本記事は James Kurose, Keith Ross 著 Computer Networking: A Top-Down Approach (6th Edition) の教科書を基にまとめた内容です。

1. プロトコル階層化の必要性

インターネットは非常に複雑なシステムである。多数のアプリケーション、様々なエンドシステム、パケットスイッチ、リンク、プロトコルが存在する。

この複雑さを管理するために**階層化（layering）**を使用する。

1.1 航空旅行の比喩

航空旅行も複数の階層に分けることができる：

出発地 目的地

────── ──────

チケット購入 手荷物受取

↓ ↑

手荷物預け 手荷物引取

↓ ↑

搭乗ゲート 降機ゲート

↓ ↑

離陸 着陸

↓ ↑

航路飛行 ─────────────────────> 航路飛行

各階層は自分の機能を実行し、下位階層のサービスを利用する。

1.2 階層化の利点

- **モジュール化**：各階層の内部実装を独立に変更可能

- **複雑さの管理**：全体システムを小さな部分に分けて理解

- **柔軟性**：ある階層のプロトコルを別のものに交換可能

2. インターネットプロトコルスタック（5層モデル）

┌─────────────────┐

│ アプリケーション層 │ Application Layer

├─────────────────┤

│ トランスポート層 │ Transport Layer

├─────────────────┤

│ ネットワーク層 │ Network Layer

├─────────────────┤

│ リンク層 │ Link Layer

├─────────────────┤

│ 物理層 │ Physical Layer

└─────────────────┘

2.1 アプリケーション層（Application Layer）

ネットワークアプリケーションとアプリケーション層プロトコルが存在する階層である。

- **HTTP**：Web文書の要求と転送

- **SMTP**：メール転送

- **FTP**：ファイル転送

- **DNS**：ドメイン名をIPアドレスに変換

アプリケーション層の情報パケットを**メッセージ（message）**と呼ぶ。

2.2 トランスポート層（Transport Layer）

アプリケーション層のメッセージをエンドシステム間で配信する。

- **TCP**：コネクション指向、信頼性のある転送、輻輳制御、フロー制御

- **UDP**：コネクションレス、信頼性のない転送、最小限のサービス

トランスポート層のパケットを**セグメント（segment）**と呼ぶ。

TCPサービス：

✓ 信頼性のあるデータ配信（再送）

✓ フロー制御（受信者の過負荷防止）

✓ 輻輳制御（ネットワークの過負荷防止）

UDPサービス：

✓ 高速な転送（オーバーヘッド最小）

✗ 信頼性保証なし

✗ フロー/輻輳制御なし

2.3 ネットワーク層（Network Layer）

あるホストから別のホストへ**データグラム（datagram）**を配信する。

- **IPプロトコル**：データグラムのフィールド定義、アドレス体系

- **ルーティングプロトコル**：送信元から宛先までの経路決定

ネットワーク層のパケットを**データグラム（datagram）**と呼ぶ。

ネットワーク層の2つの核心機能：

1. フォワーディング（Forwarding）：パケットを適切な出力リンクへ移動

2. ルーティング（Routing）：送信元-宛先間の経路決定

> IPプロトコルは1つしかないため、ネットワーク層は一般に**IP層**とも呼ばれる。

2.4 リンク層（Link Layer）

ネットワーク層が送信元から宛先までの経路を決定するが、実際にあるノードから次のノードへデータグラムを配信するのは**リンク層**の役割である。

- **イーサネット（Ethernet）**

- **WiFi（802.11）**

- **PPP**

リンク層のパケットを**フレーム（frame）**と呼ぶ。

経路：A → R1 → R2 → R3 → B

リンク層の役割：

A --[イーサネット]--> R1 --[WiFi]--> R2 --[PPP]--> R3 --[イーサネット]--> B

各区間（リンク）ごとに異なるリンク層プロトコルを使用できる。

2.5 物理層（Physical Layer）

リンク層がフレーム単位でデータを配信するのに対し、物理層はフレーム内の**個々のビット**を1つのノードから次のノードへ移動させる。

- 実際の電気信号、光信号、無線信号を扱う階層

- 媒体（銅線、光ファイバー、無線）によりプロトコルが異なる

3. OSI 7層モデルとの比較

ISOが提案した**OSI（Open Systems Interconnection）**モデルは7つの階層で構成される。

OSI 7層 インターネット5層

────────── ────────────

アプリケーション層 ─┐

プレゼンテーション層─┤── アプリケーション層

セッション層 ─┘

トランスポート層 ──── トランスポート層

ネットワーク層 ──── ネットワーク層

データリンク層 ──── リンク層

物理層 ──── 物理層

プレゼンテーション層（Presentation Layer）

- データ圧縮、暗号化、データ形式変換

- インターネットモデルではアプリケーションが直接処理

セッション層（Session Layer）

- データ交換の同期化、チェックポインティング、回復

- インターネットモデルではアプリケーションが直接処理

> インターネットプロトコルスタックでは、プレゼンテーション/セッション層の機能が必要な場合、**アプリケーション開発者**が直接実装する。

4. カプセル化（Encapsulation）

4.1 カプセル化のプロセス

各階層は上位階層から受け取ったデータに自分の**ヘッダ情報**を追加する。

アプリケーション: [メッセージ]

↓

トランスポート: [Ht|メッセージ] ← セグメント

↓

ネットワーク: [Hn|Ht|メッセージ] ← データグラム

↓

リンク: [Hl|Hn|Ht|メッセージ] ← フレーム

↓

物理: 01011001010110... ← ビット

| 階層 | PDU（Protocol Data Unit） | 追加されるヘッダ |

| ---------------- | ------------------------- | ---------------------- |

| アプリケーション | メッセージ（Message） | - |

| トランスポート | セグメント（Segment） | トランスポート層ヘッダ |

| ネットワーク | データグラム（Datagram） | ネットワーク層ヘッダ |

| リンク | フレーム（Frame） | リンク層ヘッダ |

4.2 全体のカプセル化フロー

送信元ホスト ルーター 宛先ホスト

┌──────────┐ ┌──────────────┐ ┌──────────┐

│アプリケーション│ │ │ │アプリケーション│

├──────────┤ │ │ ├──────────┤

│トランスポート│ │ │ │トランスポート│

├──────────┤ ├──────────────┤ ├──────────┤

│ネットワーク │ │ ネットワーク │ │ネットワーク │

├──────────┤ ├──────────────┤ ├──────────┤

│ リンク │ │ リンク │ │ リンク │

├──────────┤ ├──────────────┤ ├──────────┤

│ 物理 │ │ 物理 │ │ 物理 │

└──────────┘ └──────────────┘ └──────────┘

ホスト：5つの階層すべてを実装

ルーター：下位3階層のみ実装（ネットワーク、リンク、物理）

スイッチ：下位2階層のみ実装（リンク、物理）

5. ネットワークセキュリティの基礎

5.1 初期のインターネットとセキュリティ

初期のインターネットは信頼できる少数のユーザーのみが使用することを前提に設計された。そのため、セキュリティは元の設計に含まれていなかった。

今日、ネットワークセキュリティは不可欠であり、以下のような脅威が存在する。

5.2 主要なネットワークセキュリティの脅威

マルウェア（Malware）

マルウェアの種類：

├── ウイルス（Virus）：ユーザーの操作で感染

├── ワーム（Worm）：自動的にネットワークを通じて伝播

├── トロイの木馬（Trojan）：正常なソフトウェアに偽装

└── ボットネット（Botnet）：感染したコンピュータのネットワーク

サービス拒否攻撃（DoS：Denial of Service）

ネットワーク、ホスト、またはインフラを正規ユーザーが使用できなくする攻撃である。

DoS攻撃の3つのタイプ：

1. 脆弱性攻撃：特定の脆弱性を利用

2. 帯域幅洪水：大量のパケットでリンクを飽和

3. 接続洪水：半開き接続（half-open）を大量生成

**DDoS（Distributed DoS）**：複数の送信元から同時に攻撃

ボットネットPC1 ──┐

ボットネットPC2 ──┼──> 攻撃対象サーバー（過負荷）

ボットネットPC3 ──┤

... ──┘

パケットスニッフィング（Packet Sniffing）

共有メディア環境で通過するパケットのコピーを傍受する行為である。

共有メディア（WiFi等）：

A ──────────────── B

│

└── スニッファー（パケット盗聴器）

すべてのパケットのコピーを受信

IPスプーフィング（IP Spoofing）

偽の送信元IPアドレスを持つパケットを生成し、他のユーザーになりすます攻撃である。

攻撃者が送信元IPを偽造：

実際のIP：192.168.1.100

偽造IP：10.0.0.1（信頼されたホスト）

サーバーはパケットが信頼されたホストから来たと誤認

5.3 セキュリティの重要原則

ネットワークセキュリティの核心要素：

├── 機密性（Confidentiality）：送受信者のみが内容を理解

├── 完全性（Integrity）：転送中のデータ改ざんを検出

├── 認証（Authentication）：相手の身元確認

└── 可用性（Availability）：サービスが常に利用可能

6. まとめ

インターネットプロトコルスタックの要約：

階層 PDU 核心プロトコル 役割

────── ────── ──────────── ──────

アプリケーション メッセージ HTTP,SMTP,DNS ネットワークアプリケーション

トランスポート セグメント TCP, UDP エンドツーエンドデータ配信

ネットワーク データグラム IP ホスト間ルーティング

リンク フレーム イーサネット,WiFi 隣接ノード間配信

物理 ビット - ビットの物理的転送

カプセル化の核心：

- 各階層は上位階層のPDUを**ペイロード（payload）**として扱い、自分のヘッダを追加する

- 受信側では各階層が自分のヘッダを除去し上位階層に渡す（**デカプセル化**）

7. 確認問題

| 階層 | PDU |

| ---------------- | ------------------------ |

| アプリケーション | メッセージ（Message） |

| トランスポート | セグメント（Segment） |

| ネットワーク | データグラム（Datagram） |

| リンク | フレーム（Frame） |

| 物理 | ビット（Bit） |

ルーターは下位**3階層**（物理、リンク、ネットワーク）を実装する。ルーターはIPデータグラムのヘッダを確認してフォワーディング決定を行うためネットワーク層まで必要だが、トランスポート層とアプリケーション層は実装しない。

**プレゼンテーション（Presentation）層**と**セッション（Session）層**である。

- プレゼンテーション層：データ圧縮、暗号化、形式変換を担当

- セッション層：データ交換の同期化、チェックポインティングを担当

インターネットではこれらの機能が必要な場合、アプリケーション開発者が直接実装する。