🌐 TCP_IP解説_Part02_インターネット通信の基盤プロトコル

2025-05-15

※「🌐 TCP_IP解説_Part01_インターネット通信の基盤プロトコル」の続きです。

🔄 TCP/IPの通信プロセス

実際のTCP/IP通信は、各層を上から下、下から上へとデータが移動することで行われます。これをカプセル化・非カプセル化と呼びます。

📦 カプセル化と非カプセル化

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💡 初学者向けポイント
カプセル化は「箱詰め」のようなものです。手紙（データ）を書いて（アプリケーション層）、封筒に入れて（トランスポート層）、宛先を書いて（インターネット層）、最後に配達用の袋に入れる（ネットワークインターフェース層）イメージです。受信側では逆の順序で「開封」していきます。

📝 具体例：ウェブページにアクセスする場合

📱 アプリケーション層: ブラウザがHTTP要求を作成
```
GET /index.html HTTP/1.1
Host: www.example.com
```

🔄 トランスポート層: TCPがポート番号を追加し、データを分割

送信元ポート: 49152（クライアント）
宛先ポート: 80（HTTP）
シーケンス番号: 1000
...

🌐 インターネット層: IPがパケットにアドレスを追加

送信元IP: 192.168.1.5（クライアントPC）
宛先IP: 93.184.216.34（www.example.com）
...

📶 ネットワークインターフェース層: イーサネットフレームにMACアドレスを追加

送信元MAC: 00:1A:2B:3C:4D:5E（クライアントPC）
宛先MAC: 00:E0:81:5C:7D:1F（ルーター）
...

📡 物理媒体: ビットがケーブルや無線で転送される
⬆️ 受信側: 上記の逆の順序でデータを処理し、最終的にWebサーバーがHTTP要求を処理し、応答を返す

🔍 TCP/IPの主要プロトコル詳細

🌐 IP（Internet Protocol）

IPは、インターネット層の中核プロトコルで、パケットの配送と経路選択を担当します。

IPv4 とIPv6

📌 IPv4: 32ビットアドレス（例：192.168.1.1）、約43億個のアドレスを提供
📌 IPv6: 128ビットアドレス（例：2001:0db8:85a3:0000:0000:8a2e:0370:7334）、ほぼ無限のアドレス空間

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IPパケットの構造

📋 ヘッダー: 送信元/宛先IPアドレス、プロトコルタイプ、TTL（Time To Live）など
📄 データ部: 上位層からのデータ（TCPセグメントやUDPデータグラムなど）

🔄 TCP（Transmission Control Protocol）

TCPは、信頼性の高い、接続型の通信を提供するトランスポート層プロトコルです。

TCPの主な特徴

🤝 接続型: 通信前に接続を確立（3ウェイハンドシェイク）
✅ 信頼性: 確認応答と再送メカニズム
🔢 順序保証: パケットの順序を保証
🚦 フロー制御: 受信側の処理能力に合わせた送信
🚧 輻輳制御: ネットワーク混雑時の送信量調整

TCPヘッダーの構造

🔢 ポート番号: 送信元と宛先のポート（各16ビット）
🔢 シーケンス番号: データの順序を管理
✅ 確認応答番号: 次に期待するバイト番号
🚩 フラグ: SYN, ACK, FIN, RSTなど
🪟 ウィンドウサイズ: フロー制御のためのバッファサイズ

🚀 UDP（User Datagram Protocol）

UDPは、シンプルで軽量な、非接続型のトランスポート層プロトコルです。

UDPの主な特徴

🔌 非接続型: 事前の接続確立なし
🏎️ 低遅延: オーバーヘッドが少なく高速
📊 信頼性なし: 配達保証、順序保証、再送なし
🎮 用途: ストリーミング、オンラインゲーム、DNS、DHCP

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📱 アプリケーション層の主要プロトコル

🌐 HTTP/HTTPS（Hyper Text Transfer Protocol）

🔧 役割: Webページやリソースの転送
🔢 ポート: HTTP:80, HTTPS:443
🔐 HTTPS: SSLまたはTLSで暗号化されたHTTP

📧 SMTP/POP3/IMAP（メールプロトコル）

📤 SMTP: メール送信プロトコル（ポート25）
📬 POP3: メール受信プロトコル（ポート110）
📨 IMAP: 高度なメール管理プロトコル（ポート143）

🔍 DNS（Domain Name System）

🔧 役割: ドメイン名をIPアドレスに変換
🔢 ポート: 53（UDP/TCP）
📋 レコードタイプ: A, AAAA, MX, CNAME, TXT, NS など

📂 FTP（File Transfer Protocol）

🔧 役割: ファイル転送
🔢 ポート: 20（データ）と21（制御）
💻 コマンド: GET, PUT, LIST, DELETE など

🛠️ TCP/IPの設定

⚙️ 基本的なネットワーク設定

🔢 IPアドレス設定:
- 静的: 手動でIPアドレス、サブネットマスク、ゲートウェイを設定
- 動的: DHCPにより自動割り当て
🔍 DNSサーバー設定:
- 名前解決を行うDNSサーバーのIPアドレスを指定

🔍 一般的なネットワーク問題と診断方法

🚫 接続できない:
- IPアドレス設定の確認（ipconfig/ifconfig）
- 物理接続の確認
- デフォルトゲートウェイの到達性確認（ping）
🐢 接続が遅い:
- ネットワーク混雑
- 帯域幅制限
- ハードウェア制限
- 経路の確認
🔎 名前解決の問題:
- DNSサーバー設定の確認
- キャッシュの確認

🎓 なるほど！ポイント
ネットワークトラブルシューティングは「階段を一段ずつ上がる」ように、下位層から順に確認するのが効果的です。物理接続→IPアドレス→ローカル通信→インターネット接続→DNSという順序で確認していくと、問題箇所を効率よく特定できます。

🔒 TCP/IPのセキュリティ

⚠️ 主なセキュリティ課題

🕵️ パケットスニッフィング: 通信の盗聴
🎭 IPスプーフィング: 送信元IPアドレスの偽装
⚔️ 中間者攻撃: 通信の傍受と改ざん
🚫 DoS/DDoS攻撃: サービス拒否攻撃

🛡️ セキュリティ対策

🔐 暗号化プロトコル:
- TLS/SSL: HTTPS, SMTPS, FTPS
- IPsec: ネットワーク層での暗号化
- SSH: セキュアシェル
🔍 認証メカニズム:
- ユーザー認証
- デジタル証明書
- 多要素認証
🧱 ファイアウォール:
- パケットフィルタリング
- ステートフルインスペクション
- アプリケーションレイヤーゲートウェイ

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📝 まとめ

TCP/IPは、インターネットの基盤となるプロトコル群であり、異なるネットワーク間でのデータ通信を可能にします。4つの階層（アプリケーション、トランスポート、インターネット、ネットワークインターフェース）で構成され、それぞれの層が特定の役割を担います。

IPはパケットの配送と経路選択を担当し、TCPとUDPはそれぞれ信頼性重視と速度重視のトランスポートプロトコルを提供します。アプリケーション層では、HTTP、SMTP、DNSなど様々なプロトコルが特定のサービスを実現します。

TCP/IPの理解は、ネットワークの設計、運用、トラブルシューティング、セキュリティ対策において不可欠です。基本概念を押さえることで、今後のネットワーク技術の習得もスムーズになります。

🎯 この記事のポイント
🌐 TCP/IPはインターネット通信の基盤となるプロトコル群
🏗️ 4つの階層（アプリケーション、トランスポート、インターネット、ネットワークインターフェース）で構成
🔄 TCPは信頼性重視、UDPは速度重視のトランスポートプロトコル
📱 アプリケーション層には、HTTP、SMTP、DNS、FTPなど様々なプロトコルがある
🔒 セキュリティ対策として、TLS/SSL、IPsec、認証、ファイアウォールなどが重要

TCP/IPの基本を理解することで、インターネットやネットワークの仕組みをより深く理解し、様々なネットワーク問題に対処する基盤を築くことができます。