この記事の要点

OSI 参照モデル = ネットワーク通信を 7 つの階層に分けた国際標準モデル (ISO/IEC 7498) 7 層: 物理 / データリンク / ネットワーク / トランスポート / セッション / プレゼンテーション / アプリケーション 通信時は カプセル化 (上 → 下、ヘッダ付加)、受信時は デカプセル化 (下 → 上) 各層の PDU: Bit → Frame → Packet → Segment → Data 実装は TCP/IP 4 層モデル。OSI は教育・概念整理用、現代の実装は TCP/IP が主流

OSI 参照モデルとは

OSI (Open Systems Interconnection) 参照モデルは、ISO (国際標準化機構) が 1984 年に策定したネットワーク通信のリファレンスモデルです (ISO/IEC 7498)。異なるベンダー機器・OS でも通信できるよう、通信プロトコルを7 つの階層 (レイヤ)に分割しました。各層が独立した責務を持ち、上下の層と決められたインターフェースで通信します。

7 層の全体図

┌────────────────────────────────────────────────────┐
│ 第7層 アプリケーション層 (Application)             │ ← HTTP, FTP, SMTP, DNS
├────────────────────────────────────────────────────┤
│ 第6層 プレゼンテーション層 (Presentation)          │ ← 文字コード変換, TLS 暗号化
├────────────────────────────────────────────────────┤
│ 第5層 セッション層 (Session)                       │ ← 接続維持, RPC
├────────────────────────────────────────────────────┤
│ 第4層 トランスポート層 (Transport)                 │ ← TCP, UDP, ポート番号
├────────────────────────────────────────────────────┤
│ 第3層 ネットワーク層 (Network)                     │ ← IP, ルーティング
├────────────────────────────────────────────────────┤
│ 第2層 データリンク層 (Data Link)                   │ ← Ethernet, MAC アドレス, ARP
├────────────────────────────────────────────────────┤
│ 第1層 物理層 (Physical)                            │ ← ケーブル, NIC, 電気信号
└────────────────────────────────────────────────────┘

各層の役割と代表プロトコル

層	役割	PDU	代表的プロトコル / 機器
第7層 アプリケーション	アプリ間データ交換	Data	HTTP, HTTPS, FTP, SMTP, POP3, IMAP, DNS, SSH
第6層 プレゼンテーション	文字コード / 暗号化 / 圧縮	Data	TLS/SSL, JPEG, MIME, ASCII
第5層 セッション	セッション開始/終了/同期	Data	NetBIOS, RPC, SQL セッション
第4層 トランスポート	エンドツーエンド通信、信頼性	Segment	TCP, UDP, ポート番号
第3層 ネットワーク	論理アドレス指定、ルーティング	Packet	IP (v4/v6), ICMP, ARP, ルーター
第2層 データリンク	同一セグメント内通信	Frame	Ethernet, Wi-Fi (802.11), MAC アドレス, スイッチ
第1層 物理	電気/光信号、ビット送受	Bit	RJ-45, 光ファイバー, NIC, ハブ, リピーター

第1層: 物理層

電気信号・光信号・電波として 0/1 のビット列を送受信する物理的な手段の規定。ケーブルの種類 (UTP / 光)、コネクタ形状 (RJ-45 / LC)、電圧 / 周波数等。

• 機器: NIC (ネットワークカード)、ハブ、リピーター、トランシーバ
• 規格: 10BASE-T, 1000BASE-T, 10GBASE-SR, IEEE 802.11 (Wi-Fi 物理層部分)

第2層: データリンク層

同一物理セグメント (LAN) 内での通信を担当。MAC アドレスで隣接ノードを識別し、衝突回避や誤り検出を行います。

• 機器: スイッチ (L2 スイッチ)、ブリッジ、無線 AP
• プロトコル: Ethernet (IEEE 802.3)、Wi-Fi (IEEE 802.11)、ARP (実際は L2.5)、PPP、HDLC
• アドレス: MAC アドレス (48 bit、例 aa:bb:cc:11:22:33)

第3層: ネットワーク層

異なるセグメント間 (LAN 同士) を IP アドレスで論理的につなぎ、最適経路を選択 (ルーティング) します。

• 機器: ルーター、L3 スイッチ
• プロトコル: IPv4 / IPv6, ICMP (ping), ARP, RIP, OSPF, BGP
• アドレス: IP アドレス (IPv4 32 bit, IPv6 128 bit)

第4層: トランスポート層

送信元プロセスと宛先プロセスの間のエンドツーエンド通信を提供。信頼性 (再送制御、順序保証) や輻輳制御を担います。

プロトコル	信頼性	用途
TCP	あり (再送/順序/フロー制御)	HTTP, メール, SSH, DB
UDP	なし (送りっぱなし、低遅延)	DNS 問合せ, 動画/音声配信, ゲーム

• アドレス: ポート番号 (16 bit、0-65535)
• well-known ports: 80 (HTTP), 443 (HTTPS), 22 (SSH), 25 (SMTP), 53 (DNS)

第5層: セッション層

通信セッションの開始 / 維持 / 終了、同期ポイントの設定。TCP/IP 4 層モデルではアプリケーション層に統合されました。

• 例: NetBIOS, RPC, SQL のセッション管理, SSH のセッション制御

第6層: プレゼンテーション層

データの表現形式変換 (文字コード、エンコーディング、暗号化、圧縮)。受信側と送信側で文字コードが違っても通信できるようにする。

• 例: TLS/SSL の暗号化, ASCII ↔ EBCDIC 変換, JPEG/MPEG エンコーディング, MIME
• TLS は伝統的には L6 とされるが、実装的には L4 と L7 の間でラップする層

第7層: アプリケーション層

アプリケーション同士が直接やり取りするプロトコル。ユーザーが触れる Web ブラウザ・メーラ等が動く層。

• HTTP / HTTPS, FTP / SFTP, SMTP / POP3 / IMAP, DNS, DHCP, SNMP, NTP, LDAP, SSH, Telnet

カプセル化 / デカプセル化

送信時、上位層のデータに各層がヘッダ (一部はトレーラ) を追加していきます。受信時は逆順に剥がします。

送信側 (カプセル化、上→下)        受信側 (デカプセル化、下→上)
─────────────────────             ─────────────────────
[Application Data]                [Application Data]
        ↓                                ↑
[L7 Hdr | Data]                   [L7 Hdr | Data]
        ↓                                ↑
[L4 Hdr | L7 Hdr | Data]   →TCPセグメント→  [L4 Hdr | ...]
        ↓                                ↑
[L3 Hdr | L4 Hdr | ...]    →IPパケット→  [L3 Hdr | ...]
        ↓                                ↑
[L2 Hdr | L3 Hdr | ... | L2 Trailer] →イーサネットフレーム→ [L2 Hdr | ...]
        ↓                                ↑
[Bit stream 10101010...]          [Bit stream]
        └── ケーブル / 電波 ──────→

例: HTTP リクエスト送信
 L7: GET /index.html HTTP/1.1
 L4: TCP ヘッダ (送信元 ポート 54321 → 宛先 80) を付加
 L3: IP ヘッダ (送信元 IP → 宛先 IP) を付加
 L2: Ethernet ヘッダ (送信元 MAC → 宛先 MAC) を付加 + FCS
 L1: NIC が電気信号でケーブルに送出

TCP/IP 4 層モデルとの対応

OSI (7 層)	TCP/IP (4 層)	プロトコル例
第7層 アプリケーション	第4層 アプリケーション層	HTTP, DNS, SMTP
第6層 プレゼンテーション
第5層 セッション
第4層 トランスポート	第3層 トランスポート層	TCP, UDP
第3層 ネットワーク	第2層 インターネット層	IP, ICMP
第2層 データリンク	第1層 ネットワークインターフェース層	Ethernet, Wi-Fi
第1層 物理

覚え方の語呂

下から: 「物データ ネット 取って (Transport) セ・プ・ア」

• 下から: 物理 / データリンク / ネットワーク / トランスポート / セッション / プレゼンテーション / アプリケーション
• 英語版: 「Please Do Not Throw Sausage Pizza Away」 (Physical, Data Link, Network, Transport, Session, Presentation, Application)
• 上から: 「All People Seem To Need Data Processing」

現代の実装と OSI

• 現代のインターネット実装は TCP/IP モデルが主流。OSI は教育・トラブルシューティング思考の整理に使う
• L4 ロードバランサ (LB) = TCP/UDP レベルで分散 (例: AWS NLB)
• L7 LB = HTTP/HTTPS パス・ヘッダで分散 (例: AWS ALB, Nginx)
• ファイアウォール: L3/L4 がパケットフィルタ、L7 が WAF (Web Application Firewall)
• TLS は L6 か L7 か議論あり: アプリケーション直下、TCP の上で暗号層として動作

トラブルシューティングへの応用

症状	疑う層	確認方法
リンクアップしない	L1	ケーブル / NIC / ポート LED
同セグメント内で通信不可	L2	MAC アドレス, ARP テーブル
他セグメントへ到達不可	L3	ping, traceroute, ルーティング
ポート閉じている	L4	telnet, nc, nmap
HTTP エラー	L7	curl -v, ブラウザ DevTools

FAQ

Q: OSI と TCP/IP どちらを学べばいい？
A: 実装は TCP/IP 一択。ただし OSI 7 層の方が役割が細かく分かれているので、教育・面接・トラブル思考整理には OSI が便利。

Q: TLS は何層？
A: 教科書的には L6 (プレゼンテーション層) だが、実装はトランスポート (TCP) の上で動くので、TCP/IP 4 層では「アプリケーション層内」と扱われる。

Q: ARP は何層？
A: IP アドレスから MAC アドレスを解決するので、L2 と L3 の間 (一般に L2.5 と呼ばれる)。