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 デジタル概論 ネットワーク 基本編1 通信プロトコル 0から楽しむパソコン講座

通信プロトコルについて
 インターネットなどの通信には、接続される機器が違っていても通信できるように一定の決まりである「プロトコル」が使用されています。
このプロトコルは実は複数の階層から成り、その階層によってさまざまな役割があります。
ここでは通信プロトコルについて説明します。

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【豆知識】
NECのパソコンには幻の名機があった?

NECの初期のパソコンは「PC-88シリーズ」や「PC-98」シリーズが有名ですが、それ以前に「PC-100」というパソコンが存在していました。このPC-100は非常に高価で受注生産の製品でした。このPC-100、当時は非常にグラフィック性能がすばらしく、ディスプレイも縦・横両方に対応していました。また当時のOS「MS-DOS」をマウスで操作するといった斬新な機能があり、Microsoft はこれを見て本気でWindowsの開発に取り掛かったと言われています。しかし、あまりにも高すぎたの普及台数が少なく、「幻の名機」となってしまいました。
NEC PC-100【0から楽しむパソコン講座】
▲NEC PC-100

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1.ネットワークと通信プロトコル

通信プロトコルは通信の形態を統一しますネットワークと通信プロトコルの章イメージ 【0から楽しむパソコン講座】  初期のネットワークは同じコンピュータ同士で通信を行っていました。通信の方法も統一した規格がなく、独自の通信体系をとっていました。これは、コンピュータそのものがとても高価で専門分野でしか使われていなかったため、別のコンピュータと接続するといったことはほぼありませんでした、
その後、時代と共にコンピュータが普及し値段も低価格となったため、それに伴い、ネットワークの構築も盛んに行われるようになります。しかし、使用するコンピュータの機種も違ったり、OSも違ったりしており、各メーカーが独自の通信体系を取っていました。しかし形態が違うため、さまざまな問題が発生し、この問題を克服するため、世界で統一した方法を策定されました。それが現在使用している通信プロトコルです。
通信プロトコルが最初に使用されたのは、1968年に稼動を開始したARPANET(アーパネット)です。その後、ISO(国際標準化機構)が「OSI参照モデル」と呼ばれる通信プロトコルを1977年から策定案を作成開始し、その後何度か改良が加えられ1984年に完成しました。
しかし、現在の通信はこの「OSI参照モデル」は使用しておらず、TCP/IPを使用しており、OSI参照モデルはひとつの「通信プロトコルの基礎」として提唱されています。
プロトコルは「通信の伝送路の物理条件」、「伝達方法」、「相手側の特定」、「情報表現のルール」の4つの基本要素で成り立っており、各階層ごとに定義されています。

2.OSI参照モデル

OSI参照モデルは通信プロトコルの基礎です。OSI参照モデルの章イメージ【0から楽しむパソコン講座】 下位階層(第1層)から上位階層(第7層)まで7層に分けられており、その目的によってそのプロトコルが取り決められています。

このOSI参照モデルの各階層のプルトコルは次の通りとなります。





OSI 物理層(PHY) 第1層

第1層(最下位層)は物理層のプロトコルです。その名の通り、どんな回線やハードを使用して通信を行うかということです。この物理層ではコンピュータ内部のデジタル信号、ビットの0と1をアナログの電気信号に変換して伝送を行います。受信側はこのアナログ信号をデジタル信号に変換してコンピュータ内部に取り込みます。

物理層はISDN、RCR STD-28 (PHS)、10Base-T、100BASE-TX、1000BASE-T、PDH、T-carrier (ISDNの多重化)、RS-232C、EIA-574、SDH、SONET、RS-232 ・ RS-422 (EIA-422, TIA-422) ・ 電話線・UTP ・ ハブ ・ リピータ ・ 無線 ・ 光ケーブルなどの接続となっているハード(線)がこれにあたります。
OSI参照モデル 物理層【0から楽しむパソコン講座】
▲OSI参照モデル 物理層

OSI データリンク層 第2層

第2層はデータリンク層のプロトコルです。ケーブルで接続されているネットワーク上でデータ伝送を正確に行う層になります。第1層の物理層は単にデジタル信号をアナログ信号に変換するのに対し、第2層ではデータ伝送の相手を判断します。判するのに使用されるがハードの固有番号である「MACアドレス」を使用します。また、送受信においては、エラーなどの検出を行います。

イーサネット ・ トークンリング ・ アークネット ・ PPP ・ フレームリレーなどがこれに当たります。
OSI参照モデル データリンク層【0から楽しむパソコン講座】
▲OSI参照モデル データリンク層


OSI ネットワーク層 第3層

第1層(最下位層)は物理層のプロトコルです。その名の通り、どんな回線やハードを使用して通信を行うかということです。この物理層ではコンピュータ内部のデジタル信号、ビットの0と1をアナログの電気信号に変換して伝送を行います。受信側はこのアナログ信号をデジタル信号に変換してコンピュータ内部に取り込みます。

物理層はISDN、RCR STD-28 (PHS)、10Base-T、100BASE-TX、1000BASE-T、PDH、T-carrier (ISDNの多重化)、RS-232C、EIA-574、SDH、SONET、RS-232 ・ RS-422 (EIA-422, TIA-422) ・ 電話線・UTP ・ ハブ ・ リピータ ・ 無線 ・ 光ケーブルなどの接続となっているハード(線)がこれにあたります。
OSI参照モデル ネットワーク層【0から楽しむパソコン講座】
▲OSI参照モデル ネットワーク層

OSI トランスポート層 第4層

第4層はデータの伝送における信頼性を保つために、コネクションの確立やエラー制御、フロー制御、順序制御などを行い、データ伝送の信頼性を提供します。送信元から伝送されたデータがきちんと正しく送信先まで届けられるようにします。また、アプリケーションが使用するポート番号の割り当てなども規定します。


TCP ・ UDP ・ SCTP ・ SPX ・ NetBEUI ・ RTMP ・ AURP ・ NBP ・ ATP ・ AEPなどがこれに当たります。
OSI参照モデル トランスポート層【0から楽しむパソコン講座】
▲OSI参照モデル トランスポート層


OSI セッション層 第5層

第5層はセッション層のプロトコルです。セッション層のプロトコルでは通信の開始から終了までの手順を決めるプロトコルです。

この層のプルトコルの取り決めによって、各違うアプリケーション同士の通信であっても、きちんと通信が出来るように規定し、アプリケーションから送られる論理的な経路を確立してからデータの送受信を行います。そのため、一つの端末から同時にデータを送受信しないように制御しています。
TLS ・ NetBIOS ・ NWLink ・ DSI ・ ADSP ・ ZIP ・ ASP ・ PAP ・ 名前付きパイプなどがあります。
OSI参照モデル セッション層【0から楽しむパソコン講座】
▲OSI参照モデル セッション層


OSI プレゼンテーション層 第6層

第6層はプレゼンテーション層です。ここでは通信をするに当たり、各個別のデータ(バイナリ形式)や圧縮形式を通信できるようにデータ変換・復元を行う層です。

各違うOS、アプリケーションで同じデータをやりとりする場合、当然バイナリ形式はサーバーの中では違ってきます。

そこで通信する際、1つの取り決めを設けてデータを変換してしまえば、受ける側もその取り決めを元に復元して、自分のデータ形式にすることができます。

このプロトコルによってたとえばYouTubeなどの動画をWindowsでもMacでも同じ動画が見られるわけです。

SMTP ・ SNMP ・ FTP ・ Telnet ・ AFPなどがあります。
OSI参照モデル プレゼンテーション層【0から楽しむパソコン講座】
▲OSI参照モデル プレゼンテーション層

OSI アプリケーション層 第7層

第7層はアプリケーション層です。ここはパソコンやサーバー内のアプリケーションが使用するユーザーに提供するプルトコルです。つまり、アプリケーションに対して、ネットワークサービスを提供する層よなります。電子メールや時刻同期・Webなどアプリケーションによって使用するプロトコルが決められます。
OSI参照モデル アプリケーション層【0から楽しむパソコン講座】
▲OSI参照モデル アプリケーション層


3.プロトコル2(TCP/IPモデル)

TCP/IPモデルは現在使用されているプロトコルです。プロトコルTCP/IPの章イメージ【0から楽しむパソコン講座】一方TCP/IPモデルは4つの階層からなります。
なぜ、OSI参照モデルと違うのか?
OSI参照モデルは実装を考慮せず、学者などで机上の論理だけで決められた規格であり、その当時の政治的な混乱や駆け引き、また実装するにあたってさまざまや制約により高コストになるなどの理由によりあまり普及しませんでした。

一方、TCP/IPモデルはARPAnet から発展したプロトコルで、BSDというOSの時代に通信において実装し、それに伴いOSI参照モデルとは違う緩やかな規格とインターネットの発達に伴い、今日ではネット通信では基本のプルトコルとなりました。

今はOSI参照モデルの層を基本としたプルトコルとして使用されています。

TCP/IPの階層は次の通りとなります。


TCP/IP ネットワークインタフェース層 第1層


第1層はネットワークインタフェース層です。OSI参照モデルでは第2層のデータリンク層のところになり、同じように接続サービスの体系を制御します。

ここではIPアドレスではなくMACアドレス(物理アドレス:LANカード等のROMに焼きこまれている認識番号)を使用します。

ARP/InARP ・ NDP ・ OSPF ・ トンネリング (L2TP) ・ PPP ・ MAC (イーサネット, IEEE 802.11, DSL, ISDN, FDDI) などがあります。
TCP/IP ネットワークインターフェース層【0から楽しむパソコン講座】
▲TCP/IP ネットワークインターフェース層


TCP/IP インターネット層 第2層


第2層はインターネット層です。OSI参照モデルではネットワーク層のところになります。TCP/IPではデータの伝送の経路の確保やIPアドレスの割り当てなどを行います。

IP (IPv4, IPv6) ・ ICMP ・ ICMPv6 ・ IGMP ・ IPsecなどがあります。
TCP/IP インターネット層【0から楽しむパソコン講座】
▲TCP/IP インターネット層

TCP/IP トランスポート層 第3層


第3層はトランスポート層です。OSI参照モデルのトランスポート層のところになります。OSI参照モデルと同様にデータの転送を制御しますが、TCP/IPではTCPとUDPというプロトコルを使用して制御します。



TCP ・ UDP ・ DCCP ・ SCTP ・ RSVP ・ ECNなどがあります。
TCP/IP トランスポート層【0から楽しむパソコン講座】 
▲TCP/IP トランスポート層

TCP/IP アプリケーション層 第4層

 第4層はアプリケーション層です。OSI参照モデルでは第5層のセッション層、第6層のプレゼンテーション層、第7層のアプリケーション層のところになります。

OSIの第5層から第7層までを一緒にしたことにより、個々のソフトウェアの自由度が高くなりました。また、ルーティングで使用されるプロトコルもここの層に属します。

BGP ・ DHCP ・ DNS ・ FTP ・ HTTP ・ IMAP ・ IRC ・ LDAP ・ MGCP ・ NNTP ・ NTP ・ POP ・ RIP ・ RPC ・ RTP ・ SIP ・ SMTP ・ SNMP ・ SSH ・ Telnet ・ TFTP ・ TLS/SSL ・ XMPPなどがあります。

TCP/IPプロトコルで物理層のプロトコルがないのは、TCP/IPプロトコルでは物理的な制限を受けなく、ソフトウェア等のレベルで動作することができるからです。

TCP/IP アプリケーション層【0から楽しむパソコン講座】
▲TCP/IP アプリケーション層