Day 1: ネットワークの基礎とOSIモデル

今日学ぶこと

コンピュータネットワークとは何か
ネットワークの種類（PAN、LAN、MAN、WAN）
OSI参照モデルの7つの層
データのカプセル化とPDU
TCP/IPモデルとOSIモデルの比較

コンピュータネットワークとは何か

コンピュータネットワークとは、2台以上のコンピュータが通信媒体を介して接続され、データやリソースを共有できる仕組みです。私たちが日常的に使うインターネット、社内メール、ファイル共有などはすべてネットワーク技術の上に成り立っています。

ネットワークの基本的な構成要素は以下の通りです。

構成要素	説明	例
ノード	ネットワークに接続されたデバイス	PC、サーバー、ルーター
メディア	データが伝送される媒体	LANケーブル、光ファイバー、無線電波
プロトコル	通信のルール・手順	TCP/IP、HTTP、DNS
サービス	ネットワークが提供する機能	ファイル共有、メール、Web

flowchart LR
    subgraph Network["コンピュータネットワーク"]
        A["PC A"] <-->|"LANケーブル"| S["スイッチ"]
        B["PC B"] <-->|"LANケーブル"| S
        S <-->|"光ファイバー"| R["ルーター"]
        R <-->|"インターネット"| Cloud["クラウド"]
    end
    style Network fill:#3b82f6,color:#fff
    style Cloud fill:#8b5cf6,color:#fff

ネットワークの種類

ネットワークはその規模によって分類されます。

PAN（Personal Area Network）

PANは、個人の身の回りのデバイスを接続するネットワークです。通信範囲は数メートル程度で、BluetoothやUSBなどが使われます。

スマートフォンとワイヤレスイヤホンの接続
PCとマウス・キーボードのBluetooth接続

LAN（Local Area Network）

LANは、建物内やオフィスフロアなど、限られたエリア内のネットワークです。高速で低遅延な通信が特徴です。

企業のオフィスネットワーク
家庭内のWi-Fiネットワーク
学校のコンピュータ教室

MAN（Metropolitan Area Network）

MANは、都市規模のネットワークです。複数のLANを接続して構成されます。

ケーブルテレビネットワーク
大学のキャンパスネットワーク（複数棟を接続）

WAN（Wide Area Network）

WANは、広範囲（国家間・大陸間）に及ぶネットワークです。インターネットは世界最大のWANです。

インターネット
企業の拠点間ネットワーク

flowchart TB
    subgraph Scale["ネットワークの規模"]
        direction LR
        PAN["PAN\n数メートル"]
        LAN["LAN\n建物内"]
        MAN["MAN\n都市規模"]
        WAN["WAN\n国・大陸"]
    end
    PAN --> LAN --> MAN --> WAN
    style PAN fill:#22c55e,color:#fff
    style LAN fill:#3b82f6,color:#fff
    style MAN fill:#8b5cf6,color:#fff
    style WAN fill:#ef4444,color:#fff
    style Scale fill:#1e293b,color:#fff

種類	範囲	速度	例
PAN	~数メートル	低〜中	Bluetooth、USB
LAN	~建物内	高速（1Gbps〜）	Ethernet、Wi-Fi
MAN	~都市	中〜高速	ケーブルTV
WAN	国〜大陸	低〜高速	インターネット

OSI参照モデル

OSI（Open Systems Interconnection）参照モデルは、国際標準化機構（ISO）が策定したネットワーク通信の概念モデルです。通信機能を7つの層（レイヤー）に分割して整理しています。

このモデルがあることで、異なるベンダーの機器やソフトウェアが相互に通信できるようになりました。

flowchart TB
    subgraph OSI["OSI参照モデル"]
        L7["第7層：アプリケーション層"]
        L6["第6層：プレゼンテーション層"]
        L5["第5層：セッション層"]
        L4["第4層：トランスポート層"]
        L3["第3層：ネットワーク層"]
        L2["第2層：データリンク層"]
        L1["第1層：物理層"]
    end
    L7 --> L6 --> L5 --> L4 --> L3 --> L2 --> L1
    style L7 fill:#ef4444,color:#fff
    style L6 fill:#f59e0b,color:#fff
    style L5 fill:#f59e0b,color:#fff
    style L4 fill:#8b5cf6,color:#fff
    style L3 fill:#3b82f6,color:#fff
    style L2 fill:#22c55e,color:#fff
    style L1 fill:#22c55e,color:#fff
    style OSI fill:#1e293b,color:#fff

第1層：物理層（Physical Layer）

物理層は、ビット列を電気信号、光信号、電波などの物理的な信号に変換して伝送する層です。

役割: 0と1のビット列を物理的な信号に変換
関連機器: ケーブル、リピーター、ハブ
プロトコル/規格: Ethernet（物理仕様）、USB、Bluetooth（物理仕様）
例: LANケーブル内を流れる電気信号

第2層：データリンク層（Data Link Layer）

データリンク層は、同一ネットワーク内の隣接ノード間でのフレーム伝送を担当します。エラー検出やMACアドレスによるアドレッシングを行います。

役割: フレームの生成、MACアドレスによる機器識別、エラー検出
関連機器: スイッチ、ブリッジ
プロトコル: Ethernet（MAC）、PPP、ARP
例: スイッチがMACアドレスを見てフレームを適切なポートに転送

第3層：ネットワーク層（Network Layer）

ネットワーク層は、異なるネットワーク間でのパケット転送（ルーティング）を担当します。IPアドレスによる論理的なアドレッシングを行います。

役割: ルーティング、IPアドレスによる論理アドレッシング
関連機器: ルーター、L3スイッチ
プロトコル: IP、ICMP、OSPF、BGP
例: ルーターがIPアドレスを見て最適な経路にパケットを転送

第4層：トランスポート層（Transport Layer）

トランスポート層は、エンドツーエンドの信頼性のある通信を保証します。ポート番号でアプリケーションを識別します。

役割: 信頼性のあるデータ転送、フロー制御、ポート番号管理
関連機器: ファイアウォール（一部）
プロトコル: TCP、UDP
例: TCPが3ウェイハンドシェイクで接続を確立し、データを確実に届ける

第5層：セッション層（Session Layer）

セッション層は、通信のセッション（開始・維持・終了）を管理します。

役割: セッションの確立、維持、終了
プロトコル: NetBIOS、RPC
例: Webアプリケーションのログインセッション管理

第6層：プレゼンテーション層（Presentation Layer）

プレゼンテーション層は、データの表現形式の変換（エンコーディング、暗号化、圧縮）を担当します。

役割: データの変換、暗号化、圧縮
プロトコル: SSL/TLS（暗号化部分）、JPEG、ASCII、UTF-8
例: HTTPSでのデータ暗号化、画像フォーマットの変換

第7層：アプリケーション層（Application Layer）

アプリケーション層は、ユーザーやアプリケーションに直接サービスを提供する層です。

役割: ユーザーアプリケーションへのネットワークサービス提供
プロトコル: HTTP、HTTPS、FTP、SMTP、DNS、SSH
例: Webブラウザでのページ閲覧、メール送信

データのカプセル化

データが送信者から受信者に届くまで、各層でヘッダー（場合によってはトレーラー）が追加されます。この過程を**カプセル化（Encapsulation）と呼びます。各層のデータ単位をPDU（Protocol Data Unit）**と呼びます。

flowchart TB
    subgraph Encapsulation["カプセル化の流れ"]
        D["データ\n（アプリケーション層）"]
        Seg["セグメント/データグラム\n（トランスポート層）"]
        Pkt["パケット\n（ネットワーク層）"]
        Frm["フレーム\n（データリンク層）"]
        Bit["ビット\n（物理層）"]
    end
    D -->|"TCPヘッダ追加"| Seg
    Seg -->|"IPヘッダ追加"| Pkt
    Pkt -->|"MACヘッダ+トレーラー追加"| Frm
    Frm -->|"電気信号に変換"| Bit
    style D fill:#ef4444,color:#fff
    style Seg fill:#8b5cf6,color:#fff
    style Pkt fill:#3b82f6,color:#fff
    style Frm fill:#22c55e,color:#fff
    style Bit fill:#f59e0b,color:#fff
    style Encapsulation fill:#1e293b,color:#fff

OSI層	PDU名	追加される情報
アプリケーション層	データ	アプリケーション固有のヘッダ
トランスポート層	セグメント（TCP）/ データグラム（UDP）	ポート番号、シーケンス番号
ネットワーク層	パケット	送信元/宛先IPアドレス
データリンク層	フレーム	送信元/宛先MACアドレス、FCS
物理層	ビット	電気信号/光信号/電波

受信側では、逆の手順で各層のヘッダーを取り除いていきます。これを**非カプセル化（Decapsulation）**と呼びます。

TCP/IPモデルとの比較

実際のインターネットで使われているのは、OSIモデルではなくTCP/IPモデル（4層モデル）です。OSIモデルは概念的な参照モデルとして、TCP/IPモデルは実装モデルとして使い分けられます。

flowchart TB
    subgraph TCPIP["TCP/IPモデル"]
        T4["アプリケーション層"]
        T3["トランスポート層"]
        T2["インターネット層"]
        T1["ネットワークアクセス層"]
    end
    subgraph OSI["OSI参照モデル"]
        O7["アプリケーション層"]
        O6["プレゼンテーション層"]
        O5["セッション層"]
        O4["トランスポート層"]
        O3["ネットワーク層"]
        O2["データリンク層"]
        O1["物理層"]
    end
    T4 -.- O7
    T4 -.- O6
    T4 -.- O5
    T3 -.- O4
    T2 -.- O3
    T1 -.- O2
    T1 -.- O1
    style TCPIP fill:#3b82f6,color:#fff
    style OSI fill:#8b5cf6,color:#fff

TCP/IPモデル	OSIモデル	主なプロトコル
アプリケーション層	第5〜7層	HTTP、DNS、SMTP、FTP
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、ARP
ネットワークアクセス層	第1〜2層	Ethernet、Wi-Fi

なぜ2つのモデルがあるのか

OSIモデルは教育・設計に適した理論的モデル。層が細かく分かれているため、各機能の役割が明確
TCP/IPモデルは実際のインターネットプロトコルに基づく実装モデル。シンプルで実用的

現場ではTCP/IPモデルが使われますが、ネットワークの概念を学ぶ際にはOSIモデルの7層で理解することが重要です。

まとめ

本日の学習内容

トピック	ポイント
コンピュータネットワーク	デバイス間でデータやリソースを共有する仕組み
ネットワークの種類	PAN → LAN → MAN → WAN の順に規模が拡大
OSI参照モデル	7層に分割された通信の概念モデル
カプセル化	各層でヘッダーを追加してデータを包む仕組み
TCP/IPモデル	4層の実装モデル。実際のインターネットで使用

キーポイント

OSIモデルは下から上へ: 物理層 → データリンク層 → ネットワーク層 → トランスポート層 → セッション層 → プレゼンテーション層 → アプリケーション層
各層のPDUを覚える: ビット → フレーム → パケット → セグメント → データ
TCP/IPモデルは4層: OSIの上位3層をアプリケーション層に、下位2層をネットワークアクセス層にまとめている
カプセル化と非カプセル化: 送信時にヘッダーを追加し、受信時に取り除く

練習問題

基礎レベル

OSI参照モデルの7層を下から順に列挙してください。
以下のデバイスがOSIモデルのどの層で動作するか答えてください。
- ハブ
- スイッチ
- ルーター
PAN、LAN、MAN、WANをそれぞれ一言で説明してください。

中級レベル

以下のプロトコルがOSIモデルのどの層に属するか答えてください。
- HTTP
- TCP
- IP
- Ethernet
あなたがWebブラウザでhttps://example.comにアクセスする際、データがカプセル化される過程を各層のPDU名とともに説明してください。
OSIモデルとTCP/IPモデルの違いを3つ挙げてください。

チャレンジレベル

ある社内ネットワークで、PC AがPC Bにファイルを送信します。この通信に関与するOSIモデルの各層の役割を、具体的なプロトコルや技術を挙げて説明してください。
「OSI参照モデルは理論的には優れているが、実際のネットワークではTCP/IPモデルが使われている」理由を考察してください。
ネットワークエンジニアが障害対応する際、OSIモデルの各層を使ってどのように問題を切り分けるか、具体的なトラブルシューティング手順を提案してください。

参考リンク

次回予告

Day 2: LANとWAN では、Ethernet、MACアドレス、スイッチとハブの違い、VLAN、WAN技術、ネットワークトポロジーなど、LANとWANの具体的な仕組みについて学びます。