ネットワークのレイヤーとは?OSI参照モデルで詳しく解説

「ネットワークのレイヤー?OSI参照モデルって何?」 この記事は、このような疑問を持つあなたに向けた記事です。
ネットワークの学習が必要で、最低限の知識はあるものの、もっと詳しく知りたいあなたに向けて書いています。

読み終える頃には、ネットワークのレイヤー、OSI参照モデルについて知識が付きます。

そもそもOSI参照モデルとは?

ネットワークのレイヤーを語る上で、OSI参照モデルは外せません。
OSI参照モデルとは、コンピュータの通信機能を階層構造に分割したモデルのことです。
国際標準化機構(ISO)によって制定され、7つの階層で定義されています。

OSI参照モデルの上位層は、下位層に対して抽象化されています。
ネットワークを扱う上で、よく出てくるIPアドレスやMACアドレス、TCPポートなどがOSI参照モデルのどの階層で扱うものであるかを理解することが重要です。
各階層でどのようなことを行っているかを理解できれば、ネットワークが繋がる理由が理解できることに繋がります。
ネットワークがどのように繋がっているのかが理解できれば、ネットワークの接続問題も即座に解決できるようになりますよ。

ネットワークのレイヤーによる違い

OSI参照モデルは7階層で定義されていて、それぞれ次の表の通りとなります。

階層(レイヤー) 階層名 具体的な内容
7 アプリケーション層 ファイルやメール転送などの具体的な通信サービス(HTTPやFTP、SMTPなど)
6 プレゼンテーション層 ASCIIコードなどを変換するといったデータの表現方法
5 セッション層 通信が途切れた場合の回復を試みたり、通信の開始から終了までの手順を定義
4 トランスポート層 エラーや再送制御などのネットワークの通信管理
3 ネットワーク層 ネットワークのデータ中継、通信経路の選択
2 データリンク層 直接的に接続されたネットワーク機器間の信号の処理
1 物理層 LANケーブルやコネクタなどの物理的な接続

覚え方は7階層から順に、頭文字を取って「アプセトネデブ」と呪文のように覚えます。 OSI参照モデルは、IT技術者が取得するべき資格である、情報処理推進機構(IPA)の「基本情報技術者試験」や「応用技術者試験」でもよく出てきます。

それだけネットワークの基本を理解するために、重要な要素であることが分かりますね。

特に覚えておくべきレイヤー4までをさらに解説

ネットワークについて知識をつけるためには、OSI参照モデルの1~4階層までを特に覚えて置かなければなりません。
1~4階層について、もう少し掘り下げて解説します。

なぜ1~4階層が重要なのか

OSI参照モデルの1~4階層までは、ネットワークの接続に関する階層です。
5階層以上は、アプリケーションの処理に関わる部分が多く、ネットワークの知識として覚えておくべきは1~4階層までとなります。

もちろん、7階層すべての知識を身に着けたほうが良いですが、まずはネットワークに注力して学習したい場合は、1~4階層までを覚えましょう。
各レイヤーの詳細について、解説していきます。

レイヤー4:トランスポート層

トランスポート層では、通信の信頼性を確保するための規定が定義されています。 TCPやUDPといった通信プロトコルを使用します。
通信プロトコルは、通信を行う際の決まり事であり、お互いにコミュニケーションをとるために必要です。

たとえば、あなたのパソコンが日本語で会話しようとしているのに、相手が英語で会話しようとしたらコミュニケーションが取れませんよね?
そのようなことが起こらないように、通信の決まりごとを定めています。

TCPは通信の信頼性を高めるためのプロトコルで、送ったデータが相手に届いたかどうかを確認しながら通信を行います。
データを送るたびに確認をするため、通信のスピードは遅くなります。

UDPはTCPと違って、相手にデータが届いたかどうかを確認説ずに通信するためのプロトコルです。
TCPと比べてデータの信頼性は落ちますが、通信のスピードは早くなります。

トランスポート層では、通信の信頼性に関するTCPとUDPというプロトコルを使用する、ということを覚えておきましょう。

レイヤー3:ネットワーク層

ネットワーク層では、ネットワーク間の端から端まで通信を行うための規定が定義されています。
通信を行いたい機器同士で、IPアドレスを使ってルーターなどのルーティングができる機器によって通信を確保します。

ネットワーク層は、ネットワークを理解する上で最も重要な部分です。
IPアドレスを用いてどのような経路で相手にデータを届けるのか、といった規定に基づき、さまざまなルーティング技術が用いられます。

たとえば、宛先IPアドレスに対して、次のルーターが決められていない時に使用するデフォルトゲートウェイや、ルーターの冗長化技術であるVRRPなどもネットワーク層で用いられます。
ほかにも、MACアドレスとIPアドレスを紐付けるARPやRARPもネットワーク層で用いられますね。

ルーティングに関わる技術は、幅広く奥が深いため、ここでは最小限の説明にとどめますが、ネットワークのルーティングに関する技術は、ネットワーク層で用いられるということを覚えておきましょう。

レイヤー2:データリンク層

データリンク層では、隣接する機器間の信号の処理に関する規定が定義されています。 ネットワーク層でのルーティングは、隣接していない機器へデータを届けるためのものでしたが、データリンク層では、物理的に直接接続されている機器同士の通信信号を処理します。

直接接続されている機器同士と言っても、パソコン同士を直接接続することはほとんどありません。
スイッチやハブを介して、直接通信を行うことが一般的です。
スイッチやハブでは、MACアドレスを用いて直接接続された機器を判別しています。 MACアドレスは機器固有の認識番号であり、スイッチやハブはMACアドレスを元に接続されたLANポートへ通信を流します。

ネットワークを擬似的なネットワークに分割するVLAN技術も、データリンク層で用いられます。

レイヤー1:物理層

物理層ではその名の通り、物理的な接続に関する規定が定義されています。 伝送媒体(LANケーブルや光ケーブル)で、ビット転送を行うために物理的な接続を確立します。
パソコンは0と1のデータの羅列によって通信を行っています。0と1のデータの羅列をビット列と呼び、ビット列を電気信号に変えて通信することがビット転送です。

LANポートやLANケーブルには種類があることを知っていますか?
たとえば、パソコンのLANポートとスイッチやハブのLANポートは、見た目は同じ作りに見えますが、実は少し違います。
お互いに接続されることを想定しているため、LANポートの中身(ピン配列)はパソコンとスイッチやハブでは異なるのです。
LANケーブルは8本の銅線から構成されていて、1本ずつ役割があるため、通信の送信側と受信側でLANポートの中身(ピン配列)は、通信ができるように一致しなければなりません。

LANケーブルもそのような前提のもとに作られていて、通常のLANケーブルのことをストレートケーブルと呼びます。
パソコン同士を接続するばあいは、LANポートの中身(ピン配列)は同じであるため、ケーブルの中身を反対にすることで対応しています。

ケーブルの中身が反対になっているケーブルのことを、クロスケーブルと呼びます。
現在では、通信を受けたLANポート側で自動的に判別できるようになっているため、どのような場面でもストレートケーブルで通信できることが多いです。

ただし、厳密にはそのような違いがあるということは知っておきましょう。

ネットワークが繋がらないときの対応方法

ネットワークを構築したあとに、うまく接続できないことはよくあります。 ネットワークが接続できないときは、OSI参照モデルの階層から確認することが大切です。

OSI参照モデルの上位層は、階層に対して抽象化されたものであるため、階層で問題があれば接続ができないからですね。
たとえば、IPアドレスを設定しているのに通信ができない、と思っていたらスイッチのケーブルが抜けたいたということはよくあります。
5階層以上で問題がある場合は、ネットワークの問題ではなく、アプリケーション側の問題であるため、ここでは1~4階層までの確認方法を紹介します。

OSI参照モデルの1~4階層までで、確認すべきことを簡単に次の表にまとめました。

確認順序 階層(レイヤー) 確認事項
1 物理層 ・スイッチ、ハブの電源は入っているか
・LANケーブルは接続できているか
・ループ構成になっていないか
2 データリンク層 ・VLANが設定されていないか
・誤ったVLANに接続していないか
・スイッチやハブにMACアドレスを静的に設定していないか
3 ネットワーク層 ・IPアドレスに誤りはないか
・ルーティング設定に誤りはないか
・デフォルトゲートウェイは設定されているか
4 トランスポート層 ・TCPとUDPを間違えていないか
・ポート番号に誤りは無いか

まとめ:ネットワークのレイヤー4までを確実に覚えること

ネットワークのレイヤーとは、OSI参照モデルに定義されている階層モデルのことでした。 OSI参照モデルは7階層までありますが、ネットワークに特化して学習する場合は、1~4階層までを覚えましょう。

1~4階層までで、具体的にどのようなことが行われているのかを理解できれば、ネットワークの仕組みを理解できます。
ネットワークが繋がらないときには、下位層から順番に確認することで、問題解決しやすくなります。

この記事を参考に、OSI参照モデルについて学習して、ネットワークに詳しくなりましょう。

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