ネットワークの階層モデルとデータの包み方
OSI基本参照モデルの7層とTCP/IP階層モデルの4層を対応づけて、各層の役割・代表プロトコルを選べるようになる。さらに、データが層ごとに包まれる順番（宛先MAC→宛先IP→宛先ポート）と、ルータをまたぐときのMACアドレスとIPアドレスの違い、パケット交換の特徴を見分けられるようになる。
ネットワーク分野の問題は、この「階層」の考え方を前提にして作られています。ここで層の役割を押さえておくと、この先のルータ・IPアドレス・TCPの問題も「何層の話か」で切り分けて解けるようになります。
このレッスンで稽古する（用語チェック・過去問）結論：通信は「層」に分けて考える
ネットワーク通信は、役割ごとに**層（レイヤ）**に分けて設計されています。各層は自分の仕事だけを担当し、上下の層とは決まった約束で受け渡しをします。API設計で、画面・業務ロジック・DBアクセスを分けるのと同じ発想です。
試験で使う階層モデルは2つあります。
- OSI基本参照モデル：国際標準化機構（ISO）が定めた7層の「教科書用の型」
- TCP/IP階層モデル：インターネットで実際に使われている4層の型
出題が最も多いのは「第◯層は何か」「この機能は何層か」という問題です。まず7層を番号つきで覚えましょう。
OSI基本参照モデルの7層（最頻出）
下の層ほど電気信号やケーブルに近く、上の層ほど利用者に近くなります。番号は下から数えます（第1層＝物理層）。
| 層 | 名前 | 役割（試験で使うキーワード） | 代表的な機器・プロトコル |
|---|---|---|---|
| 第7層 | アプリケーション層 | 利用者に最も近い。ファイル転送・電子メール・Web閲覧などの機能そのもの | HTTP、SMTP、FTP |
| 第6層 | プレゼンテーション層 | 文字コードや圧縮・暗号化など、データの表現形式をそろえる | — |
| 第5層 | セション層（セッション層） | 通信の開始から終了までの会話の管理（対話の区切り・同期） | — |
| 第4層 | トランスポート層 | **送信元と宛先の端末間（エンド間）**で、データを確実に届ける制御（誤り訂正・再送・順序制御） | TCP、UDP |
| 第3層 | ネットワーク層 | 経路選択（ルーティング）と中継。別のネットワークにいる端末まで届ける | IP、ルータ |
| 第2層 | データリンク層 | 隣接する機器どうし（同じネットワーク内）の伝送制御。誤り検出・再送制御など | イーサネット、ブリッジ、L2スイッチ |
| 第1層 | 物理層 | ケーブル・電気信号・コネクタなど、通信媒体の違いを吸収してビットを流す | リピータ、ハブ |
下から「物・デ・ネ・ト・セ・プ・ア」と唱えると覚えやすいです。
試験で特に区別させられるのは第2〜4層の「届く範囲」の違いです。
| 層 | 届く範囲 | ひとことで |
|---|---|---|
| データリンク層（第2層） | 隣の機器まで（1区間） | 隣接ノード間 |
| ネットワーク層（第3層） | ネットワークをまたいで相手の端末まで（ルータで中継） | 経路選択・中継 |
| トランスポート層（第4層） | 送信元と宛先の端末どうし（エンド間）での信頼性 | 端末間の品質保証 |
「経路選択」「中継」「ルーティング」という言葉が出たら、ネットワーク層（第3層）と考えてください。
TCP/IP階層モデルとの対応
インターネットで実際に使われているのはTCP/IP階層モデルです。OSIの7層を4層にまとめた形と考えればよく、対応は次のとおりです。
| TCP/IP階層モデル | 対応するOSIの層 | 代表プロトコル |
|---|---|---|
| アプリケーション層 | 第5〜7層（セション・プレゼンテーション・アプリケーション） | HTTP、SMTP、FTP、DNS |
| トランスポート層 | 第4層 | TCP、UDP |
| インターネット層 | 第3層 | IP、ICMP |
| リンク層（ネットワークインタフェース層） | 第1〜2層 | イーサネット |
TCPはトランスポート層、IPはインターネット層です。「TCP/IP」とまとめて呼ばれるため同じ層だと思いがちですが、層は別です。HTTP・SMTP・FTPは、どれもアプリケーション層のプロトコルです。
データの包み方（カプセル化）と宛先の並び順
送信側では、上の層から下の層へデータを渡すたびに、各層が自分用のヘッダ（宛先などの制御情報）を先頭に付け足します。これをカプセル化といいます。手紙を封筒に入れ、それを段ボールに入れ、さらに配送ラベルを貼るイメージです。最後に付けたもの（最も下の層のもの）が一番外側、つまり先頭に来ます。
| ヘッダを付ける層 | 入っている宛先情報 | 何を指す番号か |
|---|---|---|
| データリンク層（イーサネット） | 宛先MACアドレス | ネットワーク機器の接続口（インタフェース）ごとの固有番号 |
| ネットワーク層（IP） | 宛先IPアドレス | ネットワーク上の住所 |
| トランスポート層（TCP/UDP） | 宛先ポート番号 | 端末の中でどのアプリに渡すか |
このため、イーサネットに流れるフレームの中では、宛先MACアドレス → 宛先IPアドレス → 宛先ポート番号の順に並びます。
flowchart LR
A["イーサネットヘッダ（宛先MAC）"] --> B["IPヘッダ（宛先IP）"] --> C["TCPヘッダ（宛先ポート）"] --> D["データ（HTTPなど）"]
もう一つ大事な点は、ルータを越えるときにMACアドレスは付け替えられ、IPアドレスは最後まで変わらないことです。宅配便でいえば、伝票の届け先住所（IP）は最終目的地のまま、区間ごとのトラックの行き先（MAC）は「次の営業所」に書き換わる、という関係です。
パケット交換方式の特徴（出題は少なめ）
パケット交換は、データを小さなブロック（パケット）に分け、それぞれに宛先などの制御情報を付けて送る方式です。交換機がいったん蓄えてから転送する（蓄積交換）ため、送信側と受信側の伝送速度が違っても通信できます。X.25はこの方式の代表で、誤り制御を網（ネットワーク側）で行います。
選択肢では、ほかの交換方式の説明が並びます。キーワードで見分けましょう。
| 方式 | 見分けるキーワード |
|---|---|
| 回線交換 | 通信中は物理回線を占有する（電話のイメージ） |
| パケット交換（X.25） | ブロックに分割＋制御情報を付加、誤り制御は網で行う、速度の違う端末どうしでも通信できる |
| フレームリレー | 網の処理を簡単にし、誤り制御は網ではなく端末間で行う |
| ATM（セル交換） | 固定長のセルに区切って高速に交換する |
試験での問われ方
- 「第3層はどれか」「経路選択・中継を行う層は」→ ネットワーク層。選択肢には、データリンク層（隣接間）やトランスポート層（エンド間）が並びます。
- 層の説明文を選ぶ問題では、ほかの層の説明が混ぜてあります。「利用者に最も近い」はアプリケーション層、「物理媒体の差を吸収」は物理層、「隣接ノード間の誤り検出・再送」はデータリンク層です。
- 「TCPは何層か」「トランスポート層に相当するものは」→ TCP。HTTP・FTP・SMTPはアプリケーション層の選択肢として置かれます。
- フレーム内の宛先の並び順 → 下位層が先頭なので MAC→IP→ポート。上位層から並べた順番がひっかけになります。
- ルータをまたぐ通信 → IPは最終宛先、MACは次の中継先。
フレーム内の宛先情報の並び順を決める（出典：平成25年度 秋期 基本情報技術者試験 午前 問37）
ア 宛先 IP アドレス，宛先 MAC アドレス，宛先ポート番号
イ 宛先 IP アドレス，宛先ポート番号，宛先 MAC アドレス
ウ 宛先 MAC アドレス，宛先 IP アドレス，宛先ポート番号
エ 宛先 MAC アドレス，宛先ポート番号，宛先 IP アドレス
解き方と答えを見る
- TCPパケットをイーサネットに送り出すので、使われる層は トランスポート層（TCP）→ネットワーク層（IP）→データリンク層（イーサネット）の3つ。
- 各層が付けるヘッダの宛先情報を書き出す。TCP＝宛先ポート番号、IP＝宛先IPアドレス、イーサネット＝宛先MACアドレス。
- カプセル化では、下の層に渡るたびにヘッダが先頭に付く。付く順番は ポート番号（TCP）→ IPアドレス（IP）→ MACアドレス（イーサネット）。
- 最後に付けたものが先頭になるので、フレームの頭から読むと 宛先MACアドレス → 宛先IPアドレス → 宛先ポート番号。
- この並びになっている選択肢は「ウ」。
答え：ウ（宛先MACアドレス，宛先IPアドレス，宛先ポート番号）
ルータをまたぐときの宛先MACと宛先IP（出典：基本情報技術者試験 午前免除試験 2020年6月実施 問33・図は文章で要約）
ア イーサネットフレームの宛先: MAC2，IP データグラムの宛先: IP2
イ イーサネットフレームの宛先: MAC2，IP データグラムの宛先: IP3
ウ イーサネットフレームの宛先: MAC3，IP データグラムの宛先: IP2
エ イーサネットフレームの宛先: MAC3，IP データグラムの宛先: IP3
出典：基本情報技術者試験 科目A免除 修了試験 20200614 実施分 問33
解き方と答えを見る
- 状況を整理する。ホストA（MAC1/IP1）とルータのLAN1側（MAC3/IP3）がLAN1にある。ホストB（MAC2/IP2）とルータのLAN2側（MAC4/IP4）がLAN2にある。ルータには接続口が2つあり、それぞれ別のMACアドレスを持つ。
- IPデータグラムの宛先を決める。IPアドレスは最終的に届けたい相手を指し、途中で変わらない。最終宛先はホストBなので IP2。
- イーサネットフレームの宛先を決める。MACアドレスは同じネットワーク内の「次に渡す相手」を指す。ホストBは別のLAN2にいてLAN1からは直接届かないため、LAN1での次の相手はルータのLAN1側の接続口で MAC3。
- 組合せは「フレームの宛先 MAC3、IPの宛先 IP2」で、これは「ウ」。
- 参考：ルータを越えたLAN2では、フレームの宛先がMAC2に付け替えられる。IPの宛先はIP2のまま。
答え：ウ（イーサネットフレームの宛先：MAC3，IPデータグラムの宛先：IP2）
要点（試験直前に読む）
- OSIは下から「物・デ・ネ・ト・セ・プ・ア」。第3層＝ネットワーク層で、経路選択と中継を行う。
- 届く範囲：データリンク層は隣接機器まで、ネットワーク層は中継して相手の端末まで、トランスポート層は端末間の信頼性。
- TCP/IPの4層：アプリケーション（HTTP・SMTP・FTP）／トランスポート（TCP・UDP）／インターネット（IP）／リンク（イーサネット）。
- フレーム内の宛先は、下位層が先頭なので「MAC→IP→ポート」の順。
- ルータ越えでは、IPは最終宛先のまま変わらず、MACは次の中継先の接続口に付け替わる。
- パケット交換（X.25）は、分割＋制御情報の付加・誤り制御は網で行う・速度の違う端末どうしでも通信できる。
ひっかけ
- 「経路選択・中継」の層を問う問題で、データリンク層（隣接間）やトランスポート層（エンド間）を選ばせる → 「中継・ルーティング」ならネットワーク層（第3層）。
- TCPの層を問う問題で、HTTP・FTP・SMTP（アプリケーション層）やインターネット層を並べる → TCPはトランスポート層、IPはインターネット層。
- 宛先情報の並び順で、上位層から並べた「IP→ポート→MAC」などを選ばせる → ヘッダは下の層ほど外側なので先頭はMAC。
- ルータ経由の通信で、MACも最終宛先（ホストBのMAC）にした選択肢 → 同じLAN内で次に渡す相手（ルータのその側の接続口）のMACが正しい。
- パケット交換の説明に、回線交換（回線を占有）・ATM（固定長セル）・フレームリレー（誤り制御は端末間）の説明を混ぜる。「遅延が少ない」も回線交換寄りの性質なので誤り。
用語（20）
通信の機能を7つの層に分けて整理した、ISOが定めた国際標準の設計モデル。
⚠ TCP/IP階層モデルは実際のインターネットで使われる4層のモデル。「7層ならOSI、4層ならTCP/IP」で見分ける。
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層で、インターネットの通信を整理したモデル。
⚠ OSIの7層と混同しやすい。インターネット層がOSIのネットワーク層（第3層）に、リンク層が第1〜2層に当たる。
ケーブルや電気信号などの物理的な通信媒体の違いを吸収し、ビット列を伝える層。
⚠ データリンク層は、その上で隣接機器との誤り検出・再送などの伝送制御を行う。
隣接する機器どうしの間で、誤り検出や再送制御などの伝送制御を行う層。
⚠ ネットワーク層は別ネットワークの端末まで中継する。「隣接ノード間」ならデータリンク層、「経路選択・中継」ならネットワーク層。
経路選択（ルーティング）と中継によって、別のネットワークにいる端末までデータを届ける層。
⚠ トランスポート層は端末間の信頼性（再送・順序制御）を担当する。経路選択・中継はネットワーク層。
送信元と宛先の端末間（エンド間）で、データが確実に届くよう制御する層。
⚠ ネットワーク層との取り違えに注意。TCP・UDPはこの層。
通信の開始から終了までの、やり取りの区切りや同期を管理する層。
⚠ 選択肢で「中継・経路制御」の誤答として置かれることが多い。経路は扱わない。
文字コードや圧縮・暗号化など、データの表現形式をそろえる層。
⚠ アプリケーション層はファイル転送やメールなどの機能そのもの。「形式の変換」ならプレゼンテーション層。
利用者に最も近く、ファイル転送・電子メール・Web閲覧などの機能を提供する層。
⚠ HTTP・SMTP・FTPはこの層。トランスポート層のTCPと混同させる選択肢に注意。
再送や順序制御によって、端末間で確実にデータを届けるトランスポート層のプロトコル。
⚠ IPはインターネット層（OSIの第3層）。「TCP/IP」と並べて呼ばれても層は別。
IPアドレスを使って、ネットワークをまたいで宛先端末まで届けるインターネット層のプロトコル。
⚠ TCPはトランスポート層。経路・宛先の住所を扱うのがIP。
ネットワーク機器の接続口（NIC・インタフェース）ごとに割り当てられた固有の番号で、同じネットワーク内で次に渡す相手を指す。
⚠ IPアドレスは最終宛先を指し、ルータを越えても変わらない。MACアドレスは区間ごとに付け替わる。ルータのように接続口が複数ある機器は、接続口ごとに別のMACアドレスを持つ。
ネットワーク上の住所で、最終的な宛先の端末を示す番号。
⚠ MACアドレスとの区別。ルータ経由の通信では、IPアドレスは最終宛先のまま、MACアドレスは次の中継先になる。
端末の中で、どのアプリケーション（サービス）にデータを渡すかを示すトランスポート層の番号。
⚠ フレーム内では一番内側（後ろ）にある。先頭に来るのはMACアドレス。
上の層から下の層へデータを渡すたびに、各層のヘッダを先頭に付け足して包むこと。
⚠ 下位層のヘッダほど外側（先頭）に来る。上位層から順に並ぶと考えるのは誤り。
宛先までの通り道を選んでデータを中継すること。ネットワーク層の機能。
⚠ 隣接機器との伝送制御はデータリンク層の機能。
データをブロック（パケット）に分割し、制御情報を付けて蓄積交換で送る方式。X.25では誤り制御を網で行う。
⚠ 回線交換は回線を占有する。フレームリレーは誤り制御を端末間で行う。ATMは固定長セル。
通信のたびに発信側と着信側の間に回線を設定し、通信中はその回線を占有する方式。
⚠ 「回線を占有」なら回線交換、「分割して制御情報を付加」ならパケット交換。
網内の転送処理を簡単にして高速化した方式で、誤り制御は網ではなく端末間で行う。
⚠ X.25（パケット交換）は誤り制御を網で行う。誤り制御をどこで行うかで見分ける。
データを固定長のセルに区切り、宛先を付けて高速に交換する方式。
⚠ 「固定長」「セル」という言葉があればATM。パケット交換は可変長。
このレッスンの過去問
- OSI基本参照モデルの7層構成と各層機能平成27年度 秋期 基本情報技術者試験 午前 問31
- TCP/IP階層モデルとプロトコルの対応平成23年度 秋期 基本情報技術者試験 午前 問38
- イーサネットフレーム内の宛先情報の並び順(MAC→IP→ポート)平成25年度 秋期 基本情報技術者試験 午前 問37
- パケット交換網の特徴基本情報技術者試験 科目A免除 修了試験 201001 実施分 問35