ネットワークの仕組みやデータ通信の仕組みをわかりやすく解説します

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新卒ちゃん
新卒ちゃん

LANとかWANって響きがかわいいですよね。

バリキャリ先輩
バリキャリ先輩

ネットワークの種類の話ね。
LANはローカル・エリア・ネットワーク、WANはワイド・エリア・ネットワークね。

新卒ちゃん
新卒ちゃん

あら〜、かわいいWANちゃんですね〜。

バリキャリ先輩
バリキャリ先輩

ネットワークはそういう眼に見えるものではないわ。

こんにちは、Yunです!

PCやスマホを操作しながら、ふと「ネットワークの仕組みってどうなってるの?」「インターネットがつながる仕組みってどうなってるの?」と疑問に感じていませんか?

そんな疑問をお持ちの方に、こちらの記事ではネットワークの仕組みや基礎知識について解説します!

この記事はこんな人におすすめ!
  • ネットワークの仕組みについて知りたい人
  • インターネットやLANの仕組みについて知りたい人
  • 「ネットでつながる」とはどういうことか知りたい人
記事の内容まとめ
バリキャリ先輩
バリキャリ先輩
  • ネットワークはさまざまな機器と、その通信規則によって構成されているわ。
  • 一部の人だけがつながるネットワークは「LAN」や「WAN」、世界中の人がつながるネットワークは「インターネット」と呼ぶの。
  • ネットワークに接続する機器ごとの通信規則を「プロトコル」と言うわ。

この記事を読めばネットワークの仕組みの基礎がわかります!

新卒ちゃん
新卒ちゃん

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ネットワークの種類

コンピュータどうしが情報のやりとりをするためのネットワーク(情報連絡網)のことをコンピュータネットワークと呼びます。主なコンピュータネットワークは以下の3つです。

コンピュータネットワークの種類
  • LAN
  • WAN
  • インターネット

LAN

LAN(Local Area Network / ラン)とはある特定の場所のみでコンピュータや関連機器を接続したネットワークです。

たとえばフロア内や1つの建物、1つの企業・キャンパス内でしかアクセスできないネットワークはLANと呼びます。

WAN

WAN(Wide Area Network / ワン)は地理的に離れたLANどうしを接続するネットワークです。「Wide Area」の名のとおり、LANよりも広い範囲に届くネットワークですが、このあと紹介するインターネットのように世界中とつながってはいません。

たとえばある企業の大阪支社と東京本社がネットワークでつながっているが、自宅のPCなどの外部からはアクセスできない場合、そのネットワークはWANと呼ばれます。

インターネット

インターネット(Internet)は世界中のLANやWANを相互接続した地球規模のネットワークです。インターネットに接続している機器どうしは、場所を問わずに通信することができます。

インターネットはLANやWANをつなげたものですが、通常インターネットに接続されているLANやWANは「インターネット」というかたまりに含まれていると考え、個々のLANやWANとして区別しません。

LANの接続機器

ネットワークの接続形態は、使用する機器によって変わります。ここでは、LANで用いる接続機器について説明します。

ネットワークの接続機器は大きく「伝送媒体」と「集線装置」に分類されます。

接続機器の大分類
  • 伝送媒体
  • 集線装置

ネットワークの伝送媒体

伝送媒体の種類
  • 有線であればLANケーブル
  • 無線であれば赤外線や電波

伝送媒体とは、コンピューターや周辺機器を1対1で接続しあうときに必要な媒体です。伝送媒体は有線か無線かで変わります。

有線接続の場合はLANケーブルを通じてデータを送りあいます。

無線接続の場合はデータは赤外線や電波で通信します。この無線を使用したLANのことは無線LANと呼びます。

ネットワークの集線装置

集線装置とはネットワークに接続する「線」を1か所に「集」める機器のことです。集線装置には以下のようなものがあります。

集線装置の種類
  • リピーター
  • ブリッジ、スイッチ

これらは実際の家庭では「リピーターハブ」「スイッチングハブ」などの「ハブ」という機器が集線装置の役割をになっています。

集線装置の主な役割は以下の2つです。

集線装置の役割
  • 複数のノード間でデータのやりとりをできるようにする
  • 2つのケーブル間を延長接続させ、長距離通信をできるようにする

LANではこれらの伝送媒体と集線装置を接続してネットワークトポロジーをつくります。

ネットワークトポロジー

ネットワークトポロジーとはネットワークの接続形態をさします。ネットワークはPC、サーバー、ブリッジなどの機器(ノード)がどのように接続されているかで接続形態を区別します。

ネットワークトポロジーは主に以下の3つがあります。

ネットワークトポロジーの種類
  • バス
  • スター
  • リング

バス型トポロジー

1本のケーブル(バス)に機器を接続している形態のことです。現代ではあまり使われていません。

スター型トポロジー

1つの集線装置(ハブやスイッチ)から複数のケーブルでそれぞれの機器を接続している形態をスター型トポロジーと言います。現代のLANでは主流のトポロジーです。

リング型トポロジー

リング型トポロジーとは、リング状につながったケーブルに機器を接続しているネットワークの形態のことです。現代ではあまりありません。

IEEE 802規格

LANで使用する伝送媒体(有線のLANケーブル・無線の電波)には、IEEE 802委員会(アイ・トリプルイー802)によって決められた標準規格があります。

IEEE 802規格の種類
  • 有線LANのIEEE 802.3規格
  • 無線LANのIEEE 802.11規格

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データ通信の仕組み

伝送媒体に同時に流すことができるデータ数は、通常1つです。2つ以上のデータが同時に流れた場合、データどうしが衝突し、破壊されます。そのため、ネットワーク内の送信の手順には取り決めが必要になります。

LAN内のデータ送受信の仕組み

  • イーサネットフレームをMACアドレス宛に送る

LAN内でのデータのやりとりは、機器(ノード)間で直接おこなわれます。このとき、送るデータは宛先情報を含めた「イーサネットフレーム」として送ります。イーサネットフレームはパケット通信などの「パケット」と似たようなもので、1つ1つのデータの単位です。

このとき、各ノードに送るときの宛先を「MACアドレス」と言います。MACアドレスは原則重複しないため、それぞれのPCには異なるMACアドレスが割り振られています。

LAN内でのデータのやりとりでは、イーサネットフレーム化したデータを送るためにはまず送信先のMACアドレスを知る必要があります。

MACアドレスを聞き出すためにPCはネットワーク内の全ノードに「◯◯はいますか?」というメッセージを送ります。該当するノードがネットワーク内にいた場合、応答があって宛先がわかります。

LAN間のデータ送受信の仕組み

  • IPアドレスをもとにをルータを使用して送られる
  • これがいわゆるインターネット

狭いLAN内では宛先(MACアドレス)を調べるために全ノードに調査していましたが、全世界を対象にするとノード数が多すぎて宛先ノードを特定できません。そのため全世界のノードを小単位のグループに分けて、「グループ番号+ノード番号」という形式のアドレスで管理したほうが便利になります。

この「グループ番号+ノード番号」形式のアドレスをIPアドレスと言います。宛先IPアドレスにデータを転送する際にはルーターという機器を使用します。

OSI参照モデル

  • 異なる機種間でも問題なくデータ通信をおこなえるようにした仕組み
  • あくまでも「参照となるモデル」

OSI参照モデルは、ISO(国際標準化機構)が定めたOSIと呼ばれる通信規格に関した用語です。コンピューター通信がはじまった当初、通信方法がメーカーや機種ごとにばらばらだったため、異機種間でも通信できるようにしたのが「OSI」というプロトコルです。

機種が異なっても通信できるようにするためのルールを「プロトコル」と言います。プロトコルにはさまざまな種類があります。

このOSIは現在普及していませんが、異機種でも通信できるように設計された「OSI参照モデル」の概念は現在でも残りつづけています。

OSI参照モデルは具体的なプロトコルではなく、「機器の役割ごとにこんな風に分けてとらえてみましょう」という一種の分類方法です。

7アプリケーション層アプリケーションごとのプロトコル
6プレゼンテーション層文字列や画像、音声など異なる情報の変換
5セッション層通信の管理
4トランスポート層ノード間のデータ転送
3ネットワーク層アドレスの管理と経路の選択
2データリンク層直接接続された隣接ノード間のデータ転送
1物理層数字の0や1を電圧や光に変換

OSI参照モデルと実際の機器の関係

機器
ネットワーク層ルーター
データリンク層ブリッジ、スイッチ
物理層リピーター

TCP/IPによる通信の仕組み

現在もっとも有名で一番使われいているプロトコルはTCP/IPです。このTCP/IPはOSI参照モデルを4層に簡略化した構造をもちます。

  • TCP/IPはOSI参照モデルを簡略化した事実上の標準規格
TCP/IPの層OSI参照モデルの該当層
アプリケーション層アプリケーション層
プレゼンテーション層
セッション層
トランスポート層トランスポート層
インターネット層ネットワーク層
ネットワークインターフェース層データリンク層
(ハードウェア)物理層
バリキャリ先輩
バリキャリ先輩

TCP/IPは基本的にOSI参照モデルに当てはめて考えることができるわ。

IPアドレス

IPとは

  • IPは、OSI参照モデルのネットワーク層、TCP/IPのインターネット層を構成する主なプロトコル
  • IPは直接接続されていないネットワーク間のデータ通信を実現する

IPはOSI参照モデルの第3層、ネットワーク層に相当します。

1つ下位のデータリンク層では直接接続された機器どうしの通信を担当していました。それに対してネットワーク層は直接接続されていないネットワーク間での通信を実現します。

離れたネットワーク間で通信をおこなうとき、データを送る宛先となっているのがIPアドレスです。

IPアドレスとは

  • ネットワーク層であるIPのアドレスがIPアドレス
  • IPアドレスは「ネットワーク内のすべてのPCのなかから、通信をおこなう相手を識別する」ときに使われる
  • TCP/IPで通信するすべてのホストやルーターには、必ずIPアドレスが設定される

コンピュータ通信では、通信相手の識別のためにアドレスを使います。データリンク層のブリッジやスイッチではMACアドレスを用いましたが、ネットワーク層ではIPアドレスを用います。

IPアドレスは実際には32ビットの整数値です。この数値は「グループを表す番号+ノード(PC)を表す番号」で構成されており、同じグループであればアドレスの前半部分が共通する点が特徴です。

このIPアドレスがPCやルーターごとに振り分けられます。IPアドレスは本来MACアドレスと同じく各機器に固有のものですが、PCの普及にともないIPアドレスを使い切る危険性が増してきたため、「グローバルアドレス」と「プライベートアドレス」が区別されるようになりました。

グローバルアドレスは各機器に固有のIPアドレスであり、プライベートアドレスはそのLANの内部で固有であれば、LAN外のものとは重複しても問題ないIPアドレスです。

経路制御(ルーティング)とは

  • 宛先IPアドレスのホストまでパケットを届けるための仕組み
  • 個々のルーターがIPパケットの転送処理をおこない、それをくりかえして宛先ホストにパケットが届く

IPアドレスだけではデータを宛先のPCに届けることはできません。「この宛先のときは、このルーターやPCに送る」という情報が必要です。

経路制御(ルーティング)とは、宛先IPアドレスのPCまでデータを届けるための仕組みです。

IPのルーティングはホップバイホップルーティングという方式でおこなわれます。これはネットワークの1区間を1ホップと呼び、1区間ごとに次のルートが決められる方式です。

1ホップはPCからルーターA、次にルーターAからルーターBのように通信機器ごとに区切られています。IPの特徴は、スタートからゴールまでの経路が一度に示されるのではなく、それぞれの区間で次に進む場所を示され、それを宛先PCまでくりかえしてたどり着くことです。

このように、IPアドレスを用いて最初のPCから宛先のPCまでデータを送信することでインターネットでの通信はおこなわれています。

新卒ちゃん
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ルーティングによって宛先IPアドレスにデータを送ることが、「データの送信」なんですね。

そのほかの通信の仕組み

  • DNS(Domain Name System)
  • DHCP(Dynamic Host Configuration Protocol)
  • NAT(Network Address Translator)

インターネットの仕組みの根幹はIPアドレスですが、私たちのネットワークはIPだけで通信しているわけではありません。実際にどこかのwebページを開くときには、IPアドレスを入力するのではなくリンクをクリックしたりURLを入力したりしていると思います。

URLという文字列とIPアドレスを結びつけるには、DNSという技術が使われています。

そのほか、IPアドレスの設定を自動化するためのDHCP、プライベートIPアドレスをグローバルIPアドレスに変換するNATなど、さまざまな技術によってインターネットは成立しています。

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