ネットワークの全体像を一気に読む

ネットワークとは、2台以上のコンピュータをつないでデータをやりとりする仕組みのことです。 ただし「つなぐ」と一口に言っても、やることは山ほどあります。 電気信号やWi-Fiの電波をどう表すか。同じ部屋の機器をどう見分けるか。 地球の裏側の相手までどう道を選ぶか。届かなかったデータをどう送り直すか——。

これを1つのプログラムで全部やろうとすると、 「無線に変えたらアプリも作り直し」という悲惨なことになります。 そこで役割ごとに仕事を分け、下の層は上の層に自分の中身を見せず、決められた形でだけ受け渡すように決めました。 これが階層化（レイヤリング）です。

階層化のうれしさは3つ

「なぜ分けるのか」をもう少し丁寧に、実際の切り分け例つきで読みたい場合は1-1 ネットワークとは・なぜ階層に分けるのかを見てください。

OSI参照モデル（Open Systems Interconnection）は、ISO（国際標準化機構）が定めた通信機能を7つの層に整理したモデルです。 実際の製品がこの通りに作られているわけではありませんが、 「それはL2の問題？ L3の問題？」と話を通じさせるための共通語として、現場でも試験でも今なお使われます。

下の層ほど「物理に近い」層です。各層を押すと、右（スマホでは下）に詳しい説明が出ます。

OSIが「理解のための理論モデル」だとすると、TCP/IPは実際に動いている実装です。 いま私たちが使っているインターネットは、ほぼすべてTCP/IPで動いています。 こちらは4階層で、OSIの隣り合う層をまとめた形になっています。

送信側ではデータが上の層から下の層へ渡され、各層で必要な情報（ヘッダ）が前に付け足されます。 これをカプセル化といいます。受信側では逆に、下から上へ渡しながらヘッダを1枚ずつはがしていきます（非カプセル化）。 下のボタンで、ブラウザが送った「GET /index.html」が電気信号になるまでを1段ずつ見てみましょう。

IPアドレスは、ネットワーク上の機器を識別する番号です。IPv4では32ビット（0と1が32個）で、 人間が読みやすいよう8ビットずつ4つに区切り、10進数にして「.」でつないで書きます。 8ビットで表せるのは0〜255なので、192.168.10.25 のような形になります。

IPアドレスは「ネットワーク部」と「ホスト部」でできている

住所が「東京都千代田区」＋「1-2-3」に分かれるように、IPアドレスもどのネットワークか（ネットワーク部）とその中の何番目の機器か（ホスト部）に分かれます。 どこまでがネットワーク部かを示すのがサブネットマスクで、255.255.255.0 や /24（CIDR表記）と書きます。 32ビットの区切り方やクラスの歴史まで詳しくは2-2 IPアドレスの構造 ― 32ビットをどう読むかで扱っています。

プライベートIPアドレスとNAT

IPv4は約43億個しかなく、世界中の機器に配るには足りません。そこで家庭や社内では 自由に使ってよいプライベートIPアドレス（RFC 1918）を使い、インターネットに出るときだけ ルータがグローバルIPアドレスに変換します。この変換がNAT / NAPTです。 自宅PCが 192.168.x.x なのはこのためです。

NATとNAPTの違いや、外部から自宅サーバに接続できない理由（ポート開放）は2-4 プライベートIPアドレスとNATで扱っています。

特別な意味を持つアドレス

次の2つはプライベートIPアドレスとは別枠で予約された、特別な用途のアドレスです。

IPv6という続き

枯渇に対する本命の答えがIPv6です。128ビットに拡張され、 16進数を「:」で区切って 2001:0db8:85a3::8a2e:0370:7334 のように書きます。 連続する0のかたまりは :: で1回だけ省略できます（1つのアドレスで1回まで）。 表記の細かいルールは2-2 IPアドレスの構造の後半で扱っています。

ネットワークを小さく区切ることをサブネット化といいます。 部署ごとに分けて無駄な通信を減らしたり、届く範囲を限定してセキュリティを上げたりするために行います。/24 を4つに分けると、こうなります。

計算のルールは3つだけ

1. ホスト部のビット数＝ 32 − プレフィックス長。
2. アドレス総数＝ 2^{（ホスト部のビット数）}。
3. 割り当て可能なホスト数＝ アドレス総数 − 2（先頭のネットワークアドレスと末尾のブロードキャストアドレスを除く）。

以下にIPアドレスとプレフィックス長を入れると、そのネットワークの範囲が出ます。数字を変えて試してください。

3ステップの詳しい手順、2進数でのAND演算、/31・/32という例外まで踏み込んだ解説は2-3 サブネットマスクの計算のやり方にあります。 計算だけを何度も試したい場合はサブネット計算機（単独ページ）も使えます。

IPは「とりあえず宛先に向けて投げる」だけで、届いたかどうかは保証しません（ベストエフォート）。 その上で確実に届ける責任を引き受けるのがTCP、保証を捨てて軽さを取るのがUDPです。 どちらを使うかはアプリケーションが選びます。

3ウェイハンドシェイク ― TCPが通信を始める3往復目までの合図

TCPはデータを送る前に、3回のやりとりでお互いの準備を確認します。 SYN（つなぎたい）、SYN+ACK（いいよ、こちらもつなぎたい）、ACK（了解）の3段階です。

シーケンス番号とACK番号が何を数えているか、ACKが返らないときの再送のしくみまでは4-2 3ウェイハンドシェイクと再送制御で扱っています。 「なぜこの2択になるのか」という判断基準から知りたい場合は4-1 TCPとUDPの違いを先に読んでください。

ポート番号 ― 「どのアプリ宛か」を示す部屋番号

IPアドレスが建物の住所なら、ポート番号は部屋番号です。 1台のサーバでWebもメールも動かせるのは、届いたデータをポート番号でアプリに振り分けているからです。 0〜65535の範囲があり、0〜1023はウェルノウンポートとして用途が決まっています。

3つの区分の詳細や、送信元ポートがどう決まるかは4-3 ポート番号とはで扱っています。

ここまでの層が全部登場します。自分のPC（192.168.10.25/24）からhttps://example.com/ を開く場面を例に、要点だけ順番に追いましょう。

1. 1

   名前をIPアドレスに変換するDNS / L7

   まずDNSサーバに「example.com のIPは？」と尋ね、203.0.113.50 のような答えをもらいます。

2. 2

   相手が自分のネットワークの内か外かを判定するL3

   自分のIPとサブネットマスクから、宛先が同一ネットワークかを計算します。外ならデフォルトゲートウェイに預けます。

3. 3

   次に渡す相手のMACアドレスを調べるARP / L2

   ARPで尋ねるのは、最終的な宛先ではなく同じネットワーク内にいるゲートウェイのMACアドレスです。

4. 4

   カプセル化してルータを経由するL4〜L2

   TCP→IP→Ethernetの順に包んで送り出します。宛先IPは変わりませんが、宛先MACはルータを1つ越えるたびに書き換わります。

5. 5

   TCPコネクションを確立するTCP / L4

   サーバの443番ポートへ3ウェイハンドシェイク。ここで通信路が「開通」します。

6. 6

   TLSで暗号化の準備をするTLS / L6相当

   サーバ証明書を検証して相手が本物か確かめ、共通鍵を安全に共有します。HTTPSの「S」はこの部分です。

7. 7

   HTTPリクエストを送り、レスポンスを受け取るHTTP / L7

   GET / HTTP/1.1 を送ると、サーバは 200 OK とHTMLを返し、画面が表示されます。

ここで挙げた各段階のもっと詳しい説明（ARPとゲートウェイの関係、ルーティングの最長一致、NATでの書き換えなど）は3-1・3-2・3-3・2-4・5-3にあります。 全19回すべてがどう1本につながるかを、この例と同じ形でもっと丁寧にたどった総合回が5-4 Webページが表示されるまで（総合）です。

機器の違いは見た目ではなく「何を見て転送先を決めるか」で決まります。層と結びつけて覚えるのが近道です。

MACアドレステーブルの学習のしかたや、コリジョンドメイン・ブロードキャストドメインの違いまで踏み込んだ解説は3-4 ハブ・スイッチ・ルータの違いで扱っています。

読むより打つほうが早く身につきます。ターミナル（Windowsはコマンドプロンプト）で試してください。

$ ping -c 3 8.8.8.8
64 bytes from 8.8.8.8: icmp_seq=0 ttl=116 time=11.8 ms
64 bytes from 8.8.8.8: icmp_seq=1 ttl=116 time=12.3 ms
--- 8.8.8.8 ping statistics ---
3 packets transmitted, 3 received, 0.0% packet loss

# Windows は -c 3 の代わりに -n 3 を使います。

$ ip addr        # Linux
$ ifconfig       # macOS
> ipconfig /all  # Windows

IPv4 アドレス . . . . . : 192.168.10.25
サブネット マスク . . . : 255.255.255.0
デフォルト ゲートウェイ : 192.168.10.1

# 169.254 で始まっていたらDHCPに失敗しています。

$ arp -a
? (192.168.10.1) at ac:de:48:aa:bb:cc [ether] on eth0
? (192.168.10.30) at ac:de:48:dd:ee:ff [ether] on eth0

$ traceroute 8.8.8.8
 1  192.168.10.1     1.2 ms     ← 自宅ルータ
 2  198.51.100.9     8.4 ms     ← プロバイダ
 3  * * *                       ← 応答を返さない機器
 4  8.8.8.8         14.0 ms     ← 目的地

# TTLを1, 2, 3…と増やしながら送り、各ルータの応答から経路を割り出しています。

$ nslookup example.com
Server:   192.168.10.1
Name:     example.com
Address:  203.0.113.50

# pingが通らないとき、まずここが動くかを見ます。

今のPCがどの状態にあるかを、順番に確認していくとこうなります。

デフォルトゲートウェイやルーティングテーブルをコマンドで確認する詳しい手順は3-1・3-3にあります。

選んでから「採点する」を押すと、解説つきで答え合わせができます。

プロトコルprotocol

通信の手順と形式の取り決め。同じものを使う者同士でないと会話が成立しません。

パケットpacket

分割して送られるデータの一塊。第3層でのデータの呼び名でもあります。

LAN / WANLAN / WAN

建物内など狭い範囲のネットワークがLAN、それらを結ぶ広域のネットワークがWAN。

デフォルトゲートウェイdefault gateway

宛先が自ネットワーク外だったときに転送を任せる出口。家庭ではルータがこれにあたります。

DHCPdhcp

IPアドレス・サブネットマスク・ゲートウェイ・DNSサーバを自動で配る仕組み。

DNSdns

ドメイン名とIPアドレスを対応づける分散データベース。インターネットの電話帳。

ARParp

IPアドレスからMACアドレスを問い合わせる、第2層のための補助プロトコル。

ICMPicmp

到達確認やエラー通知を運ぶプロトコル。pingやtracerouteが使います。

NAT / NAPTnat

プライベートIPとグローバルIPを変換する機能。NAPTはポート番号も併用し、複数台で1つのグローバルIPを共有します。

MTUmtu

1つのフレームで送れる最大データ量。Ethernetでは通常1500バイトで、超える分は分割されます。

TLStls

通信を暗号化し、相手が本物かを証明書で確かめる仕組み。HTTPSの土台。

最長一致longest match

ルーティングテーブルで複数の経路が当てはまるとき、プレフィックス長が最も長い行を選ぶルール。

このページは要点だけをつないだ参照ページです。腰を据えて1つずつ、練習問題つきで学びたい場合はコース「はじめて学ぶ」（全19回）を最初から順番に読むことをおすすめします。 計算だけを何度も試したいときはサブネット計算機が単独ページで動きます。