、

HTTP
→ Web通信

TCP
→ 信頼性のあるデータ転送

IP
→ ネットワークを越えてデータを届ける

Ethernet
→ LANでデータを転送する

など、目的ごとにさまざまなプロトコルが利用されています。

2. なぜプロトコルを標準化するのか

もしメーカーごとに通信方法が違っていたら、

メーカーAのPC
↓
メーカーAの機器
○

メーカーAのPC
↓
メーカーBの機器
×

となってしまう可能性があります。

そこで、

みんなが共通して利用できる通信規格を決める

という標準化が行われます。

標準化
↓
共通の通信ルール
↓
異なるメーカー・機器でも通信できる

この仕組みがあることで、世界中のさまざまなコンピュータをネットワークで接続できます。

3. OSI基本参照モデル

ネットワーク通信には、

アプリケーション
データ転送
経路選択
LAN内の転送
物理的な信号

など、多くの役割があります。

これらを整理するために作られた代表的な考え方が、

OSI基本参照モデル（OSI Reference Model）

です。

OSI基本参照モデルでは、ネットワーク通信の機能を7つの階層に分けます。

層 名称 主な役割
第7層 アプリケーション層 アプリケーションの通信
第6層 プレゼンテーション層 データ表現
第5層 セッション層 通信セッションの管理
第4層 トランスポート層 アプリケーション間のデータ転送
第3層 ネットワーク層 ネットワーク間の通信
第2層 データリンク層 同一ネットワークなどでの転送
第1層 物理層 信号やケーブルなど

4. OSI基本参照モデルを簡単に見る

第1層：物理層

ケーブル
光信号
電気信号
電波

など、データを物理的に伝送する部分を扱います。

第2層：データリンク層

Ethernet
MACアドレス
L2スイッチ

などと関係する層です。

第3層：ネットワーク層

IP
IPアドレス
ルーティング
ルーター

などと関係します。

第4層：トランスポート層

TCP
UDP
ポート番号

などと関係します。

第5〜7層

アプリケーション同士の通信や、データ表現、セッション管理などを扱います。

例えば、

HTTP
DNS
SMTP

などのアプリケーション向けプロトコルは、OSIではアプリケーション層に位置付けて考えます。

5. なぜ階層に分けるのか

ネットワーク通信を階層に分けることで、

それぞれの技術が何を担当しているのか

を整理できます。

例えば、

Webページを見る
↓
HTTP

確実にデータを届ける
↓
TCP

別のネットワークまで届ける
↓
IP

LAN内で転送する
↓
Ethernet

と役割を分けて考えられます。

そのため、

HTTPで問題？
TCPで問題？
IPで問題？
Ethernetで問題？

というように、ネットワーク障害を考えるときにも役立ちます。

6. TCP/IPとは

現在のインターネットで広く利用されているのが、

TCP/IP

です。

TCP/IPという名前ですが、

TCPとIPだけではなく、インターネット通信で利用されるさまざまなプロトコル群

を指します。

代表的なものには、

HTTP
DNS

TCP
UDP

IP

Ethernet

などがあります。

これらを役割ごとに階層化して利用します。

7. TCP/IPの4階層

TCP/IPは、一般的に次の4階層で説明できます。

TCP/IP 主な役割 代表例
アプリケーション層 アプリケーションの通信 HTTP・DNS・SMTP
トランスポート層 アプリケーション間の通信 TCP・UDP
インターネット層 ネットワーク間の通信 IP
ネットワークインタフェース層 実際のネットワーク上での転送 Ethernetなど

OSI基本参照モデルと大まかに対応させると、

OSI                       TCP/IP

アプリケーション ┐
プレゼンテーション ├─→ アプリケーション
セッション       ┘

トランスポート   ──→ トランスポート

ネットワーク     ──→ インターネット

データリンク     ┐
物理             ┴─→ ネットワークインタフェース

となります。

OSIは7階層、TCP/IPは一般的に4階層として整理されます。

8. OSIとTCP/IPの違い

ここは重要です。

OSI基本参照モデル

ネットワーク通信の役割を7階層に整理した参照モデル

TCP/IP

現在のインターネットで広く利用されているプロトコル群

です。

つまり、

OSI
→ 通信を理解するための地図

TCP/IP
→ 実際のインターネット通信で使われる仕組み

くらいのイメージを持っておくと分かりやすいです。

9. TCP/IPではどうやって通信するのか

では実際に、

PCからWebサイトを見る

場合を考えてみましょう。

例えばブラウザからWebサーバーへデータを送るとします。

通信では、いきなり、

PC
────────────→ Webサーバー

と一つの仕組みだけでデータを送っているわけではありません。

複数の階層がそれぞれ役割を担当します。

10. ① アプリケーション層

まず、ブラウザなどのアプリケーションがWebサーバーと通信します。

Web通信では、

HTTP

などが利用されます。

ブラウザ

「このWebページが欲しい」
↓
HTTP

というイメージです。

アプリケーション層では、

アプリケーションがどのような情報をやり取りするのか

を扱います。

11. ② トランスポート層

アプリケーション層から渡されたデータは、トランスポート層へ渡されます。

ここでは、

TCP

などが利用されます。

TCPでは、

通信相手との接続

データが届いたかの確認

データの順序管理

再送制御

などを行い、信頼性のある通信を実現します。

また、

ポート番号

を使って、

どのアプリケーションへデータを渡すのか

を識別します。

12. ③ インターネット層

次にデータはインターネット層へ渡されます。

ここで重要なのが、

IP（Internet Protocol）

です。

IPでは、

IPアドレス

を利用して通信相手を識別します。

送信元IPアドレス

宛先IPアドレス

などの情報を使い、

異なるネットワークを越えて目的のコンピュータまでデータを届ける

ために利用されます。

途中ではルーターがデータを転送します。

PC
↓
ルーター
↓
ルーター
↓
Webサーバー

というように、複数のネットワークを経由することがあります。

13. ④ ネットワークインタフェース層

最後に、

Ethernet

などを利用して、実際のネットワーク上へデータを送ります。

LANでは、

MACアドレス

などを利用して、同一リンク上の次の転送先へデータを届けます。

そして最終的には、

電気信号
光信号
電波

などとしてネットワーク上を伝送されます。

14. 送信側の通信をまとめる

ここまでをまとめると、

ブラウザ
│
│ Webページが欲しい
▼
HTTP
│
│ アプリケーションの通信
▼
TCP
│
│ ポート番号・信頼性のある転送
▼
IP
│
│ IPアドレス・ネットワーク間の配送
▼
Ethernet
│
│ LAN上での転送
▼
電気信号・光信号・電波

となります。

一つの通信を、

複数のプロトコルが役割分担して実現している

ことがポイントです。

15. 受信側では逆に処理する

Webサーバー側では、受信したデータを逆方向に処理します。

電気信号など
↓
Ethernet
↓
IP
↓
TCP
↓
HTTP
↓
Webサーバー

となります。

それぞれの階層が、

自分が担当する情報を確認して、上の階層へ渡す

という流れです。

16. TCP/IP通信全体のイメージ

最終的には、

【PC】

HTTP
 ↓
TCP
 ↓
IP
 ↓
Ethernet
 ↓

================
   ネットワーク
================

 ↓
Ethernet
 ↓
IP
 ↓
TCP
 ↓
HTTP

【Webサーバー】

という流れになります。

ここで重要なのは、

HTTP
→ アプリケーション

TCP
→ アプリケーション間の転送

IP
→ ネットワーク間の配送

Ethernet
→ LANなどでの転送

という役割分担です。

17. IEEE

ネットワークの標準化では、

IEEE（Institute of Electrical and Electronics Engineers）

という組織もよく登場します。

特にネットワークでは、

IEEE 802.3
→ Ethernet

IEEE 802.11
→ 無線LAN

を覚えておけばOKです。

今後の、

データリンク層
無線LAN

の記事でも登場します。

18. まとめ

プロトコルとは、

コンピュータ同士が通信するための規約や手順

です。

異なるメーカーや機器同士でも通信できるように、通信規格の標準化が行われています。

ネットワーク通信を理解する代表的なモデルが、

OSI基本参照モデル

です。

7 アプリケーション
6 プレゼンテーション
5 セッション
4 トランスポート
3 ネットワーク
2 データリンク
1 物理

という7階層で通信機能を整理します。

一方、現在のインターネットではTCP/IPが広く利用されています。

Web通信を簡単に見ると、

HTTP
↓
TCP
↓
IP
↓
Ethernet
↓
ネットワーク

というように、複数のプロトコルが役割分担して通信します。

この記事で覚えること

  • プロトコルは通信するための規約・手順
  • 標準化によって異なる機器同士でも通信しやすくなる
  • OSI基本参照モデルは通信機能を7階層に整理する
  • TCP/IPはインターネットで広く利用されるプロトコル群
  • TCP/IPは一般的に4階層で整理される
  • HTTPはアプリケーション層
  • TCP・UDPはトランスポート層
  • IPはインターネット層
  • Ethernetはネットワークインタフェース層
  • TCPではポート番号を利用する
  • IPではIPアドレスを利用する
  • LANではMACアドレスが利用される
  • IEEE 802.3はEthernet
  • IEEE 802.11は無線LAN
  • 一つの通信を複数のプロトコルが役割分担して実現している

🍯 はちみつメモ

ネットワーク通信は一人で全部やるのではなく「HTTPさんはアプリ担当、TCPさんは配送品質担当、IPさんは住所を見て遠くまで届ける担当、Ethernetさんは近所まで運ぶ担当」という分業制。OSIとTCP/IPは、この役割分担を整理して理解すると一気につながる。