ネットワークのしくみ 2：層 ― 封筒の入れ子

役目ごとに、層（レイヤー）に分ける

役目ごとに分けたものを層（レイヤー）と呼びます。インターネットで実際に使われている分け方（TCP/IP モデル）では、大きく4つです。

上の層ほど中身（人間が使うもの）に近く、下の層ほど線（物理的なもの）に近くなります。

層に分ける最大の利点は、各層が自分の役目だけに集中できることです。上の層は、下の層が「どうやって運んでいるか」を知らなくていいですし、下の層は、上の層の「中身が何か」を知らなくていいのです。

次のページから、上の層から順に、1枚ずつ荷札（ヘッダー）が付いていく様子を見ます。

アプリケーション層：中身そのもの

ブラウザで example.com を開くとき、ブラウザはまず、相手の Web サーバーに送る中身を作ります。

GET /index.html HTTP/1.1
Host: example.com

「/index.html のページをください」という依頼で、HTTP という決まりに従って書かれています。メールなら SMTP、名前から IP アドレスを引くなら DNS と、用途ごとに決まりがあります。

この時点で、中身には宛先の IP アドレスも、線のことも、何も書かれていません。アプリケーション層は、「何を頼むか」だけを考えています。どうやって届けるかは、下の層に任せます。

トランスポート層：どのアプリ宛か・確実に届けるか

次に、トランスポート層が中身に荷札（ヘッダー）を付けます。図の右に、紫の「TCP」の札が増えたのがそれです。

この荷札のいちばん大事な欄はポート番号です。

1台の機械の中では、Web ブラウザもメールソフトも同時に動いています。IP アドレスは「どの機械か」までしか表さないので、「その機械の中のどのアプリか」をポート番号で区別します。ポートについては、メールのしくみシリーズの1本目でも触れました。

TCP は確実に、UDP は速く

トランスポート層には、性格の違う2つの方式があります。

TCP は、確実に届けることを重視します。相手が受け取ったら「ここまで届いた」と返事をもらい、返事が来なければ送り直し、順番が入れ替わって届いたら並べ直します。Web ページやメールのように、1文字でも欠けたら困るものに使います。

UDP は、送りっぱなしです。届いたかの確認も再送もしません。そのぶん手間がなく速いです。通話やオンラインゲームのように、遅れて届くくらいなら欠けたほうがましなものや、DNS の問い合わせのように小さく1往復で済むものに使います。

ここで大事なのは、下のインターネット層（IP）は、届くかどうかを保証しないということです。途中で混雑すれば小包は捨てられることもあります。「確実に届ける」という役目は、IP ではなく、この TCP が引き受けています。役目が層ごとに分かれている例です。

インターネット層：最終の宛先まで運ぶ

次に、インターネット層が IP の荷札を付けます。図の青い札です。

1本目で見た「バケツリレー」で、ルーターが見ているのはこの札です。ルーターは宛先 IP アドレスを見て、自分の表から「次にどこへ渡すか」を決めます。

TTL（Time To Live）は、道に迷った小包が永遠にぐるぐる回り続けないための仕組みです。ルーターの表の設定ミスで小包が輪の中を回ってしまっても、TTL が尽きれば捨てられます。8本目で、この仕組みを逆手に取った道具（traceroute）も紹介します。

リンク層：いまいる線の上で、隣へ渡す

最後に、リンク層が MAC の荷札を付けます。図の緑の札です。

ここが大事なところです。IP の札の宛先は「最終の相手」でしたが、MAC の札の宛先は「隣」です。リンク層は、いまつながっている線の上で、隣の機械に渡すことだけを考えています。

隣に着いたら、MAC の札は役目を終えます。受け取ったルーターは MAC の札を捨て、次の区間用に新しい MAC の札を付け直します。1本目で「MAC アドレスは区間ごとに付け替わる」と書いたのは、このことです（5本目で詳しく見ます）。

最後に、0 と 1 の信号になって線を流れる

荷札が全部付いたら、小包全体が 0 と 1 の並びとして線に送り出されます。

LAN ケーブルなら電気の強弱、光ファイバーなら光の点滅、Wi-Fi やスマホの回線なら電波として、0 と 1 を表します。この部分を物理層と呼びます（TCP/IP モデルではリンク層に含めることが多いです）。

受け取る側の機械は、信号を 0 と 1 に戻し、リンク層の荷札から読み始めます。

全体を見ると、封筒の入れ子になっている

ここまでの流れを、別の形で描き直すと、図のような封筒の入れ子になります。

中身を TCP の封筒に入れ、それを IP の封筒に入れ、それを MAC の封筒に入れる。この「上の層のデータを、下の層の荷札で包んでいく」ことをカプセル化と呼びます。

入れ子になっていることで、次のことが成り立ちます。

外側ほど近い宛先、内側ほど遠い宛先になっているのがポイントです。途中の機械は、外側の封筒だけを開けて次に渡し、内側には手を付けません。

受け取る側は、外側から1枚ずつ開けていく

相手のサーバーは、受け取った小包を外側から1枚ずつ開けていきます。

最初に MAC の札を見て、「宛先 MAC が自分だ」と確かめて開けます。次に IP の札を見て、「宛先 IP が自分だ」と確かめて開けます。次に TCP の札を見て、「宛先ポートが 443、つまり Web サーバーのアプリ宛だ」と確かめ、中身を Web サーバーのアプリに渡します。Web サーバーは中身の GET /index.html を読んで、ページを返します。

返事は、今度はサーバー側で同じようにカプセル化され、逆向きに旅をして、あなたのブラウザに届きます。

この「包む」「開ける」の対応があるので、各層は、相手の同じ層とだけ話しているように振る舞えます。TCP は相手の TCP と、IP は途中のルーターや相手の IP と、話しているわけです。

機械ごとに、開ける深さが違う

途中の機械は、封筒をどこまで開けるのでしょうか。図の色の付いた段が、その機械が使う層です。

スイッチは IP アドレスを見ません。ルーターは中身を見ません。 自分の役目に必要な層までしか開けないのです。

これが、このシリーズの疑問にとって大事な点です。「どうやって遠くまで届くのか」を決めているのは、IP の札を見るルーターです。そして「隣の機械へどう渡すか」を決めているのは、MAC の札を見るスイッチです。3本目でスイッチを、6本目でルーターを詳しく見ます。

層に分けたから、1つの層だけを差し替えられる

層に分けたもう1つの大きな利点は、1つの層だけを差し替えられることです。

家では LAN ケーブル、外ではカフェの Wi-Fi、移動中はスマホの回線。リンク層と物理層はまったく違いますが、その上の IP・TCP・HTTP は何も変わりません。だから、同じブラウザがどこでもそのまま動きます。

逆も同じです。HTTP が新しい版になっても、下の IP やイーサネットを作り直す必要はありません。

もし層に分けず、全部を1つの仕組みにしていたら、Wi-Fi が出てきたときに、ブラウザからメールソフトまで全部書き換えることになっていたはずです。層に分けたことが、インターネットがこれだけ多様な機械と回線を1つにまとめられた理由です。

教科書の「7層」との対応

ネットワークの教科書では、OSI 参照モデルという7層の分け方がよく出てきます。インターネットで実際に使われているのは4層の TCP/IP モデルですが、呼び名として7層の番号が今もよく使われるので、対応を押さえておきます。

現場では「L2 スイッチ」（MAC を見るスイッチ）、「L3」（IP の話）、「L4」（ポートの話）のように、番号で層を呼ぶことがよくあります。この3つだけ覚えておけば十分です。