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広告 ネットワークの基礎知識

ネットワークレイヤーをわかりやすく図解で解説

ネットワークレイヤーとは、

  • ハードウェア
  • プロトコル
  • アプリ

といった階層（レイヤー）に分かれ、処理を分担する通信環境を指します。

前回記事：プロトコルの意味をわかりやすく身近な例で説明する

ネットワークレイヤーわかりやすくネットワークにおける階層構造を利用した通信イメージ

Webブラウザが開かれるまでの処理を1つのプロトコルで処理すると、

  1. サーバ
  2. セキュリティ
  3. インターネット
  4. ルータ（HUB）
  5. LANケーブル
  6. アプリケーション（Chrome・Safariなど）
  7. Webブラウザ

といった順番で通信データが処理されます。

しかし、各セクションで同じ通信規格は使えません。

参考：異なるプロトコルでは同じ機器でも通信ができない

すべての通信データにセクション毎の変換処理が必要となるため、無駄なプログラム処理が増えてしまいます。

そこでネットワークのレイヤーごとに信号の処理を分担させます。

ネットワークレイヤーわかりやすくネットワークレイヤーはプロトコル・スタックの階層構造で処理を行う

ネットワークレイヤーは、プロトコルスタックの処理原理でデータ通信が行われます。

network-layer-image
ネットワークにおける階層構造を利用した通信

プロトコルスタックとは

プロトコルスタックとは、異なるプロトコル間でのデータ通信をスムーズに処理するための決まりごとのこと。

例えばインターネットを開くとき、

  • PCを起動する
  • PCにパスワードを入力してログインする
  • PCをインターネットへ接続する
  • Webブラウザアプリを開く

上記のような手順を踏みます。

以上のようなフローが1つの手順・動作としてまとまった通信処理が、プロトコルスタックです。

プロトコル・スタックは、異なるプロトコルをつなぐ部品のような役割なんだな

ネットワークレイヤーわかりやすくプロトコルスタックの連続処理がスムーズなデータ通信を実現する

プロコトルでは一般的に、

  • ヘッダー
  • ペイロード

といった要素を取り決めています。

protocol-stack-image
プロトコルスタックを活用した通信

各概要は以下のとおりです。

項目要素概要
ヘッダー
（header）		プロトコル情報ファイルやパケットなどの先頭にあるデータのこと。例：郵便だと宛先・郵便種別（手紙・はがき・速達）などの情報のこと。
ペイロード
（payload）		データ送信データのうち、意図されたメッセージ部分のこと。ヘッダやメタデータが付加され送信データとなる。
ヘッダーやペイロードの概要

このプロトコルのうち、

  • 下位階層のペイロードに
  • 上位階層のヘッダペイロード

を含ませることで、上位階層のネットワークへデータを流すことが可能となります。

異なるレイヤー層のペイロードに、送信先のヘッダー情報を付与することで鍵を開けることができるんだな

ネットワークレイヤーわかりやすくインターネットのレイヤーモデルはOSI 7階層・レイヤー7と呼ばれる

ネットワーク通信を7つのレイヤーに分けたモデルを

  • OSI 7階層（レイヤー7：Open Systems Interconnection reference model）

と呼びます。内訳を見る↓

国際標準化機構（ISO）により1977年に策定されましたが、当時のネットワーク技術となるOSI参照モデルは現在ではほとんど存在していません。

ただし、OSI参照モデルとなるプロトコルを階層構造にすることで、プロトコルスタックに基づいた設計・開発が可能となります。

インターネットがPCでもスマホでも同じようにアクセスできるのは、ネットワークの階層構造やプロトコルスタックのおかげだな

レイヤー7・OSI 7階層の一覧

レイヤー7の内訳である7つのレイヤーのうち、どのレイヤーで通信エラーがあっても通信は止まります。

以下にレイヤー7階層を一覧にまとめました。

階層上中下名称プロトコル
7層上アプリケーション層Web,Email,SNS,IP電話,HTTP,FTP,DNS,SMTP,POP,PC,Server
6層↑プレゼンテーション層SMTP,FTP,Telnet
5層↑セッション層TLS,NetBIOS,セッション番号
4層中トランスポート層NAT,アクセスリスト,TCP,UDP,NetWare/IP,ICMP,Firewall
3層↓ネットワーク層IPアドレス,ルーティング,NAT,アクセスリスト,TCP/IP,ルータ,IE,Firewall
2層↓データリンク層MACアドレス,VLAN,スイッチング,スパニングツリー,QoS,ARP,Ethernet,HUB
1層下物理層RS-232,UTP,LANケーブル,WiFi電波,Ethernet
レイヤー7の定義一覧

TCP/IPモデルは4階層で考える

インターネットを基準としたネットワークの通信モデルのことを

  • TCP/IPモデル

と呼びます。

OSI参照モデルとの階層関係は以下のとおりです。

項目階層各モデルの階層関係・概要
OSI参照モデル7階層プロトコルを階層構造に分けることで、各階層処理をスムーズに
TCP/IPモデル4階層OSI参照モデルの第7~5階層がアプリケーション層に相当
第2~1階層がネットワークインターネットフェイスに相当
OSI参照モデルとTCP/IPモデルの階層

OSI参照モデルが7階層に対し、TCP/IPモデルは4階層で考えられており関係は以下図のとおりです。

osi-model-tcpip-layer
OSI参照モデルとTCP/IPモデルの階層関係
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