この記事の要点

コンピュータネットワークは機器を接続して情報をやりとりする仕組み。家庭の Wi-Fi から世界規模の Internet まで階層化された設計 理論モデルは OSI 参照モデル (7 層)、実装は TCP/IP モデル (4 層)。各層が独立した責務を持つ 物理層 → データリンク層 → ネットワーク層 → トランスポート層 → アプリケーション層、と カプセル化しながら伝送 主要機器: ハブ / スイッチ / ルーター / AP / ファイアウォール / ロードバランサ トラブル時の三種の神器: ping (疎通) / traceroute (経路) / dig・nslookup (名前解決)

ネットワークとは

「複数のコンピュータや機器を物理回線または無線で接続し、情報をやりとりする仕組み」の総称。スマホで Web を見るのも、社内 LAN でファイル共有するのも、すべてネットワークです。規模により以下の用語が使われます。

用語	範囲	例
PAN (Personal Area Network)	個人 (数 m)	Bluetooth, USB
LAN (Local Area Network)	建物・敷地内	家庭 Wi-Fi, オフィス LAN
MAN (Metropolitan Area Network)	都市規模	大学のキャンパス間
WAN (Wide Area Network)	広域 (国・世界)	専用線, IP-VPN
Internet	地球規模	誰でも参加できる相互接続網

OSI 参照モデル (7 層)

1984 年に ISO が標準化した理論的な階層モデル。実装は TCP/IP モデルが主流ですが、概念整理として今も広く使われます。

層	名称	役割	代表プロトコル / 機器
7	アプリケーション層	アプリ固有の通信	HTTP, HTTPS, FTP, SMTP, DNS
6	プレゼンテーション層	データ形式変換 / 圧縮 / 暗号化	TLS, SSL, JPEG, GIF
5	セッション層	通信セッション管理	NetBIOS, SQL セッション
4	トランスポート層	エンドツーエンド到達制御	TCP, UDP, SCTP
3	ネットワーク層	ルーティング / アドレッシング	IP, ICMP, ARP, ルーター
2	データリンク層	同一セグメント内の通信	Ethernet, Wi-Fi, MAC, スイッチ
1	物理層	電気信号 / 光信号	UTP, 光ファイバ, RJ-45, ハブ

TCP/IP モデル (4 層)

実装上の標準。Internet を支える仕組みそのものです。

層	OSI 対応	主な役割とプロトコル
アプリケーション層	5-7	HTTP, HTTPS, DNS, SMTP, IMAP, POP3, FTP, SSH, TLS
トランスポート層	4	TCP (信頼性), UDP (高速), QUIC
インターネット層	3	IPv4, IPv6, ICMP, ARP
ネットワークインターフェース層	1-2	Ethernet, Wi-Fi, PPP

主要プロトコル

トランスポート: TCP vs UDP

項目	TCP	UDP
接続	3-way handshake で確立	コネクションレス
信頼性	順序保証・再送制御あり	到達保証なし
速度	遅め (ハンドシェイク・確認応答)	速い
用途	HTTP, SMTP, SSH, FTP, DB	DNS, DHCP, VoIP, 動画ストリーミング, ゲーム
ヘッダサイズ	20 バイト〜	8 バイト

アプリケーション層の主要プロトコル

プロトコル	ポート	用途
HTTP	80/TCP	Web 通信 (平文)
HTTPS	443/TCP	Web 通信 (TLS 暗号化)
HTTP/3 (QUIC)	443/UDP	UDP ベースの高速 HTTP
DNS	53/UDP (53/TCP)	名前解決
SSH	22/TCP	暗号化シェル
SFTP	22/TCP	SSH 経由のファイル転送
FTP	21/TCP	ファイル転送 (平文、非推奨)
SMTP	25 / 587 / 465 /TCP	メール送信
POP3	110 / 995 /TCP	メール受信 (削除型)
IMAP	143 / 993 /TCP	メール受信 (サーバ保持)
DHCP	67-68/UDP	IP アドレス自動配布
NTP	123/UDP	時刻同期
RDP	3389/TCP	Windows リモートデスクトップ

主要なネットワーク機器

機器	OSI 層	役割
リピータ / ハブ	1	電気信号を増幅して再送出 (現在は使われない)
スイッチ (L2)	2	MAC アドレスで宛先ポートに転送
ブリッジ	2	セグメント間接続 (現在はスイッチに統合)
L3 スイッチ	3	IP ルーティング機能つきスイッチ
ルーター	3	異なるネットワーク間のパケット転送
無線 AP	1-2	Wi-Fi 接続提供
ファイアウォール	3-7	パケットフィルタリング / NAT
ロードバランサ	4 / 7	複数サーバへの負荷分散
プロキシ	7	クライアントとサーバの仲介

IP アドレス

項目	IPv4	IPv6
アドレス長	32 ビット	128 ビット
表記	192.168.1.1	2001:db8::1
総数	約 43 億	約 3.4 × 10^38
プライベート	10.0.0.0/8, 172.16.0.0/12, 192.168.0.0/16	fc00::/7
ループバック	127.0.0.1	::1
NAT 必要性	ほぼ必須	不要 (アドレス潤沢)

サブネットマスクと CIDR

192.168.1.0/24
  ネットワークアドレス: 192.168.1.0
  ブロードキャスト:     192.168.1.255
  ホスト範囲:           192.168.1.1 - 192.168.1.254
  ホスト数:             254

10.0.0.0/16
  範囲:    10.0.0.0 - 10.0.255.255
  ホスト数: 65534

172.16.0.0/12
  範囲:    172.16.0.0 - 172.31.255.255

トラブルシュートコマンド

# 疎通確認
ping 8.8.8.8                # ICMP Echo
ping -c 4 google.com        # Linux/macOS で 4 回限定

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

# 名前解決
nslookup google.com
dig google.com
dig @8.8.8.8 google.com ANY

# ポート開放確認
nc -zv example.com 443
telnet example.com 80

# 開いているポートの一覧
netstat -tulpn              # Linux
ss -tulpn                   # 新しい Linux
netstat -an                 # Windows / macOS

# ルーティングテーブル
ip route                    # Linux
route print                 # Windows
netstat -rn                 # 共通

# 自分の IP
ip addr show                # Linux
ifconfig                    # macOS / 古い Linux
ipconfig /all               # Windows

# DNS キャッシュクリア
sudo systemd-resolve --flush-caches   # Linux (systemd-resolved)
sudo killall -HUP mDNSResponder        # macOS
ipconfig /flushdns                     # Windows

無線 LAN (Wi-Fi) 規格

世代	規格	周波数	最大速度
Wi-Fi 4	802.11n (2009)	2.4/5 GHz	600 Mbps
Wi-Fi 5	802.11ac (2013)	5 GHz	6.9 Gbps
Wi-Fi 6	802.11ax (2019)	2.4/5 GHz	9.6 Gbps
Wi-Fi 6E	802.11ax 6GHz (2020)	6 GHz 追加	同上
Wi-Fi 7	802.11be (2024)	2.4/5/6 GHz	46 Gbps

近代的なトピック

• SDN (Software Defined Networking): ルーティング制御をソフトウェアで動的管理 (例: OpenFlow, VMware NSX)
• VXLAN: L2 over L3 トンネルで仮想ネットワークを構築。クラウドで標準
• SD-WAN: 拠点間 WAN を Internet 経由で構成 (低コスト)
• Zero Trust Network: 「社内 = 安全」を前提にしない設計。BeyondCorp, Cloudflare Access
• HTTP/3 + QUIC: UDP ベースで TLS 統合・接続確立 1RTT

FAQ

Q: スイッチとルーターの違いは？
A: スイッチは同じネットワーク内で MAC アドレスをもとに転送 (L2)、ルーターは異なるネットワーク間で IP アドレスをもとに転送 (L3)。家庭用ルーターは両機能を内蔵。

Q: なぜポート番号があるのか
A: 1 つの IP アドレス上で複数のサービスを区別するため。HTTP (80) / SSH (22) / DNS (53) のように。

Q: IPv6 はいつ普及する？
A: 既に多くのスマホ・ISP で対応。日本でも 50% 以上の家庭が IPv6 経由で接続している。完全移行はまだ先だが Dual Stack が標準。