【基本情報技術者試験】OSI基本参照モデルとTCP/IP

OSI基本参照モデル

階層	名称	概要	機器例	プロトコル
第7層	アプリケーション層	個々のアプリケーション	ゲートウェイ
第6層	プレゼンテーション層	データ形式	ゲートウェイ
第5層	セッション層	通信の開始から終了までの管理	ゲートウェイ
第4層	トランスポート層	通信の信頼性をどう確保するか	ゲートウェイ	TCP, UDP
第3層	ネットワーク層	ネットワーク同士をどう中継するか	ルータ	IP
第2層	データリンク層	同一ネットワーク内でどう通信するか	ブリッジ
第1層	物理層	物理的にどう接続するか	LANケーブル、リピータ、NIC

参考

リピータは、ケーブルを流れる電気信号を増幅させる。LANの総延長距離をのばすことができる。
ブリッジは、セグメント間の中継役。パケットのMACアドレスをみて、必要なセグメントのみにパケットを流す。
ハブは、LANケーブルの接続口を複数持つ機器。内部的にリピータを複数束ねたリピータハブやブリッジを束ねたスイッチングハブがある。
ルータは、異なるネットワーク（LAN）同士の中継役。パケットの宛先IPアドレスを確認して、最適な経路にパケットを転送する。
ゲートウェイは、第4層以上が異なるネットワーク間でプロトコル変換を行い中継する。専用装置だけでなく、その機能をもたせたネットワーク内のコンピュータなども該当する。

TCP/IP

IPは、ネットワーク層に位置し「複数のネットワークをつないでパケットが流れる仕組み」を規定している。

TCPは、トランスポート層に位置し「ネットワーク上で正しくデータが送られたことを保証する仕組み」を規定している。TCPの他にUDPも有名。

IP

IP(Internet Protocol) は、経路制御を行い、ネットワークからネットワークへパケットを運び宛先に届ける。IPによって構成されるネットワークでは、機器やコンピュータを識別するためにIPアドレスを割り当てて管理する。

通信品質（パケットがちゃんと届いたか）はTCPやUDPなどの上位層（トランスポート層）に任せる。

TCP

TCP(Transmission Control Protocol)は、通信相手とのコネクションを確立してからデータを送受信するコネクション型の通信プロトコル。

パケットの順序や送信エラー時の再送などを制御。

UDP

UDP(User Datagram Protocol)は、通信相手との接続確認をせず、一方的にパケットを送りつけるコネクションレス型の通信プロトコル。

再送制御などを一切行わないので、信頼性に欠けるが高速。リアルタイム性が重要なサービスで使われる。

IPアドレス

IPアドレスは32ビットの数値で表される。192.168.1.2 といった形式で表記されるが、これは32ビットを8ビットずつに区切って10進数にして「.」でつないだもの。

IPアドレスにはグローバルIPアドレスとプライベートIPアドレスがある。グローバルIPアドレスは世界中で一意である必要がある。プライベートIPアドレスは、LAN内で使えるIPアドレスであり、LAN内で重複しなければ問題なくシステム管理者が自由につけられる。

ネットワークアドレス部とホストアドレス部

IPアドレスはネットワークアドレス部とホストアドレス部に分けられる。

32ビットのうち何ビットをネットワークアドレス部に割り振るかは使用するクラスによって異なる。

クラスについては、アドレス・クラスとさまざまなIPアドレスを参照。

※ ホストアドレス部が「すべて0」、「すべて1」のアドレスは予約されているため割り当てれない。「すべて0」のアドレスは「ネットワークアドレス」、「すべて1」のアドレスは「ブロードキャストアドレス」

ブロードキャスト

同一ネットワーク内のすべてのホストに対して一斉に同じデータを送信すること。ブロードキャストを行うには、宛先としてホストアドレス部が「すべて1」となるIPアドレスを指定する。

ブロードキャストは同一ネットワーク内の全員向けなので、OSI基本参照モデル第3層のネットワーク層（ルータ）を越えてパケットが流れることはない。

特定の1台のみに送信することをユニキャスト、特定の複数ホストのみに送信することをマルチキャストという。

サブネットマスク

サブネットマスクは、各ビットの値によってネットワークアドレス部とホストアドレス部を再定義する。IPアドレスのどこまでをネットワークアドレス部とみなすかを指定するビット列。（1がネットワークアドレス部で0がホストアドレス部を示す）

ポイント

1がネットワークアドレス部で0がホストアドレス部を示す
ネットワークアドレスは、IPアドレスとサブネットマスクの論理積で得られる

IPアドレスが 10.170.70.19、サブネットマスクが255.255.255.240の場合、

ネットワークアドレス部は28ビット、ネットワークアドレスは10.170.70.16となる。

IPアドレス	10.170.70.19	00001010	10101010	01000110	00010011
サブネットマスク	255.255.255.240	11111111	11111111	11111111	11110000
ネットワークアドレス	10.170.70.16	00001010	10101010	01000110	00010000

DHCP / NAT / IPマスカレード

DHCP(Dynamic Host Configuration Protocol)
IPアドレスの割り当てを自動化する仕組み。
NAT
グローバルIPアドレスとプライベートIPアドレスを1対1で結びつけ、相互に変換する。LANの外と通信するときには、送信元IPアドレスをグローバルIPに書き換え、返信を受信した時には、宛先をもともとの送信元IPアドレスに書き直す
IPマスカレード
グローバルIPアドレスに複数のプライベートIPアドレスを結びつけて1対複数の変換を行う。IPアドレスの変換時にポート番号も書き換えることで1つのIPアドレスでも複数のコンピュータが同時にインターネット接続できる。（ポート番号と各コンピュータの対応表があるイメージ）

※ NATやIPマスカレードはルータなどによく実装されている