TCP/IP階層モデルとデータ送信の仕組み

私たちが日常的に利用しているWebサイトやアプリは、コンピュータ同士が複雑な仕組みを介して通信することで動作しています。本章では、ネットワーク通信の土台である TCP/IP階層モデル の概念と、データがどのように送信されるかについて解説します。

1. TCP/IP 4階層モデルとは？

インターネットは、異なる機器やOS同士でも通信できるよう、通信手順をルール化した「プロトコル」の集まりで構成されています。このプロトコル群を4つの役割（階層）に分類した設計モデルを TCP/IPモデル と呼びます。

階層構造とプロトコル（図解）

2. 各階層の役割

1. アプリケーション層 (Application Layer): ユーザーが操作するソフトウェア（ブラウザやメールクライアントなど）と直接やり取りする層です。
   • 主なプロトコル: HTTP（Webデータ転送）、HTTPS（暗号化Web転送）、DNS（ドメイン名前解決）。
2. トランスポート層 (Transport Layer): 接続された機器間で「信頼性のあるデータ転送」または「高速なデータ転送」を制御する層です。
   • TCP (Transmission Control Protocol): 相手にデータが正しく届いたか確認（3ウェイハンドシェイク）しながら通信する、信頼性の高いプロトコル。Web閲覧やメールで使用。
   • UDP (User Datagram Protocol): 確認を行わず、一方的にデータを送り続ける高速なプロトコル。動画ストリーミングやオンラインゲームで使用。
3. インターネット層 (Internet Layer): データを最終目的地までルーティング（経路制御）し、届ける役割を持ちます。
   • 主なプロトコル: IP (Internet Protocol)。各機器には「IPアドレス」が割り当てられ、これがネット上の住所になります。
4. ネットワークインターフェース層 (Network Interface Layer): 同一ネットワーク内の隣接する物理機器（LANケーブル、Wi-Fiルーターなど）間で電気信号や電波を流し、データを物理的に伝送する層です。

3. カプセル化と非カプセル化

送信側コンピュータがデータを送信する際、上位層から下位層へデータが渡る過程で、各層に必要な制御情報（ヘッダー）が追加されていきます。これを カプセル化 (Encapsulation) と呼びます。

受信側コンピュータでは逆に、下位層から上位層へ渡る過程でヘッダーが取り除かれ、最終的に元のデータのみがアプリケーションに届きます。これを 非カプセル化 (Decapsulation) と呼びます。

[送信側]
データ (HTTP)
  ↓
[TCPヘッダー] + [データ]                 (セグメント)
  ↓
[IPヘッダー] + [TCPヘッダー] + [データ]   (IPパケット)
  ↓
[イーサネットヘッダー] + [IP] + [TCP] + [データ]  (イーサネットフレーム) → 物理線へ送出

まとめ

• インターネットの通信は、役割が異なる TCP/IP 4階層モデル に基づいて行われる。
• TCP は接続の信頼性を担保し、IP は住所（IPアドレス）を元にデータを届ける。
• データ送信時はヘッダーを包み込む カプセル化 を行い、受信時はヘッダーを剥ぎ取る 非カプセル化 を行う。