「OSI参照モデル」完全ガイド――“7つの階層”それぞれの機能とは？：ネットワークとOSI参照モデルの基礎【第2回】

ITに携わる全ての人が理解しておくべき「OSI参照モデル」は、7つのレイヤーで成り立つ。第2回となる本稿は、各レイヤーが担う役割や仕組みを一つずつ解説する。ネットワークの理解を深めよう。

[Rahul Awati, Andrew Froehlich, Linda Rosencrance，TechTarget] PC用表示関連情報

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OSI参照モデルの「7つのレイヤー」の仕組み

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ネットワークを動かす仕組み

　OSI参照モデルは7つのレイヤーで構成される。各レイヤーは固有の機能と役割を持ち、隣接するレイヤーとやりとりする。それぞれ次の通りだ。

レイヤー7（アプリケーション層）

　レイヤー7はエンドユーザーが直接利用する機能を提供するレイヤーだ。アプリケーションがネットワークに接続して、メッセージ閲覧やファイル転送などの通信タスクを実行する。レイヤー7では、アプリケーションが下位レイヤーの機能を提供するインタフェースとなる。アプリケーションはさまざまなプロトコルと機能を使用して、ネットワークを通じてサーバと相互通信をする。

　例えば、Webブラウザの場合、「HTTP」（Hypertext Transfer Protocol）やFTP（File Transfer Protocol）などの通信プロトコルを使用する。「Microsoft Outlook」のようなメールクライアントの場合、「SMTP」（Simple Mail Transfer Protocol）などの通信プロトコルを使用する。ドメイン名からIPアドレス（IP：インターネットプロトコル）を検索するプロトコル「DNS」（ドメインネームシステム）もレイヤー7で機能する。

レイヤー6（プレゼンテーション層）

　レイヤー6では、アプリケーションが処理できるよう、構文やセマンティクス（プログラムの意味）に基づいて、データ形式が変換される。データの暗号化と復号も実行され、異なるアプリケーション間で送受信されたデータを双方が解釈できるようにする。暗号化はデータ保護の観点からも欠かせない。

　レイヤー6でデータ圧縮をする場合もある。圧縮すれば、内容の完全性を損なうことなくデータサイズを小さくでき、効率的なデータ転送に役立つ。

レイヤー5（セッション層）

　レイヤー5では、通信の開始から終了までの接続単位「セッション」の制御が実行される。効率的で秩序あるデータ交換のために、セッションの確立、調整、終了を担う。

　レイヤー5ではデータ転送が同期され、アプリケーションの応答を待つ時間が決定される。認証や、セッション中断後の再接続もこのレイヤーで実行される。チェックポイントを設け、最小限のデータ損失でセッションを再開できる。

　レイヤー5は、セッションの管理と制御のためのプロトコルを使用する。例として、「X.225」やAppleがかつて使用していた「ZIP」（Zone Information Protocol）がある。

レイヤー4（トランスポート層）

　レイヤー4はOSI参照モデルの中間に位置し、データ転送を担う。送信するデータのサイズ、宛先、データ転送レート（単位時間内に送信されるデータ量）を制御する。レイヤー5から受け取ったデータが「セグメント」と呼ばれる単位に分割され、効率的なデータ転送を実現する。受信側では、レイヤー4でセグメントをレイヤー5が利用できるデータ形式に戻す。

　レイヤー4では、エラー検出と訂正のためのメカニズムが提供され、データの完全性を保証する。

　レイヤー4で使用される代表的な通信プロトコルが、Webブラウザやメールクライアントなどで一般的に使用される「TCP」（Transmission Control Protocol）だ。TCPは、データをどのアプリケーションに届けるかを識別するためにポート番号を使用する。

　「UDP」（User Datagram Protocol）もレイヤー4の通信プロトコルだが、TCPとは異なり、送信元と宛先間でのセッション確立を必要としない。よって、UDPはTCPより高速な通信が可能だ。UDPはリアルタイムストリーミング、遅延が許されないアプリケーション、DNSなどの問い合わせ対応型の仕組みに向いている。一方で、エラー訂正の仕組みを備えないので、TCPより信頼性に劣る。

レイヤー3（ネットワーク層）

　レイヤー3の主要な役割は、異なるネットワーク間でのデータ転送だ。レイヤー4からセグメントを受け取り、送信元のデバイス上で「パケット」単位にまとめる。宛先デバイス上ではパケットに戻す役割を担う。

　レイヤー3では、データを宛先に送信するための最適な物理経路の決定、「ルーティング」が実行される。パケットにアドレス情報を付加し、適切なルートを指定し、レイヤー2に送る。プロトコル群「TCP/IP」においては、ルーティングのためにIPアドレスを割り当てる。レイヤー3のプロトコルの例には、IPの他に、

「ICMP」（Internet Control Message Protocol）
「IGMP」（Internet Group Management Protocol）
「RIP」（Routing Information Protocol）

などがある。

レイヤー2（データリンク層）

　レイヤー2では、同一ネットワーク内の隣接するデバイス間での物理媒体を介したデータの送受信が処理される。レイヤー3から受け取ったパケットは「フレーム」という単位でまとめられる。

　レイヤー2では、ビット単位でデータに誤りが生じる「ビットエラー」を検出する。送信元デバイスと宛先デバイスの処理能力に応じてフロー制御を実施する。

　レイヤー2は、以下のような2つのサブレイヤーに分類できる。

LLC（Logical Link Control）
- 上位のサブレイヤーで、多重化（複数のデータの同時送信）、フロー制御、ACK（確認応答）、ビットエラーが発生した場合の上位のレイヤーへの通知を担う。
MAC（Media Access Control）
- 下位のサブレイヤーで、MACアドレスを使用して通信相手となるデバイスを識別する。各フレームの構成、データの開始位置と終了位置を示すスタートビットとストップビットの制御、フレーム送信のタイミングの調整も担う。

　レイヤー2で使用される通信プロトコルの代表例が「イーサネット」だ。「LAN」（ローカルエリアネットワーク）など、同一ネットワーク内のデバイス間の接続とデータ転送のルールを定義する。

レイヤー1（物理層）

　レイヤー1では、ケーブルやネットワークスイッチなどの物理媒体を介してデータが転送される。フレームが0と1の「ビット」で構成されるバイナリデータ（2進数で表現されたデータ）に変換され、ネットワーク上の2つのデバイス間で、有線ネットワークもしくは無線ネットワークを介して信号として送信される。受信側ではその逆を実行する。

　レイヤー1は、ネットワークへの物理的、電気的、光学的、および無線による接続方法を規定する。

　次回は、OSI参照モデルについてデータの流れの観点から解説する。