カプセル化によってデータが包まれる仕組み

データを送信するためにプロトコルスタックを下へ進めると、各層が独自の制御情報を追加します。この処理をカプセル化と呼びます。手紙を封筒に入れ、さらに大きな封筒に入れ、最後に郵便袋に入れるように、各層は反対側にある対応する層向けのヘッダーでデータを包みます。カプセル化によって、階層モデルは実際にデータをネットワークへ送れる形に準備します。

各層が追加する情報の大部分はヘッダーです。これはペイロードの前に置かれる小さな制御データのまとまりです。ヘッダーは受信側の対応する層に対して、データの扱い方、宛先、使用するプロトコルなどを伝えます。層によっては、データの後ろにトレーラーを追加することもあります。ヘッダーは、データを正しく届けるための指示です。

カプセル化はアプリケーション層から始まります。ここで、Webリクエストなどの実際のデータが作成されます。このデータは、旅を始めるためにトランスポート層へ渡されます。最初の段階では、データはメッセージそのものであり、ネットワーク用のヘッダーは付いていません。データがスタックを下へ進み、通信回線へ近づくにつれて、各下位層が必要な情報を追加します。

トランスポート層では、ポート番号と、TCPの場合はシーケンス情報や確認応答情報を含むヘッダーが追加されます。データとこのヘッダーを合わせたものは、TCPではセグメント、UDPではデータグラムと呼ばれます。このヘッダーによって、データは正しいアプリケーションに届き、TCPでは相手側に確実かつ順序どおりに到着します。

次に、インターネット層が送信元と宛先のIPアドレスを含むIPヘッダーを追加します。その結果はパケットと呼ばれます。このヘッダーにより、ルーターはデータをネットワーク間で正しい機器まで運べます。トランスポート層のセグメントはパケットの内部に包まれ、IP層にとってはペイロードとして隠れています。IP層が読むのは自分自身のヘッダーだけです。

最後に、リンク層がMACアドレスを含むヘッダーと、エラーチェック用のトレーラーを追加し、フレームを作成します。フレームは、ビット列として実際にケーブルや電波上へ送られるものです。各層が自分のラッパーを追加することで、元のデータは完全にカプセル化され、ローカルの伝送媒体を通じて送信できる状態になります。

包まれたデータは、各段階で異なる名前を持ち、まとめてプロトコルデータユニットと呼ばれます。その変化は、データ（アプリケーション層）、セグメント（トランスポート層）、パケット（インターネット層）、フレーム（リンク層）です。これらの名前を知っていれば、どの層について話しているかをすぐに判断できます。「パケット」と言えばインターネット層、「フレーム」と言えばリンク層を指します。

各層では、上位層から渡されたデータがペイロードになり、その前に新しいヘッダーが追加されます。各層は上位層から来たものをすべて内容を意識しないペイロードとして扱い、自分自身のヘッダーだけを処理します。各層が内部の詳細を無視するこの入れ子構造によって、層同士が独立し、設計がすっきり保たれます。

受信側の機器では、デカプセル化と呼ばれる逆の処理が行われます。データがスタックを上へ進むと、各層が自分自身のヘッダーを読み取って削除し、ペイロードを上位層へ渡します。リンク層がフレームを取り除き、インターネット層がIPヘッダーを取り除くというように処理が進み、最後に元のデータがアプリケーションへ届きます。下へ包み、上へほどきます。

カプセル化があるからこそ、階層化されたネットワークは実際に機能します。各層は自分自身のヘッダーだけを使って役割を果たしながら、上位層を変更せずに運べます。そのため、ある層を変更しても他の層を壊さずに済み、ネットワークの問題がヘッダーに潜んでいることも多くなります。適切な層のヘッダーを読み取ることは、トラブルシューティングの基本的なスキルです。

カプセル化では、データが下へ進む各層でヘッダー（場合によってはトレーラー）が追加されます。データはセグメントになり、次にパケット、そして回線へ送れるフレームになります。到着すると、デカプセル化によって上へ進みながら各ヘッダーが逆の順序で取り除かれます。各層は自分自身のヘッダーだけを読み、それ以外をペイロードとして扱います。これこそが、階層化されたネットワークを実用的にしている仕組みです。

データが上位層から下位層へカプセル化されるとき、データユニットの正しい順序は何ですか。

カプセル化では、データがスタックを下へ進む各層でヘッダー（場合によってはトレーラー）が追加されます。データユニットは、データ（アプリケーション層）からセグメント（トランスポート層、ポートを追加）、パケット（インターネット層、IPアドレスを追加）、フレーム（リンク層、MACアドレスとエラーチェックを追加）へと変化します。到着時にはデカプセル化によって、上へ進みながら各ヘッダーが取り除かれます。各層が読むのは自分自身のヘッダーだけです。