OSI7階層とTCP/IP

見えない通信を、論理でつかむ

動画の冒頭は、こんな話です。あなたがこの音声を聞いているあいだにも、何万、何十万という見えない電子のパルスが国境を越え、海を渡っています。冷静に考えると、まるで魔法のようです。

情報システムの分野は横文字が並び、丸暗記しようとすると苦痛になりがちです。そこで動画は、背景にある「なぜそう設計されたのか」という論理を一度つかめば、パズルのピースがはまるように記憶に残る、という立場をとります。ゴロ合わせには一切頼りません。共通のプロトコル（通信のためのルール）を、論理とイメージだけで整理していきます。

今回の山場は2つです。動画は、どちらも試験で避けて通れない重要ポイントとして扱っています。

• OSI基本参照モデルの7階層と、実践モデルであるTCP/IPの4階層の対応づけ
• リピータ・ブリッジ・ルータ・ゲートウェイなどの機器が、どの階層までを受け持つかという境界線

なぜ通信を7つの階層に分けるのか

OSI基本参照モデルは、国際標準化機構（ISO）が作った、データ通信機能の標準的な概念モデルです。ネットワークをユーザーに近い側から7つの階層に分けて考えます。ここで聞き手が、もっともな疑問を投げます。

各階層が独立して自分の仕事だけをこなすことで、複雑な通信システムを整然と管理でき、世界中で標準化もできます。動画の例では、ケーブルが光ファイバーから無線に変わっても、上の階層のルールは一切変えなくてすみます。聞き手の言い換えでは、トラブルシューティングやアップデートを簡単にするモジュール化です。

（補足：7階層の名前と順は、ITU-T勧告X.200（1994年版）に、アプリケーション層（第7層）、プレゼンテーション層、セッション層、トランスポート層、ネットワーク層、データリンク層、物理層（第1層）の7つとして書かれています。IPAの基本情報技術者試験シラバスも、OSI基本参照モデルを「ISOが策定した7層からなるネットワークアーキテクチャ」としています。）

社長の契約書で、7階層をたどる

動画は、大企業の社長が海外の取引先へ重要な契約書を届ける一連のバケツリレーにたとえて、情報がソフトウェア側からハードウェア側へバトンタッチされる様子を追います。いちばん上の第7層から順に見ていきましょう。

第7層・アプリケーション層は、通信するときのアプリケーションとの窓口です。社長が「この契約書を相手に送るぞ」と決断する最初のステップにあたります。Webブラウザーやメールソフトが通信を始める起点の部分です。

第6層・プレゼンテーション層は、データをどんな形式にするかを決めます。日本語で書いた契約書を、相手が読めるように英語へ翻訳する翻訳部門です。動画によると、文字コードの変換、圧縮、暗号化などをして、相手のコンピューターが解読できる共通の書式に整えます。

第5層・セッション層は、通信の開始から終了までをどう進めるかを決めます。ここで聞き手が手を挙げました。

第4層・トランスポート層は、通信の信頼性の確保を担当します。動画のたとえは「配達証明付き郵便の手配部門」です。データがエラーなく順番どおりに届いたかを確認し、荷物が壊れたり紛失したりしたら、もう一度送るよう要求します。聞き手は「セッション層が対話の管理なら、トランスポート層は荷物の品質と到達の管理」と整理し、講師が「見事な切り分け」と応じています。

（補足：RFC 1122はTCPを「エンドツーエンドの信頼性・再順序づけ・フロー制御を持つ、コネクション型の信頼できるトランスポート」と書き、もう1つのUDPを「コネクションレス（データグラム）型」と区別しています。動画の「配達証明」にあたる働きは、TCPの姿です。）

第3層・ネットワーク層は、目的の相手と通信するときの中継方法を決めます。宛先の住所、つまりIPアドレスを頼りに、最終目的地までの最適なルートを探す「カーナビ」です。ところが、カーナビが道を教えてくれても、実際に車を運転して交差点を1つずつ曲がる必要があります。それを受け持つのが次の層です。

第2層・データリンク層は、直接つながった機器どうしでどう通信するかを決めます。ネットワーク層が最終目的地までの遠い道を見るのに対して、データリンク層は目の前の交差点、隣の郵便局までの輸送に集中します。ここではIPアドレスではなく、機器特有の物理的な番号であるMACアドレスが使われます。第1層・物理層は、デジタルデータを電気信号や光、無線の電波に変えて、実際のケーブルや空間へ送り出す部分で、トラックのタイヤが道路に触れるところです。

IPアドレスとMACアドレスを、数でたしかめる

第3層と第2層の違いを、数でたしかめましょう（動画にはない、自作の設例です）。PCから別の拠点のサーバーへ、ルータ2台を経由してデータを送るとします。IPアドレスは、送信元のPCと宛先のサーバーのまま変わりません。いっぽうMACアドレスは「隣の機器まで」の宛先なので、区間ごとに付け替わります。区間の数は、ルータの数＋1で3つです。

ここでは、同じ区間に第2層のスイッチが何台はさまっても、区間の数は増えないものとしています。

ネットワーク機器は、どの階層まで受け持つのか

理論がすっきりしたところで、聞き手が現実に目を向けます。「身の回りのルーターやハブは、どの階層の仕事をしているんですか。ただの箱に見えますけど」。講師は、これこそ試験対策として極めて重要で、機器が第何層までを理解して動くか、その境界線がよく出題される、と答えます。

機器	階層（動画）	たとえ
リピータ	第1層のみ	メガホン
ブリッジ・スイッチングハブ	第2〜1層	マンション管理人
ルータ	第3〜1層	郵便局
ゲートウェイ	第7〜1層（全層）	専属エージェント

リピータ（リピータハブ）は物理層だけです。長い距離で弱くなった電気信号を増幅して、元の強さに戻して中継するだけで、データの中身を見たり、宛先を判断したりする知能はありません。単なるメガホンやパイプのようなものです。

ブリッジやスイッチングハブは、データリンク層と物理層の機能を持ちます。データの宛先であるMACアドレスを識別して、必要なポートにだけ信号を流せます。聞き手は「マンションの管理人さんですね」と受け、住人の顔と名前は知っていて「302号室の人宛てだな」と直接渡せるけれど、別のマンションのことは知らない、と整理しました。

ルータは、ネットワーク層から物理層までの機能を持ちます。最終的な宛先のIPアドレスを調べ、異なるネットワークへどう送り出すかの最適な経路を判断するルーティングをします。聞き手は、遠くの街へ送る手紙を郵便番号で仕分けしてトラックに載せる郵便局のようだと言い、「ルートを決めるからルーターなんですね」と納得しています。

ゲートウェイは、第7層から第1層まで全ての層の機能を持つ、と動画は説明します。まったく違うプロトコル、つまり違う言語やルールで動くネットワーク同士をつなぐ、高度な役割です。翻訳も対話の管理もこなす、通訳つきの専属エージェントにたとえられています。

（補足：ゲートウェイの層は、資料によって扱いが異なります。RFC 1122は、インターネットの側では「gateway」と「IP router」を同じものとして呼び、OSIの側では「中継システム（Intermediate Systems）」と呼ぶと書いています。ITU-T勧告X.200は、中継の機能を「下位3層、またはアプリケーション層」で行うものとしています。また、IPAのシラバスでは、レイヤー2スイッチとレイヤー3スイッチが別の用語として並びます。動画の「スイッチングハブは第2層まで」は、レイヤー2スイッチの場合の話として読むのが安全です。）

OSIは設計図、TCP/IPは実践モデル

ここからが動画の「本当に面白いところ」です。OSI基本参照モデルは、あくまで概念的なモデルで、7つに分ければ整理されて美しいという「理想の設計図」にあたります。実際にインターネット通信で世界共通に使われているのは、TCP/IPです。トランスミッション・コントロール・プロトコルと、インターネット・プロトコルの略です。

TCP/IPの階層	OSIの階層	動画の説明
アプリケーション層	第7〜5層	アプリが通信機能を使うときの決まり
トランスポート層	第4層	到達確認は独立性が高く、単独で残した
インターネット層	第3層	IPアドレスで経路を見つける（ルータの場所）
ネットワークインターフェース層	第2〜1層	隣の機器への受け渡しと、電気信号への変換

OSIの7階層を上から数えると、3・1・1・2のブロックに分けたものがTCP/IPの4階層、ということです。動画は最後に、理想を追求して整理したOSIと、現場の効率を求めて簡素にして世界を制したTCP/IPは対立せず、互いに補い合っていると整理します。

（補足：対応の数え方は資料により異なります。RFC 1122は、TCP/IPの階層を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・リンク層の4つとし、アプリケーション層を「OSIの上位2層（プレゼンテーションとアプリケーション）の機能を併せ持つ」と書いています。動画のように上位3層（第7〜5層）とするか、RFC 1122のように上位2層とするかは、教材によって違います（IPAシラバスはTCP/IPをOSIの7階層と対比させて理解するとだけ書き、対応表は示していません）。試験では、出題文が示す対応表に従ってください。）

（補足：動画は、OSIを簡素にしてTCP/IPができた、という流れで語ります。ただ、IPを定めたRFC 791の日付は1981年9月です。またRFC 1122は、IPが「OSIのコネクションレス型ネットワークプロトコルのモデル」になったと書いています。一方向の簡素化とは言い切れず、互いに影響し合った、と読むほうが資料に沿います。）

まとめ

動画の結びは、こんな想像です。あなたがスマートフォンで何気なく送った1つのメッセージが、世界中の機器の4つの階層を駆け上がり、迷いなく相手に届いている。その裏側にある論理を知ることが、学ぶことの醍醐味だ、と動画は語っています。