TCP/IPは、インターネットを含むコンピュータネットワークにおいて世界標準的に利用されている通信プロトコルの集合体である。インターネット・プロトコル・スイートとも呼ばれる。
TCP/IPの歴史
TCP/IPの起源は、1960年代にアメリカ国防総省の研究機関であるDARPAで行われた研究プロジェクトである。当時、複数のネットワークを繋ぎ合わせる技術として、X.25と呼ばれるプロトコルが主流であったが、X.25は複雑で高価であり、拡張性に欠けていた。
そこで、DARPAは、よりシンプルで柔軟性のある新しいプロトコル開発を目指し、TCP/IPの開発を始めた。TCP/IPは、1970年代後半から1980年代にかけて、インターネットの普及と共に広く利用されるようになり、現在では事実上の標準プロトコルとなっている。
TCP/IPの階層
TCP/IPは、異なるネットワーク間でデータを効率的に転送するために、以下の4つの階層に分かれて構成されている。
1. アプリケーション層
アプリケーション層は、Webブラウザやメールクライアントなどのアプリケーションが利用するプロトコルを定義する層である。具体的には、以下の役割を担っている。
- アプリケーション間の通信を可能にする: WebブラウザとWebサーバー、メールクライアントとメールサーバーなど、異なるアプリケーション間でデータをやり取りできるようにする。
- アプリケーション固有のデータ形式を定義する: HTTPやFTP、SMTPなどのプロトコルは、それぞれ異なるデータ形式を定義しており、アプリケーションはこの形式に従ってデータをやり取りする。
- ネットワークサービスを提供する: DNSやDHCPなどのプロトコルは、ドメイン名の解決やIPアドレスの自動割り当てなどのネットワークサービスを提供する。
2. トランスポート層
トランスポート層は、アプリケーション層で生成されたデータを、ネットワーク機器を経由して送受信する際の方法を定義する層である。具体的には、以下の役割を担っている。
- ポート番号を用いて、複数のアプリケーションを区別する: 各アプリケーションは、固有のポート番号を持ち、この番号によって送受信されるデータが振り分けられる。
- 信頼性の高いデータ転送とエラーチェックを行う: TCPプロトコルは、データの順序を保証し、エラーチェックを行うことで、信頼性の高いデータ転送を実現する。一方、UDPプロトコルは、リアルタイム性の高いデータ転送を重視しており、データの順序やエラーチェックは行わない。
- 輻輳制御を行う: ネットワークが混雑している場合、送信速度を抑制するなどの輻輳制御を行うことで、ネットワーク全体の効率的な運用を図る。
3. インターネット層
インターネット層は、データを分割し、宛先までの経路を決定するルーティングを行う層である。具体的には、以下の役割を担っている。
- データをパケットと呼ばれる単位に分割する: 送信されるデータは、適切なサイズに分割されてパケットと呼ばれる単位になる。各パケットには、送信元と宛先のIPアドレス、ルーティングに必要な情報などが含まれる。
- IPアドレスを用いて、ネットワーク上の機器を識別する: 各ネットワーク機器には、固有のIPアドレスが割り当てられる。IPアドレスは、32ビットのバイナリ数で表現され、ネットワーク上の機器を識別するためのIDとして機能する。
- ルーティングを行う: 送信されたパケットは、ルーターと呼ばれる機器を経由して宛先まで送られる。ルーターは、各パケットのヘッダー情報に基づいて、最適な経路を選択してパケットを転送する。
4. ネットワークアクセス層
ネットワークアクセス層は、ネットワーク機器同士を物理的に接続するための規格を定義する層である。具体的には、以下の役割を担っている。
- 物理的な接続方法を定義する: イーサネットやWi-Fiなどの規格は、ネットワーク機器同士を物理的に接続するための方法を定義している。
- メディアアクセス制御を行う: 複数の機器が同じネットワークに接続されている場合、メディアアクセス制御と呼ばれる仕組みを用いて、各機器が送信を行うタイミングを制御する。
- エラー検出・訂正を行う: 送信されたデータにエラーが発生した場合、エラー検出・訂正と呼ばれる仕組みを用いて、エラーを検出し、訂正する。
これらの階層は、それぞれ異なる役割を担っており、密接に連携することで、インターネット上の様々な通信を支えている。
TCP/IPの具体例
以下に、TCP/IPの代表的な利用例を紹介する。
1. Webブラウジング
WebブラウザでWebサイトを閲覧する際、TCP/IPは以下のような役割を果たしている。
- Webサーバーとの通信: ブラウザは、HTTPプロトコルを用いてWebサーバーにリクエストを送信し、Webサーバーからのレスポンスを受信する。
- データの転送: WebサーバーからのHTMLファイルや画像などのデータは、TCPプロトコルを用いてブラウザに転送される。
- エラー処理: データ転送中にエラーが発生した場合、TCPプロトコルの再送機能を用いて、エラーを検出し、再送を行う。
2. メール送受信
メールを送受信する際、TCP/IPは以下のような役割を果たしている。
- メールサーバーとの通信: メールクライアントは、SMTPプロトコルを用いてメールサーバーにメールを送信し、POP3またはIMAPプロトコルを用いてメールサーバーからメールを受信する。
- メールデータの転送: メールメッセージや添付ファイルなどのデータは、SMTPプロトコルを用いてメールサーバーに送信され、POP3またはIMAPプロトコルを用いてメールサーバーから受信される。
- 認証: メールサーバーへのアクセスには、認証が必要となる。一般的には、SMTP AUTHやPOP3 AUTHなどの認証方式が利用される。
3. ファイル転送
FTPクライアントを用いてファイルを転送する際、TCP/IPは以下のような役割を果たしている。
- FTPサーバーとの通信: FTPクライアントは、FTPプロトコルを用いてFTPサーバーに接続し、ファイルのアップロードやダウンロードを行う。
- ファイルデータの転送: ファイルデータは、TCPプロトコルを用いてFTPサーバーとFTPクライアント間で転送される。
- ファイル管理: FTPサーバーは、ファイルやディレクトリの管理機能を提供する。
4. オンラインゲーム
オンラインゲームをプレイする際、TCP/IPは以下のような役割を果たしている。
- ゲームサーバーとの通信: ゲームクライアントは、TCPプロトコルを用いてゲームサーバーに接続し、ゲームデータの送受信を行う。
- リアルタイム性の高い通信: オンラインゲームでは、プレイヤー間の動きやゲーム状況をリアルタイムに同期させる必要がある。TCP/IPは、低遅延で高信頼性の通信を実現することで、スムーズなゲームプレイを可能にする。
- チャット機能: 多くのオンラインゲームには、プレイヤー間でチャットを行う機能が搭載されている。チャット機能は、UDPプロトコルを用いて実現されることが多い。
5. その他
上記以外にも、TCP/IPは様々な用途で利用されている。例えば、以下のようなものがある。
- 音声・動画配信: オンライン動画配信サービスやVoIPサービスなど
- リモートアクセス: 自宅のパソコンなどにリモートアクセスする際
- スマートデバイス: スマートフォンやスマートスピーカーなどのスマートデバイスの通信
TCP/IPとOSI参照モデルの違い
TCP/IPとOSI参照モデルは、どちらもネットワークにおける通信の仕組みを階層構造で表したモデルであるが、以下の点においていくつかの違いがある。
1. 目的
- TCP/IP: 実際に利用されているネットワークプロトコルの集合を体系的にまとめたもの
- OSI参照モデル: 理想的なネットワークアーキテクチャを定義したもの
2. 階層数
- TCP/IP: 4階層（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、ネットワークアクセス層）
- OSI参照モデル: 7階層（アプリケーション層、プレゼンテーション層、セッション層、トランスポート層、ネットワーク層、データリンク層、物理層）
3. 各階層の役割
- TCP/IP: 各階層の役割は、必ずしもOSI参照モデルと一致していない。
- OSI参照モデル: 各階層の役割は明確に定義されている。
4. 具体的なプロトコル
5. 利用状況
- TCP/IP: インターネットを中心に、広く利用されている
- OSI参照モデル: 実際のネットワークではあまり利用されていないが、ネットワークの概念を理解する上で有用
6. その他
- TCP/IP: 経験則に基づいて作られた、より実用的なモデル
- OSI参照モデル: 理想的なアーキテクチャに基づいて作られた、より理論的なモデル
まとめ
TCP/IPは、インターネット通信の基盤となる重要な技術である。シンプルで拡張性が高く、オープンスタンダードであることから、世界中で広く利用されている。
TCP/IPとOSI参照モデルは、それぞれ異なる目的で作られたモデルであり、いくつかの違いがある。しかし、どちらもネットワークにおける通信の仕組みを理解する上で重要な役割を果たしている。
