TCP接続開始の3往復ではなく3メッセージ

Webページを開くとき、IPアドレス、ポート番号、MACアドレスはそれぞれ何を指定するのでしょうか？

階層ごとに担当する役割が違います。通信が包まれる順序から、TCPとUDP、代表的なサービスのポート番号を整理します。

なぜ階層化するのか？OSI 7階層とTCP/IP 4階層の対照表

通信機能を独立した階層に分割（モジュール化）することで、「物理的な回線が変わっても上位のWebブラウザはそのまま動作する」「新プロトコルの開発や障害切り分けが容易になる」という絶大なメリットが生まれます。

TCP接続開始の3往復ではなく3メッセージ

SYNはシーケンス番号を一つ消費するため、確認番号に1を加えます。

OSI 7階層	TCP/IP 4階層	階層の役割・主な機能	代表的プロトコル / 伝送単位
7. アプリケーション層	アプリケーション層	利用者のアプリケーション（ブラウザやメール）に特化したサービスを提供。	HTTP, HTTPS, DNS, SMTP, POP3, SSH / データ
6. プレゼンテーション層	↑	文字コード変換、データ圧縮、暗号化などデータ表現形式の統一。	ASCII, Unicode, SSL/TLS, JPEG
5. セッション層	↑	通信プログラム間の論理的な対話（セッション）の開始・維持・終了を管理。	RPC, NetBIOS
4. トランスポート層	トランスポート層	アプリケーション間の配送を担当し、ポートで通信を識別する。信頼性の仕組みはTCPとUDPで異なる。	TCP, UDP / セグメント（TCP）, データグラム（UDP）
3. ネットワーク層	インターネット層	エンドノード間のルーティング（最適経路選択）と論理アドレス管理。	IP (IPv4/IPv6), ICMP / パケット。ARPは隣接ネットワークのアドレス解決を支える。
2. データリンク層	ネットワークインタフェース層	隣接する機器の間でフレームを届け、誤り検出などを行う。再送を必ず保証するわけではない。	Ethernet (IEEE 802.3), Wi-Fi, ARP, MACアドレス / フレーム
1. 物理層	↑	電圧の高低や光信号、電波などの物理的電気信号の変換とピン仕様。	LANケーブル (UTP), 光ファイバ, コネクタ / ビット列

カプセル化（Encapsulation）と非カプセル化のデータフロー

送信側端末でデータが上位層から下位層へと渡される際、各層の制御情報が「ヘッダー」として順次外側に付加されていくプロセスを「カプセル化」と呼びます。受信側では逆に下位層からヘッダーが剥がされていく「非カプセル化」が行われます。

アプリケーション層：送信したい生データ（HTMLリクエストやメッセージ本文）を生成。
トランスポート層：送信元・宛先の「ポート番号」やシーケンス番号を含む「TCPヘッダー」を付与（セグメント化）。
ネットワーク層：送信元・宛先の「IPアドレス」を含む「IPヘッダー」を付与（パケット化）。
データリンク層：送信元・宛先の「MACアドレス」や誤り検出符号（FCS）を含む「イーサネットヘッダー/トレーラ」を付与（フレーム化）。
物理層：フレームを電気信号・光パルス・電波（ビット列 0/1）に変換して物理媒体へ送出。

ルーターは「第3層（ネットワーク層）」でパケットヘッダーのIPアドレスを見て次の転送先（ネクストホップ）を決定し、スイッチ（L2スイッチ）は「第2層（データリンク層）」でMACアドレステーブルを参照してフレームを中継します。

トランスポート層の核心：TCP（信頼性重視） vs UDP（高速性重視）

TCPは再送や順序制御を提供し、UDPはそれらを標準では提供しません。UDPの上にアプリケーションが信頼性や暗号化を実装することもあります。

比較項目	TCP (Transmission Control Protocol)	UDP (User Datagram Protocol)
通信方式	コネクション型（通信路を確立してから送受信）	コネクションレス型（相手の準備を待たずに一方的に送信）
信頼性	極めて高い（到達確認、順序制御、再送制御あり）	保証なし（パケットの紛失や順序の逆転が起きうる）
通信速度・負荷	ヘッダー20バイト以上、ハンドシェイクのオーバーヘッド大	ヘッダー8バイト固定。再送・順序制御はUDP自体にはない。必ずTCPより速いとは限らない。
主な用途・サービス	Web閲覧 (HTTP/HTTPS)、ファイル転送 (FTP)、電子メール (SMTP/POP3)	動画配信、音声通話 (VoIP)、DNS名前解決、NTP時刻同期、DHCP

TCPの3ウェイハンドシェイク（3-Way Handshake）

TCPではデータ通信を開始する前に、クライアントとサーバ間で以下の3ステップのやりとりを行い、互いのシーケンス番号（Seq）と受信確認応答番号（Ack）を同期します。

クライアント → サーバ：SYNパケット（接続要求、初期Seq番号 x を通知）
サーバ → クライアント：SYN/ACKパケット（接続承諾、初期Seq番号 y と Ack番号 x+1 を通知）
クライアント → サーバ：ACKパケット（最終確認、Ack番号 y+1 を返送してコネクション確立完了！）

主要プロトコルと必須ポート番号（Well-Known Ports）

ポート番号は0〜65535です。0〜1023はシステムポートの範囲で、全番号が割当て済みという意味ではありません。番号だけでは実際の通信内容を断定できません。

ポート番号	プロトコル	使用トランスポート層	プロトコルの概要と役割
20 / 21	FTP	TCP	21番は制御用。20番はアクティブモードのサーバ側データ転送に使う。パッシブモードでは別のポートを使う。
22	SSH	TCP	暗号化された安全なリモートログイン・コマンド実行環境。
25	SMTP	TCP	主にメールサーバ間の転送。クライアントからの投稿には587や、暗黙TLSの465などを使う。
53	DNS	UDP / TCP	DNSの53番はUDPとTCP。応答が大きい場合の再問合せやゾーン転送などでTCPも使う。
67 / 68	DHCP	UDP	クライアントへIPアドレス等のネットワーク設定を自動配布（67: サーバ、68: クライアント）。
80	HTTP	TCP	Webページ（HTML等）を平文で送受信する標準プロトコル。
110	POP3	TCP	メールサーバからクライアント端末へメールを受信・ダウンロード。
123	NTP	UDP	ネットワーク経由で機器の内部時計を協定世界時（UTC）へ正確に時刻同期。
143	IMAP4	TCP	メールをサーバ上で一元管理・閲覧するプロトコル（複数端末間での同期が容易）。
443	HTTPS	TCP / UDP（HTTP/3）	TLSで保護するWeb通信。HTTP/1.1・HTTP/2はTCP、HTTP/3はQUIC over UDPを使用。

実戦演習問題とステップ別解説

問1：OSI参照モデルとネットワーク中継機器の対応

OSI基本参照モデルのネットワーク層（第3層）で動作し、IPアドレスに基づいて異なるネットワーク間のパケット中継および経路選択（ルーティング）を行う機器はどれか。

ア
リピータ
イ
ブリッジ（L2スイッチ）
ウ
ルーター（L3スイッチ）
エ
ゲートウェイ

【正解】ウ

正解はウです。リピータは物理層で信号を中継します。L2スイッチはデータリンク層でMACアドレスを見ます。ルーターはネットワーク層でIPアドレスを見て経路を選びます。プロキシ等は上位の処理を担当します。

「ゲートウェイ」は文脈によってルーターを指すこともあるため、機能の説明を確認します。

問2：トランスポート層プロトコルの選択

リアルタイム性が極めて重視されるWeb会議システムやVoIP音声通話において、トランスポート層プロトコルとしてUDPが選定される理由として、最も適切なものはどれか。

ア
データの暗号化機能が標準で組み込まれており、盗聴を防げるため。
イ
再送制御や順序制御のオーバーヘッドがなく、パケットの伝送遅延を最小限に抑えられるため。
ウ
パケットが途中で消失した場合に、直ちに完全な自動再送が行われるため。
エ
通信開始時に3ウェイハンドシェイクを行い、相手端末との強固な同期が確立されるため。

【正解】イ

イが適切です。UDP自体に再送待ちや順序待ちがないため、遅れたデータを捨てて新しいデータを優先する設計に向きます。通信速度や遅延を保証するわけではなく、アプリ側で損失対策や暗号化を組み合わせます。

ルーターを越えると何が変わるのか

Ethernetでは、ルーターを越えるごとに次の区間のフレームに包み直され、送受信MACアドレスが変わります。IPアドレスは通常エンド間の端末を示しますが、NATでは変換されます。TTLなども中継で更新されます。

OSIとTCP/IPの対応は、役割を理解するための目安です。TLSやARPをOSIの一つの層に厳密に固定できる、と考える必要はありません。

出典と仕様を確認する

IPA：FEシラバス Ver.9.2

RFC 9293：TCP

RFC 9114：HTTP/3

RFC 7766：DNS over TCP

ネットワーク階層モデルとプロトコル：OSI7階層・TCP/IPとポート番号の通信体系