この記事の要点

OSI 参照モデルは通信機能を 7 階層 (Physical → Application) に分割した概念モデル 各層は下層のサービスを使い、上層にサービスを提供する関心の分離 (Separation of Concerns) 各層が扱うデータ単位は PDU (Protocol Data Unit)、層間で受け渡すのが SDU (Service Data Unit) 送信時はカプセル化、受信時はデカプセル化で各層が自分のヘッダ / トレーラを付与・除去 TCP/IP モデルは 4 層 (Link / Internet / Transport / Application)、OSI と完全一致しないが対応関係はある

OSI 参照モデルとは

OSI 参照モデル (Open Systems Interconnection Reference Model) は、ISO が 1984 年に標準化した、ネットワーク通信の機能を 7 階層に分けて整理した概念モデルです。実装ではなく「役割の整理図」として使われ、トラブルシュート時に「どの層の問題か」を切り分ける共通言語になります。

7 階層と各層の責務

層	名称	責務	PDU	代表プロトコル / 装置
L7	Application	アプリ固有の通信ルール	Data	HTTP / SMTP / DNS / FTP / SSH
L6	Presentation	データ形式 / 文字コード / 暗号化	Data	TLS / ASCII / UTF-8 / JPEG
L5	Session	セッション開始・継続・終了	Data	NetBIOS / RPC / SIP
L4	Transport	エンド間の信頼性・順序・多重化	Segment (TCP) / Datagram (UDP)	TCP / UDP / QUIC
L3	Network	論理アドレス・経路選択	Packet	IP / ICMP / OSPF / BGP, Router
L2	Data Link	同一物理媒体上のフレーム転送	Frame	Ethernet / PPP / Wi-Fi, Switch
L1	Physical	電気信号 / 光信号 / 電波	Bit	UTP / 光ファイバ, Hub / NIC / 規格 RJ-45

SDU / PDU / カプセル化

各層が扱うデータ単位の呼称は次のとおり。

• PDU (Protocol Data Unit): その層が交換するデータ単位（ヘッダ + ペイロード）
• SDU (Service Data Unit): 上位層から渡された、まだその層のヘッダを付けていないデータ

送信側では上から下へ各層がヘッダ（必要ならトレーラ）を付ける「カプセル化」、受信側では下から上へ各層が自分のヘッダを剥がす「デカプセル化」を行います。

[送信側 カプセル化]
L7  HTTP: GET /index.html ...                                       (Data)
L4  +TCP header (port, seq)                       → TCP segment
L3  +IP header (src/dst IP)                       → IP packet
L2  +Ethernet header & trailer (MAC, FCS)         → Ethernet frame
L1                                                  → ビット列を電気信号に

[受信側 デカプセル化]
L1  電気信号 → ビット列
L2  Ethernet frame → ヘッダ確認・剥離 → IP packet
L3  IP packet → IP ヘッダ確認・剥離 → TCP segment
L4  TCP segment → TCP ヘッダ確認・剥離 → アプリ宛 Data
L7  HTTP リクエスト処理

TCP/IP モデルとの対応

実装で使われているのは OSI ではなく TCP/IP モデル。資料により 4 層モデル (RFC1122) または 5 層モデル (Tanenbaum 教科書) で説明されます。

OSI (7層)	TCP/IP 5層	TCP/IP 4層	代表プロトコル
L7 Application	Application	Application	HTTP / DNS / SSH
L6 Presentation			TLS / JSON
L5 Session			QUIC のストリーム / TLS セッション
L4 Transport	Transport	Transport	TCP / UDP / QUIC
L3 Network	Internet	Internet	IP / ICMP
L2 Data Link	Data Link	Network Access (Link)	Ethernet / Wi-Fi
L1 Physical	Physical		UTP / 光ファイバ

各層の責務を具体例で

• L1 Physical: 「電圧 0V を 0、5V を 1 と解釈する」「光のパルスを ON/OFF で表現する」など、ビットを物理現象に乗せる
• L2 Data Link: 「同じ Ethernet ケーブル / Wi-Fi 上の隣接機器との通信」を担当。MAC アドレスでフレームを宛先付け、CRC でビット誤り検出
• L3 Network: 「異なる LAN セグメント間」の通信を担当。IP アドレスで論理宛先を表し、ルータが経路選択 (ルーティング)
• L4 Transport: 「エンドツーエンドで信頼できる通信」。ポート番号で多重化、TCP は再送 / 順序保証 / 輻輳制御
• L5 Session: 「論理的な会話の単位」。再開・チェックポイントなど
• L6 Presentation: データ形式 (ASCII↔EBCDIC、JSON、XML)、文字コード、圧縮、暗号化 (TLS)
• L7 Application: アプリ固有のメッセージ仕様 (HTTP メソッド、SMTP コマンド等)

現実のプロトコルがどこに当たるか

プロトコル	主な層	備考
HTTP / HTTPS	L7	HTTPS は L6 で TLS を使う
DNS	L7	UDP/53 (一部 TCP, DoT, DoH)
TLS / SSL	L6 (一部 L5)	HTTPS の S 部分
TCP / UDP	L4	QUIC は L4 + L5/L6 (TLS 内蔵)
IP (IPv4/IPv6)	L3
ICMP / ARP	L3 / L2.5 (議論あり)	ARP は IP-MAC 解決
Ethernet	L2	1000BASE-T 等の物理は L1
Wi-Fi (802.11)	L2 + L1	MAC とフィジカル両方含む
USB / Bluetooth	L1〜L7 のスタック	独自スタック

覚え方 (Mnemonic)

方向	英語覚え歌	意味
L1→L7	Please Do Not Throw Sausage Pizza Away	Physical/DataLink/Network/Transport/Session/Presentation/Application
L7→L1	All People Seem To Need Data Processing	Application〜Physical

俗語: Layer 8 / Layer 9

標準外のジョーク的拡張ですが、実務でも会話に登場します。

• Layer 8 = User（ユーザのオペレーションミス）「これ Layer 8 の問題だね」
• Layer 9 = Politics / Money（組織内政治・予算）
• Layer 10 = Regulation（法規制）

トラブル切り分けでの使い方

ネットワーク障害時は下層から順に切り分けるのが鉄則。

# L1: ケーブル / リンクは生きているか
ip link show eth0          # state UP / DOWN
ethtool eth0               # Link detected: yes

# L2: 隣接機器とフレームは届くか
ip neigh                   # ARP テーブル
ping -c1 192.168.1.1       # ICMP は L3 だが L2 ARP も確認

# L3: ルーティングは正しいか
ip route
traceroute 8.8.8.8

# L4: 該当ポートで TCP 接続が張れるか
nc -vz example.com 443
ss -tlnp                   # 自ホストの LISTEN

# L7: アプリケーション応答
curl -v https://example.com/

FAQ

Q: 7 階層を全部覚える意味は？
A: 実装上はほぼ TCP/IP 4-5 層で十分ですが、セキュリティ機器のスペック表 (L7 ファイアウォール) や負荷分散 (L4 / L7 LB) など、業界用語が OSI 番号ベースなので、共通言語として必要です。

Q: TLS は L6 か L5 か L7 か？
A: 厳密には L6 (Presentation) が近いとされますが、SSL/TLS は OSI に厳密対応しません。HTTPS の文脈では「L4 と L7 の間の暗号化層」と説明されることが多いです。

Q: QUIC はどの層？
A: 主に L4 (Transport) ですが、TLS 1.3 を内蔵し、ストリーム多重化も持つためL4〜L6 をまたぐと言われます。RFC 9000 が仕様。