ＯＳＩ基本参照モデルとＴＣＰ／ＩＰの概要
プロトコル（protocol）とは取決めや規約のことです。
ＬＡＮやインターネットのように、多様な機器やサービスがある環境では、標準化が重要になります。その代表的なプロトコルにＯＳＩ基本参照モデルとＴＣＰ／ＩＰがあります。
ＯＳＩ基本参照モデルは、国際標準化機構であるＩＳＯ（International Organization for Standardization）が、異機種間接続を円滑にするために策定した国際規格です。論理的には美しい体系になっていますが、特に上位層では実装するのに適切な規約にするのに難航していました。その間に、インターネットの普及に合わせて、ＴＣＰ／ＩＰが業界標準になり普及しました。
ＴＣＰ／ＩＰは、ＩＰ（Internet Protocol）およびＴＣＰ（Transmission Control Protocol）の二つのプロトコルのことです。
ＩＰはＯＳＩ基本参照モデルのネットワーク層、ＴＣＰはトランスポート層とセッション層の一部に対応しますが、必ずしも一致していません。強いて言えばＯＳＩ基本参照モデルは体系化を重視した論理的「モデル」を示すことを重視するのにたいして、ＴＣＰ／ＩＰは、各種機能を実装することを重視しており、ＩＰやＴＣＰに関連したプロトコルも含むようです。
さらに広義には、物理層やデータリンク層をまとめたリンク層、そこで広く使われているイーサネットや、電子メールやＷｅｂ閲覧など多様なアプリケーションの個別プロトコルまでも含んでＴＣＰ／ＩＰということもあります。
類似用語
- ホスト、ノード
- ＬＡＮは、パソコンやサーバなどとルータやスイッチングハブなどの接続機器をケーブルで接続したネットワークです。
パソコンやサーバなどをホスト、それに接続機器を加えたものをノードといいます。
このホスト、ノードは混用されることがります。 - パケット、フレーム
- ＬＡＮではデータをパケット交換方式によるパケットとして伝送しますが、このデータは層によりヘッダが追加され、データの名称も変化します（やや曖昧ですが）。
データリンク層 フレーム
ネットワーク層 パケット
トランスポート層 （ＴＣＰ）セグメント、（ＵＤＰ）データグラム
上位層 メッセージ - セグメントとデータリンク
- セグメントは１本の幹線でカバーする範囲です。データリンクとは接続機器により複数のセグメントを接続して、ＭＡＣアドレスだけでホスト間を接続できる範囲です。
しかし、データリンクもセグメントということがあります。
ＩＥＥＥ規格
ＩＥＥＥ（Institute of Electrical and Electronics Engineers：米国電気電子学会）は電気通信関連の標準化団体です。
ＯＳＩ基本参照モデルやＴＣＰ/ＩＰと相互に連携がとられており、ＬＡＮケーブルの仕様やＬＡＮのトポロジや各種機能を実装するときは、この規格に準拠しています。
ＬＡＮ関連の代表的な規格を列挙します。
- IEEE 802.1 High Level Interface (HILI)
スパニングツリーアルゴリズム、VLANトランキングなど - IEEE 802.3 CSMA/CD
ケーブル規格、フロー制御、リンクアグリゲートなど - IEEE 802.5 Token Ring
リング型のトークン規格 - IEEE 802.11 Wireless LAN (WLAN)
無線の802.11a,b,g,n,ac などの規格
ＯＳＩ基本参照モデルの７層（レイヤ）
ＯＳＩ基本参照モデルは、７つの層（レイヤ）に区分しています。ある層について規定するとき、下位の層はすべて規定されており、この層で下位層について再規定することはありません。また、上位の層について制限することはありません。
第１層：物理層
パソコンやルータなどネットワークに接続する機器とそれをつなぐケーブルなどの接続コネクタの形状や最大転送速度、最大転送距離など物理的な仕様の規約です。
この標準化によりメーカーや機種の違い、機器のＯＳの違いを超えて接続が可能になります。
データの波形は長いケーブルを通る間に減衰やノイズがおこります。その増幅や復元を行う機器を<リピータといいます。ハブは、複数のパソコンなどをつなぐケーブルの集線装置です。
参照：ＬＡＮケーブル
第２層：データリンク層（イーサネット）
物理層で直接接続された（セグメントといいます）ノード（パソコンやルータなど）の間、ブリッジで接続した隣接するセグメントとの間を接続するためのプロトコルです。
小規模ＬＡＮは、この層までで構築できます。大規模ＬＡＮも論理的にはこの層までで構築できるのですが、第３層のネットワーク層で構築するのが通常です。
ＬＡＮにはいくつかの形式（トポロジ―）がありますが、現在主流になっているのは、ＴＣＰ／ＩＰ系のイーサネットです。
データリンク層はさらに二つの層に分けられます。ここでは主にＭＡＣを対象にします。
- 媒体アクセス制御副層(ＭＡＣ：Media Access Control)
送信側では，データにＭＡＣアドレスなどの制御情報を付加してフレームとして組み立てます。受信側では，フレームを分解して制御情報を削除しＬＬＣ層に引き渡します。 - 論理リンク制御副層(ＬＬＣ：Logical Link Control)
受信したすべてのフレームに抜けがないか、また正しい情報として受信できたかを判断し、受信フレームに異常があった場合は送信元に再送信を要求する機能です。これは本来はトランスポート層の機能ですが，最低限のチェックはデータリンク層でも行っています。
ＭＡＣアドレス
ＭＡＣアドレス（Media Access Control Address）とは、データリンク層において、電話番号のように相手を特定し接続するための番号です。
パソコン、サーバ、スマートフォン、ルータ、ハブなどネットワークに接続する機器には、ＮＩＣ（Network Interface Card：ＬＡＮカード）が内蔵あるいは外付けされています。ＮＩＣには世界中で一意となるＭＡＣアドレスが付与されています。
有線ＬＡＮと無線ＬＡＮの両方に接続する機器には、それぞれのＮＩＣがあります。増設用ＬＡＮアダプタでＮＩＣを増やすこともできます。このように、一つの機器が複数のＭＡＣアドレスを持つことがあります。
ＭＡＣアドレスは４８ビット（６バイト）からなり，前半の２４ビットがＩＥＥＥからＬＡＮカードベンダに与えられるＯＵＩ（Organizationally Unique Identifier：ベンダ識別子）で、後半の２４ビットはベンダがつける製品番号です。これにより、世界中で同一のＭＡＣアドレスをもつ機器は存在しないことになります。
（注）ＯＵＩの先頭２ビットは
Ｉ／Ｇビット；０＝個別アドレス、１＝グループアドレス
Ｕ／Ｌビット；０＝グローバルアドレス、１＝ローカル
で、通常目的のものはは個別アドレス、グローバルアドレスになっています。
ＭＡＣアドレスで世界中の機器が特定できるので、これにより世界中の相手と交信することは論理的には可能です。しかし、ＮＩＣはハードウェア部品ですから、近い番号が世界中に散在していることもあるし、他人に譲渡できます。国番号や市外局番がない電話番号で現在の加入者があいまいな状況で電話をかけるようなもので現実には使えません。
そのため、ＭＡＣアドレスの利用は、機器が少なく管理できる小規模なＬＡＮ内に限定されます。大規模ＬＡＮやインターネットではＩＰアドレスを用います。
第３層：ネットワーク層（ＩＰ）
複数のネットワークをまたがるレベルでの接続プロトコルです。ネットワーク層の主要機能は、ＩＰアドレスと経路制御だといえます。
インターネットでは、パソコン側のＬＡＮ、公衆回線のネットワーク、Ｗｅｂサーバ側のＬＡＮのように、通信方式の異なる複数のネットワークを経由して通信します。
参照：ネットワーク層とＩＰ
ＩＰアドレス
ネットワーク層では、ＭＡＣアドレスではなく、ＩＰアドレスで相手先を特定し接続します。
ＩＰアドレスは、ネットワーク層におけるＭＡＣアドレスのようなものです。
これも世界中で一意の番号ですが、地域レベル、国レベルで割り振り、さらに、ＩＳＰ（プロバイダ）に割り振ります。そして、ＩＳＰが企業や個人加入者に割り当てます。
この配分は連続番号でまとめた単位で行われますので、配分の流れを逆に追うことにより、ＩＰアドレスが存在するネットワークにたどりつけます。
これまでのＩＰアドレスはＩＰｖ４という４バイト２進数の体系でしたが、インターネットの爆発的普及により、新しいＩＰアドレスを付与できなくなりました。枯渇解消のため、６バイトのＩＰｖ６体系になりましたが、現在では二つの体系が混在しています。
参照：ＩＰアドレス
経路制御
インターネットでは、多くのルータをバケツリレーのように経由して相手先に接続します。その経路は固定ではなく、状況に応じて動的に異なる経路が設定されます。その方式を経路制御（routing）といいます
ルータは、自分が接続しているネットワークのＩＰアドレスのリスト。ルータＡが宛先のＩＰアドレスを知らないときは、ネットワークに接続している他のルータＢに聞きます。ルータＢも知らなければ、さらにルータＢに接続しているルータＣに聞きます。このようにバケツリレーをしているうちに、いつかはそのＩＰアドレスを知っているルータにたどりつきます。
参照：経路制御（ルーティング）
第４層：トランスポート層（ＴＣＰ）
２つの機能があります。ネットワーク層までで接続したノード間で、正しくデータの受発信ができるようにする機能と、受け取ったデータを目的のアプリケーション（電子メール、Ｗｅｂページ閲覧など）に渡す機能です。アプリケーションはポート番号で与えられます。
参照：トランスポート層
第５層：セッション層
第４層までの管理をして、どのように通信するかを決めます。通信ではＷｅｂページ閲覧や電子メール送受信など多様なアプリケーションがりますが、それらのアプリケーションの仕様に基づいて、通信の方法（セッション）を確立します。アプリケーション独自のエラー対策もここで行います。
第６層：プレゼンテーション層
電文で用いている文字コードはＡＳＣＩＩコードやシフトＪＩＳコードなど多様です。また、転送効率を上げるために圧縮していることもありますし、秘密保護のために暗号化していることもあります。これらの変換・解凍・復号化などを行います。
第７層：アプリケーション層
Ｗｅｂページ閲覧（ＨＴＴＰ）、電子メール（ＳＭＴＰ、ＰＯＰ）、ファイル転送（ＦＴＰ）など、アプリケーションサービスを提供します。
統合した規約ではなく、個々のアプリケーションのプロトコルの集合だと捉えるほうが妥当です。ＴＣＰ／ＩＰでは、５層以降をアプリケーション層とし、そのプロトコルは個々のアプリケーションに任せています。
参照：アプリケーション層
パケットとヘッダ
データ通信はパケット交換方式でデータを送ります。パケットにはヘッダがついており宛先などが入っています。このヘッダは、各層を通るたびに、新しいヘッダ部分が追加されます。
パケットのヘッダの仕組みを、電子メールを例に説明します。送信側Ａから受信側Ｂに電文を送るとき、利用者はメールソフトを操作するだけですが、内部では、おおよそ次のような順序で処理されています（ここではイメージを理解するために簡略したものであり、個々のプロトコルの記述も厳格なものではありません）。
図のように、送信側ではＯＳＩ参照モデル（ＴＣＰ/ＩＰでも）の上位から下位のレイヤーの順で処理が行われ、ＴＣＰではＴＣＰヘッダ、ＩＰではＩＰヘッダ、データリンク層ではイーサーネットヘッダが付けられます（ＦＣＳはパケットの最後を示す符号）。
受信側は、下位から上位のプロトコルへ、そのヘッダを解析することにより、ヘッダを外しながらデータを渡します。
ＴＣＰヘッダにはポート番号が入っています。ポート番号は、メール送信（ＳＭＴＰというプロトコル）なら２５、メール受信（ＰＯＰ３）なら１１０、Ｗｅｂページ閲覧（ＨＴＴＰ）なら８０のようになっており、受信側のサーバやパソコンは、ポート番号によるアプリケーションを起動します。
イーサネットヘッダ
イーサネットヘッダに関して、やや詳細に説明します（ＩＰヘッダとＴＣＰヘッダに関しては、別章で扱います）。
イーサーネットでは，パケットのことをフレームといいます。そのフレームの先頭にイーサーネットヘッダ，最後にイーサーネットトレイラをつけて送信します。
そのフレームの大きさは最大１５００オクテットです。
オクテットとは８ビットのことで，１バイトに相当します。通信ではバイトでよりもオクテットを多く用います。なお，１Ｋバイトは１０２４バイト，１ＭＢは１０２４２バイトですが，１Ｋオクテットは１０００オクテット，１Ｍオクテットは１０００２オクテットになります。
タイプは、ネットワーク層で使うプロトコルで、ＩＰv４、ＩＰｖ６、ＡＰＲ、ＩＰＸなどを与えます。
イーサーネットトレイラは，フレームが正しく到着したことを確認するためのビット列で，ＣＲＣ方式という誤り検出方式を用いています。