TCP/IP通信の仕組みとは？送信から受信までの流れを分かりやすく解説

はじめに
この記事で分かること
TCP/IP通信ではデータを階層ごとに処理する
送信側でデータをカプセル化する
データはネットワークを1ホップずつ進む
受信側でデータを非カプセル化する
各層でデータの呼び方が変わる
端末からサーバーへ送る例
TCP/IP通信で誤解しやすい点
まとめ
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はじめに

Webサイトの閲覧やメッセージの送信では、アプリケーションが作ったデータがそのまま相手へ届くわけではありません。送信端末ではTCP/IPの各層が必要な情報を順に付け、ネットワークを通過した後、受信端末が逆順に情報を読み取ります。

送信時の処理をカプセル化、受信時の処理を非カプセル化と呼びます。この記事では、送信端末からルーターを経由し、受信側のアプリケーションへ届くまでの流れを解説します。

この記事で分かること

TCP/IP通信を階層ごとに処理する理由
送信時のカプセル化と受信時の非カプセル化
ルーターを通過するときにフレームが作り直される理由
データ、セグメント、パケット、フレームの違い

TCP/IP通信ではデータを階層ごとに処理する

TCP/IP通信では、通信に必要な役割を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ーフェース層へ分けます。各層は必要な情報だけを扱い、処理後のデータを隣の層へ渡します。

アプリケーション層は送る内容を作り、トランスポート層はポート番号などを使って、データを渡す通信先を識別します。インターネット層はIPアドレスで宛先と次ホップを判断し、ネットワークインターフェース層は同じリンク上へ届けるフレームを作ります。

OSI参照モデルとTCP/IPモデルの対応関係は、OSI参照モデルとは？TCP/IPモデルとの違いと7階層の役割で解説しています。本記事では階層名の比較ではなく、実際にデータが移動する順序へ注目します。

送信側でデータをカプセル化する

送信端末では、アプリケーション層からネットワークインターフェース層へ向かってデータを渡します。各層が制御情報をヘッダーなどとして付けるため、下位層へ進むほど通信に必要な情報が加わります。

アプリケーション層でデータを作る

最初に、アプリケーションが文字列、ファイル、サーバーへの要求などのデータを作ります。この段階では、IPアドレスやMACアドレスをデータ本体へ直接書き込むわけではありません。

トランスポート層で通信を識別する

トランスポート層では、TCPまたはUDPがアプリケーションデータを受け取ります。TCPはポート番号、シーケンス番号などを含むヘッダーを付けてTCPセグメントとし、UDPはポート番号、長さ、チェックサムを含むヘッダーを付けてUDPデータグラムとします。両者の違いは、トランスポート層とは？役割とTCP・UDPの違いを分かりやすく解説を参照してください。

インターネット層で宛先と経路を決める

インターネット層ではIPヘッダーを付け、IPパケットとして扱います。送信端末は宛先IPアドレスとルーティングテーブルから、宛先へ直接送るか、ルーターなどの次ホップへ送るかを決めます。詳しくは、IPとは？ネットワーク層の役割やルーティングを初心者向けに分かりやすく解説を参照してください。

ネットワークインターフェース層でフレームに包む

ネットワークインターフェース層では、IPパケットをEthernetなどのフレームへ格納し、同じリンク上の宛先端末または次ホップへ送ります。必要なら、IPv4ではARP、IPv6ではNeighbor Discoveryを使って次ホップのリンク層アドレスを確認します。詳しくは、データリンク層とは？MACアドレスやフレームの役割を分かりやすく解説を参照してください。

最後に、フレームを構成するビット列を電気、光、無線などの信号へ変換して送信します。信号と通信媒体の役割は、物理層とは？OSI参照モデルの基礎と通信方式の重要性を解説で確認できます。

データはネットワークを1ホップずつ進む

送信端末から出たフレームは、L2スイッチやルーターを通って宛先へ進みます。L2スイッチはMACアドレスを基に同じL2ネットワーク内で転送し、ルーターは宛先IPアドレスとルーティングテーブルから次ホップを決めます。

ルーターは受信フレームからIPパケットを取り出し、送出先リンク用の新しいフレームへ包み直します。IPパケットは宛先へ向かって進みますが、Ethernetではフレームの送信元・宛先MACアドレスがリンクごとに変わります。

送信端末でデータをカプセル化し、ルーターでフレームを作り直し、受信端末で非カプセル化するTCP/IP通信の流れ — 図1　TCP/IP通信における送信・中継・受信の流れ

各機器が見る情報と中継範囲の違いは、ネットワーク機器の種類と違い｜OSI階層と役割を分かりやすく解説で整理しています。

受信側でデータを非カプセル化する

受信端末では、ネットワークインターフェース層からアプリケーション層へ向かって処理します。各層は自分が担当するヘッダーを確認し、必要な情報を上位層へ渡します。

フレームを確認してIPパケットを取り出す

ネットワークインターフェース層は、受信フレームが処理対象か、破損がないか、どの上位プロトコルへ渡すかを確認します。条件を満たしたフレームからIPパケットを取り出します。

IPパケットの宛先と上位プロトコルを確認する

インターネット層は宛先IPアドレスを確認し、IPヘッダーの情報からTCP、UDP、ICMPなどの上位プロトコルを識別してデータを渡します。

ポート番号などから対応する通信を識別する

トランスポート層は宛先ポート番号などを使って、受信データを渡す通信先を識別します。TCPでは、送信元・宛先のIPアドレスとポート番号の組み合わせで接続を区別し、シーケンス番号で順序を整えます。確認応答や再送制御を通じて順序どおりのバイト列をアプリケーションへ渡します。受信側が単純な再送要求を送るのではなく、送信側が確認応答や再送タイマーを基に未確認データを再送します。UDPは順序制御や再送制御を提供せず、受信したデータグラムをアプリケーションへ渡します。

各層でデータの呼び方が変わる

処理する層	主な呼び方	付加・確認する主な情報
アプリケーション層	アプリケーションデータ	アプリケーション固有の内容
トランスポート層	TCPセグメント／UDPデータグラム	ポート番号、TCPのシーケンス番号など
インターネット層	IPパケット	送信元・宛先IPアドレスなど
ネットワークインターフェース層	フレーム	リンク上の送信元・宛先アドレスなど
物理的な伝送	信号	電気・光・無線によるビット列の表現

「パケット」は通信データ全般を指す場合もあります。本記事では処理段階を区別するため、セグメントまたはデータグラム、IPパケット、フレームと呼び分けています。

端末からサーバーへ送る例

TCPを使うアプリケーションがサーバーへ文字列を送る場合、送信端末ではTCPセグメント、IPパケット、フレームの順に包みます。ルーターごとにフレームを作り直し、受信サーバーでは逆順に取り出します。最後にTCPが送信元・宛先のIPアドレスとポート番号の組み合わせから対応する接続を識別し、受信したバイト列をアプリケーションへ渡します。

TCP/IP通信で誤解しやすい点

すべての層が同じ宛先情報を見るわけではない
リンク層は同じリンク上の宛先、IPは最終的なIP宛先、トランスポート層はアプリケーションのポート番号を扱います。
EthernetのMACアドレスは通信経路の最後まで固定ではない
ルーターを越えるとリンクが変わるため、フレームの送信元・宛先MACアドレスも次のリンクに合わせて変わります。
TCPの再送は単純な再送要求だけで動くわけではない
確認応答、シーケンス番号、再送タイマーなどを使い、送信側が未確認データを管理します。
カプセル化は暗号化と同じ意味ではない
カプセル化は各層の制御情報を付ける処理であり、通信内容を秘密にする暗号化とは役割が異なります。