通信の階層モデル — 役割ごとの層に分ける

中級では層ごとの代表プロトコルを並べました。ここでは「その層が何を保証し　何を保証しないか」を責務として捉え直します。

• リンク層（L2） — 目の前の1区間だけを運ぶ。宛先は MAC ※1。同一ネットワーク内で「隣の機器へ渡す」ことだけを約束し　遠くのことは知らない
• ネットワーク層（L3） — IPアドレスで「最終的にどのネットワークのどの機器か」を指し　ルータ ※2 がネットワークをまたいで中継する。ただし届く保証はしない（ベストエフォート）
• トランスポート層（L4） — 端末の中のどのアプリかをポート番号で見分け　TCPなら順序と到達まで面倒を見る
• アプリ層（L7） — HTTPやDNSなど　中身の意味を扱う

ここで効いてくるのが L2とL3の分業です。L2のスイッチはMACを見て同一ネット内を転送し　L3のルータはIPを見てネット間を中継します。だから1つのパケットは「ルータからルータへ」IPで大きく運ばれつつ　各区間ではL2フレームに包み直されて隣へ渡される　という二段構えで進みます。

登場人物メモ:

• ※1 MACアドレス — NICに焼かれた機器固有の番号。L2で「目の前の1区間の宛先」を示す。詳しくはNIC
• ※2 ルータ — L3でIPを見てネットワーク間を中継する機器。区間ごとに次の渡し先を決める

中級では「層ごとにヘッダで包む」と見ました。上級では　各ヘッダに何が書かれ　受信側でどう剥がされるかまで追います。

送信側では上から下へ包んでいきます。

1. アプリがデータを作る（例　HTTPの本文）
2. TCPがTCPヘッダを付けてセグメントにする。ここに載るのが送信元・宛先ポートとシーケンス番号（後で順序を直すため）
3. IPがIPヘッダを付けてパケットにする。載るのは送信元・宛先IPとTTL（回り続けを止める寿命）
4. リンク層がフレームにする。載るのは次の1区間の宛先MAC

受信側は逆順に剥がします。各層は相手側の同じ層が付けたヘッダだけを読みます。ルータはL3まで開けてIPを見て次へ回し（TCPの中身は読まない）　スイッチはL2までしか開けません。だから途中の機器は「自分の層の見出し」だけで仕事ができ　上の層の事情を知らずに済むのです。

MTUとMSSもここで理解できます。

• MTU — 1つのL2フレームで運べるデータ量の上限（Ethernetなら概ね1500バイト）
• MSS — 1つのTCPセグメントに載せられる中身の上限。MTUからIPヘッダとTCPヘッダの分を引いた残りとして決まる
• MTUを超えるIPパケットはフラグメント（分割）されるが　分割は効率が悪く途中で詰まる原因にもなる。だからTCPは最初にMSSを決めて「はみ出さないサイズ」で送る

IPは「がんばるが保証しない」層でした。到達も順序も約束しません。その上で確実さを作り出すのがTCPです。土台は3ウェイハンドシェイクで両者の初期シーケンス番号を合わせるところから始まります。

TCPの信頼性は4つの仕掛けの合わせ技です。

• 順序保証 — 各バイトにシーケンス番号が付く。到着順が入れ替わっても受信側は番号順に並べ直す
• 再送 — 受信側は届いた分までをACKで知らせる。送信側は一定時間ACKが来なければ再送する（重複ACKが続けば素早く再送する高速再転送もある）
• フロー制御 — 受信側は「今どれだけ受け取れるか」を受信ウィンドウとして広告する。送信側はそれを超えて送らない。受信側のバッファ溢れを防ぐための仕組み
• 輻輳制御 — 経路の混雑を推測して送信量を加減する。始めは控えめに増やすslow start　その後はAIMD（うまくいけば少しずつ増やし　パケット損失を検知したら大きく減らす）で　経路を壊さない範囲を探る

区別の勘所は「誰を守るか」です。フロー制御は受信側を　輻輳制御は経路を守ります。両方あって初めて　速すぎて相手を溢れさせることも　混雑を悪化させることもなく届けられます。

同じL4でも　TCPの信頼性をあえて捨てるのがUDPです。

• TCP向き — 欠けや順序の乱れが致命的なもの。Webページ・ファイル転送・メール
• UDP向き — 少しの欠けより遅延の小ささが大事なもの。音声・映像通話・オンラインゲーム・DNSの問い合わせ
• なぜ捨てるのか — 再送を待つと古いデータが遅れて届く。通話では「遅れた音」より「今の音」が大事なので　欠けたら諦めて先へ進むほうが良い

つまり信頼性は「常に善」ではなく　用途に応じて選ぶもの。同じIPの上に　性格の違う2つの運び方を用意したのが層モデルの柔軟さです。

層の最大の恩恵は　中級でも触れた独立した差し替えです。上級の語彙で捉え直すと理由がはっきりします。

• 各層は上下と決められた見出し（ヘッダ）だけでやり取りし　中身の詳細に踏み込まない。だから片方を変えても契約が同じなら壊れない
• リンク層を有線からWi-Fiへ変えても　上のIPやTCPは同じ。IPパケットはどんなL2にも「包み直して」運べるから
• 同じIPの上で　TCPとUDPを用途で選べる。L4を差し替えてもL3以下は無関係
• この独立性が　インターネットという「バラバラな機器と回線の集まり」を1つの網として動かす土台になっている

• どの層の問題か切り分けない — 「遅い・繋がらない」の原因がL2（配線）かL3（IP・経路）かL4（ポート・ファイアウォール）かL7（DNS・証明書）かを層で分けて考える
• MTUの不一致 — 経路の途中でMTUが小さい区間があると大きなパケットが通らない。PMTUD（経路MTU探索）が塞がれると通信が詰まる
• ヘッダの分だけ増える — カプセル化で毎回ヘッダが付くので　運ぶ総量は中身より必ず大きい。小さなデータを大量に送るとヘッダの割合（オーバーヘッド）が効いてくる
• 層は地図であって現実そのものではない — 実機では層がきれいに分かれて動くとは限らない。あくまで切り分けと理解のための道具と捉える