コンピュータ同士が通信するためには、データの形式や送信手順などについて、共通のルールを決めておく必要があります。この通信上のルールが「通信プロトコル」です。基本情報技術者試験では、通信プロトコルの意味に加え、次のような知識が問われます。
- OSI基本参照モデルの7階層
- TCP/IPの階層構造
- 各階層で使用される代表的なプロトコル
- ネットワーク機器が動作する階層
- NTPなどの代表的なアプリケーション層プロトコル
IPAが公開している現行の基本情報技術者試験シラバスでも、通信プロトコルやTCP/IP、ネットワーク機器は「ネットワーク」分野の学習項目に含まれています。IPA「試験要綱・シラバスについて」
この記事では、基本情報技術者試験の科目A対策として押さえたい内容を、初心者向けに解説します。
通信プロトコルとは
通信プロトコルとは、コンピュータやネットワーク機器が通信するときに使用する共通の決まりです。人同士が会話する場合も、使用する言語や話す順番が異なれば、意思を正しく伝えられません。コンピュータ同士の通信でも同じように、送信側と受信側が共通のルールを使用する必要があります。通信プロトコルでは、主に次のような内容が決められています。
- データの形式
- データを送る順番
- 通信を開始・終了する手順
- 通信相手を指定する方法
- エラーが発生した場合の処理
- データを送信するタイミング
Webサイトの閲覧にはHTTPやHTTPS、メールの送信にはSMTP、時刻の同期にはNTPというように、通信の目的ごとに異なるプロトコルが使用されます。
なぜ通信機能を階層に分けるのか
ネットワーク通信では、ケーブルによる信号の伝送から、アプリケーション間のデータ交換まで、さまざまな処理が必要です。すべての処理を一つの大きな仕組みにすると、仕様が複雑になり、修正や機能追加も難しくなります。そこで、通信に必要な機能を複数の階層に分け、それぞれの役割を整理します。階層化には、次のような利点があります。
- 各階層の役割が明確になる
- 通信技術を設計しやすくなる
- 一部の技術を変更しても、ほかの階層への影響を抑えられる
- 異なるメーカーの機器やソフトウェアを接続しやすくなる
通信機能を7階層に整理した代表的なモデルが「OSI基本参照モデル」です。
OSI基本参照モデルとは
OSI基本参照モデルは、コンピュータの通信機能を7つの階層に分けたモデルです。「OSI参照モデル」と呼ばれることもあります。OSIは「Open Systems Interconnection」の略です。上位層ほど利用者やアプリケーションに近く、下位層ほどケーブルや電気信号などの物理的な通信に近くなります。
| 層 | 名称 | 主な役割 |
|---|---|---|
| 第7層 | アプリケーション層 | アプリケーションに通信機能を提供する |
| 第6層 | プレゼンテーション層 | データ形式の変換、文字コード変換、暗号化などを行う |
| 第5層 | セッション層 | 通信の開始、維持、終了を管理する |
| 第4層 | トランスポート層 | 端末間の通信を制御し、信頼性などを確保する |
| 第3層 | ネットワーク層 | IPアドレスなどを使って通信経路を選択する |
| 第2層 | データリンク層 | 同一ネットワーク内でフレームを転送する |
| 第1層 | 物理層 | 電気信号や光信号としてビットを伝送する |
試験対策では、7つの階層を順番に覚えるだけでなく、それぞれの階層で使用されるアドレス、データ単位、ネットワーク機器を関連付けることが重要です。
第1層：物理層
物理層は、0と1のビット列を電気信号や光信号などに変換し、通信媒体を通して伝送する階層です。ケーブルの形状、コネクタ、電気的な特性なども物理層に関係します。物理層で動作する代表的な機器は、次のとおりです。
- リピータ
- リピータハブ
第2層：データリンク層
データリンク層は、主に同一ネットワーク内でデータを転送する階層です。データリンク層では、MACアドレスを使って通信相手を識別します。また、この階層で扱うデータ単位を「フレーム」と呼びます。データリンク層で動作する代表的な機器は、次のとおりです。
- ブリッジ
- レイヤー2スイッチ
レイヤー2スイッチは「L2スイッチ」や「スイッチングハブ」とも呼ばれます。
第3層：ネットワーク層
ネットワーク層は、異なるネットワーク間でデータを届けるための階層です。IPアドレスを使って宛先を識別し、宛先までの適切な経路を選択します。この経路選択を「ルーティング」と呼びます。ネットワーク層で動作する代表的な機器は、次のとおりです。
- ルーター
- レイヤー3スイッチ
IPは、TCP/IPにおけるインターネット層の代表的なプロトコルです。
第4層：トランスポート層
トランスポート層は、通信を行う端末間でデータを適切に受け渡す役割を持ちます。代表的なプロトコルは、TCPとUDPです。
TCP
TCPは、データを確実に届けることを重視したプロトコルです。主な特徴は次のとおりです。
- 通信相手との接続を確立してからデータを送る
- データが届いたことを確認する
- データが届かなければ再送する
- データの順序を正しく並べ直す
- 通信量を調整する
このような通信方式を「コネクション型」と呼びます。
UDP
UDPは、通信前の接続確立や到着確認を原則として行わない、簡潔なプロトコルです。TCPほどの信頼性はありませんが、処理の負担が小さく、すばやくデータを送れます。このような通信方式を「コネクションレス型」と呼びます。NTPなど、処理の軽さや即時性を重視する通信で利用されます。
第5～7層
第5層から第7層は、アプリケーションに近い処理を担当します。
- セッション層：通信の開始、維持、終了を管理する
- プレゼンテーション層：文字コードやデータ形式を変換する
- アプリケーション層：利用者が使うアプリケーションに通信機能を提供する
HTTP、SMTP、DNS、NTPなどは、TCP/IPモデルではアプリケーション層のプロトコルとして扱われます。
TCP/IPとは
TCP/IPとは、インターネットを含む現在のネットワークで広く使われているプロトコル群の総称です。名称にはTCPとIPが使われていますが、TCPとIPだけを指すわけではありません。HTTP、DNS、UDP、NTPなど、多数のプロトコルを含む通信体系です。TCP/IPモデルは、通信機能を次の4階層に分けます。
| TCP/IPモデル | 主な役割 | OSI参照モデルとの対応 |
|---|---|---|
| アプリケーション層 | アプリケーションごとの通信処理 | 第5～7層 |
| トランスポート層 | 端末間の通信制御 | 第4層 |
| インターネット層 | IPによる宛先指定と経路選択 | 第3層 |
| ネットワークインタフェース層 | 同一ネットワーク内の通信と物理的な伝送 | 第1～2層 |
OSI参照モデルは通信機能を理解・整理するための基準として利用され、実際のインターネット通信ではTCP/IPが広く使われています。試験では、OSI参照モデルとTCP/IPモデルの階層を対応させて覚えておきましょう。
データは階層ごとに情報が付加される
送信側では、上位層から下位層へデータを渡すときに、各階層が制御情報を付加します。この制御情報を「ヘッダ」と呼びます。
例えば、Webブラウザが送るデータには、TCPがポート番号などの情報を付加し、IPが送信元・宛先IPアドレスなどを付加します。さらに、データリンク層がMACアドレスなどを付加します。このように、データをヘッダで包んでいく処理が「カプセル化」です。
受信側では反対に、下位層から上位層へデータを渡しながら、それぞれのヘッダを取り外します。これを「非カプセル化」といいます。
エンドシステムとは
エンドシステムとは、ネットワーク通信の送信元または宛先になる機器です。「ホスト」と呼ばれることもあります。代表的なエンドシステムには、次のものがあります。
- パソコン
- スマートフォン
- Webサーバ
- メールサーバ
- ネットワーク対応プリンター
- IoT機器
例えば、パソコンからWebサイトを閲覧する場合、利用者のパソコンとWebサーバがエンドシステムです。これに対して、途中でデータを転送するルーターやスイッチは、通信を中継するシステムです。エンドシステムでは原則として第1層から第7層までの処理を行いますが、中継機器は役割に応じた階層までを処理します。
ネットワーク機器とOSI参照モデル
基本情報技術者試験では、ネットワーク機器がOSI参照モデルのどの階層で動作するかが重要です。
| ネットワーク機器 | 主に動作する層 | 主な判断材料・役割 |
|---|---|---|
| リピータ | 第1層 | 弱くなった信号を再生する |
| リピータハブ | 第1層 | 受信した信号を全ポートへ中継する |
| ブリッジ | 第2層 | MACアドレスを見てフレームを転送する |
| レイヤー2スイッチ | 第2層 | MACアドレスを見て適切なポートへ転送する |
| ルーター | 第3層 | IPアドレスを見て経路を選択する |
| レイヤー3スイッチ | 第3層 | LAN内部などで高速にルーティングする |
| ゲートウェイ | 主に上位層 | 異なるプロトコルなどを変換する |
リピータとは
リピータは、通信経路の途中で弱くなった信号を受け取り、再生・整形して送り出す機器です。ケーブルには、伝送できる距離に制限があります。信号は長い距離を進むと弱くなったり、波形が崩れたりします。リピータを使うことで、通信可能な距離を延長できます。
リピータは電気信号などを扱うため、OSI参照モデルの第1層で動作します。MACアドレスやIPアドレスを確認して転送先を選ぶことはありません。
リピータハブとは
リピータハブは、複数のポートを持つリピータです。一般に「ハブ」と呼ばれることもあります。あるポートで受信した信号を、受信ポート以外のすべてのポートへ送信します。宛先を判断して必要なポートだけに転送する機能はありません。そのため、接続している端末が増えると、不要な信号も多く流れます。また、複数の端末が同時に送信すると、信号の衝突が発生する可能性があります。現在は、宛先に応じて転送先を選べるレイヤー2スイッチが一般的に利用されています。
ブリッジとは
ブリッジは、複数のLANを接続し、MACアドレスを見てフレームを転送する機器です。ブリッジは、どのMACアドレスがどちら側に存在するかを学習します。その情報を基に、フレームを反対側へ転送する必要があるかを判断します。不要なフレームを別のLANへ流さないため、リピータより効率的に通信できます。MACアドレスを利用するため、OSI参照モデルの第2層で動作します。
レイヤー2スイッチとは
レイヤー2スイッチは、MACアドレスを利用して、フレームを適切なポートへ転送する機器です。「L2スイッチ」や「スイッチングハブ」とも呼ばれます。基本的な仕組みは、複数のポートを備えたブリッジと考えると分かりやすいでしょう。レイヤー2スイッチは、受信したフレームの送信元MACアドレスを学習し、MACアドレステーブルを作成します。その後、宛先MACアドレスに対応するポートへフレームを転送します。リピータハブとの違いは、次のとおりです。
- リピータハブ：原則として全ポートへ信号を送る
- レイヤー2スイッチ：宛先に対応するポートへフレームを送る
レイヤー2スイッチは、同じLAN内の通信に利用されます。異なるIPネットワーク間の経路選択は、通常行いません。
ルーターとは
ルーターは、異なるネットワーク同士を接続し、IPアドレスを基にパケットの転送先を決める機器です。ルーターは、ルーティングテーブルと呼ばれる経路情報を参照し、宛先ネットワークへ向かう適切な経路を選択します。家庭や会社のLANをインターネットへ接続するときにも、ルーターが使用されます。ルーターはIPアドレスを扱うため、OSI参照モデルの第3層で動作します。また、ルーターはブロードキャストを原則として別のネットワークへ転送しません。そのため、ルーターによってネットワークの範囲を分割できます。
レイヤー3スイッチとは
レイヤー3スイッチは、レイヤー2スイッチの機能に加えて、ルーティング機能を備えた機器です。「L3スイッチ」とも呼ばれます。レイヤー2スイッチがMACアドレスを基にフレームを転送するのに対し、レイヤー3スイッチはIPアドレスを基に異なるネットワーク間のパケットも転送できます。特に、企業内LANで複数のVLANやサブネットを接続するときに利用されます。
ルーターと似ていますが、レイヤー3スイッチはLAN内部での高速な転送を得意とします。一方、ルーターはインターネットなどの外部ネットワークとの接続に必要な、多様な機能を備える製品が一般的です。試験対策では、次の違いを押さえましょう。
- レイヤー2スイッチ：MACアドレスで転送する
- ルーター：IPアドレスで経路を選択する
- レイヤー3スイッチ：L2スイッチの機能とルーティング機能を持つ
ゲートウェイとは
ゲートウェイは、通信方式やプロトコルが異なるネットワークやシステムを接続し、必要な変換を行う機器またはソフトウェアです。例えば、データ形式、文字コード、通信手順などが異なる場合に、その違いを変換して通信を可能にします。OSI参照モデルでは、主にトランスポート層より上の階層を含む変換装置として説明されます。ただし、実際の製品やサービスでは、ゲートウェイという言葉がより広い意味で使われることもあります。
「デフォルトゲートウェイ」は、端末がほかのネットワークへ通信するときに最初にパケットを送る相手です。一般的にはルーターがこの役割を担当します。したがって、試験では次の2つを区別しましょう。
- ゲートウェイ：異なる通信方式やプロトコルを変換する
- デフォルトゲートウェイ：ほかのネットワークへ出るときの送信先となるルーター
NTPとは
NTPは「Network Time Protocol」の略で、ネットワークを通じてコンピュータの時刻を同期するためのプロトコルです。TCP/IPモデルではアプリケーション層に分類され、一般にUDPの123番ポートを使用します。
コンピュータの時計にはわずかなずれが生じるため、長期間使用すると正しい時刻から離れてしまいます。NTPを使用すると、NTPサーバが提供する時刻情報を基に、端末やサーバの時計を合わせられます。時刻の同期は、単に画面上の時計を正しく表示するためだけのものではありません。
- ログに正確な時刻を記録する
- 障害が起きた順序を調査する
- セキュリティ事件を分析する
- 複数のサーバで処理時刻をそろえる
- 電子証明書の有効期間を正しく判定する
このように、システムの運用やセキュリティにおいても重要です。試験対策としては、「NTP＝ネットワーク経由の時刻同期」と覚えておきましょう。
試験対策で押さえたい対応関係
ネットワーク機器は、動作する階層と判断に使う情報を組み合わせて覚えると整理しやすくなります。
| 階層 | 判断に使う主な情報 | 代表的な機器 |
|---|---|---|
| 第1層・物理層 | 電気信号・光信号 | リピータ、リピータハブ |
| 第2層・データリンク層 | MACアドレス | ブリッジ、レイヤー2スイッチ |
| 第3層・ネットワーク層 | IPアドレス | ルーター、レイヤー3スイッチ |
| 主に上位層 | プロトコルやデータ形式 | ゲートウェイ |
特に混同しやすいのが、リピータハブ、レイヤー2スイッチ、ルーターの違いです。
- リピータハブ：受信した信号を全体へ送る
- レイヤー2スイッチ：MACアドレスを見て同一LAN内で転送する
- ルーター：IPアドレスを見て異なるネットワーク間を中継する
この3つの違いは、科目A対策として優先的に覚えておきましょう。
まとめ
通信プロトコルは、コンピュータ同士が通信するときに使用する共通のルールです。基本情報技術者試験では、次のポイントを押さえておきましょう。
- OSI基本参照モデルは通信機能を7階層に分けたモデル
- TCP/IPはインターネットで広く使われるプロトコル群
- TCP/IPモデルは通信機能を主に4階層に分ける
- エンドシステムは通信の送信元または宛先となる機器
- リピータとリピータハブは物理層で動作する
- ブリッジとレイヤー2スイッチはMACアドレスを利用する
- ルーターとレイヤー3スイッチはIPアドレスを利用する
- ゲートウェイは異なるプロトコルやデータ形式を変換する
- NTPはネットワーク経由で時刻を同期する
- NTPは一般にUDPの123番ポートを使用する
用語を個別に暗記するだけでは、似た機器を混同しやすくなります。「何層で動作するか」「何を見て転送するか」「どのような役割を持つか」の3点を関連付けて整理しましょう。
参考資料：
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