トランスポート層（第4層）とは｜TCP・UDP・ポート番号・フロー制御

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この記事の要点

トランスポート層は OSI 参照モデルの第4層。エンドツーエンドで通信の信頼性を担う
代表プロトコルは TCP（信頼性あり）と UDP（信頼性なし・高速）
ポート番号で同じ端末上の複数アプリを区別する（HTTP=80、HTTPS=443 など）
機能: セグメント化 / 順序制御 / 再送 / フロー制御 / 輻輳制御 / 多重化
TCP/IP モデルでも同じ位置づけで存在する（4層モデルでもトランスポート層）

トランスポート層とは

OSI 参照モデルの第4層に位置する層で、送信端末から受信端末までエンドツーエンドの論理的な通信路を提供します。下位のネットワーク層がパケットを「届ける」役割なのに対し、トランスポート層は「届いたパケットを正しい順序で、抜けなく、正しいアプリに渡す」役割を担います。

OSI における位置づけ

層	名前	主な役割	代表プロトコル
L7	アプリケーション層	アプリ固有の通信	HTTP, DNS, SMTP
L6	プレゼンテーション層	表現形式・暗号化	TLS
L5	セッション層	セッション管理	NetBIOS, RPC
L4	トランスポート層	エンドツーエンドの信頼性確保	TCP, UDP
L3	ネットワーク層	経路選択（IP）	IP, ICMP
L2	データリンク層	隣接ノード間転送	Ethernet
L1	物理層	電気信号	RJ-45, 光ファイバ

主な機能

機能	意味	主に担うプロトコル
セグメント化	大きなデータを送受可能なサイズに分割（MSS 単位）	TCP
順序制御	シーケンス番号で受信側が並び替え	TCP
再送制御	ACK が来ない / 重複時に再送	TCP
フロー制御	受信側の処理速度に合わせる（ウィンドウサイズ）	TCP
輻輳制御	ネットワークが混雑したら送信速度を下げる	TCP
多重化	ポート番号で複数の通信を識別	TCP / UDP
誤り検出	チェックサム	TCP / UDP

TCP と UDP の比較

項目	TCP	UDP
コネクション	あり（3way ハンドシェイク）	なし
信頼性	順序保証 / 再送あり	保証なし
速度	遅め（オーバーヘッド）	速い
ヘッダ長	20〜60 バイト	8 バイト
主な用途	HTTP/HTTPS、SSH、メール、DB	DNS、VoIP、動画ストリーミング、ゲーム、DHCP

ポート番号で多重化する

1 台の端末上では複数のアプリが同時にネットワークを使います。トランスポート層はポート番号で「どのアプリ宛か」を識別します。

[ ブラウザ (TCP:54321) ] ──┐
[ メーラ  (TCP:54322) ] ──┼─→ NIC ─→ ネットワーク
[ Slack   (TCP:54323) ] ──┘

返信は宛先ポート番号で振り分け：
  ← TCP:54321 → ブラウザへ
  ← TCP:54322 → メーラへ
  ← TCP:54323 → Slack へ

代表的なポート番号

ポート	プロトコル	用途
20 / 21	TCP	FTP（データ / 制御）
22	TCP	SSH
25	TCP	SMTP（メール送信）
53	TCP / UDP	DNS
80	TCP	HTTP
443	TCP / UDP	HTTPS / HTTP/3 (QUIC)
3306	TCP	MySQL
5432	TCP	PostgreSQL

3way ハンドシェイク（TCP）

クライアント                サーバ
     │  ── SYN ──────→     │   ① 接続要求
     │  ←─ SYN+ACK ──      │   ② 応答
     │  ── ACK ──────→     │   ③ 確認
     │                       │
     │       データ通信       │

確認コマンド（Linux）

# 開いているソケット一覧
ss -tunap

# TCP の状態（ESTABLISHED, TIME_WAIT など）
ss -t state established

# 統計情報
netstat -s | head -50

TCP/IP モデルでの位置

実運用で使われている TCP/IP モデル（4層）でも、トランスポート層は OSI の第4層と同じ位置・同じ役割です。OSI と TCP/IP は層の数こそ違いますが、L4 = トランスポート層という対応関係は変わりません。アプリケーション層（HTTP, SMTP など）から見ると、トランスポート層は「確実に届けてくれる宅配便（TCP）」あるいは「速いが届かないこともある投げ込みポスト（UDP）」のようなAPI（ソケット）として現れます。

ソケット API という見え方

プログラマがトランスポート層を意識するのは、ふだんソケット API を通じてです。TCP なら socket() → connect() → send() / recv() → close()、UDP なら socket() → sendto() / recvfrom() → close() といった呼び出し列で、L4 が提供する「信頼性のある / なしのチャネル」を利用します。Python の socket モジュール、Go の net パッケージ、Node の net / dgram なども、最終的にはこのレイヤと話しています。

セグメント / データグラムという用語

トランスポート層が下位層に渡すデータの単位は、TCP では「セグメント」、UDP では「データグラム」と呼ばれます。ネットワーク層に降りるとこれが IP パケットに包まれ、さらにデータリンク層でフレーム化されてケーブル / 電波に乗ります。逆に受信側では、L2 → L3 でヘッダを剥がしていき、最終的にトランスポート層がセグメント / データグラムを正しいアプリケーション（ポート）に振り分けます。

QUIC（HTTP/3）の位置づけ

近年は HTTP/3 が QUIC（UDP の上の独自プロトコル）を採用しています。QUIC は UDP の上に「信頼性・順序保証・暗号化」を載せ直した新世代のトランスポート相当層で、TCP の Head-of-Line ブロッキング回避と TLS ハンドシェイクの短縮を実現しました。OSI モデル上は厳密には L4 でなく L4 と L5/L6 にまたがる扱いですが、役割としてはトランスポート層の進化形と考えると理解しやすいです。

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