OSIモデルの7層の解説

OSIモデルとは？

OSIモデルは、ネットワーク内やその間をデータがどのように流れるかを理解する手助けとなります。1970年代に存在した2つのモデルを統合した後、1984年に国際標準として採用されました。

主要なコンピュータ・通信企業は、このモデルを用いて機器間の通信を7層に分割しました。これらの7層は、ネットワークシステム内で起こっていることを理解するための目安となります。

当時から今に至るまで、IT専門家はOSIモデルを活用し、長時間かけて問題を解析するのではなく、特定の層に原因があるかどうかをすぐに見極めることができました。

また、ネットワーク機器メーカー、アプリデザイナー、通信プロトコル設計者にとって、このモデルは機器間の通信の複雑さを隠蔽し、各層ごとに問題に取り組むための枠組みを提供します。さらに、ユーザやアプリの互換性を必要としない、標準化された実装指針を示すために作られました。

OSIモデルの歴史

OSIモデルの歴史の中で、以下の重要な出来事がありました：

• 1970年代後半、ISOはオープンな標準のための基本方針と手順の策定に着手した。
• 1973年、英国のExperimental Packet Switched Systemが、高水準のプロトコルの必要性を認識した。
• 1983年、OSIモデルは標準化されたインタフェースの一部として提案された。
• 1984年、ISOによりOSI構成が国際標準として正式に採用された。

OSIモデルの7層

7. アプリ層

さらに、OSIモデルの最上位層であるアプリ層は、アプリと直接連携します。アプリ層はエンドユーザに最も近い層であり、クライアントが他のプログラムと通信するためのプロトコルを提供します。

アプリ層はプログラムと連携して送信パケットを生成します。データの利用方法は常にOSIモデルの枠外で決定され、例えばファイル転送、メール、リモートログインなどが該当します。

アプリ層の主な機能は、

• 通信相手の認識、リソースの選択、通信の同期を行うこと
• クライアントがリモートホストにサインオンできるようにすること
• 専用のメール機能を提供すること

このソフトは、重要な教育用ファイルリソースや各種出版物、組織に関する情報へのアクセスを提供します。

6. プレゼンテーション層

アプリ層からのデータはこの層で整形され、どのようにエンコード、混合、パッキングされるかを定めることで、目的地に確実に届くようにします。プレゼンテーション層は、アプリ層から渡されたデータを転送層へ送る準備を行います。

プレゼンテーション層の機能：

• 文字コードをASCIIからEBCDICへ変換する。
• データ圧縮により、送信すべきパケット数を減らす。
• セキュリティのため、データを暗号化する（例：秘密鍵暗号化）。
• UIやメール、ファイル転送の規定と連動する。

5. セッション層

PC間の通信は、この層で管理されます。ネットワークとリモートアプリとの接続の開始および終了を支援します。

この層は、利用者の要件に応じた堅固な接続を確立し、基本的なサインオンや暗号鍵のサポートも担当します。セッション層の機能の一つとして、半二重または全二重の通信制御があり、大量の通信要求があるシステムで一般的に利用されます。

セッション層の主な機能：

• 接続の確立、維持、終了を行う
• 両端の機器が通信を開始できるようにする
• データストリームに割り当てられた経路を組み込む

4. トランスポート層

トランスポート層は、ソースPCのアプリからターゲットPCのプロセスへとデータを送る役割を果たし、少数の接続を通じて管理されるとともに、信頼性の確保にも留意します。

どのくらいのデータを、どこへ、どの速度で送るかを決定し、アプリ層から受け取ったパケットを形成して、正しい順序でエラーなく届けることを保証します。

ストリーム制御、エラーチェック、セグメント化および再集合により、トランスポート層は接続の安定性を維持する手助けをします。

エラーがなければ、信頼性のあるデータ転送を実現し、関連するデータを送信します。TCPが最も顕著なトランスポート層のプロトコルである。

トランスポート層の主な機能：

• セッション層から受け取ったパケットを分割し、順序を付けて再構築する
• ターゲット機の正しいプロセスへパケットを届ける
• 全データが誤りなく届けられるか、再送されることを保証する

3. ネットワーク層

ネットワーク層は、異なる接続間でデータ伝送の経路選定と管理を担当し、ホストから次のホストへと最短経路を選ぶ。

パケットがDLLから渡されると、ネットワーク層は、データがローカルネット内のホスト向けか（上位層へ送信）、ローカル内の別ホスト向けか（下位層へ送信）、またはネットワーク全体向けかを判断し、パケット内の情報に適切な処理を施す。

一般的なTCP/IPモデルでは、IPの規定に基づいたルーティングとスイッチを使い、送信データはパケットに分割され、受信側で再構築される。

IPv4、IPv6、ICMP、GREなどがレイヤ3のプロトコルの例である。

2. データリンク層

物理層で発生したエラーは、データリンク層で修正される。この層は、二つのネットワーク機器間の接続がどのように確立され、解消されるかを把握するために用いられる。

また、IPアドレスに依存せず、決まった手順で各エンドポイントを識別するとともに、接続内でのパケット制御やソースからターゲットへデータを送る最適な方法を決定する。

データリンク層は、2種類のサブレイヤに分かれている：

• メディアアクセス制御（MAC）層 - ネットワーク内の機器が媒体にアクセスし、データ送信を許可する方法を管理する。
• 論理リンク制御層 - フレームの識別やネットワーク層のプロトコル指示を行い、エラー管理も担う。

データリンク層の主な機能：

• ネットワーク層からのデータをフレームに分割する
• 送信元とターゲットの物理アドレスを示すヘッダーを付加する
• 送信元やプロトコルの論理アドレスを追加する
• 全体のメッセージのターゲットへの接続転送のルーティングを行う
• エラー制御として、再送やパケット損失を検知する
• 複数の接続をまたいでデータを送る枠組みを提供する

1. 物理層

OSIアーキテクチャの第一層である物理層は、ネットワーク機器を結ぶ物理ケーブルや無線接続を確立する役割を持つ。ここでは、使用する媒体、接続方式、信号の種類（アナログまたはデジタル）について定義し、生データを信号として伝送する。無線波、NIC、配線、コネクタ、ピンなどの物理的仕様がこの層で規定される。

物理層の基本的なサービスは、

• 伝送速度の制御と同期

秒あたりのパケット数と時間の同期が定義される。

• 物理トポロジー

バス、スター、リング、ツリーなど、機器がネットワーク内でどのように配置されるかが規定される。

• 伝送方式

単方向、半二重、全二重の中からデータ通信方式が決定される。最新の有線ネットワークのほとんどは全二重方式を採用している。

• 物理特性の定義

コネクタの種類、ピン配置、ネットワークカードなどが含まれる。

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OSIモデルの長所と短所

長所：

• スイッチ、ルーター、ハブなどの機器を標準化する手助けをする
• 複雑さを軽減し、インターフェースを標準化する
• システム設計の計画に沿って動く
• 相互運用可能な技術の実現を支援する
• 開発を迅速に進める手助けをする
• 技術進化に伴い、標準が新たなものに置き換えられる
• 接続型サービスおよび接続レスサービスの両方に対応する
• PCネットワーキングの標準モデルとされている
• 接続型と接続レスの両方のサービスをサポートする
• 異なる種類のプロトコルに対応できる柔軟性を持つ

短所：

• 標準の適合は厄介な作業である
• あくまで参照モデルであり、直接利用できない
• 具体的なプロトコルを定義していない
• OSIモデルでは、トランスポート層やデータリンク層など、一部の機能が複数の層で実装される
• 各層は前の層からデータを受け渡す必要があり、独立して動作できない

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なぜOSIモデルを使うのか？

OSIモデルは、PCネットワークの利用者や管理者に、

• 必要なハードウェアとプログラムの選定に役立つ
• ネットワーク内でデータがどのように伝送されるかを理解し説明するための指針となる
• 問題が発生した場合、どの層に原因があるかを特定して調査する助けとなる

また、ネットワーク機器メーカーやシステム管理プログラムの開発者にとっても、

• 他社製品と通信可能な機器やプログラムの開発を促し、オープンな相互運用性を実現する
• 自社製品がネットワークのどの層で動作すべきかを明確にする
• 製品がどの層（例：アプリ層のみ、または全層）で動作するかを利用者に伝える

一部ではOSIモデルは時代遅れで非合理的とされることもあるが、IT専門家が複雑なネットワーク問題を分析し解決する際、セキュリティとネットワーク改善のためにOSモデルを活用する理由は大きい。

• 分析：

OSIモデルは、複雑なネットワーク問題を適切なタスクに分割し、調査の各段階を明確にします。ネットワーク性能の問題が発生した場合、層1、層2、層3などを順に確認することで問題箇所を絞り込むことができる。

• 通信：

多くのIT専門家がTCP/IPモデルについては知っているが、通信方式は多様です。OSIモデルを用いると、誤解を防ぐために明確な用語で議論することができる。

OSIモデルとTCP/IPの比較

OSIモデルに関する情報は多いが、一般には4層のTCP/IPモデルと対比される。ITの専門知識を持つ者は、両者の違いや類似点を理解することが重要であり、両者は競合するのではなく、むしろ補完関係にある。

TCP/IPモデルでは、アプリ層がOSIモデルの上位3層（5,6,7層）の役割を果たし、ネットワークアクセス層がOSIモデルの下位2層（1,2層）の役割を統合して、順序制御と認証機能はトランスポート層に委ねられている。

なぜこのような違いが生じるのか？これは、TCP/IPモデルの大部分が確立された後にOSIモデルが作られたためです。4層のTCP/IPモデルに合わせるのではなく、より柔軟な7層モデルとして構築されたのです。

必ずしも広く使われているわけではないが、OSIモデルは現在でもネットワーク設計の際に利用され、認定試験の出題範囲にも含まれている（もしかすると次回の代表者会議でも話題に上るかもしれない）。

そのため、『Please Do Not Throw Sausage Pizza Away』というフレーズを覚えておくと、クライアント、ベンダー、その他のネットワーク管理者と共通の言葉で話しやすくなる。