OSI参照モデルとは?役割・覚え方を分かりやすく3分で解説

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OSI参照モデルとは、複雑なネットワークの仕組み(通信をするのに必要な機能)を7つの階層に分け、各階層の機能・役割を単純化し理解しやすいようにしたモデルです。

と、説明されてもネットワーク初心者の方にとっては理解しづらいと思うので、このページではできるだけ初心者向けに初歩の初歩からOSI参照モデルについて解説していきます。

最終的には「OSI参照モデルってこういうものだよ」というのを他の人に説明できるようになることを目指します!

このページで学べる内容
  • OSI参照モデルとは?
  • OSI参照モデルの各階層の役割
    • 第1層:物理層
    • 第2層:データリンク層
    • 第3層:ネットワーク層
    • 第4層:トランスポート層
    • 第5層:セッション層
    • 第6層:プレゼンテーション層
    • 第7層:アプリケーション層
  • OSI参照モデルはあくまでもイメージ図である

OSI参照モデルの理解はネットワークを勉強する人にとっての登竜門。これを知らないとネットワークの理解が進みづらくなってしまうため、是非このページでしっかりと理解しておきましょう。

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OSI参照モデルとは?

世界中に張り巡らされたネットワーク(インターネット)の中で、1つのコンピュータと1つのコンピュータが適切な通信を実現するためには、想像以上に複雑な仕組み・ルールが必要になります。アプリケーション間でのデータ転送方法、宛先コンピュータの特定方法、画像や動画ファイルのデータ形式の変換方法など例に挙げるときりがありません。

この複雑なネットワークの仕組みを7階層に分解し、各階層の機能・役割を分かりやすくモデル化したものがOSI参照モデル。難解なインターネットの仕組みも、このOSI参照モデルに当てはめて考えることで、どのようにコンピュータ同士が通信をしているのか?を初心者でも理解することができるようになります。

OSI参照モデルを理解することで、今あなたがこのWebページを読めている仕組みも、世界中の人にメールが届けられる仕組みもきちんと概要を説明することができます。

このページでは、OSI参照モデルの7階層の説明を通して、OSI参照モデルって結局何者なのか?そして、インターネットはどういう仕組みで成立しているのか?各階層の役割は何なのか?をご説明していきます。

OSI参照モデルの各階層の役割

OSI参照モデルの各階層・名称は以下の通り。微妙に色を分けてありますが、色の違いの説明はページ後半で。

OSI参照モデル
OSI参照モデルの覚え方

名称の頭文字を取って上から「あぷせとねでぶ」で暗記するのがポピュラーです!

正直、ただ暗記するのはあまり意味がありません(それだけではネットワークの理解を深めることにはつながりません)。が、しかしIPAの基本情報技術者試験など各種資格試験などでは役に立つかもしれませんので、初心者の方は「あぷせとねでぶ」で覚えておきましょう。

各階層の役割・各階層が規定する内容を上の第1層から順に解説します。複雑なネットワーク通信の世界をどう分解し、切り分け、整理しているのか?という点を念頭に置きながら読み進めてみてください。

第7層のアプリケーション層から説明する場合も多いですが、ここでは理解しやすいようにあえて下から解説します。

OSI参照モデル(第1層):物理層

OSI参照モデル(第1層):物理層

OSI参照モデルの第1層:物理層は、データ通信を行う際にコンピュータ上のデータ(ビット列)を物理的な電気信号(光信号・電波)に変換し、目的のコンピュータに届ける機能・役割を担います。

言い換えると、物理的な電気信号・光信号・電波を利用してコンピュータ同士を通信させる機能を提供するレイヤーです。

コンピュータは全てのデータを「1」か「0」の2進数で保持しています。したがって、これら二進数のデータを実際にLANケーブルなどの伝送媒体を通して他のコンピュータに届けるためには、二進数のデータを電気信号に変換する必要があります。

二進数のビット列から電気信号・光信号・電波への変換方法や電気信号の電圧レベル、LANなどの伝送媒体など電気信号に関するもろもろの機能・役割を提供しているのが物理層

OSI参照モデル(第1層):物理層

物理層で規定される様々なルールを守ってハードウェアが製造されているので、異なるメーカーが作ったコンピュータ同士を異なるメーカーが作ったLANケーブルで繋いで通信することができるのです。

物理層で規定しているルールを無視した場合、インターネットを通じて通信を行うことはできません。

通信を行う際の「電気信号に関するもろもろの機能・役割」を提供しているのが物理層

OSI参照モデル(第2層):データリンク層

OSI参照モデル(第2層):データリンク層

OSI参照モデルの第2層:データリンク層は、LANケーブルなどで直接接続されたコンピュータ同士でデータをやり取りできるようにするためのもろもろの機能を提供します。

電気信号がコンピュータに伝わるだけでは正しく通信ができません。(物理層の約束事を守るだけでは、適切な通信を行うことはできません。)

例えば、LANケーブルで4台のコンピュータがつながっている場合。接続先のコンピュータに電気信号が届いても、果たしてどのコンピュータに対して送信したデータであるかは判別できません。

OSI参照モデル(第2層):データリンク層

データリンク層では、データ転送対象の機器の判別する役割を担います。伝えられた電気信号から二進数を復元し、自分あてのデータだけを受け取ることができるようにするのがデータリンク層の役割です。

また、データ転送時にエラーが発生した場合の対応方法などもこのレイヤーで規定します。データリンク層の規定に沿った通信を行うことで、狙った宛先にデータを適切に届けることが可能になります。

OSI参照モデル(第2層):データリンク層

直接接続された機器同士の通信に関するもろもろの機能・役割を提供するのがデータリンク層

データリンク層:MACアドレス

データリンク層で利用される仕組みの1つ。データの転送先を判別するために利用されるのがMACアドレスです。

MAC(Media Access Control address)アドレスは、ネットワークにつながるすべての機器に割り当てられており、データ通信を行う際にMACアドレスを参照してデータの受け渡し先を特定する働きをします。

MACアドレスがあることで、データをどのコンピュータに送れば良いのか?を判別することができるというわけです。

OSI参照モデル(第3層):ネットワーク層

OSI参照モデル(第3層):ネットワーク層

続いて、第3層:ネットワーク層の説明に移ります。

OSI参照モデルの第3層:ネットワーク層は、 ネットワークとネットワークを相互に通信させる機能・役割を担います。より分かりやすい言い方をすれば、データを最終的な目的地まで送り届ける機能を提供します。

インターネットは、いくつもの「ネットワーク」が相互に接続しあうことで成立しています。

そのため、データを適切に送り届けるには、いくつもの通信機器・ネットワークを経由させる必要があるのです。

LAN同士で直接接続されたコンピュータであれば第3層データリンク層に属するMACアドレスを利用すれば良いのですが、インターネットを通して地球の裏側にあるコンピュータ(これはもちろんLANで直接つながっていない・・・)にデータを届ける場合、MACアドレスの他にも、どのネットワークの中にあるコンピュータなのか?を知る必要があります。

世界中に張り巡らされたどのネットワークどのコンピュータにデータを転送すれば良いか?

インターネット空間における宛先(コンピュータの住所)を管理する方法を規定するのがネットワーク層です。

データを目的地まで送り届けるためのもろもろの規定を行うのがネットワーク層

ネットワーク層:IPアドレス

ネットワーク層で用いられるデータの宛先を示す(インターネットの世界における住所のようなもの)のがIPアドレスInternet Protocol Address)です。IPアドレスという単語は耳にしたことがある方も多いことと思います。

IPアドレスは、インターネットに接続する全てのコンピュータ(スマートフォン)1つ1つに、IPアドレスが割り当てられており、その結果対象のデータを対象のコンピュータに転送することが可能になります。

データリンク層とネットワーク層の違い

これまでの説明だけでは「データリンク層とネットワーク層の違いがよく分からない・・・。」という方もいるかもしれません。ここではその疑問を解消するためのヒントとなるパケット通信についての仕組みをご紹介します。

インターネットの通信方法:パケット通信

インターネット通信はパケット通信と呼ばれる仕組みで行われます。パケット通信では、届けたいデータをひとまとめにして届けるのではなく、届けたいデータを小さな単位で分割して送付します。

インターネット通信はパケット通信と呼ばれる仕組みで行われます。パケット通信では、届けたいデータをひとまとめにして届けるのではなく、届けたいデータを小さな単位で分割して送付します。

もともとは1つのデータを、ある一定の大きさに分割。この分割されたデータをパケットと呼び、インターネットではこのパケットがそれぞれ独立したデータとして宛先に届けられます

パケットを受け取った側は、パケットを順番通りに再度つなぎ合わせて、データを復元。最終的に分割される前と同じデータが受け取り側で再構成される流れです。テキストだけでなく、画像も動画も音楽もパケットとしてネットワーク上を行き来します。

パケットは複数のネットワークを経由して届けられる

分割されたパケットは、MACアドレスとIPアドレスの情報を見ながら最終的な目的地まで届けられるのですが、いきなり目的地には届けられません。先ほどご説明した通り、途中いくつかのネットワークに中継されて目的地まで届けられます。

郵便物も相手の住所に届くまでには、まずは最寄りの郵便局に集荷され、その後地域の中央拠点⇒宛先の拠点⇒宛先の最寄り郵便局・・・と様々な郵便局を経由しますよね。パケット通信もこれと同じです。

このとき、経由地はどこか?をMACアドレスで、最終的な目的地はどこか?をIPアドレスで判別します。言い換えると、経由地(隣接する機器)までのデータ転送はデータリンク層、最終的な目的地までの道案内はネットワーク層の役割であると言えます。

データリンク層とネットワーク層のまとめを再掲します。

直接接続された機器同士の通信に関するもろもろの規定を行うのがデータリンク層

データを目的地まで送り届けるためのもろもろの規定を行うのがネットワーク層

OSI参照モデル(第4層):トランスポート層

OSI参照モデル(第4層):トランスポート層

続いて、第4層:トランスポート層の説明に移ります。

OSI参照モデルの第4層:トランスポート層で提供する役割は、届いたデータが適切なものであるかどうか?(データがしっかり相手に届いているよね?)など、通信の品質担保を行うことです。

物理層・データリンク層・ネットワーク層での決まり事を順守しておけば、対象のデータを相手のコンピュータに届けることが可能になります。ですがそれだけでは、データを送る際に何らかのエラーが起きて、データに破損や欠落が起きてしまった場合には相手のコンピュータと適切な通信が行えません。

第4層ではデータの内容が適切に送られているかどうか?を判定し、もしデータ転送時に何らかのエラーがあれば再送するなどといった役割を提供しています。トランスポート層のおかげで、コンピュータどうしでの適切な通信が可能となるのです。

データの通信制御・品質制御に関するもろもろの役割を担うのがトランスポート層

トランスポート層:ポート番号

そして、トランスポート層にはもう一つ重要な役割があります。それは、コンピュータのどのアプリケーションにデータを届ければ良いか?という判別をすることです。

あなたがメールをしながら動画を見て、同時にExcelなどのファイルを編集できるのは、コンピュータ内部では複数のアプリケーションが動いているためです。したがって、送られてくるデータも「どのアプリケーションのデータ」なのか?を判別する必要があります。

ネットワーク層以下の仕組みで、どのコンピュータにデータを届ければ良いか?という判定をすることは可能になりましたが、どのアプリケーションにデータを届ければ良いか?という点を判定することはできません。

アプリケーションどうしが適切に通信するための役割を担うのも、実はトランスポート層なのです。

通信することができるのは、トランスポート層のおかげなのです。

アプリケーションの識別を行う際には、アプリケーションごとに決められたポート番号を参照しに行きます。IPアドレスが住所であるとするなら、ポート番号は部屋番号のようなもので、ポート番号があるからこそ、メールデータをきちんとメールサーバーに届けることができるのです。

種類現実世界で例えると・・・
IPアドレス住所東京都千代田区永田町1−1−1
ポート番号部屋番号101号室

OSI参照モデル(第5層):セッション層

OSI参照モデル(第5層):セッション層

OSI参照モデルの第5層:セッション層では、 通信の開始から終了までの一連のデータのやりとりを管します。

日常生活を例にすると、例えばあなたが誰かに電話をするとき普通何らかの挨拶から会話を始めますよね。その後に本題を話し、最後に「ありがとうございました!」で通話が終了するはずです。

第5層のセッション層では、このような電話でのやり取りのようにデータの通信が適切なお作法で正常に行えるように、通信の開始から終了までのルールを提供します。

もし、セッション層が会話の手順を決めていない場合相手にデータは届くのですが、一連の意味ある通信が行えなくなります。データを相手にいきなり送り付けても、相手がまだ受け取る準備をしていなかったり、何のデータが送られてきたのかを判別できなかったりします。

セッション層は、相手と会話する上でのルール・お作法を提供する役割を担います。

データ通信の一連の流れ・手順を管理する役割を担うのがセッション層

OSI参照モデル(第6層):プレゼンテーション層

OSI参照モデル(第6層):プレゼンテーション層

OSI参照モデルの第6層:プレゼンテーション層では、コンピュータどうしのデータ形式の違いを吸収し、コンピュータ上でデータを正しく表現する役割を提供します。

コンピュータは世界各国のあらゆるメーカーによって製造されているため、同じ文字を表すデータでもコンピュータによって微妙に表現が異なります。

もし、このとき異なるメーカーのコンピュータどうしが通信してしまうと、相手にしっかりと内容を伝えることができません。

プレゼンテーション層の役割は、このデータ形式の差異を吸収する(つまり、お互いのコンピュータにとって理解できる共通言語に変えてあげる)役割を担います。

メールやWebブラウザでたまに発生する文字化け。まさにあれはプレゼンテーション層が正常に機能していない例です。データを「正しい順番で」「正しい宛先に」届けることができても、コンピュータが理解できなければ意味がありません。

データの表現形式の差異を吸収するためのもろもろの役割を担うのがプレゼンテーション層

OSI参照モデル(第7層):アプリケーション層

OSI参照モデル(第7層):アプリケーション層

いよいよ最後の第7層です。

OSI参照モデルの第7層:アプリケーション層では、ユーザが実際に利用するソフトウェアの中でネットワーク通信に関わる部分の役割を担います。

より具体的な例で説明すると、例えばメールを相手に届けるためには、メールの宛先やメール本文を書いた後に「メール送信ボタン」をクリックしますよね。この「メール送信ボタン」を押すまでは、ソフトウェアがその役割を担いますが、「メール送信ボタン」を押した後は第7層:アプリケーション層が実際のメールデータ送信の役割を担います。

アプリケーションごと(メール送受信 / ファイル転送 / Webブラウザなど)に、どういった仕組みでデータを送れば良いか?が異なります。これらの個々の規定を行うのがアプリケーション層の役割です。

各アプリケーションの通信に関わる部分のもろもろの役割を担うのがアプリケーション層

OSI参照モデルはネットワークの「イメージ図」

それぞれ第1層~第7層までの役割を解説してきました。

OSI参照モデルはあくまでもネットワークのイメージ図にすぎません。現在のインターネットはこのイメージ図をもとに、各階層で細かく様々な規定(プロトコル)を規定しています。実際に、ネットワークエンジニアとして活躍するには、それらプロトコルの中身を詳細に把握しておく必要があるので、OSI参照モデルを学んだだけではまだインターネットの実態をつかめたわけではないかもしれません。

しかし、OSI参照モデルの理解なしで、インターネットの仕組みを完全に把握することは困難であり、ほとんどのネットワークエンジニアもこのOSI参照モデルから勉強を始めているのは事実。

是非、このページの内容を理解できるように、何度も復習をしておきましょう。

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