ネットワーク講座-TCP/IPプロトコル

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TCP/IPネットワークアーキテクチャとは？†

TCP/IPネットワークアーキテクチャとは、TCPやIPを中心とした、様々なプロトコルの集まりを指しています。
TCP/IPネットワークアーキテクチャは、4つの階層から成っています。

OSI参照モデルとの対応は？†

ネットワークインターフェース層とは？†

TCP/IPのネットワークインターフェース層は、OSI参照モデルの物理層に相当します。
ネットワークインターフェース層に含まれるプロトコルは、

• LANのプロトコル：イーサネット、トークンリングなど
• WANのプロトコル：フレームリレー、ATM、PPPなど
  です。

TCP/IPでは、ネットワークインターフェース層の仕様を特に規定していません。
つまり、TCP/IPのプロトコルは、ネットワークインターフェース層から独立しているので、あらゆるネットワークでTCP/IPを利用した通信を行うことができます。

インターネット層とは？†

TCP/IPのインターネット層は、OSI参照モデルのネットワーク層に相当します。
インターネット層には、TCP/IPの中心的なプロトコルである、IPが含まれています。
IPの他に、ARP、ICMP、OSPFなどのプロトコルも含まれています。

トランスポート層とは？†

TCP/IPのトランスポート層は、OSI参照モデルのトランスポート層とセッション層の一部に相当します。
トランスポート層には、TCPとUDPの二つのプロトコルがあります。

アプリケーション層とは？†

TCP/IPのアプリケーション層は、OSI参照モデルのセッション層の一部、プレゼンテーション層、アプリケーション層とに相当します。
アプリケーション層には、HTTP、DNS、DHCP、SNMP、SMTPなど、数多くのプロトコルが含まれています。

プロトコルの連携によるデータの流れは？†

例えば、WebサーバへアクセスしてWebサイトを見る場合、次のようなプロトコルが連携しています。

http://ascii.jp/elem/000/000/424/424788/index-2.html

http://www.hndtc.co.jp/p090/p090_004_tcpip.html

http://takaq1.plala.jp/contents/jitaku_server/network/network2-7.htm

http://togodb.seselab.org/pukiwiki/Network/%B3%AC%C1%D8%A5%D7%A5%ED%A5%C8%A5%B3%A5%EB%A4%C8TCP/IP.html

階層ごとのデータの名称は？†

TCP/IPネットワークアーキテクチャでは、各階層ごとに、データの呼び名があります。

インターネット層のプロトコルは？†

(1) IPとは？†

IP（Internet Protocol）は、TCP/IPの名前の由来にもなっている、代表的なプロトコルです。
IPによってエンドツーエンドの通信ができます。

IPによって運ばれるデータを、IPパケットと呼びます。
IPパケットには、IPヘッダが含まれています。
IPヘッダの情報によって、ルータが適切なルーティングを行い、エンドツーエンドの通信が可能となります。

http://www.atmarkit.co.jp/fnetwork/tokusyuu/11mpls/mpls01.html
ルータの基本的な動作。
ルータにパケットが到着するたび、ルーティング・プロトコルにより学習したルーティング・テーブルとあて先IPアドレスを参照して、ネクスト・ホップへパケットをフォワーディングする。

IPv4ヘッダフォーマットとは？†

詳細 → IPヘッダ

IPパケットは、IPヘッダとデータ（IPペイロード）で構成されています。

• IPv4のヘッダは、12のフィールドとオプションで構成されています。
• オプションを含まない、12のフィールドだけのIPヘッダ長は、20バイトです。
• オプションが追加された場合でも、必ず4バイト単位で増えるように調整されています。
• IPヘッダ長は、最大で60バイトです。＝オプションは最大で40バイトまで追加できます。

(2) ARPとは？†

詳細 → ARP

ARP (Address Resolution Protocol)は、イーサネットなどのLAN上で、TCP/IP通信を行う際に必要なプロトコルです。

• TCP/IPではIPアドレス
• LANではMACアドレス
  を利用して、通信を行うが、この二つのアドレスはお互いに関連していない。

• 関連していないIPアドレスとMACアドレスを対応させる役割を持つプロトコルがARP
• ARPによって、（MACアドレスの）アドレス解決を行い、イーサネットのフレームを生成シテ、ネットワーク上に送信できる。
• ARPは、ARPリクエストとARPリプライによって、目的のIPアドレスに対応するMACアドレスを求める。

GARPとは？†

詳細 → GARP

自分自身のIPアドレスに対するARPを、Gratuitous ARP（GARP）と呼ぶ。
「Gratuitous」とは「余計な」という意味。

GARPの目的は、主に次の２つ。

• IPアドレスの重複検出
• ARPキャッシュの更新

RARPとは？†

詳細 → RARP

Reverse ARPのこと。ARPと逆の働きをする。

• 機器によっては、電源をオフにするとIPアドレスを保持できない。
• 機器の起動時に、自動的にIPアドレスを取得するためのプロトコルがRARP (Reverse ARP)。
• MACアドレスからIPアドレスを取得する。
• RARPの動作には、RARPサーバの用意が必要。
  あらかじめ、RARPサーバにMACアドレスに対応するIPアドレスを登録しておく。
• RARPクライアントがRARPサーバから、自分のMACアドレスに対応するIPアドレスを取得する。

(3) ICMPとは？†

詳細 → ICMP

• ICMP = Internet Control Message Protocol インターネット制御通知プロトコル
• IPのエラーメッセージや制御メッセージを転送するプロトコル。
• OSI参照モデルでいえば、L3（ネットワーク層）のプロトコル。
• TCP/IPでいえば、インターネット層のプロトコル。

トランスポート層のプロトコルは？†

(1) ポート番号とは？†

詳細 → ポート番号

• ポート番号とは、TCP/IPプロトコルスタックのアプリケーションプロトコルを識別するための識別番号。
• TCPまたはUDPのヘッダに記述され、上位のアプリケーションが何であるかを示す。
• IPアドレスによって目的のホストまで届けたら、次にポート番号によって目的のアプリケーションまでデータを送り届ける。

ポート番号には、

1. ウェルノウンポート（0～1023）
2. ランダムポート（1024～65535）
   の二種類がある。

ウェルノウンポートは、RFC1700で定義されている。

(2) TCPとは？†

詳細 → TCP

• TCP = Transmission Control Protocol
• TCP/IPネットワークアーキテクチャにおけるトランスポート層のプロトコル

TCPの特徴

1. ポート番号を使用して、適切なアプリケーションにデータを送り届ける。
2. コネクション型プロトコルである。
3. 3ウェイハンドシェイクで、TCPコネクションを確立する。
4. 送信データにシーケンス番号を付けて、データの順序制御を行う。
5. 送信データの確認応答がない場合は、エラー発生とみなして、データを再送する再送制御を行う。
6. ネットワークの混雑度合いに応じて、送信するデータ量を調整するフロー制御を行う。

TCPヘッダのフォーマット†

詳細 → TCPヘッダ

• 送信元ポート番号・宛先ポート番号
  送信元のポート番号、宛先のポート番号を格納する。

• シーケンス番号
  送信するデータの順序を示す32ビットの番号。
  → 順序制御

• ACK番号
  データを受信した確認通知と、次に送信を期待するシーケンス番号を通知する。
  送信データに対するACKが返ってこない場合は、再送する。
  → 再送制御 （エラー制御）

• データオフセット
  TCPヘッダの長さ（ヘッダ長）を示す。

• 予約
  未使用領域。

• フラグ
  6ビットのフィールド。
  TCPセグメントの種類を示すビットが格納される領域。

• ウィンドウサイズ
  受信側の一度に受信可能なデータ量。
  送信側に通知する。
  送信側は、ウィンドウサイズを超えないように、データ量を調整する。
  → フロー制御

• チェックサム
  TCPヘッダとデータ部分（ペイロード）のエラーチェックを行うために利用する。

• アージェントポインタ
  URGフラグが立っているときのみ有効で、緊急データの開始位置を示す。

コネクションの確立†

• TCPセグメント1：AからBへの接続要求。
  これは最初のTCPセグメントで、それ以前の受信確認がないため、ACK＝0である。
• TCPセグメント2：BからAへの接続要求（SYN＝1）＋TCPセグメント1に対する応答（ACK＝1）
• TCPセグメント3：AからBへのTCPセグメント2に対する応答（ACK＝1）

3回の挨拶が必要なので、3ウェイハンドシェイクと呼ばれる。

コネクションの切断†

• TCPセグメント1：AからBへの切断要求。
• TCPセグメント2：BからAへの応答。
• TCPセグメント3：BからAへの切断要求。
• TCPセグメント3：AからBへの応答。

双方向に形成しているTCPコネクションの切断は、片方向ずつ行うため、4回の挨拶を交わす。
AとBがお互いにFINフラグ＝1で、相手に対して切断要求を行ってから、TCPコネクションを解放する。
FINによる正常終了ではなく、一方の都合で強制終了したい場合は、RSTフラグ＝1にして送りつける。

(3) UDPとは？†

詳細 → UDP

• UDP ＝ User Datagram Protocol の略。
• TCPと同じくTCP/IPネットワークアーキテクチャのトランスポート層のプロトコル。
• UDPは、コネクションレス型プロトコルで、上位のアプリケーションにデータを渡す以外は、基本的に何もしない。

UDPヘッダのフォーマット†

• TCPヘッダは20バイトだが、UDPヘッダは8バイト。
  オーバーヘッドが小さいので高速。

• 送信元ポート番号・宛先ポート番号
  送信元のポート番号、宛先のポート番号を格納する。
• データグラム長
• チェックサム

UDPの用途†

• TCPは、1対1の通信（ユニキャスト）しかできない。
• UDPは、1対多の通信（マルチキャスト、ブロードキャスト）ができる。

TCPとUDPの信号名†

アプリケーション層のプロトコルは？†

TCPやUDPの上位層（アプリケーション層）で働くプロトコルの代表例。

• HTTP (Hypertext Transfer Protocol ハイパーテキスト転送プロトコル)
  Webアクセスを行うためのプロトコル
  TCPのポート番号は80を使用

• SMTP (Simple Mail Transfer Protocol 簡易メール転送プロトコル)
  電子メールを送信するためのプロトコル
  TCPのポート番号は25を使用

• POP (Post Office Protocol)
  電子メールを受信するためのプロトコル
  TCPのポート番号は、POP2では109、POP3では110を使用

• IMAP (Internet Message Access Protocol)
  電子メールを受信するためのプロトコル
  TCPのポート番号は、IMAP2とIMAP4では143、IMAP3では220を使用

• DHCP (Dynamic Host Configuration Protocol)
  TCP/IPで通信を行うために必要な情報＝IPアドレス、サブネットマスク、デフォルトゲートウェイなど、様々な設定を自動的に取得するためのプロトコル
  UDPのポート番号67、68を使用

• DNS (Domain Name System)
  ホスト名とIPアドレスの対応付けを行うプロトコル
  TCP/UDPのポート番号53を使用

• FTP (File Transfer Protocol)
  ファイル転送を行うためのプロトコル
  TCPのポート番号20、21を使用

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