ネットワーク層とトランスポート層

ローカル通信だけを扱うデータリンク層の上には、より広い通信を可能にする2つの層があります。第3層はネットワーク層、第4層はトランスポート層です。ネットワーク層は論理アドレスを使って別々のネットワーク間でデータを転送し、トランスポート層は信頼性を含め、アプリケーション間の通信を管理します。この2層が連携して、インターネット上でデータを運び、正しいプログラムに届けます。

ネットワーク層は論理アドレスとルーティングを扱い、データが複数のネットワークを通過できるように経路を選択します。中心となるのはIPアドレス（Internet Protocol）です。これはローカルなMACアドレスとは異なり、インターネット上のどこにあるデバイスでも識別できる論理アドレスです。ネットワーク層では、あるネットワークから遠隔地のネットワークまでの経路を計画し、データを導きます。

IPアドレスは、インターネット上でルーティングできる論理的かつ階層的なアドレスです。構造化されているため、ルーターは郵便番号を読むように、その一部を使って進む方向を判断できます。固定されたMACアドレスとは異なり、IPアドレスは割り当てや変更が可能です。この論理アドレスによって、パケットは世界の反対側にあるサーバーにも到達できます。

ルーターは第3層の主要なデバイスです。ルーターは各パケットの宛先IPアドレスを読み取り、正しいネットワークに向けて1ホップずつ転送します。ルーターは異なるネットワーク同士を接続するため、自宅のルーターによってLANとインターネットを接続できます。データがあるネットワークから別のネットワークへ移動するときは、第3層のルーターがその判断を行います。

ネットワーク層で扱う単位はパケットです。パケットはトランスポート層のデータを、送信元と宛先のIPアドレスを含むIPヘッダーで包みます。ルーターはこのヘッダーを読み取ってパケットをルーティングします。フレームとは異なり、パケットは複数のネットワークを通過するように作られており、各ホップで周囲のローカルフレームが変わっても、送信元と宛先のIPアドレスはエンドツーエンドで維持されます。

トランスポート層は、アプリケーション間のエンドツーエンド通信を管理します。データをセグメントに分割し、確実な配送を保証できるほか、正しいプログラムにデータを届けるためにポート番号を使用します。第3層がパケットを正しいデバイスまで届けるのに対し、第4層はそのデバイス上の正しいアプリケーションにデータを届け、正しく到着したことを確保します。

TCP（Transmission Control Protocol）は、信頼性の高いトランスポートプロトコルです。接続を確立し、セグメントに番号を付け、確認応答によって配送を確認し、失われたデータを再送します。TCPはデータが完全かつ順番どおりに届くことを保証するため、Webページ、メール、ファイル転送に適しています。その代わり、細かな追跡処理によるオーバーヘッドが発生します。

UDP（User Datagram Protocol）は、高速で軽量なトランスポートプロトコルです。接続、確認応答、順序の保証なしにデータを送信します。そのため高速かつ効率的で、失われたパケットの再送より速度が重視されるライブ動画、音声通話、ゲームに適しています。UDPは、信頼性と引き換えにオーバーヘッドと遅延を抑えます。

ポート番号を使うと、1台のデバイスで複数のネットワークアプリケーションを同時に実行できます。各サービスはポートで待ち受けます。たとえば、Webトラフィックには80番、セキュアなWebトラフィックには443番が使われます。トランスポート層はポートを使って、受信データを正しいアプリケーションへ届けます。ポートがなければ、デバイスは到着したデータがブラウザー、メール、ゲームのどれ向けなのか判別できません。

これらの層が連携して、インターネット配送の中核を形成します。ネットワーク層はIPアドレスとルーターを使い、複数のネットワークを経由してパケットを正しいデバイスへ届けます。次にトランスポート層がポートとTCPまたはUDPを使い、信頼性または速度を重視してデータを正しいアプリケーションへ届けます。第3層はデバイスを見つけ、第4層はプログラムを見つけます。

第3層であるネットワーク層は、論理的なIPアドレスとルーターによるルーティングを扱い、ネットワーク間でパケットを移動させます。第4層であるトランスポート層は、ポートを使ってエンドツーエンドの配送を管理し、信頼性の高いTCPと高速なUDPを使い分けます。これらの中間層があるため、データはグローバルなインターネットを横断しながら、最終的に正しいアプリケーションへ到達できます。

別々のネットワーク間でデータを移動させるために、IPアドレスとルーターを使うのはどの層ですか？

ネットワーク層（第3層）は、論理的なIPアドレスとルーターを使って、別々のネットワーク間でパケットをルーティングします。トランスポート層（第4層）はエンドツーエンドの配送を管理し、ポート番号で正しいアプリケーションに届けます。また、信頼性が高く順序どおりに配送するTCPと、高速で軽量な転送を行うUDPを使い分けます。第3層はデバイスを見つけ、第4層はプログラムを見つけます。この2層が連携して、インターネット上でデータを運びます。