この記事の要点

ネットワーク層は OSI 参照モデルの第 3 層。エンドツーエンドの経路選択 (ルーティング) と論理アドレッシング (IP) を担当 代表的プロトコル: IP (IPv4 / IPv6) / ICMP / ARP (厳密には 2.5 層) / OSPF / BGP 主な機能: ルーティング / IP アドレス管理 / フラグメンテーション / 経路 MTU 探索 主要機器: ルーター (L3 スイッチを含む) — パケットを宛先ネットワークへ転送 TCP/IP モデルではこの層はインターネット層と呼ばれる。OSI と TCP/IP で番号付けが異なるので注意

ネットワーク層とは

ネットワーク層 (Network Layer) は OSI 参照モデルの第 3 層 (L3) に位置し、データを発信元から宛先まで適切な経路で運ぶ役割を持ちます。下のデータリンク層が「隣の機器まで」を担当するのに対し、ネットワーク層は複数のネットワークをまたいだエンドツーエンド配送を担当します。

主な役割

機能	説明
論理アドレッシング	IP アドレスで送信元・宛先を識別
ルーティング	最適経路の選択。ルーターの仕事
フォワーディング	受信したパケットを次の経路へ転送
フラグメンテーション	MTU を超えるパケットを分割
輻輳制御 (一部)	ICMP source quench 等 (現代は TCP 側)

代表的なプロトコル

プロトコル	用途
IPv4	主要なネットワーク層プロトコル。32 ビットアドレス
IPv6	次世代 IP。128 ビットアドレス
ICMP	エラー通知・ping / traceroute で使用
ICMPv6	IPv6 用の ICMP。近隣探索 (NDP) も含む
ARP	IP → MAC 解決。厳密には L2.5 だが L3 と密結合
OSPF / IS-IS	動的ルーティングプロトコル (IGP)
BGP	AS 間ルーティング (EGP)
IPsec	IP の暗号化・認証

OSI と TCP/IP の対応

「第 3 層」と言ったとき、OSI モデルとTCP/IP モデルで番号付けが違う点に注意が必要です。

OSI (7 層)	TCP/IP (4 層)	代表プロトコル
L7 アプリケーション	アプリケーション層	HTTP / SMTP / DNS
L6 プレゼンテーション		TLS / 文字コード変換
L5 セッション		セッション維持
L4 トランスポート	トランスポート層	TCP / UDP
L3 ネットワーク	インターネット層	IP / ICMP
L2 データリンク	ネットワークインターフェース層	Ethernet / Wi-Fi
L1 物理		ケーブル / 電気信号

OSI でネットワーク層 = L3、TCP/IP でインターネット層。役割はほぼ同じです。

パケットの構造 (IPv4 ヘッダ)

ネットワーク層が扱うデータ単位はパケットと呼ばれます。先頭に IP ヘッダを付けて運びます。

フィールド	サイズ	意味
Version	4 bit	IP バージョン (4 / 6)
IHL	4 bit	ヘッダ長 (32bit ワード単位)
TOS / DSCP	8 bit	サービス種別 (QoS)
Total Length	16 bit	パケット全体長
Identification	16 bit	フラグメント識別
Flags / Offset	3+13 bit	フラグメント制御
TTL	8 bit	生存時間 (ホップ数)
Protocol	8 bit	上位プロトコル (6=TCP, 17=UDP, 1=ICMP)
Header Checksum	16 bit	ヘッダのチェックサム
Source Address	32 bit	送信元 IP アドレス
Destination Address	32 bit	宛先 IP アドレス

ルーティングの基本

ルーターはルーティングテーブルを持ち、宛先 IP アドレスを見て次に転送すべきインターフェース (next hop) を決定します。

$ ip route show         # Linux でルーティングテーブル表示
default via 192.168.1.1 dev eth0
192.168.1.0/24 dev eth0 proto kernel scope link src 192.168.1.100
10.0.0.0/8 via 192.168.1.1 dev eth0

# Windows
> route print

ルーティング方式	説明
静的ルーティング	管理者が手動で設定
動的ルーティング	OSPF / BGP 等で自動学習
デフォルトルート	マッチするルートがないときの宛先 (0.0.0.0/0)
ロンゲストマッチ	最も長いプレフィクスにマッチするルートを採用

主な機器

機器	説明
ルーター	異なるネットワーク間のパケット転送
L3 スイッチ	ルーティング機能を持つスイッチ。LAN 内で多用
ファイアウォール	L3〜L7 でフィルタリング
ロードバランサー (一部)	L4/L7 LB と並んで L3 DSR 構成もある

ICMP — 診断とエラー通知

ICMP (Internet Control Message Protocol) は IP の補助プロトコル。ping / traceroute / 到達不能通知などで使われます。

$ ping example.com
PING example.com (93.184.216.34): 56 data bytes
64 bytes from 93.184.216.34: icmp_seq=0 ttl=56 time=15.2 ms

$ traceroute example.com
 1  192.168.1.1   0.5 ms
 2  10.0.0.1      2.1 ms
 3  100.64.0.1   10.5 ms
 ...

関連用語

用語	意味
MTU	1 パケットに載せられる最大バイト数 (Ethernet: 1500)
フラグメンテーション	MTU を超えるパケットの分割
NAT	プライベート IP とグローバル IP の変換
サブネット	IP 範囲をマスクで分割
CIDR	サブネットマスクを /24 等で表記
AS	自律システム。BGP の単位

FAQ

Q: ARP は L2 と L3 のどっち？
A: IP (L3) と MAC (L2) のマッピングをする境界的なプロトコル。L2.5 と呼ばれることが多い。OSI 厳密には L2 寄りだが、L3 と密結合。

Q: L3 スイッチとルーターの違い
A: 機能はほぼ同じだが、L3 スイッチはASIC で高速ルーティングに特化、ルーターは WAN プロトコル / NAT / VPN 等の機能が豊富。LAN 内は L3 スイッチ、WAN 接続はルーターが定番。

Q: IPv6 とは？
A: アドレス枯渇対策の次世代 IP。128 ビットアドレス (2¹²⁸ ≅ 3.4×10³⁸)。NAT 不要、ヘッダがシンプル、IPsec 標準など多くの改善点。

関連

• OSI 参照モデルの各層 (L1 物理 〜 L7 アプリケーション)
• TCP / UDP (L4 トランスポート)
• Ethernet / MAC アドレス (L2 データリンク)