【ネットワーク】ＯＳＩ参照モデルの各層の役割

はじめに

はじめに

ネットワークを学び始めると、「OSI参照モデル」という言葉を必ず目にします。しかし、7つも階層があり、それぞれの役割を丸暗記しようとして挫折した経験がある人も少なくありません。実際には、OSI参照モデルは暗記するためのものではなく、「ネットワーク通信を役割ごとに分けて整理する考え方」を理解するためのモデルです。

この記事では、OSI参照モデルが必要になった理由から7階層それぞれの役割、さらに通信時に行われるカプセル化・非カプセル化まで、初心者にも分かりやすく解説します。

OSI参照モデルとは

OSI（Open Systems Interconnection）参照モデルとは、コンピュータ同士が通信を行うために必要な機能を7つの階層へ分割して整理した概念モデルです。ネットワーク通信には、データを作成する処理、宛先を決める処理、誤りを検出する処理、物理的に信号を送る処理など、多くの役割があります。もしこれらすべてを一つの仕組みで実装すると、設計や保守が非常に複雑になります。そこで通信に必要な機能を役割ごとに分割し、それぞれ独立した階層として定義したものがOSI参照モデルです。各階層は自分の役割だけを担当し、隣接する階層とデータを受け渡すことで、複雑な通信を効率よく実現しています。

なぜ7階層に分けるのか

OSI参照モデルでは、通信機能を7つの役割へ分割しています。
このように分割することで、一部の技術だけを変更しても他の階層への影響を最小限に抑えられます。例えば通信媒体をLANケーブルから光ファイバーへ変更した場合でも、アプリケーション側を作り直す必要はありません。また、障害が発生した際にも「どの階層で問題が起きているのか」を切り分けやすくなるため、ネットワークの設計や運用でも非常に役立つ考え方となっています。

OSI参照モデルの7階層

OSI参照モデルは、第7層から第1層まで、それぞれ異なる役割を持っています。

階層	名称	役割
第7層	アプリケーション層	利用者が使用するアプリケーションの通信機能を提供する
第6層	プレゼンテーション層	データ形式の変換や文字コード、暗号化・圧縮を行う
第5層	セッション層	通信開始・終了や通信の管理を行う
第4層	トランスポート層	データを確実に届けるための制御を行う
第3層	ネットワーク層	宛先までの経路を決定する
第2層	データリンク層	隣接する機器同士の通信を制御する
第1層	物理層	電気信号や光信号へ変換してデータを送受信する

それぞれの役割について詳しく見ていきます。

第7層：アプリケーション層

アプリケーション層は、利用者が直接操作するソフトウェアがネットワークを利用するための機能を提供する階層です。Webブラウザでホームページを閲覧したり、メールソフトでメールを送受信したりする処理は、この階層のプロトコルを利用しています。利用者に最も近い階層と考えるとイメージしやすいでしょう。

第6層：プレゼンテーション層

プレゼンテーション層では、送受信するデータ形式を変換します。
送信側と受信側で同じ形式のデータを扱えるように変換したり、文字コードの変換や暗号化、データ圧縮などもこの階層の役割です。通信相手が理解できる形へデータを整える役割を担っています。

第5層：セッション層

セッション層は通信全体の開始・終了を管理する階層です。
通信相手との接続を確立し、必要に応じてデータの送受信を管理し、通信が終了すれば接続を切断します。長時間通信するシステムでは、セッション管理が重要な役割を果たします。

第4層：トランスポート層

トランスポート層では、データが正しく届いたかを確認しながら通信を行います。
途中でデータが失われた場合には再送信を行うなど、通信の信頼性を高める役割があります。代表的なプロトコルにはTCPとUDPがあります。TCPは確実な通信を重視し、UDPは高速性を重視するという違いがあります。

第3層：ネットワーク層

ネットワーク層では、通信相手までどの経路を通ればよいかを決定します。
インターネットでは複数のネットワーク機器を経由して通信するため、最適な経路を選択する機能が必要になります。IPアドレスを利用して通信先を判断するのも、この階層の役割です。

第2層：データリンク層

データリンク層は、同じネットワーク内で隣接する機器同士の通信を担当します。
ネットワーク層が最終目的地までの経路を考えるのに対し、データリンク層は次に接続されている機器へ正しくデータを届ける役割を担っています。LANで利用されるイーサネットも、この階層に分類されます。

第1層：物理層

物理層は、データを実際に送受信する階層です。
コンピュータ内部のビット列を電気信号や光信号、無線信号へ変換し、LANケーブルや光ファイバー、Wi-Fiなどを通じて相手へ送信します。OSI参照モデルの中で唯一、物理的な媒体を扱う階層です。

カプセル化とは

データを送信するときは、アプリケーション層から順番に下位層へデータが渡されます。
その際、各階層では自分の役割に必要な情報をヘッダーとして付加しながら下位層へ受け渡します。このように、データへ必要な情報を順番に付加していく処理をカプセル化（Encapsulation）と呼びます。例えば、配送する荷物に送り状や配送情報を追加していくイメージに近く、それぞれの階層が必要な情報だけを追加していきます。

非カプセル化とは

受信側では送信側とは逆の処理を行います。
物理層で受信したデータは上位層へ渡されるたびに、その階層で使用したヘッダーを読み取り、不要になった情報を取り除いていきます。この処理を非カプセル化（Decapsulation）と呼びます。最終的にはアプリケーション層へ元のデータだけが渡され、利用者が通信内容を利用できるようになります。

物理層だけは少し役割が異なる

第2層から第7層までは、データへヘッダーを追加したり削除したりする処理を行います。一方、第1層である物理層はヘッダーの追加や削除を行いません。物理層の役割は、ビット列を電気信号や光信号、無線信号へ変換し、通信媒体を通じて送受信することです。そのため、物理層はカプセル化や非カプセル化ではなく、「実際に信号を送る役割」を担当している点が他の階層との大きな違いです。