ネットワークの全体像を一気に読む

ネットワークとは、2台以上のコンピュータをつないでデータをやりとりする仕組みのことです。ただし、つなぐと一口に言っても、決めることは多くあります。

データを電気信号やWi-Fiの電波でどう表すか。同じ部屋の機器をどう見分けるか。地球の裏側の相手までの経路をどう選ぶか。届かなかったデータをどう再送するか。

これらを1つのプログラムで全部やろうとすると、有線を無線に変えただけでアプリも作り直すことになります。そこで、役割ごとに仕事を分けています。下の層は内部の仕組みを上の層に見せず、決められた形でだけデータを受け渡します。この分け方を階層化（レイヤリング）と呼びます。

階層化の利点は3つ

分ける理由は、実際の切り分けの例とともに1-1 ネットワークとは ― なぜ層に分けるのかで丁寧に説明しています。

OSI参照モデル（Open Systems Interconnection）は、通信機能を7つの層に整理したモデルです。国際標準化機構（ISO）が定めました。実際の製品がこのとおりに作られているわけではありません。

それでも、「それはL2の問題？ L3の問題？」と話を通じさせる共通語として、現場でも教科書でも今なお使われています。

下の層ほど物理に近い層です。各層を押すと、右に（スマホでは下に）詳しい説明が出ます。

OSIは、理解して会話するための参照モデルです。それに対して、TCP/IPはインターネットで実際に使われているプロトコル群です。今のインターネットは、ほぼすべてTCP/IPで動いています。それを整理したTCP/IPモデルは4階層で、OSIの隣り合う層をまとめた形になっています。

送信側では、データが上の層から下の層へ渡されます。第4・3・2層を通るたびに、ヘッダとして必要な情報が付け足されます。これをカプセル化と呼びます。

受信側では逆に、データを下から上へ渡しながらヘッダを1枚ずつ外していきます。これを非カプセル化と呼びます。次の図では、ブラウザが送った「GET /index.html」が電気信号になるまでを1段ずつ確認できます。

IPアドレスは、ネットワーク上の機器を識別する番号です。IPv4のアドレスは32ビットで、0と1が32個並びます。人が読みやすいように8ビットずつ4つに区切り、それぞれを10進数にして「.」でつないで書きます。8ビットで表せるのは0〜255なので、192.168.10.25 のような形になります。

IPアドレスは「ネットワーク部」と「ホスト部」でできている

住所が「東京都千代田区」と「1-2-3」に分かれるように、IPアドレスもネットワーク部とホスト部に分かれます。ネットワーク部はどのネットワークかを、ホスト部はその中の何番目の機器かを表します。

どこまでがネットワーク部かを示すのがサブネットマスクで、255.255.255.0 のように書きます。/24 と書く方法もあり、これをCIDR表記と呼びます。32ビットの区切り方やクラスの歴史は、IPアドレスの構造の記事で詳しく説明しています。

プライベートIPアドレスとNAT

IPv4のアドレスは約43億個しかなく、世界中の機器に配るには足りません。そこで家庭や社内では、自由に使ってよいアドレスを使います。これがプライベートIPアドレスで、RFC 1918で定められています。

インターネットに出るときだけ、ルータがプライベートIPアドレスをグローバルIPアドレスに変換します。この変換がNAT / NAPTです。自宅のPCが 192.168.x.x なのはこのためです。

NATとNAPTの違いは、2-4 プライベートIPアドレスとNATのしくみで説明しています。外部から自宅サーバに接続できない理由と、ポート開放の話もそこにあります。

特別な意味を持つアドレス

次の2つは特別な用途のアドレスで、プライベートIPアドレスとは別に予約されています。

IPv6

アドレス枯渇の根本的な解決策がIPv6です。IPv6のアドレスは128ビットに拡張されています。16進数を「:」で区切り、2001:db8:85a3::8a2e:370:7334 のように書きます。

0が連続する部分は :: で省略できますが、省略できるのは1つのアドレスで1回までです。表記の細かい決まりは、2-2 IPアドレスの構造 ― 32ビットをどう読むかの後半にまとめています。

ネットワークを小さく区切ることをサブネット化と呼びます。目的の1つは、部署ごとに分けて無駄な通信を減らすことです。届く範囲を限定して、セキュリティを高める目的もあります。/24 を4つに分けると、次のようになります。

計算の決まりは3つだけ

1. ホスト部のビット数＝ 32 − プレフィックス長。
2. アドレス総数＝ 2^{（ホスト部のビット数）}。
3. 割り当て可能なホスト数＝ アドレス総数 − 2。先頭のネットワークアドレスと、末尾のブロードキャストアドレスを除きます。

次の計算機にIPアドレスとプレフィックス長を入力すると、そのネットワークの範囲を計算できます。

2-3 サブネットマスクの計算のやり方では、3ステップの手順に加えて、2進数でのAND演算や、/31・/32という例外も説明しています。計算だけを何度も試したい場合は、サブネット計算機（単独ページ）も使えます。

IPは宛先に向けて送り出すだけで、届いたかどうかは保証しません。このやり方をベストエフォートと呼びます。

届かなかったことを送信側が把握できるようにするのがTCPで、届いていなければ再送します。その確認を省いて軽さを優先するのがUDPです。どちらを使うかは、アプリケーションが選びます。

3ウェイハンドシェイク：TCPが通信を始める3回のやりとり

TCPはデータを送る前に、片道3回・往復1.5回のやりとりでお互いの準備を確認します。やりとりは、SYN、SYN+ACK、ACKの3段階です。

まず、SYNで接続を求めます。相手はSYN+ACKで応じると同時に、自分からも接続を求めます。最後のACKで了解を返します。SYNを送ってからSYN+ACKが返るまでの1往復が終わるまで、データは送り始められません。

シーケンス番号とACK番号が何を数えているかは、4-2 TCPの3ウェイハンドシェイクと再送制御で説明しています。ACKが返らないときの再送の仕組みも、そこで説明しています。TCPとUDPの選び方を知りたい場合は、4-1 TCPとUDPの違い ― どっちを使うべきかを先に読んでください。

ポート番号：「どのアプリ宛か」を示す部屋番号

IPアドレスが建物の住所なら、ポート番号は部屋番号です。1台のサーバでWebもメールも動かせるのは、届いたデータをポート番号でアプリに振り分けているからです。ポート番号は0〜65535の範囲です。そのうち0〜1023は、ウェルノウンポートとして用途が決まっています。

ポート番号の3つの区分や、送信元ポートの決まり方は、4-3 ポート番号とは ― IPアドレスとの役割分担にまとめています。

ここまでの層がすべて登場します。自分のPCから https://example.com/ を開く場面を例に、要点だけを順番に追います。PCのアドレスは 192.168.10.25/24 とします。

1. 1

   名前をIPアドレスに変換するDNS / L7

   まず、DNSサーバに「example.com のIPアドレスは？」と問い合わせます。203.0.113.50 のような答えが返ってきます。

   このDNSへの問い合わせ自体も、1つの通信です。そのため、これを送り出す前に、次の手順2（宛先が同じネットワーク内かの判定）と手順3（ARP）が済んでいます。

2. 2

   相手が自分のネットワークの内か外かを判定するL3

   自分のIPアドレスとサブネットマスクから、宛先が同じネットワークかを計算します。外なら、デフォルトゲートウェイに任せます。

3. 3

   次に渡す相手のMACアドレスを調べるARP / L2〜L3

   ARPで調べるのは、最終的な宛先ではなく、同じネットワーク内にあるゲートウェイのMACアドレスです。

4. 4

   TCPコネクションを確立するTCP / L4〜L2

   最初に送り出されるのはSYNパケットです。SYNは、TCP、IP、Ethernetの順にヘッダで包まれます（カプセル化）。包まれたSYNは、手順2と3で調べたゲートウェイを経由して、ネットワークの外へ送られます。

   途中で宛先IPは変わりません。一方、宛先MACはルータを1つ越えるたびに書き換わります。

   サーバの443番ポートからSYN+ACKが返り、PCがACKを送ると、3ウェイハンドシェイクが完了します。

5. 5

   TLSで暗号化の準備をするTLS / L6相当

   まず、サーバ証明書を検証して相手が本物かを確かめます。次に、暗号に使う共通鍵を安全に共有します。HTTPSの「S」はこの部分です。

6. 6

   HTTPリクエストを送り、レスポンスを受け取るHTTP / L7

   PCが GET / HTTP/1.1 を送ります。サーバは 200 OK とHTMLを返します。これで画面が表示されます。

ARPとゲートウェイの関係、ルーティングの最長一致、NATでの書き換えなど、各段階は次の記事で詳しく説明しています。

• 3-1 デフォルトゲートウェイとは
• 3-2 ARPとは ― IPアドレスからMACアドレスを知る仕組み
• 3-3 ルーティングとは ― ルータの道の選び方
• 2-4 プライベートIPアドレスとNATのしくみ
• 5-3 HTTPとHTTPS（TLS） ― 何が違うのか

全19本の記事の内容がどうつながるかは、5-4 Webページが表示されるまでの流れで、この例と同じ形で詳しく説明しています。

機器の違いは見た目ではなく、何を見て転送先を決めるかで決まります。層と結びつけて覚えるのが近道です。

スイッチがMACアドレステーブルを学習するしかたは、ハブ・スイッチ・ルータの記事で説明しています。コリジョンドメインとブロードキャストドメインの違いも、そこで解説しています。ファイアウォールが通信を許可・遮断する仕組みは、ファイアウォールの記事で詳しく解説しています。

読むより実際に入力するほうが早く身につきます。ターミナルで試してください。Windowsでは、コマンドプロンプトを使います。

$ ping -c 3 8.8.8.8
PING 8.8.8.8 (8.8.8.8): 56 data bytes
64 bytes from 8.8.8.8: icmp_seq=0 ttl=116 time=11.822 ms
64 bytes from 8.8.8.8: icmp_seq=1 ttl=116 time=12.347 ms
64 bytes from 8.8.8.8: icmp_seq=2 ttl=116 time=11.905 ms

--- 8.8.8.8 ping statistics ---
3 packets transmitted, 3 packets received, 0.0% packet loss
round-trip min/avg/max/stddev = 11.822/12.025/12.347/0.230 ms

# Windows は -c 3 の代わりに -n 3 を使います。

$ ip addr        # Linux
$ ifconfig       # macOS
> ipconfig /all  # Windows

IPv4 アドレス . . . . . : 192.168.10.25
サブネット マスク . . . : 255.255.255.0
デフォルト ゲートウェイ : 192.168.10.1

# 169.254 で始まっていたらDHCPに失敗しています。

$ arp -a
? (192.168.10.1) at ac:de:48:aa:bb:cc [ether] on eth0
? (192.168.10.30) at ac:de:48:dd:ee:ff [ether] on eth0

$ traceroute 8.8.8.8
 1  192.168.10.1     1.2 ms     ← 自宅ルータ
 2  198.51.100.9     8.4 ms     ← プロバイダ
 3  * * *                       ← 応答を返さない機器
 4  8.8.8.8         14.0 ms     ← 目的地

# TTLを1, 2, 3…と増やしながら送り、各ルータの応答から経路を割り出しています。

$ nslookup example.com
Server:   192.168.10.1
Name:     example.com
Address:  203.0.113.50

# pingが通らないとき、まずここが動くかを見ます。

PCの状態を順番に確認していく流れは、次のとおりです。

デフォルトゲートウェイやルーティングテーブルをコマンドで確認する手順は、次の記事で説明しています。

• 3-1 デフォルトゲートウェイとは
• 3-3 ルーティングとは ― ルータの道の選び方

pingとtracerouteの出力は、ping・tracerouteの使い方と見方で1行ずつ詳しく確認できます。

プロトコルprotocol

通信の手順と形式の取り決めです。同じプロトコルを使う機器の間でないと、通信は成立しません。

パケットpacket

分割して送られるデータのひとかたまりです。第3層でのデータの呼び名でもあります。

LAN / WANLAN / WAN

建物内など狭い範囲のネットワークがLANで、それらを結ぶ広域のネットワークがWANです。

デフォルトゲートウェイdefault gateway

宛先が自分のネットワークの外のときに、転送を任せる出口です。家庭では、ルータがこれにあたります。

DHCPdhcp

IPアドレス、サブネットマスク、ゲートウェイ、DNSサーバを自動で配る仕組みです。

DNSdns

ドメイン名とIPアドレスを対応づける分散データベースです。世界中に分散した住所録のようなものです。

ARParp

IPアドレスからMACアドレスを問い合わせるプロトコルで、第2層と第3層の間で働きます。どちらに分類するかは資料によって異なります。

ICMPicmp

到達確認やエラー通知を運ぶプロトコルです。pingやtracerouteが使います。

NAT / NAPTnat

プライベートIPとグローバルIPを変換する機能です。NAPTはポート番号も変換するので、複数台で1つのグローバルIPを共有できます。

MTUmtu

1つのフレームで送れる最大データ量です。Ethernetでは通常1500バイトです。超えた場合、IPv4ではDFビット次第で分割されるか、破棄されてICMPで通知されます。IPv6では、途中のルータは分割しません。

TLStls

通信を暗号化し、相手が本物かを証明書で確かめる仕組みです。HTTPSはこの仕組みの上で動きます。

最長一致longest match

ルーティングテーブルで複数の経路が当てはまるときの決まりで、プレフィックス長が最も長い行を選びます。

このページは要点だけをつないだ参照ページです。練習問題を解きながら1つずつ学びたい場合は、ネットワークの入門コース（全19本）を最初から順番に読むことをおすすめします。計算だけを何度も試したいときは、サブネット計算機のページを使えます。

本でも学びたいときは、ネットワークの本・参考書の選び方・目的別の勉強の順番で、目的に合う本と、各記事と範囲が重なる章を確かめられます。