ネットワーク層とその機能を理解する方法

OSI（開放型システム間相互接続）モデルというのは、ちょっと変わったものです。コンピュータネットワークの仕組みを概念的に分解し、様々な部分を階層構造で捉えるものです。このモデルは、特にネットワーク関連の開発やトラブルシューティングを行う際に、ネットワーク内部で何が起こっているのかを理解するのに役立つはずです。しかし、現実の世界では、プロトコルが階層をまたいだり、このモデルに厳密に従わなかったりすることがよくあります。特に現代のネットワークは必ずしもOSIフレームワークにきちんと適合しているわけではないため、混乱を招くこともあります。それでも、この階層構造の心象地図があれば、問題の診断や、何かがうまくいかないときに何が起こっているのか理解するのがはるかに容易になります。

基本的に、OSIは7層構造で、下位層はケーブルや実際のハードウェアに近い位置にあります。第3層であるネットワーク層は、ローカルネットワークやインターネットなどの広域ネットワークにおけるデータパケットのルーティングを担います。設定によっては、この層がどこに当てはまるかが曖昧になる場合もありますが、一般的にこの層は、データのデバイス間移動を制御するものであり、コンテンツの暗号化や表示は制御しません。コンテンツの暗号化や表示は上位層で行われます。

ネットワーク層は何をするのですか?

ネットワーク層の重要な役割は、可変長パケットをあるデバイスから別のデバイスへ、さらには複数のネットワークにまたがってルーティングすることです。いわば郵便システムのデータパケット版です。このレベルでの通信はすべて「コネクションレス」です。つまり、相手側からの「受信完了」の応答を待たずにパケットを送信するということです。そのため、IP（インターネットプロトコル）などのプロトコルは、毎回直接接続を確立することなく動作し、高速性とスケーラビリティを維持しています。しかし、電話のように信頼性の高い継続的な接続が必要な場合は、上位層がTCPなどのプロトコルを使って処理します。

すべてを適切にルーティングするには、ネットワーク層で各デバイスにアドレスを割り当てる方法が必要です。ここでIPアドレスが登場します。IPv4は非常に普及していますが、容量が不足しています。IPv6は、はるかに多くのアドレスを長期的に処理できるように設計されています（当然、IPアドレスは長くならざるを得なかったためです）。ネットワークが大規模で複雑になると、サブネットと呼ばれる小さな部分に分割され、それらはルーターと呼ばれるデバイスを介して接続されます。これらのルーターはネットワークのエッジに配置され、IPアドレスに基づいてデータパケットの送信先を決定します。かつてルーターはゲートウェイと呼ばれていましたが、この用語はほとんど使用されなくなりました。ただし、ネットワーク設定で「デフォルトゲートウェイ」が表示されることもあります。

TCP/IP とどう違うのでしょうか?

TCP/IPモデルも同様の機能を果たしますが、主にインターネット上のデバイスが使用するものです。こちらはやや簡略化されています。OSIはより汎用的で、インターネットに接続されたものだけでなく、あらゆる種類のネットワークで動作するように設計されています。TCP/IPでは、OSIのネットワーク層に相当する部分はインターネット層と呼ばれています。しかし、ここで奇妙な点があります。それは、両者が完全に一致していないということです。インターネット層には他のOSI層の機能も含まれているため、厳密に同じではありません。直接比較できると言うのは少し誤解を招きやすいですが、日常的なインターネットのトラブルシューティングを行う際には、大まかな違いを理解しておくと役立ちます。

まとめ

ネットワーク層はOSI参照モデルの第3層です。同一ネットワーク上または異なるネットワーク上のデバイス間でパケットをルーティングする役割を担います。ルーターはこれを実現する現実世界のハードウェアであり、IPアドレスはデバイス同士が互いを見つけるための手段です。OSIネットワーク層はTCP/IPのインターネット層と全く同じではないことに注意してください。両者は多くの共通点を持っていますが、完全に同一ではありません。ネットワーク層を理解することは、ネットワークがうまく動作しない原因を把握したり、問題が発生したときに何をチェックすべきかを把握したりする際に役立ちます。