郵便システムで理解するTCP/IPの4階層

インターネット通信の基盤となるTCP/IPプロトコルは4つの階層に分かれていますが、抽象的で理解しづらい概念です。この記事では、身近な「郵便システム」に例えて各階層の役割と関係性を解説します。

TCP/IPの4階層とは

TCP/IPプロトコルスイートは以下の4つの階層から構成されています：

1. アプリケーション層
2. トランスポート層
3. インターネット層
4. ネットワークインターフェース層

これらの階層がどのように協働してデータを送受信するのか、郵便システムを例に見ていきましょう。

出典：『イラスト図解式 この一冊で全部わかるWeb技術の基本 第2版』（NRIネットコム株式会社 著, SBクリエイティブ, 2024年）

郵便システムに例えるTCP/IPの階層

1. アプリケーション層（町の様々なサービス）

町にある様々なサービスに相当します：

• HTTP: 一般郵便のやりとり
• SMTP: 特定形式の郵便（例：）
• FTP: 大きな荷物の配送
• DNS: 市役所の住所登録サービス

この層では「何をやりとりするか」が決まります。例えば、ウェブページを見る、メールを送る、ファイルを転送するなど、目的に応じた通信形式を選びます。

2. トランスポート層（郵便配達のルール）

配達員が荷物を運ぶ際の方法とルールに相当します：

TCP（信頼性重視の配達）

• 重要な契約書類を配達する場合の方法
• 特徴：
  • 荷物が大きければ番号付きで分割して運ぶ
  • 受取人からサインをもらい、確実に届いたことを確認
  • 一部が紛失したら再配達する
  • 順番通りに届ける

UDP（速度重視の配達）

• 広告チラシなどを配達する場合の方法
• 特徴：
  • とにかく早くポストに投函
  • 届いたかの確認はしない
  • 紛失しても再配達しない
  • 順番は保証されない

3. インターネット層（町の地図と道順）

配達員が荷物をどの経路で届けるかを決める層です：

• IP: 住所システムに相当
  • 「○○町△△番地」という住所（IPアドレス）で配送先を特定
  • 最適な道順（ルート）を選んで配達
  • 道路工事や渋滞があれば迂回路を探す

4. ネットワークインターフェース層（実際の交通手段）

実際にデータを物理的に運ぶ手段に相当します：

• 物理媒体と通信機器：さまざまな郵便配達手段
  • イーサネットケーブル - 専用の高速道路を走るトラック
  • Wi-Fi - 機動性のある配達バイク
  • 光ファイバー - 超高速の新幹線
• MACアドレス：各建物の固有番地
  • 同じネットワーク内での正確な配達先を特定
  • 「○○マンション201号室」のような詳細な宛先
• フレーム：標準化された輸送コンテナ
  • 発送元と配達先の情報が記載されたラベル付き
  • データを適切なサイズに梱包して安全に運搬

この層は、上層で作られた指示や内容（メールや動画など）を、実際の電気信号や光、電波に変換して送信します。

データの流れを郵便局の例で表現

送信側（お客さん）からサーバー（相手）へのデータの流れ:

1. アプリケーション層：お客さんが郵便局のカウンターでサービスを申し込む
   • 「この手紙を東京の田中さんに届けてほしい」
2. トランスポート層：郵便局員が荷物の配達方法を決める
   • 「これは重要書類なので、追跡番号をつけて確実に届けます」（TCP）
   • または「これは急ぎのハガキなので速達で送ります」（UDP）
3. インターネット層：集配センターで住所（IPアドレス）に基づいて配送ルートを決定
   • 「東京まではこのトラック便で送り、そこから都内の配送センターへ」
4. ネットワークインターフェース層：実際に荷物を運ぶ
   • 郵便トラック、バイク、自転車などで物理的に配達

受信側（サーバー）から送信側（お客さん）へのデータの流れ:

1. ネットワークインターフェース層：配達員が荷物を持って到着
2. インターネット層：正しい住所に届いたか確認
   • 「この住所で間違いないですね」
3. トランスポート層：荷物の中身が全て揃っているか確認
   • 「全ての書類が揃っています」（TCP）
   • （UDPの場合は確認せず）
4. アプリケーション層：受取人が荷物の内容を確認して対応
   • 「依頼の内容を理解しました。返信します」

TCPとUDPの実際の使われ方

TCP（確実な配達）が使われるアプリケーション

• ウェブブラウジング（HTTP）
• メール送受信（SMTP, POP3, IMAP）
• ファイル転送（FTP）
• データベース接続

なぜ？：データの正確さが重要、少しの遅延は許容できる場合（例：銀行取引、重要な文書のやり取り）

UDP（高速な配達）が使われるアプリケーション

• ストリーミング動画（YouTube, Netflix）
• オンラインゲーム（反応速度重視）
• VoIP通話（Skype, Zoom）
• DNSルックアップ（ドメイン名解決）

なぜ？：速度が最優先、多少のデータ損失は許容できる場合（例：ライブ配信、オンラインゲーム）

まとめ

TCP/IPの4階層は、私たちの身近な郵便システムと多くの共通点を持っています。アプリケーション層（何を送るか）、トランスポート層（どうやって送るか）、インターネット層（どこへ送るか）、ネットワークインターフェース層（何で送るか）という各階層が連携することで、インターネット上のデータ通信が実現しています。

それぞれの通信の目的や要件に応じて、適切な配達方法（プロトコル）を選ぶことが、効率的で信頼性の高いデータ通信には重要なのです。