ネットワークの基礎｜OSI参照モデルとTCP/IPをわかりやすく解説

インフラエンジニアを目指して勉強を始めると、最初にぶつかる壁が「OSI参照モデル」や「TCP/IP」といったネットワークの専門用語です。参考書を開いても抽象的な説明が続き、何のために覚えるのかわからないまま挫折してしまう方も少なくありません。

しかし、これらはインフラエンジニアにとってあらゆる仕事の土台になる考え方です。ネットワークの仕組みを層に分けて理解しておくと、障害の原因を切り分けたり、設計の意図を読み取ったりする場面で大きな武器になります。

この記事では、未経験の方でもイメージしやすいように、ネットワークとプロトコルの基本から、OSI参照モデル、TCP/IP、IPアドレス、TCPとUDPの違い、そしてWebページが表示されるまでの流れまでを順番に解説します。最後に、実務や面接でこの知識がどう役立つのかも紹介します。

ネットワークとプロトコルとは

ネットワークとは、パソコンやサーバー、スマートフォンなどの機器を線や電波でつなぎ、データをやり取りできるようにした仕組みのことです。社内のLANから世界中をつなぐインターネットまで、規模は違っても基本的な考え方は同じです。

機器同士が正しく通信するためには、データの形式や送り方について共通のルールが必要です。この通信のルールをプロトコルと呼びます。人間同士の会話に例えると、同じ言語を使い、相手の話が終わってから話し始めるといった約束事にあたります。

ネットワークには、電気信号の送り方から宛先の決め方、Webページのやり取りまで、さまざまなプロトコルが存在します。これらを役割ごとに整理したものが、次に紹介するOSI参照モデルとTCP/IPモデルです。

OSI参照モデルの7階層

OSI参照モデルは、国際標準化機構（ISO）が定めた、通信の機能を7つの層に分けて整理したモデルです。実際の製品がこのモデル通りに作られているわけではありませんが、通信を考えるときの共通の物差しとして、現場でも「L2スイッチ」「L3の問題」のように日常的に使われています。

送信側では上の層から下の層へ順にデータが渡され、各層で必要な制御情報（ヘッダ）が付け加えられます。これをカプセル化と呼びます。受信側では逆に下の層から順にヘッダを取り外し、最終的にアプリケーションへデータが届きます。

TCP/IPモデルとOSI参照モデルの対応

実際のインターネットで使われているのは、TCP/IPと呼ばれるプロトコル群です。TCP/IPモデルは通信を4つの層で整理しており、OSI参照モデルよりも実装に即した考え方になっています。

OSI参照モデルは理解や会話のための共通言語、TCP/IPモデルは実際に動いている仕組みと考えると整理しやすくなります。両方の対応関係をセットで覚えておくと、資料やエンジニア同士の会話がぐっと理解しやすくなります。

IPアドレスとサブネットマスクの基本

IPアドレスはネットワーク上の住所

IPアドレスは、ネットワーク上の機器を識別するための番号で、郵便の住所のような役割を持っています。現在広く使われているIPv4では、32ビットの数値を8ビットずつ4つに区切り、「192.168.1.10」のように0〜255の10進数で表記します。

サブネットマスクでネットワーク部とホスト部を分ける

IPアドレスは、どのネットワークに属するかを表すネットワーク部と、そのネットワーク内の個々の機器を表すホスト部に分かれています。その境目を示すのがサブネットマスクです。例として「192.168.1.10/24」を見てみましょう。

IPアドレス　　　：192.168.1.10
サブネットマスク：255.255.255.0（/24）
ネットワークアドレス：192.168.1.0
ブロードキャストアドレス：192.168.1.255
機器に割り当て可能な範囲：192.168.1.1〜192.168.1.254（254台）

「/24」は先頭の24ビットがネットワーク部であることを示し、サブネットマスクでは255.255.255.0と表します。残りの8ビットがホスト部で、256通りのうち、すべて0のネットワークアドレスとすべて1のブロードキャストアドレスを除いた254個が機器に割り当てられます。同じネットワーク部を持つ機器同士は直接通信でき、異なるネットワークへ通信するときはルーター（デフォルトゲートウェイ）を経由します。

TCPとUDPの違い

トランスポート層の代表的なプロトコルがTCPとUDPです。どちらもポート番号を使って通信相手のアプリケーションを識別しますが、性格が大きく異なります。

TCPは確実に届けることを重視し、UDPは速さとリアルタイム性を重視します。データが欠けると困る通信にはTCP、多少欠けても遅れないことが大切な通信にはUDPが向いています。

Webページが表示されるまでの流れ

ここまでの知識を使って、ブラウザにURLを入力してからWebページが表示されるまでの流れを追ってみましょう。

1. DNSによる名前解決：ブラウザは「www.example.com」のようなドメイン名に対応するIPアドレスを、DNSサーバーに問い合わせて取得します。この問い合わせには主にUDPの53番ポートが使われます。
2. TCPの3ウェイハンドシェイク：取得したIPアドレスのWebサーバーに対して、SYN、SYN/ACK、ACKの3回のやり取りでTCPの接続を確立します。HTTPSの場合は通常443番ポートを使います。
3. TLSハンドシェイク：HTTPSでは、サーバー証明書の確認や暗号化の方式・鍵の取り決めを行い、安全な通信路を用意します。
4. HTTPリクエストとレスポンス：ブラウザがページを要求し、サーバーがHTMLや画像などのデータを返します。ブラウザはそれを解釈して画面に表示します。

このように、たった一度のページ表示の裏側でも複数の層のプロトコルが連携して動いています。なお、新しいHTTP/3ではUDPを使うQUICという仕組みが採用されていますが、まずは上記の基本的な流れを押さえておけば十分です。

インフラエンジニアの実務や面接でどう役立つか

障害対応での切り分け

「Webサイトにつながらない」という問い合わせを受けたとき、インフラエンジニアは層ごとに原因を切り分けていきます。LANケーブルやリンクランプを確認するのは物理層、pingで相手に届くかを調べるのはネットワーク層、ポートが開いているかを確認するのはトランスポート層、といった具合です。

• ping：ICMPを使って相手の機器まで通信が届くか、応答時間はどうかを確認します。
• traceroute（Windowsではtracert）：宛先までにどのルーターを経由しているかを調べ、どこで通信が止まっているかを見つけます。
• nslookupやdig：DNSで名前解決が正しく行われているかを確認します。
• ipconfigやip addr：自分の機器のIPアドレスやサブネットマスクの設定を確認します。

このように下の層から順番に確認する習慣があると、闇雲に設定を触ることなく、効率的に原因へたどり着けます。

面接やCCNAの学習で問われるポイント

未経験からインフラエンジニアを目指す場合、面接でOSI参照モデルやTCPとUDPの違いについて質問されることがあります。丸暗記よりも、自分の言葉で具体例を交えて説明できることが大切です。また、ネットワーク系の代表的な資格であるCCNAでも、これらは出題範囲の土台となる内容です。この記事の内容を理解しておけば、資格学習もスムーズに進められるでしょう。

まとめ

ネットワークは、プロトコルと呼ばれるルールによって成り立っています。OSI参照モデルは通信を7つの層に分けて考えるための共通言語で、TCP/IPモデルは実際のインターネットで使われている4層の仕組みです。

あわせて、IPアドレスとサブネットマスクの考え方、TCPとUDPの使い分け、Webページ表示の流れを理解しておくと、障害対応や設計の現場でも、面接や資格学習でも役立つ確かな基礎力になります。まずは身近なパソコンでpingやipconfigを実行し、学んだ内容を実際に確かめてみてください。

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