[プロトコル階層]

プロトコルの階層

プロトコル階層の概念と OSI 参照モデル

機能を分けて考える

通信を行うためには必要な非常に多くの様々な機能が必要です。通信プロトコルはそのすべての機能を規定しなければなりません。この際に、非常に多くの機能を、その機能ごとに分割して考えると、理解しやすく設計も容易になります。

OSI参照モデル

OSI(International Organization for Standardization)という組織がISO(Open System Interconnection) というプロトコルを作りましたが、この際にOSIがこのプロトコルを機能ごとに分割し、階層的に考えることを説明しました。この時に彼らはプロトコルを７つの階層に分けて作ろうとしたのです。 OSI参照モデルの7つの階層は以下の通りです。

階層	機能
アプリケーション層 (application layer)	その名前の通りアプリケーションの通信規約です。ネットワークアプリケーションにおいては、どのような入力があったときに、どのような応答をするかなどの規約が必要となりますが、それらのプロトコルはこの階層に属します。
プレゼンテーション層 (presentation layer)	この層もその名前の通りデータ表現(presentation)を規定するものです。つまり、送りたい情報をどのような形のデータにして送るかを決めるのです。暗号化はどのようなものを用いるのか、圧縮はどのような形式なのかを規定するのです。
セッション層 (session layer)	通信の接続開始して、情報をやりとりして、処理を行う一連の動作をセッションと表現することがあります。このような接続の確立、中断、再開、また通信を半二重通信なのか全二重通信で行うかなどを含む、一連の手順がこの層に含まれます。
トランスポート層 (transport layer)	データの信頼性を高めるために必要な規約が含まれます。これには誤り訂正、パケット通信における到着順の保証などが含まれます。
ネットワーク層 (network layer)	この層の機能はネットワーク機能、つまりコンピュータへのアドレスに関する規約、ネットワーク内でのルーティングの方法、データ転送手順などが含まれます。
データリンク層 (datalink layer)	物理的に接続されているマシン同士のデータのやりとりについての規約がこの層に含まれます。物理レベルのパケットの形式や、アドレッシングなどを規定します。
物理層 (physical layer)	物理的な規約を規定します。電圧、インピーダンス、周波数、変調方式などの電気的特性に加え、ピンの形状や、通信線の形状や長さなどがこの層に含まれます。

TCP/IPネットワークにおける階層

TCP/IPは7階層に明確に分割されていない

OSI参照モデルではプロトコルを７階層に分けていますが、 TCP/IPのネットワークで用いられるプロトコルは、厳密にこの７階層に分けられていません。しかし、機能的にはこの OSI参照モデルの7階層のすべてを含んでいます。対応は以下のようになります。

アプリケーション層プレゼンテーション層セッション層	telnet, FTP, WWW, SMTP, POP3, DNSなど
トランスポート層	TCP, UDP
ネットワーク層	IP, ICMP*
データリンク層	イーサネット, PPP, FDDIなど
物理層	同軸ケーブル、ツイストペアケーブル、RS-232Cなど

*ICMPはIPパケットに入れて送られるので、IPの上位の層ともとれるがIPの一部ということになっている

TCP/IP参照モデル

OSI参照モデルは抽象的な概念を説明するのにはよいが、現実に存在し、実際の利用に耐えてきたTCP/IPを説明するのには合わないということで、TCP/IP参照モデルというものが考案されました。 TCP/IPモデルは以下のようなものです。

アプリケーション層	各種アプリケーション
トランスポート層	TCP, UDP
インターネット層	IP
ホスト-ネットワーク層	物理的な接続と、サブネットにおけるデータ通信を規定する

このようにTCP/IP参照モデルは４層から成っていて、OSI参照モデルのプレゼンテーション層とセッション層はありません。このモデルを考案した人たちは、これらは無駄なものと見なしているようです。

しかし、NFSやSMBといったファイルシステムの共有プロトコルは OSIモデルにおける、セッション層と見なす人もいます。

通信のイメージ

このように階層に分けられたそれぞれのプロトコルを使って通信を行う場合、実際にこれらの階層がどのようにその通信に関係するのかをイメージするために、一つの例を考えてみましょう。ブラウザを起動して、私のホームページ (http://www.kitakyu-techno-ctr.co.jp/~fujiki) を見ようとする場合、各プロトコル階層はどのように機能するのでしょうか。

以下の例では、物理層ではイーサネットが使われていることを想定して、記述します。

各階層が行う処理の実例

アプリケーションからTCPへ	まず、アプリケーションであるブラウザは最上位の層に位置する http(Hyper Text Transfer Protocol)の規約に従って WWWサーバに(www.kitakyu-techno-ctr.co.jp)に対してコマンドを送ります。このHTTPプロトコルでは、"GET /~fujiki/index.html"というコマンドを送ると、そのページのデータを転送すると規定されています。それで、ブラウザは"GET /~fujiki/index.html"という内容のパケットを www.kitakyu-techno-ctr.co.jpに送ってくれるように TCPの処理をつかさどるモジュールに依頼します。
TCPからIPへ	それを受け取ったTCPはパケットのチェックサムを計算したり、相手からそのパケット受け取ったことを知らせてもらえるように、そのパケットを識別するシーケンス番号をつけます。相手から「この番号のパケットは受け取ったよ」と知らせてもらえるようにです。他にもいろんな仕事をしますが、いずれもデータに信頼性を与えるための仕事をするのです。このモジュールはそれに必要な情報をTCPヘッダに入れて、 TCPパケットを作り、IPをつかさどるモジュールに転送を依頼します。
IPからイーサネットへ	IPは宛先に到着する経路にある次にマシンに依頼されたパケットを送るために、イーサネットのデバイスドライバに必要な情報を渡します。そしてルータに情報を送るのです。

ルータで

イーサネットからIPへ

ルータの物理的なデバイスであるイーサネットにパケットが入ってくると、それを処理するべきプログラムに渡されます。 IPパケットを含む内容が送ってくると、そのパケットを、そのゲートウェイでIPの処理を行っているモジュールに渡します。

IPからイーサネットへ

そのパケットは自分宛のパケットではないので、 IPパケットがさらに宛先に近づくために、次のルータに渡すために、イーサネットのドライバを使ってそれを送信します。この時に使用するイーサネットのポートはIPパケットを受け取ったポートとは異なるでしょう。イーサネットのポートを２つ持つルータであれば、通常入ってきたポートの反対のポートに送り出すことになります。

ぞれぞれのルータでこの処理が繰り返されます。

受信ホストで

イーサネットからIPへ	ルータをいくつも経由して、宛先ホストのイーサネットのポートにデバイスに、パケットが届いたとします。ここでもルータと同じように、イーサネットが受け取った情報に含まれる IPパケットの部分をIPの処理プログラムに渡します。
IPからTCPへ	IPのモジュールは自分宛のパケットであるので、自分の上位のプロトコルに渡します。IPヘッダを見てこのパケットに含まれるのはTCPであることがわかるので、このパケットをTCPを処理するモジュールに渡します。
TCPからアプリケーションへ	TCPの処理を行うモジュールは、データが正しいか調べ、データの順番が間違っていれば、それを並べ替えます。そして、ヘッダに指定されているポートからの受け取りを待っているプログラム、つまりこの場合WWWのサーバに渡すのです。そして、正しいパケットを受け取ったことを知らせるACKパケットを待っている送信ホストのTCPに送ります。このパケットの送信するために、IPのモジュールを再度呼び出します。
アプリケーションの応答	こうして届いた情報を httpプロトコルの規約通りに解釈して、それに対する結果を送り手に返すことになります。

通信のイメージ

このように、送信ホストでは上の層から下にデータが流れ、受信ホストでは下の層から上の層に流れて行きます。以下の図の矢印のように情報が流れて、最後に宛先に到着するのです。

ホームページの内容が送り返されるときも同じように処理されて情報がブラウザの待つマシンに到着するのです。このようにたくさんのプロトコルが協働することによって、インターネットが機能しているいるのです。

[TCP/IPの概要]

[ルーティング]

[プロトコル階層]

[ポートの概念]

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