第5回　自学自習ゼミ

通信プロトコル

2002年5月17日 石川　富康
 
通信プロトコル 
OSI参照モデル 
TCP/IP 
TCP/IPによるデータ受け渡し　具体例
参考文献 
演習 

ねらい

階層化された通信プロトコルをとりあげ、情報通信(コミュニケーション)に対する理解を深める。通信プロトコルを単に技術的な手法として矮小化することなく、「情報と通信のモデル」におけるコミュニケーションモデルの伝送部分にあたる局所モデルとしての意義を知り、コミュニケーションに対するより深い洞察のための道具とさせる。


通信プロトコルとは

　人の世界なら、共通の言語を使えば誰とでもコミュニケーションが可能になります。コンピュータの世界でも、一定のコミュニケーションのための取り決めをしておけば、異なるコンピュータ同士で情報を交換することができます。この取り決めが、人の世界で言うところの共通言語であり、コンピュータの世界では 通信プロトコル(protocol)と呼ばれます。
　ネットワークやコンピュータ間でこういった統一の取り決めを行うことで、コンピュータの形式や製造メーカーの違いに関係なく、ネットワークが構築できるのです。（例：LAN, インターネット）
通信プロトコルの概念

通信プロトコルの構成

　一般に通信プロトコルはフォーマット(format)とプロシージャ(procedure)から構成されています。
 
フォーマット 相手に送りたいデータの内容の構成
プロシージャ データをやり取りするための手順
フォーマットとプロシージャ（例）
　
　AからBへデータを転送する場合、まずデータは決められたフォーマットでBへ転送されます。Bでは、プロトコルを確認し、フォーマットの情報よりデータを展開します。このようにして、Aから送られたデータがBへ正確に転送されます。
　
トップへ

OSI参照モデル

　1980年、ISO(International Organization for Standardization : 国際標準化機構) が中心となり、国際的に共通な通信上のプロトコルを規定しました。その取り決めはケーブルやコネクタなどの物理的な部分から、通信ソフトなどのアプリケーションの部分まで多岐に及んでいます。これが OSI(Open System Interconnection)参照モデルであり、ネットワーク全体の構成やプロトコルをこの規定を基づいて作れば、世界中のどんなコンピュータでも情報のやり取りが可能となります。 ちなみにOSI参照モデルは「開放型システム間相互接続参照モデル」と訳されることもあります。

層（layer）の考え方

　OSI参照モデルでは、各プロトコルを機能別に分け、層（layer）と呼ばれるカテゴリで分類しています。層はコンピュータを使用する人により近い層を 上位層、通信上の電気的な部分に近い層を下位層と呼んでいます。
電話の例
 
　電話を例に考えてみます。電話で話している人は会話だけを意識すればよく、電話機間の電気信号の送受信などを意識する必要はありません。逆に電話機側は音声を電気信号に変換して送受信を行いますが、そこでの会話の内容や言語、声の大きさなどは処理に無関係なものです。つまり、1つの通信におけるやり取りを会話のレベルと電話機のレベルで独立して考えることができます。このように、機能ごとに層で分割し、各層の関係を特に意識する必要がないのがプロトコルの考え方の大きな特長です。
　

OSI参照モデルの7層

　電話の例では2つの層として解説しましたが、OSI参照モデルの場合はつぎの7層で規定されています。各層が正しく認識しあうことでコンピュータ通信が成立しています。
　
7 アプリケーション層 どのような通信サービスを行い、何を実現するのか？ アプリケーションの種類に関する規定
6 プレゼンテーション層 どのようなデータ表現形式で送るのか？ データの種類や送信ビット数に関する規定
5 セッション層 どのような対話モードで送るのか？ 通信モードや同期方式に関する規定
4 トランスポート層 相手に正確に届いたかどうかの確認方法は？ 送受信確認やアプリケーションの識別に関する規定
3 ネットワーク層 相手の住所(識別アドレス)は？どの経路で相手まで届けるのか？ 通信経路の選択や識別アドレスに関する規定
2 データリンク層 どの中継機器(ルータ)を経由して届けるのか？ 通信路の確保やエラー訂正に関する規定
1 物理層 物理的な情報伝達装置は何を使うのか？ 物理的な回線や機器類、電気信号に関する規定
OSI参照モデル
　
　現存する通信プロトコルのほとんどは、OSI参照モデルの階層に則した構造になっています。たとえばインターネットに使われるTCP/IPは4層あるいは5層のモデルで示されます。TCP/IPについては次章で解説します。
　
トップへ

TCP/IP

　実際のプロトコルの例として、TCP/IP(Transmission Control Protocol/Internet Protocol) を取り上げます。TCP/IPは、インターネットで広く利用されている通信プロトコルのひとつです。もともとは米国国防省の下部機関DARPAが運営していた大学ネットワーク(ARPANET)用のプロトコルとして開発されました。当初は軍事色が強く問題や未知な部分も多くありましたが、現在では異機種間接続を手軽に実現できる業界標準のプロトコルとなっています。

OSI参照モデルとTCP/IP

  TCP/IPは「アプリケーション層」「トランスポート層」「インターネット層」「ネットワークインタフェース層(あるいはデータリンク層、物理層)」の4層(あるいは5層)から構成されており、これらの層はOSI参照モデルの各層にまたがっています。区分された層のうち「トランスポート層(= TCP/UDP層)」と「インターネット層(=IP層)」が最も重要な役割を担っているため、TCP/IPと呼ばれます。
 
7
アプリケーション層
 
アプリケーション層
 
アプリケーション層
6
プレゼンテーション層
5
セッション層
4
トランスポート層
トランスポート層 (TCP/UDP層)
トランスポート層 (TCP/UDP層)
3
ネットワーク層
インターネット層 (IP層)
インターネット層 (IP層)
2
データリンク層
データリンク層 (MAC層)
ネットワークインタフェース層
1
物理層
物理層
 
OSI参照モデル
TCP/IPモデル(5層)
TCP/IPモデル (4層)
 
  OSI参照モデルとTCP/IPの違いは層の区分の数だけでなく、プロトコル自体への考え方やアプローチが異なっている点もあげられます。両者は何を中心にモデル化されたのかを表に示します。TCP/IPが世界的に広まったのに対してOSIプロトコルはほとんど使われなくなったのには、こういった違いに理由があります。
 
OSI参照モデル 通信プロトコルに必要な機能は何か？ 概念的
TCP/IP プロトコルをコンピュータに実装するには、どうプログラミングしたらよいか？ 具体的
　

TCP/IPで扱われるデータ形式

 　TCP/IPでは、送受信されるデータを「一定のかたまり」単位で扱うようにしています。このかたまりのことをパケット(packet)と呼びます。パケットにはメール文書や画像などの実際のデータが格納された部分(ユーザ･データ)と、そのデータの宛先や送信元情報、エラーチェック情報といった管理用データが格納された部分(ヘッダ情報)の2つの情報が含まれています。
　各階層間でパケットが受け渡されていくのですが、送るときにはヘッダ情報でどんどん包んでいき、受けとるときには逆にヘッダ情報をどんどん剥がしていき、最終的にほしいデータが受信側のアプリケーション層に届きます。ちなみに正確には「パケット」はインターネット層での呼び名であって、層によって名前が変わることにも注意しましょう。
 
データの受け渡し
  
階層ごとのデータ単位の名称
TCP/IPモデル 取り扱われるデータの単位
アプリケーション層 メッセージ
トランスポート層 セグメント
インターネット層 パケット/データグラム
データリンク層 フレーム
物理層 ビット(電気信号)
　
トップへ

TCP/IPによるデータ受け渡し　具体例

　インターネットにおけるデータ受け渡し手順の具体例を使って、TCP/IPの各階層で実際にどのようにデータ処理が行われていくのかを解説していきます。ここでは、つぎのようなシチュエーションを想定します。
 
海山商事にあるコンピュータ「masuo.umiyama.co.jp」から、伊佐坂出版のWWWサーバ「www.isasaka.co.jp」に掲載されている会社案内にアクセスする
　このとき、それぞれのIPアドレスとMACアドレスはつぎのようになっています。どちらも個々のコンピュータを識別するための住所のようなものですが、IPアドレスは「ソフトウェア」的に割り当てられていてホスト名･ドメイン名を数字で表したものです。一方、MACアドレスは出荷時に「ハードウェア」的に割り当てられています。IPアドレスを認識できないネットワークインタフェースでMACアドレスが使用されます。
 
ホスト名･ドメイン名 IPアドレス MACアドレス
masuo.umiyama.co.jp 202.215.167.10 11:11:11:11:11:11
www.isasaka.co.jp 222.115.160.43 22:22:22:22:22:22
　また、2つのコンピュータの間はいくつもの中継地点(ルータ、router)を経由してつながっています。
 　
ネットワーク構成例
 

�．▲廛螢院璽轡腑鸛悗任僚萢�

　最初に、送信側端末「masuo.umiyama.co.jp」でWWWブラウザを立ち上げます。ここで、ホームページアドレス(URL)として「http://www.isasaka.co.jp/profile.html/」が入力されます(profile.htmlが会社案内のページとします)。 
　この入力されたURLがコンピュータから送られるデータです。 
 
アプリケーションデータ
http://www.isasaka.co.jp
メッセージ
 
　ここで入力した「HTTP」などの通信サービス用ソフトウェア（アプリケーション･プロトコル）やデータの文字コード、フォーマットなどを規定するのがアプリケーション層の機能です。他に「FTP（ファイル転送）」「SMTP（電子メール）」などのアプリケーションがあります。

�▲肇薀鵐好檗璽�(TCP)層での処理

　送信側端末内で、アプリケーション層からトランスポート層へデータが渡されます。TCPヘッダ情報の宛先ポート番号に「80」、そして送信元ポート番号にランダムな値(ここでは25596)がセットされます。 
 
TCPヘッダ情報 アプリケーションデータ
宛先 80 http://www.isasaka.co.jp
送信元 25596
セグメント
 
　ポート番号はセッション(仮想経路)の確立やアプリケーションの識別に用いられる識別番号です。各種アプリケーション用の管理番号として利用されるポート番号を「Wellknown Port Number」と呼び、HTTPの場合は「80」で定義されています。このように、トランスポート層では、送信側で双方のポート番号を確定し、セッションを確立するための下準備を行っています。

��インターネット(IP)層での処理

　次にデータはトランスポート層からインターネット層へと受け渡されます。IPヘッダ情報の宛先IPアドレス欄に「222.115.160.43」が、そして送信元IPアドレス欄に「202.215.167.10」がセットされます。 
 
IPヘッダ情報 TCPヘッダ情報 アプリケーションデータ
宛先 222.115.160.43 宛先 80 http://www.isasaka.co.jp
送信元 202.215.167.10 送信元 25596
パケット
 
 　インターネット層の主な役割は、以下の2つです。ここでは前者の役割を果たしています。

�ぅ如璽織螢鵐�(MAC)層での処理

 
　データがインターネット層からデータリンク層に渡され、データリンクヘッダ情報の宛先MACアドレスと送信元MACアドレスがセットされます。 
　ところが、宛先のMACアドレスは海山商事のネットワーク外にあるので分かりません。そこで、ルータAのMACアドレス(AA:AA:AA:AA:AA:AA)を宛先MACアドレスにセットします。 
 
データリンク(MAC)ヘッダ情報 IPヘッダ情報 TCPヘッダ情報 アプリケーションデータ
宛先 AA:AA:AA:AA:AA:AA 宛先 222.115.160.43 宛先 80 http://www.isasaka.co.jp
送信元 11:11:11:11:11:11 送信元 202.215.167.10 送信元 25596
フレーム
 
　データリンク層は、物理層で直接接続された各端末間の通信を可能にします。具体的には、LANボードなどの機器を制御・識別し、そのための伝送路を確保します。MACアドレスはLANボードに割り振られています。データリンク層に相当するプロトコルとしては、インターネットにダイヤルアップ接続する際に用いられるPPPなどがあります。

�ナ�理層での処理

　データリンク層を経て完成したデータパケット(フレーム)が実際に電気信号に変換されLAN内に送出され、まずはMACアドレス情報を基に、海山商事のルータ(ルータA)まで転送されます。

�Ε襦璽燭任僚萢�

　データパケットを受けとったルータは、宛先IPアドレスを解析し、どこにルーティングすべきデータであるかを判断します(データはルータ内のインターネット層以下の層を経由します)。そして、データパケットを他のネットワーク(ルータ)に転送する前に、相手側ルータのMACアドレスを取得し、送信元MACアドレスと宛先MACアドレス情報の書き換えを行います。 
　まず、海山商事のルータからプロバイダB(MACアドレスBB:BB:BB:BB:BB:BB)のルータへ送信する際に次のように書き換えられます。 
 
データリンク(MAC)ヘッダ情報 IPヘッダ情報 TCPヘッダ情報 アプリケーションデータ
宛先 BB:BB:BB:BB:BB:BB 宛先 222.115.160.43 宛先 80 http://www.isasaka.co.jp
送信元 AA:AA:AA:AA:AA:AA 送信元 202.215.167.10 送信元 25596
MACアドレス情報の書き換え処理 1
 
　これが最終的に伊佐坂出版のルータ(ルータZ、MACアドレスZZ:ZZ:ZZ:ZZ:ZZ:ZZ)からWWWサーバ「www.isasaka.co.jp」(MACアドレス22:22:22:22:22:22)に辿り着くまで繰り返されます。 
 
データリンク(MAC)ヘッダ情報 IPヘッダ情報 TCPヘッダ情報 アプリケーションデータ
宛先 22:22:22:22:22:22 宛先 222.115.160.43 宛先 80 http://www.isasaka.co.jp
送信元 ZZ:ZZ:ZZ:ZZ:ZZ:ZZ 送信元 202.215.167.10 送信元 25596
MACアドレス情報の書き換え処理 2
 

�Ъ�信側コンピュータでの処理

　ルータZからデータを受けとったコンピュータ(www.isasaka.co.jp)は、各ヘッダ情報を基に送信側(masuo.umiyama.co.jp)の要求を解析し、アプリケーション層へとデータを受け渡していきます。ここでデータを受信した伊佐坂出版のコンピュータは、データパケットを解析していく過程で以下の情報を読み取ることができます。 
  • 「202.215.167.10」(IP層の情報から解析)　のコンピュータから
  • 「HTTP (WWW)」へのアクセス要求(TCP層のポート番号:80番から解析)　があり
  • 「profile.html」のドキュメントデータ(アプリケーション層の情報から解析)　を要求している。
　よって受信側(www.isasaka.co.jp)は、その要求に応じるようなデータを生成し、逆の処理(「www.isasaka.co.jp」⇒「masuo.umiyama.co.jp」へとホームページのデータを転送する処理)を行うことになるのです。
 

トップへ


参考文献

  1. 「Octpower.com presents ネットワークガイド」, NEC (PDF形式)
  2. 「X-WEB キャビ君のネット冒険」, toshi3
  3. 「コンピュータ通信とネットワーク」, 福永 邦雄, 泉 正夫, 萩原 昭夫, 共立出版
  4. 「ここが知りたい TCP/IP FAQ」, 渡邉　郁郎, エーアイ出版
トップへ


演習

  1. TCP/IP以外にも階層化されたプロトコルはたくさん開発されています。どのようなプロトコルがあり、どのような特徴があるのか調べてみましょう。(ヒント) NetBEUI, IPX/SPX, AppleTalk, SNA, OSI
  2. あなたの使っているコンピュータのIPアドレスとMACアドレス(物理アドレス)を調べましょう。Windowsなら、コマンドプロンプトから"winipcfg"あるいは"ipcnfig /all"と入力することで得られます。
  3. Yahoo("www.yahoo.co.jp")までのパケットの到達経路を確認してみましょう。Windowsなら"tracert [ホスト名]"あるいは"tracert [IPアドレス]"で確認できます。UNIXでは"traceroute"で実装されています。
  4. データ受け渡し例は途中で説明が終わっています。伊佐坂出版の会社案内ページ(protocol.html)を、アクセスしてきた海山商事の端末に表示させるまでの処理を例のように説明してみましょう。
トップへ