OSI基本参照モデルとは?基本情報技術者試験の重要キーワードを解説!

現代においては、インターネットや拠点間通信などのコンピュータ間通信が大量に行われています。コンピュータ間通信は複数のコンピュータで実施しますので、その通信ルールを決めておかなければうまく通信を行うことができません。

そこで、OSI基本参照モデルと呼ばれるコンピュータ間通信における基本的なルールが定められました。

この記事では、基本情報技術者試験の対策として、OSI基本参照モデルについての解説を行います。

目次

OSI基本参照モデルとは

OSI基本参照モデルとは、コンピュータ同士が通信するための方式を層別にモデル化したものです。現代のコンピュータ通信では原則としてOSI基本参照モデルに従って通信が行われています。

OSI基本参照モデルのポイントは、階層別に定義されているという点です。上述のとおり、コンピュータ間通信においては事前にルールの取り決めが必要です。

しかしながら、通信方法として考慮すべき点は多岐にわたります。

例えば、ケーブルはどのようなものを使うのか、データの転送ルートはどうやって決めるのか、通信相手の認証はどのように行うのかなど、単純に通信するといってもたくさんのことを気にしなければなりません。

そこで、OSI基本参照モデルでは、コンピュータ間通信を物理的な低レイヤーからソフトウェア的な高レイヤーまで7つの階層に分けることにしています。そして、階層ごとに通信ルール(=プロトコル)を定義することにしています。

下表に、OSI基本参照モデルで定められている7つの階層を示します。

番号 名称 概要
1 物理層 主に物理的な通信方法を定める
2 データリンク層 主に隣接するコンピュータ間の通信方法を定める
3 ネットワーク層 主にコンピュータ間の通信経路を定める
4 トランスポート層 主にコンピュータ間通信の制御方法を定める
5 セッション層 主にコンピュータ間通信の開始・終了方法を定める
6 プレゼンテーション層 主にコンピュータ間通信におけるデータの表現方法を定める
7 アプリケーション層 主にコンピュータ間通信におけるアプリケーションレベルでの通信方法を定める

プロトコルとは

プロトコルとは、コンピュータ同士が通信する際の通信方式を定めたものです。通信はプロトコルの形式に従って行われます。

上述の通り、OSI基本参照モデルでは各層ごとにプロトコルが定義されています。

プロトコルでは、例えば以下のような内容を定めます。

項目例 定義の例
通信相手の確定 ・特定のメッセージを相互に送りあうことで通信相手を確定させる
データの転送手順 ・データ転送時には必ず通信開始の合図を送る
データの形式 ・データの形式はヘッダー、本体、フッターから構成する
・データサイズは128byteとする
エラー処理方法 ・転送エラーが起きた時は一定時間経過後に再送要求を行う

プロトコルが存在することにより、ハードウェアの製造メーカーやソフトウェアのバージョンなどが異なったとしても、共通的なルールでコンピュータ間通信を実現することができるのです。

OSI基本参照モデルにおける各層の役割

以下では、OSI基本参照モデルにおける各層の役割分担を解説します。

物理層

物理層は、OSI基本参照モデルの中で最も物理的なレベルを担当します。物理層では、ケーブルの規格や電気信号などのプロトコルを規定します。

例えば、ケーブルを通る電気的な信号の形式や物理的なコネクタの形状などが物理層で定義される主なプロトコルです。

物理層で動作するネットワーク機器として、リピータが挙げられます。リピータは長距離の通信を行う際に電気信号の減衰を防ぐために設置される機器で、減衰した電気信号を増幅して元の大きさに戻すことができます。

データリンク層

データリンク層は物理層の次の階層であり、電気信号の誤り制御や再送などの伝送制御を担当します。データリンク層は主に隣接する機器間での通信を取り仕切ります。

例えば、PCとルータ間の通信や、PCとハブ間の通信においての通信方法を定めたプロトコルが定義される階層です。

データリンク層で定義されているプロトコルの例としては、LANを構築するためのEthernetやPPPといったものが挙げられます。データリンク層での通信は主に端末に対して固有に割り当てられているMACアドレスを利用します。

データリンク層で動作する機器としてはスイッチングハブが挙げられます。スイッチングハブは、通信されるデータに含まれている宛先MACアドレスを見て、データを適切な転送先に転送することができます。

ネットワーク層

ネットワーク層は、通信経路の選択や中継など、広域的な通信を担当します。一般的に、ネットワーク層における通信にはIPというプロトコルが用いられることが多いです。

IPプロトコルでは、IPアドレスによりLANの外側にある別ネットワークにおいてもデータを転送することができます。例えば、自宅内ネットワークからインターネットへの通信などには、IPプロトコルが用いられています。

ネットワーク層で動作する機器としては、ルータが挙げられます。ルータはIPアドレスにより通信先を判断することができます。一般的に広域的な通信では、すぐにデータの送付先である転送相手が分からない場合もあります。

そのような場合、ルータはより転送相手に近い方向にデータを送ります。そのデータを受け取った別のルータは、さらにより近い方向にデータを送ります。これを繰り返すことで、最終的にデータが転送相手に届くのです。

トランスポート層

トランスポート層は、コンピュータ間での通信が誤りなく行われたかを制御するための階層です。一般的にはTCPやUDPといったプロトコルが利用されます。

TCPは誤りがないように正確な通信を行うのに対して、UDPは誤りがあったとしても通信速度を優先して転送を行うプロトコルです。TCPはファイル転送のように誤りが許容されない場合に用いられ、UDPはビデオ会議のように通信を遅延させたくない場合に用いられます。

トランスポート層で動作する機器としてはファイアウォールが挙げられます。ファイアウォールは通信中のデータを見て、そのデータがLAN内に入ってきてよいのかどうかを判断します。

特にインターネットと社内・家庭内の境界など、ネットワーク上で外部と接しているような場所においては、サイバー攻撃の被害を受けるリスクがあります。

そのような接点にファイアフォールを設置することで、サイバー攻撃の被害を防ぐことができます。

セッション層

セッション層は、コンピュータ間での通信の開始・終了を担当します。セッション層で用いられるプロトコルとしてはTLSが挙げられます。

TLSは暗号化通信のために用いるプロトコルで、よくURLで「https:」という表記があると思いますが、この形でURLが指定されている場合は、TLSを用いた暗号化通信を行っていることになります。

TLSを用いることで、インターネット上においても通信の秘密を守って通信を行うことができます。特に企業のデータなど機密性が高い情報を扱う場合には、必須のプロトコルです。

プレゼンテーション層

プレゼンテーション層は、文字コードやマークアップなどのデータの表現に関する通信を担当します。

プレゼンテーション層で規定される例としてはHTMLが挙げられます。

HTMLはユーザがブラウザを通して情報を閲覧する際の、画面への表示方法を規定します。

例えば、ある文字を太字にしたい場合や、背景を色付きにしたい場合などは、HTMLタグという形で表示方法を指定します。

アプリケーション層

アプリケーション層は、個々のアプリケーションレベルで必要となる通信サービスを担当します。

これまでの階層ではどのような通信であっても基本的には共通的なプロトコルの定義を行っていましたが、アプリケーション層ではアプリケーションごとに異なるプロトコルが指定されます。

アプリケーション層で定義されるプロトコルの例としては、メールの送受信が挙げられます。メールの送信は主にSMTPプロトコルにより規定され、メールの受信は主にPOP3やIMAPプロトコルにより規定されます。

これらのプロトコルでは、メールのタイトルや本文の形式、メールの送付先の指定方法など、メールの送受信に特化した内容の通信ルールが定められます。

まとめ

この記事では、基本情報技術者試験を受けようとされている方に向けて、OSI基本参照モデルに関する内容の解説を行いました。

OSI基本参照モデルは私たちが普段行っているコンピュータ間通信の最も基本的な定義となります。

OSI基本参照モデルを理解することで、何気なく利用しているインターネットなどの、コンピュータ間通信の背景で行われている処理が見えてくるでしょう。