カプセル化とは ― ヘッダが増えるしくみ

送信側では、データがアプリケーション層から物理層へ降りるあいだに、包みが1枚ずつ増えていきます。この包み方をカプセル化と呼びます。包みは、トランスポート層、ネットワーク層、データリンク層を通るたびに増えます。

手紙を封筒に入れ、さらに配送用の箱に入れる場面を思い浮かべてください。外側の包みが1段ずつ増えていきます。

受信側では、届いたフレームから、まったく逆の順番でヘッダが1枚ずつはがされます。これを非カプセル化と呼びます。降りるときは足し、昇るときははがすという、対称の関係です。包む順番が分かると、Wiresharkでパケットを開いたときに、各行がどの層の情報かを読み取れます。

下の図は、隣の機器までの1つの区間だけを描いています。この1つの区間を、1ホップと呼びます。PCからサーバまで複数のルータを経由するときに何が書き換わるかは、MACアドレスとIPアドレスの記事で説明しています。

例として、ブラウザがWebサーバへHTTPリクエストを送る場面を使います。データが層を降りながら包まれていく様子を、1段ずつ確認してください。

足されるヘッダの中身を層ごとに整理すると、次のとおりです。TCPヘッダとIPヘッダのサイズは、オプションが付かない場合の値です。オプションが付くと、最大60バイトまで伸びます。

一方、Ethernetヘッダは固定14バイトです。VLANタグが付くと18バイトになります。末尾のFCSも、固定4バイトです。

宛先の粒度は、層ごとに違う

3つのヘッダは、どれも宛先の情報を持ちます。ただし、指し示す範囲の細かさがまったく違います。この細かさを粒度と呼びます。

受信側では、カプセル化とまったく逆の順番で、届いたフレームからヘッダがはがされます。中身は、1つ上の層へ順に渡されていきます。

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   Ethernetヘッダを確認するデータリンク層

   まず、末尾のFCSで、フレームが壊れていないかを検査します。壊れていれば破棄します。問題なければ、宛先MACアドレスが自分宛かを確認します。

   自分宛なら、Ethernetヘッダと末尾のFCSを外して、中身を上の層へ渡します。末尾に付くFCSのような部分を、トレーラと呼びます。渡す前に、EthernetヘッダのEtherTypeという項目を見ます。中身がIPパケットなのかARPなのかを、ここで判断します。

   FCSは、CRC-32というしくみで誤りを検出しています。その仕組みはパリティチェックとCRCとは ― 誤り検出の仕組みで解説しています。

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   IPヘッダを確認するネットワーク層

   宛先IPアドレスが自分宛かを確認します。自分宛なら、IPヘッダを外して中身を上の層へ渡します。渡す前に、IPヘッダのプロトコル番号という項目を見ます。中身がTCPなのかUDPなのかを、ここで判断します。

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   TCPヘッダを確認するトランスポート層

   宛先ポート番号を確認します。そのあと、TCPヘッダを外して、該当するアプリケーションにデータを渡します。

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   データを処理するアプリケーション層

   最後に残ったデータを、Webサーバのアプリケーションが処理します。今回の例では、このデータはHTTPリクエストです。

左右を並べて見ると、この対称性がより分かりやすくなります。

セグメント、パケット、フレームは、どれもデータの単位を指す言葉です。この単位をPDU（Protocol Data Unit）と呼びます。どの呼び名でも、中身のデータそのものは同じです。どこまでヘッダが付いた状態かによって、呼び名だけが変わります。

1つのフレームには、運べるデータ量に上限があります。この上限をMTU（Maximum Transmission Unit）と呼びます。Ethernetでは通常1500バイトです。

IPv4では、送りたいパケットがMTUを超えることがあります。このときの動きは、IPヘッダのDFビット（Don't Fragment）で変わります。DFビットは、分割を禁じる印です。DFビットが立っていなければ、送信元または途中のルータがパケットを複数に分割します。

この分割をフラグメンテーションと呼びます。分割された断片は、最終的な宛先で元の1つのデータに再構成されます。

DFビットが立っている場合、パケットは分割されずに破棄されます。そして、ICMPで送信元に通知されます。この動きはRFC 1191にあります。ICMPは、到達確認やエラー通知を運ぶプロトコルです。このとき返るメッセージの種類は、ICMPの記事にまとめています。

IPv6では、途中のルータはパケットを分割しません（RFC 8200）。経路の途中でMTUを超えたパケットは、分割されずに破棄されます。そして、ICMPv6 Packet Too Big というエラーが送信元に返ります。

送信元はこのエラーを見て、パケットのサイズを下げます。この仕組みを経路MTU探索（Path MTU Discovery）と呼びます。規定はRFC 8201です。この探索を行わない場合は、IPv6の最小MTUである1280バイト以下で送ります。

TCPは、接続時にMSS（Maximum Segment Size）という値をやり取りします。MSSで、セグメントの大きさをあらかじめMTUに収まるよう調整しています。そのため、通常のTCP通信ではこの分割はほとんど起こりません。MSSの求め方と、断片が分かれる様子は、MTUとMSSの記事で説明しています。

実際の通信で、足されたヘッダが並ぶ様子は、パケットキャプチャのソフトで確かめられます。Wiresharkの記事では、疑似パケット一覧でEthernet・IP・TCPのヘッダを層ごとに見ます。