レイヤー3の仕事はアプリケーションから渡されたデータを目的のノード（イーサネットに接続された各機器）に送り届けるところまでで、それ以上のことはしてくれません。ルータはどんなアプリケーションのデータを送っているかも知りませんし、そのアプリケーションがどんな通信制御を要求しているかも気にしません。レイヤー4は、そんなレイヤー3の不器用さをアプリケーションに近い側面からカバーしているレイヤーです。ネットワークとアプリケーションの架け橋になって、通信の柔軟性を確保しています。

　通信にどんな制御が必要なのか。レイヤー4ではその要求を「即時性（リアルタイム性）」と「信頼性」に大別し、それぞれ別のプロトコルを使用するようにしています。即時性を求めるアプリケーションには「UDP（User Datagram Protocol）」を使用します。対して、信頼性を求めるアプリケーションには「TCP（Transmission Control Protocol）」を使用します。どちらのプロトコルを使用しているかはIPヘッダの「プロトコル番号」フィールドで定義されています（IPヘッダのフィールドについては「これだけ押さえておけば十分　レイヤー3のパケット転送を担う『IP』のこと」を参照）。それぞれについて説明しましょう。

UDP

　UDPは音声通話（VoIP、Voice over IP）やマルチキャストの動画配信、名前解決、DHCPなど、即時性を求めるアプリケーションで使用します。パケットは送ったら送りっぱなしなので、信頼性はありませんが、余計な手順を省いているため、即時性が高まります。

　即時性を重視するUDPは、パケットフォーマットもシンプルに構成されています。データ量は8バイト（64ビット）しかありません。クライアントはUDPでセグメントを作り、どんどん送るだけです。サーバのことは気にしません。データを受け取ったサーバは、UDPヘッダに含まれるヘッダ長とチェックサムを利用して、データが壊れていないかどうかをチェックします。チェックに成功したら、データを受け入れます。

　この中でポイントとなるフィールドが「送信元／宛先ポート番号」です。ポート番号はアプリケーションの識別に使用するフィールドです。次節で詳しく説明します。

TCP

　TCPはメールやファイル転送、Webブラウザなど、信頼性を求めたいアプリケーションで使用します。データを送る前に「コネクション」と呼ばれる仮想的な通信路を作り、その中でデータをやりとりします。送信側と受信側が「送ります」「届きました」と確認し合いながらデータを送るため、信頼性が高まります。

　TCPは信頼性を求めるため、パケットフォーマットも少々複雑です。データ量は20バイト（160ビット）もあります。たくさんの種類のヘッダを使用して、どの「送ります」に対する「届きました」なのかを確認したり、効率的にデータを送受信できるようにしたりしています。

　この中でポイントとなるフィールドが「送信元／宛先ポート番号」と「コントロールビット」です。ポート番号は、UDPと同じくアプリケーションの識別に使用するフィールドです。次節で詳しく説明します。コントロールビットは、コネクションの状態を制御するフィールドです。6ビットのフラグで構成されて、それぞれ以下のような意味を表しています。

　TCPは、データを送るときに、このフラグを「1」にしたり「0」にしたりすることで、コネクションがどういう状態にあるのかを伝え合っています。具体的にどう伝え合っているのか、ここでは「接続開始時」「接続時」「接続終了時」、3つのフェーズに分けて説明します。

• 1. 接続開始時

　TCPコネクションは必ず「3ウェイハンドシェイク」から始まります。3ウェイハンドシェイクはアプリケーションデータを送る前のあいさつのようなものです。「SYN」 → 「SYN/ACK」 → 「ACK」という順番でフラグを交換し、コネクションを作ります。3ウェイハンドシェイクが終わったら、お互いにアプリケーションデータを送受信できる状態「ESTABLISHED状態」になります。

• 2. 接続時

　3ウェイハンドシェイクによって、コネクションができたら、この上でアプリケーションデータを送受信します。TCPは通信の信頼性と速度を両立させるために、たくさんの転送制御を行っています。代表的な転送制御は以下の3つです。

　接続時は、複数の転送制御が複雑に入り混じって、アプリケーションデータを転送しています。それら全てを理解するのは簡単ではありません。ここでは、受信側からの応答は受信したことを表す「ACK」が必ず立っている（ACKフラグが「1」になっている）というところだけ押さえておきましょう。

• 3. 接続終了時

　コネクションの終了にはFINフラグを使用します。FINフラグは「もう送るデータはありません」ということを表すフラグで、上位アプリケーションによって付与されます。FINはどちらのノードからと決まっているわけではなく、どちらからでも送出されるもので、その後は「FIN／ACK」→「ACK」→「FIN／ACK」→「ACK」というフラグのやりとりをします。フラグをやりとりしたあとは、最初にFINを送出したノードだけが「TIME-WAIT状態」となって、コネクションを一定時間保持します。一定時間が経過したら、コネクションを終了します。

アプリケーションの識別

　レイヤー4にはもう1つ大きな役割があります。「アプリケーションの識別」です。連載第4回「これだけ押さえておけば十分 レイヤー3のパケット転送を担う『IP』のこと」で説明した通り、レイヤー3さえあれば、データは宛先ノードに届きます。しかし、データを受け取ったノードはそのデータをどう処理すればよいか分かりません。そこで、TCP／UDPヘッダ内の「ポート番号」を使用します。ポート番号はアプリケーションにひも付いていて、宛先ポート番号を見れば、どのアプリケーションのデータなのかが分かります。その数字を見て、どのアプリケーションに渡すかを判断します。

ポート番号

　ポート番号は、「0～65535」（16ビット分）までの数字です。割り当て範囲と使用用途によって「System Ports」「User Ports」「Dynamic and/or Private Ports」の3種類に分類されています。

• 1. System Ports

　「0～1023」はSystem Portsです。一般的には「Well-known Ports」として知られています。System PortsはICANNの位置部門であるIANA（Internet Assigned Numbers Authority）によって管理されており、一般的なサーバアプリケーションに一意にひも付いています。例えばTCPの80番ならばWebブラウザで使用するHTTPであり、HTTPサーバで使用します。UDPの123番ならば時刻同期で使用するNTP（Network Time Protocol）であり、NTPサーバで使用します。代表的なSystem Portsは以下の表の通りです。

• 2. User Ports

　「1024～49151」はUser Portsです。User Portsと同じようにIANAによって管理されており、メーカーが開発した独自のサーバアプリケーションに一意にひも付いています。例えば、TCPの3389番だったらMicrosoft Windowsのリモートデスクトップで使用します。TCPの3306番だったらMySQLのデータベース接続で使用します。代表的なUser Portsは以下の表の通りです。

• 3. Dynamic and/or Private Ports

　「49152～65535」はDynamic and/or Private Portsです。IANAによって管理されておらず、クライアントがコネクションを作るとき、送信元ポート番号としてランダムに割り当てます。送信元ポート番号に、この範囲のポート番号をランダムに割り当てることによって、どのアプリケーションプロセスに返せばよいかが分かります。ランダムに割り当てるポート番号の範囲はOSによって異なります。例えば、Windows Vista／7／8だったら「49152～65535」です。Linuxだったらデフォルト「32768～61000」です。Linuxの使用するランダムポートの範囲は、IANAの指定している Dynamic and/or Private Portsの範囲から微妙に外れています。

　受信時及び送信時におけるポート番号の関係をまとめて図式化すると、以下のようになります。

　以上、今回はTCPとUDPについて解説しました。レイヤー4ではこの2つだけ押さえておけば問題ありません。次回は、レイヤー4で動作する機器「ファイアウォール」がどのようにしてコネクションを制御しているのかを説明します。