この記事の要点

プロトコル (Protocol) = ネットワーク上で機器同士が通信するための「共通言語・約束事」 TCP/IP の 4 階層で整理: アプリケーション層 / トランスポート層 / インターネット層 / リンク層 代表的なもの: TCP, UDP, IP, ICMP, ARP, DNS, HTTP/HTTPS, FTP, SMTP/POP3/IMAP, SSH, TLS, DHCP, SNMP, NTP, BGP, OSPF 各プロトコルには IANA が割り当てた ポート番号がある (HTTP=80, HTTPS=443, SSH=22, DNS=53 など) 近年の動向: HTTP/3 (QUIC)、TLS 1.3、IPv6、Zero Trust 系プロトコル (BeyondCorp、SPIFFE/SPIRE)

プロトコルとは

プロトコル (Protocol) とは、ネットワーク上で 機器同士がやり取りするための共通のルールです。「どんなフォーマットで」「どんな順序で」「どんな意味で」データを送受信するかを定義します。人間の言語に例えるなら、共通の文法と単語、そして会話の手順 (挨拶 → 用件 → 終了) を取り決めたものです。

プロトコル無しでは、たとえ物理的にケーブルが繋がっていても通信できません。インターネットは数千の標準プロトコルの集積です。

レイヤード プロトコル アーキテクチャ (Layered Protocol Architecture)

複雑な通信機能を 階層 (レイヤー) に分割し、各層が独立した責務を持つ設計思想。下位層の詳細を上位層が知らなくても良いという「関心の分離」を実現します。代表的なモデル:

OSI 7 層	TCP/IP 4 層	主なプロトコル
第7層 アプリケーション	アプリケーション層	HTTP, FTP, SMTP, DNS, SSH
第6層 プレゼンテーション		TLS, JPEG, MIME
第5層 セッション		SIP, RPC, NetBIOS
第4層 トランスポート	トランスポート層	TCP, UDP, QUIC, SCTP
第3層 ネットワーク	インターネット層	IP (v4/v6), ICMP, IGMP, IPsec
第2層 データリンク	ネットワークインターフェース層	Ethernet, Wi-Fi, PPP, ARP, VLAN
第1層 物理		RJ45, 光ファイバ, 無線

インターネット層: IP / ICMP

IP (Internet Protocol)

インターネットの根幹プロトコル。IPv4 (32bit, 約 43 億アドレス) と IPv6 (128bit, 約 340 澗アドレス) があります。

IPv4 例: 192.168.1.1     /24 (= 255.255.255.0)
IPv6 例: 2001:db8::1     /64

特徴:
- コネクションレス (受信側との事前合意なし)
- ベストエフォート (到達保証なし)
- パケット単位で経路選択 (ルーティング)
- TTL (Time To Live) でループ防止

# IP アドレス確認
ip a                    # Linux
ipconfig                # Windows
ifconfig                # macOS / Linux 旧

ICMP (Internet Control Message Protocol)

IP の制御メッセージ用プロトコル。ping や traceroute が使います。

# 到達性確認
ping 8.8.8.8

# 経路確認
traceroute google.com       # Linux / macOS
tracert google.com          # Windows

# ICMP タイプ:
# 0 Echo Reply, 8 Echo Request (ping)
# 3 Destination Unreachable
# 11 Time Exceeded (traceroute で使用)

ARP (Address Resolution Protocol)

IP アドレス → MAC アドレスを解決。同一セグメント内でのみ動作。arp -a でテーブル確認。

トランスポート層: TCP / UDP / QUIC

プロトコル	信頼性	順序保証	速度	用途
TCP	あり (再送, ACK)	あり	遅い	HTTP, FTP, SSH, SMTP
UDP	なし	なし	速い	DNS, DHCP, NTP, VoIP, ゲーム
QUIC	あり (TCP 同等)	あり	速い (UDP 上)	HTTP/3, 動画ストリーミング
SCTP	あり	あり	中	SS7 over IP, WebRTC データチャネル

TCP の 3 ウェイハンドシェイク

クライアント                         サーバ
    |  SYN (seq=x)               -->  |
    |  <-- SYN+ACK (seq=y, ack=x+1)   |
    |  ACK (ack=y+1)             -->  |
    |  [接続確立、データ送受信開始]    |
    |  ...                            |
    |  FIN                       -->  |
    |  <-- ACK                        |
    |  <-- FIN                        |
    |  ACK                       -->  |

アプリケーション層プロトコル

Web 系: HTTP / HTTPS / HTTP/3

バージョン	登場	下位	特徴
HTTP/1.0	1996	TCP	都度接続切断
HTTP/1.1	1997	TCP	Keep-Alive、パイプライン
HTTP/2	2015	TCP + TLS	多重化、ヘッダ圧縮 (HPACK)、サーバプッシュ
HTTP/3	2022 (RFC9114)	QUIC (UDP) + TLS 1.3	0-RTT 接続、HoL ブロッキング解消、モバイル切替に強い

名前解決: DNS

# DNS クエリ (ホスト名 → IP)
dig example.com           # 詳細
nslookup example.com      # 全 OS
host example.com          # 簡易

# レコードタイプ
A      IPv4 アドレス
AAAA   IPv6 アドレス
CNAME  別名
MX     メールサーバ
TXT    任意 (SPF/DKIM/ドメイン認証)
NS     ネームサーバ
SOA    ゾーン情報
SRV    サービス位置

# DNS over HTTPS (DoH) / DNS over TLS (DoT)
# 暗号化された DNS、プライバシー保護

ファイル転送: FTP / SFTP / FTPS

プロトコル	ポート	暗号化	基盤
FTP	20/21	なし	独自
FTPS	990 (TLS)	TLS	FTP + TLS
SFTP	22	SSH	SSH のサブシステム

現在は SFTP が事実上の標準。FTP は平文認証のため非推奨。

メール: SMTP / POP3 / IMAP

用途	プロトコル	ポート (TLS)
送信	SMTP / SMTPS	25, 587 (STARTTLS), 465 (SMTPS)
受信 (ダウンロード型)	POP3 / POP3S	110, 995
受信 (サーバ常駐型)	IMAP / IMAPS	143, 993

リモート操作: SSH / Telnet

• SSH (Secure Shell): 暗号化済リモートシェル。公開鍵認証。22/tcp。現在の標準
• Telnet: 平文リモートシェル。23/tcp。使用厳禁 (パスワードが平文で流れる)

暗号化: SSL / TLS

バージョン	状況
SSL 2.0 / 3.0	廃止 (POODLE 脆弱)
TLS 1.0 / 1.1	廃止 (2020 年主要ブラウザ対応終了)
TLS 1.2	現役、互換性高い
TLS 1.3	★ 現行推奨。ハンドシェイク 1-RTT、0-RTT 可

その他のアプリ層プロトコル

• DHCP (67/68 UDP): IP アドレス自動配布
• SNMP (161/162 UDP): ネットワーク機器の監視・管理
• NTP (123 UDP): 時刻同期
• LDAP (389/636): ディレクトリサービス (Active Directory 等)
• RDP (3389 TCP): Windows リモートデスクトップ
• VNC (5900 TCP): クロス OS GUI リモート

ルーティング プロトコル

プロトコル	種類	用途
RIP / RIPv2	距離ベクトル	小規模ネットワーク (現在ほぼ使われない)
OSPF	リンクステート	企業内 (IGP)
IS-IS	リンクステート	ISP のバックボーン
BGP	パスベクトル	インターネット (EGP)。AS 間ルーティング

近距離 / IoT 通信プロトコル

• Bluetooth (2.4GHz): スマホ・周辺機器。BLE (Bluetooth Low Energy) で IoT 対応
• Zigbee (IEEE 802.15.4): メッシュ型、低消費電力、Smart Home (Hue, SmartThings)
• Z-Wave: Smart Home 老舗
• LoRaWAN: 長距離 (数 km) 低速 IoT
• Matter: スマートホーム新標準 (2022-)、IP ベース

プロトコルスタックと IANA ポート割当

1 つのアプリケーションは複数の層のプロトコルをスタックのように積み重ねて動作します。例えば Web ブラウジング: HTTPS over TLS over TCP over IP over Ethernet。

IANA (Internet Assigned Numbers Authority) がポート番号を管理:

• Well-Known Ports: 0-1023 (HTTP=80, HTTPS=443, SSH=22 等)
• Registered Ports: 1024-49151 (MySQL=3306, PostgreSQL=5432 等)
• Dynamic / Private Ports: 49152-65535 (一時的なクライアント側で利用)

# 開いているポート確認 (Linux)
ss -tunlp        # 推奨
netstat -tunlp   # 旧

# Windows
netstat -ano | findstr LISTENING

# /etc/services (Linux/macOS) でポート → サービス名対応表
cat /etc/services | grep ^http

FAQ

Q: TCP と UDP、どちらを選ぶべき？
A: 信頼性が必要なら TCP (Web, ファイル転送, メール)、速度・低遅延が必要で多少のロスを許容できるなら UDP (動画ストリーミング, ゲーム, VoIP, DNS)。

Q: HTTP/3 はいつ普及する？
A: 2026 年時点で Google / Cloudflare / Facebook など主要サイトは既に対応。ブラウザも Chrome / Firefox / Safari がデフォルト有効化済み。サーバ側 (nginx 1.25+, Caddy, h2o) も対応進行中です。

Q: IPv4 と IPv6、両方使われる？
A: 現在は デュアルスタック が主流。モバイルキャリアは IPv6 + IPv4 over IPv6 (DS-Lite, MAP-E) に移行中。日本では NTT フレッツ網が IPv6 化済み。