ネットワーク

ネットワーク とは、複数のコンピュータやデバイスを接続し、データを相互にやり取りできるようにした仕組みです。ネットワークはその規模によって大きく2種類に分かれます。

• LAN（Local Area Network） — 同一建物内やフロア内など、限られた範囲のネットワーク。高速通信が可能で、企業や家庭内で利用される
• WAN（Wide Area Network） — 地理的に離れた拠点間を結ぶネットワーク。電気通信事業者の回線を利用してLAN同士を接続する

インターネットは世界中のネットワークを相互接続した巨大なWANであり、ISP（Internet Service Provider） を通じて一般ユーザーが接続します。

ネットワーク通信では、データのやり取りを統一するために プロトコル（通信規約） が必要です。プロトコルはデータの形式・送受信の手順・エラー処理方法などを定義し、異なるメーカーの機器同士でも通信できるようにします。

OSI参照モデル は、ネットワーク通信の機能を7つの階層に分けて整理した国際標準モデルです。各層は独立した役割を持ち、上位層は下位層のサービスを利用します。

層	名前	役割	代表的なプロトコル
第7層	アプリケーション層	ユーザーが直接利用するサービスの提供	HTTP, SMTP, FTP, DNS
第6層	プレゼンテーション層	データの表現形式（文字コード、暗号化）の変換	JPEG, SSL/TLS
第5層	セッション層	通信の開始・維持・終了の管理	—
第4層	トランスポート層	端末間の信頼性ある通信の制御	TCP, UDP
第3層	ネットワーク層	異なるネットワーク間の経路選択（ルーティング）	IP, ICMP
第2層	データリンク層	同一ネットワーク内の隣接機器間のデータ転送	Ethernet, Wi-Fi
第1層	物理層	電気信号・光信号によるビット列の伝送	—

なぜ階層化するのか？ 各層が独立しているため、ある層の技術を変更しても他の層に影響を与えません。例えば、有線LAN（第1〜2層）を無線LANに切り替えても、上位層のHTTPやTCPはそのまま動作します。分業と互換性を実現するための設計です。

カプセル化 は、データが送信される際の重要な仕組みです。送信時にはアプリケーション層のデータに各層のヘッダ（制御情報）が順に付加されていきます（例: アプリデータ → TCPヘッダ追加 → IPヘッダ追加 → イーサネットヘッダ追加）。受信時は逆に、各層でヘッダを順に取り除いて元のデータを復元します。各層が自分のヘッダだけを処理すればよいため、層ごとの独立性が保たれます。

実際のインターネットでは、OSI参照モデルを簡略化した TCP/IPモデル（4層） が広く使われています。

TCP/IPモデル	対応するOSI層	主な役割
アプリケーション層	第5〜7層	ユーザー向けサービス（HTTP, DNS等）
トランスポート層	第4層	端末間の通信制御（TCP, UDP）
インターネット層	第3層	IPアドレスによる経路制御
ネットワークインタフェース層	第1〜2層	物理的な接続とフレーム送受信

OSI参照モデルは通信を学ぶための理論的な参照モデルであり、TCP/IPモデルはインターネットで実際に使われているプロトコル体系です。

インターネット上で通信するには、各機器を一意に識別する IPアドレス が必要です。IPアドレスには2種類あります。

• IPv4 — 32ビットのアドレス。「192.168.1.1」のように8ビットずつ4つに区切って10進数で表記する。約43億個のアドレスが割り当て可能だが、インターネットの普及により枯渇が問題となっている
• IPv6 — 128ビットのアドレス。「2001:0db8::1」のように16ビットずつ8つに区切って16進数で表記する。事実上無限に近い数のアドレスを利用できる

IPv4アドレスは ネットワーク部 と ホスト部 に分かれます。どこまでがネットワーク部かを示すのが サブネットマスク です。

項目	例
IPアドレス	192.168.1.100
サブネットマスク	255.255.255.0
ネットワーク部	192.168.1（先頭24ビット）
ホスト部	100（末尾8ビット）

IPアドレスには用途別の分類があります。

• グローバルIPアドレス — インターネット上で一意に割り当てられたアドレス。世界中で重複しない
• プライベートIPアドレス — LAN内でのみ使用するアドレス。インターネットに直接接続できない

プライベートIPアドレスの範囲:

クラス	アドレス範囲
クラスA	10.0.0.0 〜 10.255.255.255
クラスB	172.16.0.0 〜 172.31.255.255
クラスC	192.168.0.0 〜 192.168.255.255

LAN内の機器がインターネットに接続する際は、NAT（Network Address Translation） によってプライベートIPアドレスをグローバルIPアドレスに変換します。複数の端末が1つのグローバルIPアドレスを共有する仕組みを NAPT（IPマスカレード） と呼びます。

なぜ NAT/NAPT が必要か？ IPv4アドレスは約43億個しかなく、世界中のデバイス数に対して圧倒的に不足しています。NAPTを使えば、1つのグローバルIPアドレスを家庭やオフィス内の複数端末で共有でき、IPアドレス枯渇の問題を緩和できます。NAPTはIPアドレスに加えてポート番号も変換することで、複数端末の同時通信を実現します。

ネットワーク層で重要な補助プロトコルも押さえておきましょう。

• ARP（Address Resolution Protocol） — IPアドレスからMACアドレスを調べるプロトコル。同じネットワーク内で通信する際、宛先のMACアドレスが必要になるため、ARPで問い合わせを行う
• ICMP（Internet Control Message Protocol） — ネットワーク診断用のプロトコル。ping コマンドはICMPのecho request/replyを使って、相手先への通信が可能かどうかを確認する

インターネットを支える主要なプロトコルとサービスを整理します。

プロトコル/サービス	役割	ポート番号
HTTP	Webページの転送（暗号化なし）	80
HTTPS	Webページの転送（SSL/TLSで暗号化）	443
DNS	ドメイン名とIPアドレスの変換	53
DHCP	IPアドレスの自動割り当て	67/68
SMTP	メールの送信	25
POP3	メールの受信（ダウンロード型）	110
IMAP	メールの受信（サーバ管理型）	143
FTP	ファイルの転送	20/21
NTP	時刻の同期	123

ポート番号 は、同一IPアドレス内でどのアプリケーションに通信を振り分けるかを決める番号です。0〜65535の範囲があり、0〜1023は ウェルノウンポート と呼ばれ、標準サービスに割り当てられています。

DNS（Domain Name System） は、人間が覚えやすいドメイン名（例: example.com）をIPアドレス（例: 93.184.216.34）に変換する仕組みです。名前解決 とも呼ばれます。

DNS の名前解決プロセスを具体的に見てみましょう。ブラウザが「www.example.com」にアクセスする場合: (1) まずローカルDNSキャッシュを確認 → (2) キャッシュになければキャッシュDNSサーバーに問い合わせ → (3) ルートDNSサーバー → (4) .com DNSサーバー → (5) example.com DNSサーバー → (6) IPアドレスが返される、という段階を経て名前解決が行われます。

DHCP（Dynamic Host Configuration Protocol） は、ネットワークに接続した機器にIPアドレスを自動的に割り当てるプロトコルです。家庭のWi-Fiルータには通常DHCPサーバ機能が内蔵されており、スマートフォンやPCが接続するたびにIPアドレスが自動的に配布されます。

なぜ DHCP が必要か？ 数百台のPCに手動でIPアドレスを割り当てるのは非現実的で、アドレスの重複ミスも起きやすくなります。DHCPで自動化することで管理の手間とミスを大幅に削減できます。

トランスポート層で使われる TCP と UDP の違いも重要です。

項目	TCP	UDP
正式名称	Transmission Control Protocol	User Datagram Protocol
信頼性	高い（確認応答あり）	低い（確認応答なし）
速度	比較的遅い	高速
用途	Web閲覧(HTTP)、メール(SMTP)、ファイル転送(FTP)	DNS問い合わせ、動画ストリーミング、VoIP（音声通話）

TCP は確認応答（ACK）によりデータの到達を保証するため、欠落が許されないWeb閲覧やメール送信に使われます。UDP は確認応答を省略することで高速性を実現し、多少のデータ欠落より速度・リアルタイム性が重要な動画配信やVoIPに適しています。DNSの問い合わせも小さなデータを素早くやり取りするためUDPを使います。

LAN（Local Area Network）は同一建物内やフロア内など、限られた範囲で構築されるネットワークです。LANの接続方式は大きく 有線LAN と 無線LAN に分かれます。

有線LANの代表的な規格が イーサネット（Ethernet、IEEE 802.3） です。ツイストペアケーブル（LANケーブル）や光ファイバケーブルを使用して接続します。

規格名	通信速度	ケーブル種類
10BASE-T	10Mbps	ツイストペアケーブル
100BASE-TX	100Mbps	ツイストペアケーブル
1000BASE-T	1Gbps	ツイストペアケーブル
10GBASE-T	10Gbps	ツイストペアケーブル
1000BASE-SX/LX	1Gbps	光ファイバケーブル

イーサネットでは MACアドレス（物理アドレス） を使って同一ネットワーク内の機器を識別します。MACアドレスは48ビットで、各ネットワーク機器に固有の値が製造時に割り当てられます。

無線LAN は電波を使ってデータ通信を行う技術で、一般に Wi-Fi というブランド名で知られています。無線LANの規格はIEEE 802.11シリーズとして標準化されています。

規格	世代名	最大速度	周波数帯
IEEE 802.11b	—	11Mbps	2.4GHz
IEEE 802.11a	—	54Mbps	5GHz
IEEE 802.11n	Wi-Fi 4	600Mbps	2.4GHz / 5GHz
IEEE 802.11ac	Wi-Fi 5	6.9Gbps	5GHz
IEEE 802.11ax	Wi-Fi 6/6E	9.6Gbps	2.4GHz / 5GHz / 6GHz

周波数帯の特徴として、2.4GHz帯 は波長が長いため障害物を回り込みやすく到達距離が長い一方、電子レンジやBluetooth等と周波数が重なるため干渉を受けやすいです。5GHz帯 は波長が短く高速通信が可能で干渉も少ないですが、障害物に弱く到達距離が短い特徴があります。用途に応じた使い分けが重要です。

無線LANに接続する際は、SSID（Service Set Identifier） でアクセスポイントを識別します。SSIDはネットワーク名として表示され、接続先を選択するために使います。

セキュリティ面では、無線LANの通信を暗号化する方式が進化してきました。

暗号化方式	セキュリティ強度	説明
WEP	非常に弱い	初期の暗号化方式。脆弱性が発見され、現在は使用非推奨
WPA	弱い	WEPの改良版。一時的な鍵を使うTKIPを採用
WPA2	強い	AES暗号を採用。長年の標準方式
WPA3	非常に強い	最新の暗号化方式。SAEプロトコルでパスワードをネットワーク上に送信せず、辞書攻撃にも強い

現在は WPA3 の利用が推奨されています。また、企業向けには認証サーバを使った WPA2/WPA3-Enterprise モードも利用されます。

無線LAN以外にも、近距離無線通信技術があります。

技術	通信距離	主な用途
Bluetooth	約10m〜100m	ワイヤレスイヤホン、キーボード、マウス
NFC	約10cm以内	ICカード（交通系）、非接触決済、機器のペアリング
IrDA（赤外線）	数m以内	リモコン（現在はほぼ使われない）
Zigbee	約10m〜100m	IoTセンサ、スマートホーム機器

Bluetooth はバージョン5.0以降で通信速度と範囲が大幅に改善され、IoT機器にも広く利用されています。NFC（Near Field Communication） は非常に短い距離での通信で、交通系ICカードや電子決済に使われます。

LANの接続形態（トポロジ）には、スター型（ハブを中心に放射状に接続）、バス型（1本の幹線に接続）、リング型（環状に接続）があり、現在はスター型が主流です。

ネットワークを構築・運用するためには、さまざまな機器が使われます。各機器はOSI参照モデルの特定の層に対応した機能を持っています。

機器名	OSI層	役割
リピータ/ハブ	第1層（物理層）	電気信号を増幅・中継する。受信した信号をすべてのポートに転送（ブロードキャスト）
スイッチ（L2スイッチ）	第2層（データリンク層）	MACアドレスを基に、宛先のポートにのみフレームを転送する
ルータ	第3層（ネットワーク層）	IPアドレスを基に、異なるネットワーク間のデータ転送（ルーティング）を行う
L3スイッチ	第3層（ネットワーク層）	スイッチにルーティング機能を追加した高速なネットワーク機器
アクセスポイント（AP）	第2層（データリンク層）	無線LAN端末をネットワークに接続するための中継装置

ネットワークのセキュリティと効率を高めるために、以下のような装置やサービスが利用されます。

ファイアウォール は、内部ネットワークと外部ネットワーク（インターネット）の間に設置し、不正な通信を遮断する装置です。通信のルール（パケットフィルタリング）を設定し、許可された通信のみを通過させます。

プロキシサーバ は、内部ネットワークのクライアントに代わってインターネットにアクセスする中継サーバです。キャッシュによる高速化、アクセスログの管理、有害サイトのフィルタリングなどの機能を持ちます。

VPN（Virtual Private Network） は、インターネット上に仮想的な専用回線を構築する技術です。暗号化によって通信内容を保護し、遠隔地からでも安全に社内ネットワークにアクセスできます。

技術/サービス	主な機能
ファイアウォール	不正な通信の遮断（パケットフィルタリング）
IDS/IPS	不正侵入の検知（IDS）と防止（IPS）
WAF	Webアプリケーションへの攻撃を防御
プロキシサーバ	中継・キャッシュ・フィルタリング
VPN	インターネット上の仮想専用回線
DMZ	外部公開サーバを置く非武装地帯

近年のネットワークサービスとして、以下も重要です。

CDN（Content Delivery Network） は、Webコンテンツを世界中のサーバに分散配置し、ユーザーに最も近いサーバからコンテンツを配信する仕組みです。表示速度の向上とサーバ負荷の分散を実現します。

負荷分散（ロードバランシング） は、複数のサーバにアクセスを振り分けて、特定のサーバに負荷が集中するのを防ぐ技術です。ロードバランサ という機器やサービスを使って実現します。

SDN（Software-Defined Networking） は、ネットワークの構成や設定をソフトウェアで集中管理する技術です。物理的な配線を変更せずに、ネットワークの構成を柔軟に変更できます。クラウド環境での仮想ネットワーク構築にも活用されています。

クラウドネットワーク では、VPC（Virtual Private Cloud）としてクラウド上に仮想的なプライベートネットワークを構築し、サブネットやファイアウォールルールを設定して運用します。