【わかりやすい】TCP/IPモデルのしくみと役割を徹底解説

インターネットは、私たちの生活に欠かせない不可欠な存在となりました。Webブラウジング、メール、SNS、オンラインゲームなど、インターネットを介してさまざまなサービスや機能を利用しています。これらがどうやって動いているか、疑問に思ったことはないですか？

インターネットがこのように広く普及できた背景には、TCP/IPモデルと呼ばれる通信プロトコル（決まりごと）群の存在があります。TCP/IPモデルは、インターネット上でデータをやり取りする際の基本的な指針を提供し、異なるネットワークとデバイス（PCやスマホなどの機器）間の通信を可能にするものです。

このモデルは、機能ごとに階層化されており、各階層は特定のタスクを担当します。これらの階層が連携することで、複雑なプロセスを実現しています。

本記事では、TCP/IPモデルの基本的な概念と構造を解説します。また、各階層の役割や機能についても詳しく説明します。

TCP/IPモデルの基本構造

TCP/IPモデルは、インターネット上でデータをやり取りするための階層的なフレームワークを提供します。このモデルは、データの送受信を円滑に行うために、4つの主要な階層から構成されています。これらの階層は、アプリケーション層、トランスポート層、インターネット層、ネットワークインターフェース層です。各層は特定の機能を持ち、連携してインターネット上でのデータの流れを管理します。構造の覚え方として、OSI参照モデルでは「アプセトネデブ」で覚えましたが、こちらでは「アトイネ」とでもしておきましょうか。

OSI参照モデルについてはこちらで解説しています。

https://envader.plus/article/38

OSI参照モデルとTCP/IPモデルの違い

OSI参照モデルとTCP/IPモデルは、どちらもコンピュータネットワークの通信プロセスを階層化したモデルであり、それぞれに長所と短所があります。しかし、機能自体の優劣ではなく、以下の理由によりTCP/IPモデルが主流となりました。

• 実装の容易さ

  TCP/IPモデルは、OSI参照モデルよりも実装が容易でした。これは、TCP/IPモデルが4階層で構成されているのに対し、OSI参照モデルは7階層で構成されているためです。階層数が多いほど、各階層の機能が複雑になり、実装が難しくなります。

• 普及の早さ

  TCP/IPモデルは、OSI参照モデルよりも早く普及しました。これは、TCP/IPモデルがARPANET（Advanced Research Projects Agency Network）で採用されたことに起因しています。ARPANETは、インターネットの原型となったネットワークであり、TCP/IPモデルの普及に大きく貢献しました。

• 技術の進歩

  OSI参照モデルは、1984年に標準化されました。しかし、その後、インターネットの普及に伴い、TCP/IPモデルが急速に普及していきました。OSI参照モデルは、インターネットの複雑な通信プロセスに対応できなくなったため、主流の座を失いました。

このように、TCP/IPモデルが主流となった理由は、機能自体の優劣というよりも、実装の容易さ、普及の早さ、技術の進歩などの要因が複合的に影響したと考えられます。

アプリケーション層

この層は、ユーザーインターフェースと直接関連しています。メール、Webブラウジング、ファイル転送など、エンドユーザーに直接的なサービスを提供するアプリケーションが含まれます。この層で使用される主要なプロトコルには、HTTP（Webサービス）、SMTP（メール送信）、FTP（ファイル転送）などがあります。アプリケーション層は、データの表示方法とユーザーとのインタラクションを管理します。

トランスポート層

トランスポート層は、ネットワーク間のデータ伝送の信頼性と効率性を担保します。この層の主要なプロトコルにはTCP（Transmission Control Protocol）とUDP（User Datagram Protocol）があります。TCPは信頼性の高い接続指向のサービスを提供し、データの順序付けやエラー検出、再送を行います。一方、UDPはより軽量で接続のないサービスを提供し、低遅延が要求されるアプリケーションに適しています。

インターネット層

インターネット層の主要な役割は、異なるネットワークを通じてパケットをルーティングすることです。この層で最も重要なプロトコルはIP（Internet Protocol）で、データパケットのアドレッシングと転送を担当します。IPアドレスとルーティングは、この層の核心的な概念です。この層はまた、異なるネットワーク間でのデータの移動を可能にするために、パケットの分割や再組み立てを行います。

ネットワークインターフェース層

最下層に位置するネットワークインターフェース層は、物理的なネットワークハードウェアとのインタラクションを担います。これには、ケーブル、カード、物理的なアドレス（MACアドレス）などが含まれます。この層は、データの物理的な送受信を管理し、他の層が行うより抽象的なプロセスをサポートします。

各層の独立性と階層間の相互作用

各層は独立して機能するため、一つの層での変更は他の層に影響を与えずに行うことができます。これにより、TCP/IPモデルは非常に柔軟であり、新しい技術やプロトコルの導入が容易になります。この柔軟性は、インターネットが急速に進化し続ける現代のテクノロジー環境において、極めて重要な特徴です。

TCP/IPモデルの階層間では、各層は下層からデータを受け取り、それに特定のヘッダー情報を付加して次の層に渡します。例えば、アプリケーション層で生成されたデータは、トランスポート層に渡され、TCPまたはUDPヘッダーが追加されます。その後、インターネット層でIPヘッダーが付加され、最終的にネットワークインターフェース層を通じて物理的なネットワークに送信されます。このプロセスは、データ受信時に逆の順序で行われ、各層で適切なヘッダーが削除または解釈されます。

モジュラー設計の利点

TCP/IPモデルの階層的かつモジュラーな設計は、多くの利点を提供します。

• 各層は独立して開発や改良が可能
• ネットワーク技術の急速な進化に対応しやすい
• 特定の層のみに影響を及ぼす問題が発生した場合、その層だけを修正または更新することで、システム全体の安定性を保ちながら対応できる

アプリケーション層

TCP/IPモデルにおけるアプリケーション層は、エンドユーザーとインターネットの間のインターフェースです。この層は、ユーザーの要求に応じてデータを生成し、それを他の層へと送り出す役割を持っています。また、インターネット上でのデータのやり取りをユーザーフレンドリーな形式に変換する責任も担っています。

代表的なプロトコルとその働き

アプリケーション層では、様々なプロトコルが利用されており、これらは特定の種類の通信やデータ交換に特化しています。以下は、代表的なプロトコルとその機能の概要です。

• HTTP (Hypertext Transfer Protocol)

  Webブラウジングの基盤となるプロトコルです。HTTPは、Webサーバーとクライアント（通常はウェブブラウザ）間でHTMLページや関連コンテンツ（画像、スタイルシート、JavaScriptファイルなど）の送受信を行います。

• FTP (File Transfer Protocol)

  ファイルの転送に特化したプロトコルです。FTPは、ユーザーがサーバーに接続し、ファイルをアップロードまたはダウンロードするために使用されます。このプロトコルは、大量のデータ転送に適しており、セキュリティと効率の両方を提供します。

• SMTP (Simple Mail Transfer Protocol)

  電子メールの送信に使用されるプロトコルです。SMTPはメールサーバー間のメール転送を管理し、メールクライアントがメールサーバーにメールを送信する際にも使用されます。メールの受信には、POP3やIMAPといった他のプロトコルが使用されます。

これらのプロトコルは、特定の種類のデータやサービスに特化しており、アプリケーション層がエンドユーザーにとって直感的で使いやすいインターフェースを提供することを可能にしています。

トランスポート層

トランスポート層の役割

トランスポート層は、TCP/IPモデルにおいてデータ伝送の信頼性と効率性を担う重要な役割を果たします。この層は、アプリケーション層から送られてくるデータを、ネットワーク上で伝送可能なユニットに分割し、エラー検出や再送、フロー制御などの処理を行います。これにより、アプリケーション層から送られてくるデータが、目的地まで正確かつ効率的に到達することが保証されます。

TCP/UDPプロトコルの比較

トランスポート層で最も一般的に使用されるプロトコルは、TCP（Transmission Control Protocol）とUDP（User Datagram Protocol）です。これらのプロトコルは、データ伝送の方法と特性が異なります。

TCP (Transmission Control Protocol)

TCPは接続指向型のプロトコルであり、データ伝送の信頼性を重視しています。TCPによる通信は、ハンドシェイクプロセスによって開始され、データ伝送が完了するまで持続する確立された接続を必要とします。TCPは、データの順序付け、エラー検出、再送を行うことで、データの正確な伝送を保証します。このため、メール送信、Webブラウジング、ファイル転送など、信頼性が重要なアプリケーションに適しています。

UDP (User Datagram Protocol)

UDPは接続のないプロトコルで、TCPよりも高速ですが、その分、信頼性は劣ります。UDPはハンドシェイクを行わず、データパケット（データグラム）を目的地に送信するだけです。これにより、通信のオーバーヘッドが少なくなり、リアルタイムのアプリケーション（オンラインゲーム、音声やビデオ通話など）に適しています。

データの信頼性と効率性の確保方法

トランスポート層は、データの信頼性と効率性を確保するために、いくつかの重要なメカニズムを使用します。

• 確立された接続

  TCPは、データ伝送を行う前に、送信元と受信元の間で接続を確立します。これにより、データの順序付けやエラー検出、再送などの処理を効率的に行うことができます。

• 順序付け

  TCPは、受信側でデータの順序を保持し、順番にアプリケーション層に渡します。これにより、アプリケーション層は、データが正しく並んで届いていることを確認できます。

• エラー検出

  TCPは、データの送受信時にエラー検出を行い、エラーが検出された場合は、再送を行います。これにより、データの正確な伝送を保証します。

• フロー制御

  TCPは、送信元と受信元の間でフロー制御を行い、送信元が受信元の処理能力を超えてデータを送信しないようにします。これにより、ネットワークの混雑を防ぎ、データの送受信を効率的に行うことができます。

UDPはこれらの機能を持たず、より高速で軽量な通信を可能にしますが、データの到達を保証しません。

インターネット層

IPプロトコルの概要と機能

インターネット層は、TCP/IPモデルにおいて中核的な役割を担い、その主要なプロトコルはIP（Internet Protocol）です。IPプロトコルの主な機能は、異なるネットワークを経由してデータパケットを送信することです。IPは、インターネット上の各デバイスに一意のアドレス（IPアドレス）を割り当て、これを使用してデータパケットを正確な目的地にルーティングします。

IPプロトコルは、主に以下の機能を提供します。

• アドレッシング（ルーティング）

  各デバイスに一意のIPアドレスを割り当て、インターネット上での識別を可能にします。

• パケット化

  大きなデータを小さなパケットに分割し、各パケットに送信元と目的地のIPアドレスを付与します。

• ルーティング

  パケットを送信元から目的地までの最適な経路を通じて転送します。

• フラグメンテーションと再構築

  異なるネットワーク環境でのパケットサイズの制限に応じて、パケットの分割と再構築を行います。

パケットのルーティングとアドレッシングのプロセス

IPプロトコルの重要な機能は、パケットのルーティングとアドレッシングです。このプロセスは以下のように進行します。

• パケット生成

  アプリケーション層で生成されたデータは、IPプロトコルによりパケットに分割され、それぞれに送信元と目的地のIPアドレスが付与されます。

• ルーティング

  パケットは、ルーターを経由して目的地に向かいます。ルーターはパケットの目的地IPアドレスを読み取り、次に転送する最適な経路を決定します。

• 転送

  パケットは、一連のネットワークデバイス（ルーターやスイッチ）を経由して、目的地に向かいます。

• 到達と再構築

  パケットが目的地に到達すると、トランスポート層でデータの再構築が行われます。必要に応じて、フラグメンテーションされたパケットは元のデータに再構築されます。

このプロセスは、インターネット上でデータが効率的かつ正確に送信されることを保証します。IPアドレスとルーティングのメカニズムにより、世界中のどのデバイスからでも他のデバイスへデータを送信することが可能になっています。

ネットワークインターフェース層

物理的なネットワーク接続とデータリンクの概要

ネットワークインターフェース層は、TCP/IPモデルの最下層で、物理的なネットワーク接続とデータの物理的な転送を担当します。この層は、データを物理的な信号に変換してネットワーク上で伝送し、また受信した信号をデータに変換する役割を果たします。この層では、イーサネットケーブル、光ファイバー、無線接続など、様々な物理媒体を使用してデータを伝送します。

データリンク層の主な機能

データリンク層の主な機能は、ネットワークデバイス間の信頼性のあるデータ転送を提供することです。これには、エラー検出と修正、フロー制御、フレームの生成と解析などが含まれます。データリンク層は、データパケットをフレームと呼ばれる単位に構築し、それぞれに物理的なアドレス情報（MACアドレス）を付与して、正しいデバイスにデータを届けます。

ハードウェアとのインターフェースの役割

ネットワークインターフェース層は、ネットワークハードウェアとソフトウェアの間のインターフェースを提供します。この層には、ネットワークアダプタ、モデム、ルーターなどの物理的デバイスが含まれます。これらのデバイスは、物理的な信号の生成と解析、データのフレーミング、MACアドレスに基づくデータのルーティングなどを行います。

この層の役割

この層の役割は、上位層の複雑なプロセスを物理的な信号に変換し、実際のネットワーク環境でのデータ伝送を可能にすることです。ネットワークインターフェース層が効率的に機能することで、上位層のプロトコルがネットワークの物理的特性に関わらず、正常に動作することが保証されます。

TCP/IPモデルの応用例

TCP/IPモデルは、インターネットと関連するテクノロジーの基盤として、現代の多くの応用技術で使用されています。その具体的な例をいくつか挙げます。

• ウェブブラウジング

  HTTPプロトコル（アプリケーション層）とTCPプロトコル（トランスポート層）を組み合わせて、IPアドレスを使用してデータが送受信されます。

• 電子メール

  SMTP、POP3、IMAPなどのプロトコルを使用して、メールデータがTCPによって信頼性高く送受信され、IPアドレスを使用して正確な宛先にルーティングされます。

• ファイル転送

  FTPプロトコル（アプリケーション層）とTCPプロトコル（トランスポート層）を組み合わせて、大容量のデータも効率的かつ安全に転送できます。

• オンラインゲームとストリーミング

  UDPプロトコル（トランスポート層）を使用して、リアルタイムのデータ伝送を実現しています。

• VoIP通信

  音声データをIPネットワーク上でパケット化し、TCP/IPモデルを使用して送受信します。

現代のインターネット通信の応用

TCP/IPモデルは、現代のインターネット通信技術の基盤となっています。これには、スマートホームデバイス、IoT（Internet of Things）デバイス、クラウドコンピューティング、ビッグデータ分析などが含まれます。これらの技術はすべて、TCP/IPモデルに依存してデータを送受信し、様々なアプリケーションやサービスを提供します。

TCP/IPモデルの柔軟性と拡張性により、新しい技術やアプリケーションの発展が容易になっており、インターネットの未来におけるさらなるイノベーションの基盤を形成しています。

まとめ

TCP/IPモデルの重要性

TCP/IPモデルは、インターネットの基礎となる通信モデルであり、現代のデジタル社会において不可欠な存在です。

TCP/IPモデルは、異なるコンピュータネットワークが効率的かつ信頼性高く通信するために必要な機能を階層化したもので、4つの階層（アプリケーション層、トランスポート層、インターネット層、ネットワークインターフェース層）から構成されています。

各階層はそれぞれ独自の機能を持ち、統合されてインターネットの複雑なプロセスを支えています。例えば、アプリケーション層はユーザーの要求を処理し、トランスポート層はデータの送受信を管理し、インターネット層はパケットのルーティングを行い、ネットワークインターフェース層はデータの物理的な送受信を行います。

TCP/IPモデルは、私たちの日常生活に不可欠な多くのサービスを支えています。ウェブブラウジング、電子メール、ファイル転送、オンラインゲーム、VoIP通信など、これらすべてがTCP/IPモデルに依存しています。

さらに、TCP/IPモデルの柔軟性と拡張性は、新しい技術の開発と統合を容易にし、スマートホームデバイス、IoT、クラウドコンピューティングなど、現代のイノベーションに不可欠な役割を果たしています。

TCP/IPモデルは、インターネットの進化とともに進化し続け、今後も様々な技術革新の基盤として機能し続けるでしょう。つまり、覚えて損のない技術です。