【応用情報技術者試験】ネットワーク理解のためにまずはOSI基本参照モデルを理解しよう（物理層〜データリンク層）

ネットワークとは、複数のコンピューターや機器を相互に接続し、情報やデータを共有する仕組みのことです。また、コンピューター同士で通信を行うためには、ケーブルの種類や、データの送信方法、伝送経路、データフォーマットといったように、様々な要素について取り決めをしておく必要があります。

画像参照：https://diamond.jp/articles/-/248953

そこで分野ごとにグループ分けを整理しているOSI基本参照モデルが使用されます。OSI基本参照モデルは、コンピューター間の通信ルールを7つの階層に分けて整理したモデルです。異なるメーカーの機器同士でも通信できるよう、通信機能を標準化するために制定されています。各階層が特定の役割を担っており、物理的なデータ伝送からアプリケーションのサービス提供までを段階的に定めています。現在、インターネットで広く使われているのはTCP/IPモデルですが、OSI基本参照モデルはネットワークの仕組みを理解するための基礎として広く参照されています。 

物理層（第1層,L1）

ビット列を電気信号や光信号、電波などの物理的な信号に変換して、ケーブルなどの伝送媒体を通じて送信・受信する役割を担います。この層では、ケーブルの種類、コネクタの形状、信号の電圧レベルといった物理的な仕様を定義し、単純なビットの伝送のみを行います。

主な機能と役割

• 信号変換:コンピュータが扱う0と1のビット列を、物理的な媒体を流れる電気信号、光信号、無線信号に変換します。
• 物理的な接続:ネットワーク接続に必要な物理的な要素を定義します。
  • ケーブル:同軸ケーブル、ツイストペアケーブル、イーサネットケーブル、光ファイバーケーブルなど。
  • コネクタ:RJ45コネクタなど。
• 物理的伝送:変換された信号を、定義された物理的な媒体（ケーブル、電波など）に乗せて実際に伝送します。
• 通信方式：半二重方式、全二重方式があります。
• 復元:受信した物理信号を元のビット列に戻し、上位層に渡します。
• 誤り制御：受け取ったデータに誤りが含まれているかどうかの検査方法には、パリティとCRCがあります。
• 機器の例:リピータやリピータハブなど、信号を増幅・中継する装置がこの層の機器です。

LANとWAN

LANとWANの主な違いは、ネットワークの範囲、構築・管理、IPアドレスです。LANは「Local Area Network」の略で、家庭やオフィスなど、限られた狭い範囲のネットワークを指します。一方、WANは「Wide Area Network」の略で、LAN同士を都市間や国家間などの広いエリアで接続するネットワークです。インターネットは、世界中のLANをつないだ広大なWANの一例です。 

特徴	LAN	WAN
ネットワークの範囲	限定的な小規模エリア（家庭内、オフィス内など）	広範囲（都市間、国家間など）
構築・管理	企業や個人が自ら行う	プロバイダーなどの外部事業者が行うことが多い
IPアドレス	プライベートIPアドレスを使用	グローバルIPアドレスを使用
代表的な機器	スイッチ、ルーター、アクセスポイント	ルーター、モデム、WANスイッチ

ネットワーク形態

ネットワーク形態のことをトポロジーと言います。特に、コンピューターネットワークでは、ノード（端末）とリンク（接続）の配置を指します。 一般的なネットワークトポロジーには、リング型、スター型、バス型などがあります。

画像参照：https://atmarkit.itmedia.co.jp/icd/root/33/52739733.html

イーサネット（有線LAN）

イーサネットとは、パソコンやサーバーなどを有線でネットワークに接続するための、最も広く使われている通信規格です。これにより、複数の機器をケーブルで接続し、データの送受信を行うことができます。メーカーの異なる機器同士でも接続できる統一された規格であり、通信速度には10Mbps、1Gbpsなど様々な種類があります。 ※イーサネットでは、MACアドレスを用いてフレームの届け先を指定します。

イーサネットの命名規則

イーサネットの命名規則は、一般的に「通信速度」「伝送方式」「伝送メディア」の3つの要素で構成されます。例えば、100BASE-TX の場合、「100」は通信速度（100Mbps）、「BASE」はベースバンド伝送、「T」はツイストペアケーブルを表します。 

• 通信速度: 規格名に表示される数字で、通常はMbps（メガビット毎秒）またはGbps（ギガビット毎秒）を意味します。
  • 10：10Mbps
  • 100：100Mbps
  • 1000：1000Mbps（1Gbps）
• 伝送方式: BASE（ベースバンド）はデジタル信号をそのまま伝送する方式を意味し、通常は省略されることなく規格名に含まれます。
• 伝送メディア: ケーブルの種類や伝送距離を表します。
  • T: ツイストペアケーブル（例：100BASE-TX）
  • T1: ツイストペアケーブル（例：10BASE-T1S、新しい規格）
  • F: ファイバーケーブル
  • X: 10ギガビットイーサネットなどの後発規格 

具体例

• 100BASE-TX: 100Mbpsの速度で、ベースバンド伝送方式を使い、ツイストペアケーブルで通信する規格。
• 1000BASE-T: 1Gbpsの速度で、ベースバンド伝送方式を使い、ツイストペアケーブルで通信する規格。
• 10GBASE-ER: 10Gbpsの速度で、ベースバンド伝送方式を使い、長距離のファイバーケーブルで通信する規格。 

イーサネットのフレーム形式

イーサネットフレームは、送信先と送信元のMACアドレス、データ型、ペイロード（データ本体）、誤り検出用のFCS（フレームチェックシーケンス）から構成されています。現在はTCP/IPで使われる「Ethernet II」形式が主流です。通信の開始にはプリアンブルと呼ばれる信号が使われます。

画像参照：https://ascii.jp/elem/000/000/427/427324/ 

主な構成要素

• プリアンブル（Preamble）： フレームの開始を示すための8バイトの同期信号です。
• 宛先MACアドレス（Destination MAC Address）： 6バイトのデータで、通信相手の物理アドレスです。
• 送信元MACアドレス（Source MAC Address）： 6バイトのデータで、送信元の物理アドレスです。
• タイプ（Type）： 2バイトのデータで、ペイロードに含まれる上位層のプロトコル（例：IPv4、ARP）の種類を示します。
• ペイロード（Payload）： 46～1500バイトのデータ本体です。上位層のデータ（IPパケットなど）が格納されます。
• FCS（Frame Check Sequence）： 4バイトのデータで、フレームが転送中に破損していないかを確認するための誤り訂正符号です。 

主な規格

• Ethernet II（DIX形式）： 現在のインターネットで主流となっている形式です。
• IEEE 802.3： Ethernet IIと似ていますが、Length/Typeフィールドがタイプフィールドと長さフィールドの両方を兼ねるなどの違いがあります。
• VLANタグ付きフレーム： VLAN機能を利用する場合に、フレームの先頭に4バイトのタグ情報が追加されます。 

無線LAN

無線LANとは、LANケーブルを使わずに電波でパソコンやスマートフォンをネットワークに接続する仕組みです。Wi-Fi（ワイファイ）とも呼ばれ、配線が不要なため、電波の届く範囲内であればどこでもインターネットに接続できる利便性が特徴です。 

また、無線LANには、「アドホックモード」と「インフラストラクチャモード」があります。
・アドホックモード：機器間で直接通信をする運用方式です。
・インフラストラクチャモード：アクセスポイントを設置して、アクセスポイントを介して通信を行う運用方式です。

PCをアクセスポイントに接続する際には、ESS-IDと呼ばれるグループ識別子を設定する必要があります。

画像参照：about:blank

規格

無線LANには、周波数や最大伝送速度によっていくつか規格が存在します。

規格	周波数	最大伝送速度
IEEE802.11a	5Ghz	54Mbps
IEEE802.11b	2.4GHz	11Mbps
IEEE802.11g	2.4GHz	54Mbps
IEEE802.11n	2.4GHz/5GHz	600Mbps
IEEE802.11ac	5GHz	6.9Gbps

高速化技法

無線LANには、通信を高速化する技法があります。
技法および概要に関して下記表にて整理します。

技法	概要
MIMO	複数のアンテナを用いて通信することによって、通信品質を向上させたり、複数のデータの流れ（データストリーム）で同時に通信することで、高速通信を実現する技術です。
チャネルボンディング	隣接するチャネルを束ねて同時に利用する技術です。道路に例えれば、1車線道路から2車線道路にするというイメージです。チャネルを束ねて使うことにより、通信帯域（単位時間に送信できるデータの量）を増やせます。

セキュリティ

無線LANは、電波で通信を行なっています。電波は誰にでも傍受することができるため、無線LAN端末とアクセスポイント間の通信は誰にでも傍受が可能です。

無線LANのセキュリティ対策としては、暗号化方式をWPA3またはWPA2に設定し、推測されにくい複雑なパスワードを設定することが重要です。また、ルーターのファームウェアを最新の状態に保ち、定期的に設定を確認することも大切です。 

暗号通信の規格	概要
WEP	無線LANの利用初期に用いていた方式です。FMS攻撃によって短時間で暗号鍵を解析できるため、現在は利用を推奨されていません。
WPA	WEPの後継として用いられていた方式です。プロトコルとしては、TKIPを用います。TKIPでは、一時鍵を生成し通信中に定期的に暗号鍵を変更することにより、暗号鍵を解析しづらくします。一方で、利用している暗号方式(RC4)に脆弱性が指摘されているため、現在では利用を推奨されていません。
WPA2	WEPやWPAの後継として用いられている方式です。プロトコルにIEEE802.11iで規定されているCCMPを利用しています。暗号方式にはAESを用います。KRACKsと呼ばれる攻撃手法があることで危険性が指摘されています。
WPA3	WPA2の後継として策定された方式です。WPA2との相互運用が考慮されています。CCMP/AESによる暗号化を行うことはWPA2から変わりありません。しかし、ハンドシェイク手順の改善やロックアウト機能の追加などがされています。

ハブ（HUB）

ハブは、ネットワーク機器やシステムにおいて、複数の機器や端末を接続し、情報やデータの集約・中継を行う中心的な役割を果たすものです。種類としては、「リピータハブ」と「スイッチングハブ」があります。

リピータハブ

リピータハブとは、複数のコンピュータを接続するためのネットワーク機器で、あるポートで受信した信号を、他のすべてのポートにそのまま増幅して中継する装置です。このため、受信した信号を宛先に関係なくすべての端末に送るのが特徴です。構造が単純で安価である反面、通信の衝突が発生しやすく、ネットワークの性能を低下させるデメリットがあります。現在は、信号を宛先ポートにのみ送る賢い「スイッチングハブ」が主流となっています。

スイッチングハブ

スイッチングハブとは、複数のLANケーブルと通信機器を接続するための集線装置で、ネットワーク内のデータ通信を効率化する役割を担います。送信先のMACアドレスを見て、宛先となる機器にのみデータを送ることで、通信の衝突を防ぎ、スムーズで高速なネットワーク環境を構築します。 

リピータハブとスイッチングハブの違い

比較観点	リピータハブ	スイッチングハブ
通信の送信先	すべてのポートに送信	宛先機器のポートにのみ送信
アドレスの解釈	IPアドレスやMACアドレスを解釈しない	MACアドレスを解釈して宛先を特定する
通信の効率	悪い（通信の衝突が起こりやすい）	良い（通信の衝突が起こりにくい）
現在の主流	ほとんど使用されていない	現在のネットワークの主流

モバイル通信

モバイル通信とは、無線LANスポットや携帯電話会社の回線を利用してスマートフォンなどでインターネットに接続することです。これにより、外出先でもデータ通信が可能になります。モバイル通信のためのサービスを下記にまとめています。

サービス名	概要
LTE	携帯電話事業者が提供している100Mビット/秒以上の高速伝送を可能にした無線通信サービスです。スマートホンの通信に多く利用されています。
WiMAX2/2+	最大で440Mビット/秒の高速伝送を可能にした無線通信サービスです。
5G	5Gの理論上の最大伝送速度は下りが最大20Gbps、上りが最大10Gbpsで、これは4Gの約10倍～20倍の速さです。この超高速通信により、4K/8Kの高画質動画などの大容量コンテンツも短時間でダウンロードできるようになります。
公衆無線LAN	無線LANのアクセスポイントを街中、店内、駅構内などに設置し、無線LAN通信を提供するサービスです。

データリンク層（第2層,L2）

データリンク層とは、隣接する機器間の通信を可能にするためのプロトコル階層で、OSI参照モデルでは第2層にあたります。主な役割は、同一ネットワーク内でデータを正確に伝送し、データの誤り検出やフロー制御を行うことです。（アクセス制御手順）

主な役割

• MACアドレスによる識別:同一ネットワーク内の機器を識別するために、MACアドレス（物理アドレス）を使用します。
• エラー検出と訂正:データの転送中に発生するエラーを検出（例: CRC）し、必要に応じて訂正や再送を要求します。
• フロー制御:受信側の機器が受信可能な状態であることを確認し、送信タイミングを調整します。
• フレーム化:ネットワーク層から受け取ったデータを、送受信に適した「フレーム」と呼ばれる単位に分割・整形します。

アクセス制御手順

アクセス制御手順は、フレームを通信回線上に送出するタイミングを管理する手順です。イーサネット（有線LAN）ではCSMA/CD、無線LANではCSMA/CAを利用しています。CSMAは、回線が空いていればいつでも自由にフレームを送信できる方式です。CDは衝突を検知して再送する方式で、CAは衝突を起こさないように制御する方式です。

CSMA/CD

CSMA/CDは、初期のイーサネットで使われていた、複数の端末が共有ケーブルで通信する際の制御方式です。送信前にケーブルが空いているかを確認し（キャリアセンス）、送信中に衝突（コリジョン）が発生した場合は、ランダムな時間待機してから再送信します（衝突検出）。現在は、衝突が起きない全二重通信が主流になったため、この方式は使われていません。 

CSMA/CDの仕組み

• キャリアセンス（Carrier Sense）: データを送信する前に、通信路が他の端末によって使用されていないかを検知します。
• マルチプルアクセス（Multiple Access）: 複数の端末が同じ通信路を共有して使用できる仕組みです。
• コリジョンディテクション（Collision Detection）: 送信中に他の端末とデータが衝突したことを検出し、送信を停止します。
• 再送: 衝突が発生した場合、各端末はランダムな時間待機してから、再度送信を試みます。 

現在の状況

• 半二重通信から全二重通信へ: CSMA/CDは、送信と受信を同時に行えない半二重通信で使われていました。
• 全二重通信の普及: 現在のイーサネットでは、スイッチングハブの普及により、送信と受信を同時に行える全二重通信が主流になりました。
• CSMA/CDの不要化: 全二重通信では送信と受信の衝突が起きないため、CSMA/CDの仕組みは不要となり、使用されなくなりました。 

CSMA/CA

CSMA/CAとは、主に無線LANで使われる通信プロトコルで、複数の端末が同時に通信しようとした際の衝突（コリジョン）を回避する仕組みです。無線通信は信号の衝突を検出できないため、送信前に「チャネルが空いているか」を確認し、空いていればランダムな時間待ってから送信する「先着順の譲り合い」で衝突を防ぎます。 

CSMA/CAの仕組み

• キャリアセンス: 送信前に、データが流れていないか、通信路が空いているかを確認します。
• マルチプルアクセス: 複数の端末が同じチャネルにアクセスします。
• コリジョン回避
  • チャネルが空いていたら、さらにランダムな時間（バックオフ時間）待機します。このランダムな待ち時間により、複数の端末が同時に送信を開始するのを防ぎます。
  • データ送信後、相手からの応答（ACK信号）が返ってこなかった場合は衝突が起きたとみなし、データを再送信します。