Webページが表示されるまでの流れ

https://example.com/ のようなURLをブラウザに入力してからページが表示されるまでには、DNS・ARP・カプセル化・NAT・ルーティング・TCP・TLS・HTTPが決まった順番で働いています。

入門コースのまとめとして、これまでの18本の記事の内容が、どの段階でどう働いているかを確認します。各段階には、その仕組みを説明した記事へのリンクを置いています。

自分のPCから https://example.com/ を開く場面を例に、最初から最後まで順に説明します。PCのIPアドレスは 192.168.10.25/24 とします。

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   URLをスキーム・ホスト名・パスに分解する第7層

   ブラウザは、まずURLを3つの部分に分けます。先頭の https はスキームで、使うプロトコルを表します。続く example.com はホスト名で、接続先のサーバの名前です。最後の / はパスで、サーバの中のどのページかを表します。

   URLやドメイン名は、第7層のアプリケーション層で使います。ただし、第7層に層としてのアドレス体系があるわけではありません。実際の宛先は、この後DNSでIPアドレスに変換されて初めて決まります。

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   DNSでホスト名をIPアドレスに変える第7層

   ホスト名の example.com のままでは通信できないので、DNSでIPアドレスを調べます。

   PCがキャッシュDNSサーバに問い合わせると、キャッシュDNSサーバはルート・TLD・権威の順にDNSサーバをたどります。こうして返ってきたIPアドレスを、ここでは 203.0.113.50 とします。

宛先IPアドレスが分かると、PCはまず宛先が自分と同じネットワークか、外かを判定します。

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   宛先が同一ネットワークか判定する第3層

   PCは、自分のIPアドレスとサブネットマスクから、ネットワークアドレスを求めます。宛先にも同じマスクをかけて、2つのネットワークアドレスを比べます。

   192.168.10.25/24 と 203.0.113.50 では、ネットワークアドレスが一致しないので、宛先は外です。

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   デフォルトゲートウェイに任せる第3層

   外向けの通信は、PCが自分で届けることはできないので、デフォルトゲートウェイに中継を任せます。この例では、デフォルトゲートウェイのIPアドレスは 192.168.10.1 です。

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   ARPで次に渡す相手のMACを調べる第2〜3層

   次に渡す相手のMACアドレスは、ARPで調べます。調べるのは、最終的な宛先であるサーバではなく、同じネットワーク内にあるゲートウェイのMACアドレスです。

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   カプセル化してフレームを組み立てる第4〜2層

   送るデータを、TCPヘッダ、IPヘッダ、Ethernetヘッダの順に包んでいきます。宛先MACアドレスには、手順5で調べたものを使います。このとき、TCPヘッダには送信元ポート番号も書き込まれます。

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   自宅ルータがNATでグローバルIPに変換する第3層

   パケットは最初に、プライベート網とインターネットの境目である自宅ルータを通過します。このとき、送信元IPアドレスがグローバルIPアドレスに変換されます。家庭用ルータで使われるNAPTでは、第3層のIPアドレスだけでなく、第4層の送信元ポート番号も変換されます。

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   以降の各ルータが経路を選んで転送する第3・2層

   インターネット上の各ルータは、ルーティングテーブルを見て、変換後のパケットを次のルータへ転送します。宛先IPアドレスは、最後まで 203.0.113.50 のままです。一方、宛先MACアドレスはホップごとに書き換わります。

パケットがサーバに届いても、データのやり取りはまだ始まりません。次の3つの段階を順番に済ませる必要があります。

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   TCPの3ウェイハンドシェイクで接続を確立する第4層

   PCとサーバは、SYN、SYN+ACK、ACKの3回のやり取りをします。このやり取りで、お互いの開始番号を確認し合います。

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   TLSハンドシェイクで暗号化を確立する第6層

   PCとサーバは鍵の材料を交換し、交換した材料から共通鍵を計算します。あわせて、証明書と署名を確認します。TCPの接続が確立していなければ、この段階は始まりません。

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   HTTPでリクエストとレスポンスをやり取りする第7層

   暗号化された通信路の中で、ブラウザはGETリクエストを送ります。サーバからは、HTMLを含むレスポンスが返ってきます。レスポンスの先頭には、結果を表す3桁のステータスコードが入ります。前にこのサイトからCookieを受け取っていれば、ブラウザはそれもリクエストに付けます。その仕組みはCookieの記事で説明しています。

HTMLが届くと、ブラウザはその中身を解釈します。HTMLの中で<img>や<link>により画像・CSS・JavaScriptが指定されていれば、ブラウザはその数だけ追加のリクエストを送ります。

宛先が新しいホスト名なら、②のDNSから⑨〜⑪のTCP・TLS・HTTPまでをやり直します。宛先が同じホストなら、TCPとTLSの接続は再利用するのが基本です。HTTP/1.1では既存の接続を再利用し、HTTP/2では1本の接続にまとめてリクエストを送ります。HTTP/3では、TCPの代わりにQUICの接続を1本使います。

この場合、繰り返すのは⑪のHTTPのリクエストとレスポンスだけです。1つのページを表示するために、この往復がリソースの数だけ繰り返されます。リソースとは、HTMLや画像のように、ページの表示に必要なファイルのことです。

すべてのリソースが届くと、ブラウザは画面を組み立て、ページが表示されます。ブラウザが表示を受け持ち、サーバが処理とデータを受け持つこの分担は、クライアントサーバシステムの記事で説明する3層の形です。

複数の記事の内容にまたがる問題です。

入門コースでは、層に分ける理由とOSI参照モデルから始めて、アドレスの仕組み、データが届く仕組み、通信の制御、アプリケーション層の順に説明してきました。ここで説明した12段階の流れの中で、それらの内容はすべてつながっています。

この先に読むとよいページは、目的によって変わります。目的ごとの順番は、目的別の勉強の順番に並べています。