【基本情報技術者試験】OSI参照モデルの7層を図解で徹底解説！初心者向け完全ガイド

ネットワークの基礎知識として必須の「OSI基本参照モデル」。基本情報技術者試験では頻出の重要項目です。この記事では、OSI基本参照モデルの7つの階層（レイヤー）について、わかりやすく解説していきます。試験対策としても役立つよう、図解や具体例を交えながら、初心者の方でも理解できるように説明します。

導入

インターネットやLANなど、私たちが普段何気なく使っているネットワーク。その裏側では、コンピュータ同士が様々なルールに基づいてデータのやり取りを行っています。これらのルールを体系的にまとめたものが「OSI基本参照モデル」です。

OSI基本参照モデルを学ぶことで、ネットワークの仕組みをより深く理解することができます。ネットワークエンジニアを目指す方はもちろん、ITに関わるすべての人にとって、OSI基本参照モデルは基礎知識として非常に重要です。

この記事では、OSI基本参照モデルについて、初心者の方にもわかりやすく解説していきます。図解や身近な例えを用いながら、7つの階層とその役割、TCP/IPモデルとの違いなどを学んでいきましょう。記事の最後には練習問題も用意しましたので、理解を深めるためにぜひチャレンジしてみてください。

OSI基本参照モデルの7つの層

OSI基本参照モデルは、ネットワークの機能を7つの階層（レイヤー）に分けて定義しています。各層はそれぞれ独立した役割を持ち、上位層から下位層へとデータを伝送していくことで、最終的に相手にデータが届く仕組みです。この階層化された構造は、ネットワーク設計を簡素化し、異なる技術を連携させるための柔軟性を提供するという大きな利点があります。各層は自身の役割に集中し、他の層の動作に依存することなく、独立して機能することができます。

第1層（物理層）

物理層は、電気信号や光信号、電波など、物理的な伝送媒体に関する役割を担います。具体的には、ケーブルの種類やコネクタの形状、電圧レベル、伝送速度など、物理的な接続方法を定義しています。

身近な例で言えば、道路や線路のようなものです。データを運ぶための物理的な経路を提供するのが物理層の役割です。

第2層（データリンク層）

データリンク層は、MACアドレスを用いて、隣接する機器同士のデータの送受信や、エラー検出などを担います。MACアドレスとは、ネットワークカードに割り当てられた固有の識別番号のことです。データリンク層では、このMACアドレスを使って、データが正しい相手に届くように制御します。たとえば、同じオフィス内のLANでコンピュータ同士が通信する場合、MACアドレスによってそれぞれのコンピュータが識別され、データが適切な宛先に届けられます。

また、データの送信タイミングや、データが壊れていないかどうかのチェックなども行います。身近な例で言えば、郵便番号や住所のようなものです。正しい宛先に荷物を届けるために必要な情報を付加するのがデータリンク層の役割です。

第3層（ネットワーク層）

ネットワーク層は、IPアドレスを用いたデータの経路制御を担います。IPアドレスとは、インターネット上のコンピュータに割り当てられた固有の識別番号のことです。ネットワーク層では、このIPアドレスを使って、データがネットワーク上をどのように経由して相手に届くのかを決定します。この経路制御のことを「ルーティング」と呼びます。たとえば、東京から大阪にデータを送信する場合、ネットワーク層は最適な経路を決定し、ルータと呼ばれる機器を使ってデータを中継していきます。

身近な例で言えば、配送業者のようなものです。荷物を届けるための最適なルートを決定し、中継地点まで運ぶのがネットワーク層の役割です。

第4層（トランスポート層）

トランスポート層は、TCPやUDPなどのプロトコルを用いた、信頼性の高いデータ伝送を担います。TCPは、データが確実に相手に届くように、確認応答や再送などの制御を行います。一方、UDPは、速度を重視し、信頼性の保証は行いません。

TCPは、コネクションの確立と切断、確認応答、フロー制御、順序制御、輻輳制御という5つの重要な機能によって信頼性の高い通信を実現しています。コネクションの確立と切断は、通信を開始する前に送信側と受信側が互いに接続を確認するプロセスです。確認応答は、データが正しく受信されたことを確認する仕組みです。フロー制御は、送信側のデータ送信速度を受信側の処理能力に合わせて調整する機能です。順序制御は、分割されたデータを受信側で正しい順番に並べ替える機能です。輻輳制御は、ネットワークの混雑状況に合わせてデータ送信量を調整し、ネットワークの過負荷を防ぐ機能です。

トランスポート層では、データの分割・結合や、通信の開始・終了の制御なども行います。身近な例で言えば、宅配便の追跡サービスのようなものです。荷物が相手に届くまでを管理し、問題があれば再送などの対応を行うのがトランスポート層の役割です。TCPは、Webサイトの閲覧やファイル転送など、データの信頼性が重要な通信に利用されます。一方、UDPは、動画ストリーミングやDNSルックアップなど、多少のデータ損失が許容される通信に利用されます。

第5層（セッション層）

セッション層は、通信セッションの確立、維持、終了を担います。セッションとは、コンピュータ同士がデータのやり取りを行うための一時的な接続のことです。セッション層では、このセッションの開始や終了、通信の中断・再開などを制御します。

身近な例で言えば、電話の回線のようなものです。相手と通話を始めるために回線を接続し、通話が終われば回線を切断するのがセッション層の役割です。Webサイトにログインする際にも、セッション層がセッションを確立し、ログイン状態を維持します。

第6層（プレゼンテーション層）

プレゼンテーション層は、データの形式変換や暗号化などを担います。コンピュータ同士がデータをやり取りする際には、データの形式を統一する必要があります。プレゼンテーション層では、異なる形式のデータを共通の形式に変換したり、暗号化によってデータの安全性を確保したりします。たとえば、画像データや音声データなどを、ネットワークで送信できる形式に変換したり、SSL/TLSなどのプロトコルを使ってデータを暗号化したりするのがプレゼンテーション層の役割です。

身近な例で言えば、翻訳者のようなものです。異なる言語を翻訳して、相手に理解できるようにするのがプレゼンテーション層の役割です。

第7層（アプリケーション層）

アプリケーション層は、ユーザーが直接利用するアプリケーション（Webブラウザ、メールソフトなど）とネットワークのインターフェースを担います。ユーザーがアプリケーションを使ってデータを送受信する際に、ネットワークとのやり取りを仲介するのがアプリケーション層の役割です。たとえば、WebブラウザでWebサイトを閲覧する際には、HTTPというプロトコルを使ってWebサーバと通信を行います。このHTTPはアプリケーション層のプロトコルです。

身近な例で言えば、お店の窓口のようなものです。ユーザーが商品を注文したり、サービスを受けたりする際に、対応するのがアプリケーション層の役割です。

OSI基本参照モデルの理解を深める

データのカプセル化と分解

OSI基本参照モデルでは、データは上位層から下位層へと伝送される際に、各層でヘッダーと呼ばれる制御情報が付加されます。これをカプセル化と呼びます。カプセル化によって、データは各層で必要な情報が付加され、最終的に物理層で物理的な信号に変換されて送信されます。受信側では、この逆の処理が行われ、各層でヘッダーが取り除かれ、最終的にアプリケーション層で元のデータが復元されます。これを分解と呼びます。

このカプセル化と分解の仕組みは、異なるネットワーク機器が相互に接続して通信を行うための重要な役割を果たしています。それぞれの機器は、自身が担当する層のヘッダーを処理することで、データの送受信を行うことができます。たとえば、ルータはネットワーク層のヘッダーを処理することで、データの経路制御を行います。

カプセル化の様子は、入れ子になった封筒に例えることができます。アプリケーション層で作成されたデータは、まずセッション層の封筒に入れられます。さらに、トランスポート層、ネットワーク層、データリンク層と、それぞれの層の封筒に入れ子状にされていきます。そして最後に、物理層の封筒に入れられて送信されます。受信側では、この封筒が逆の順番で開けられていき、最終的にアプリケーション層で元のデータが取り出されます。

OSI基本参照モデルの概念図

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| アプリケーション層 | (7)
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| プレゼンテーション層 | (6)
+------------------+
| セッション層 | (5)
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| トランスポート層 | (4)
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| ネットワーク層 | (3)
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| データリンク層 | (2)
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| 物理層 | (1)
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申し訳ありません。これらの重要な表は変換後の記事に含める必要がありました。以下のように追加するのが適切です：

OSI基本参照モデルの各層の役割と身近な例え

OSI基本参照モデルとTCP/IPモデルの対応関係

セキュリティプロトコル一覧

OSI基本参照モデルとTCP/IPモデルとの違い

OSI基本参照モデルと似たようなモデルに、TCP/IPモデルがあります。TCP/IPモデルは、インターネットで実際に使われているプロトコルを基に作られたモデルで、OSI基本参照モデルよりも簡略化されています。OSI基本参照モデルは、ネットワークの標準化を目的として国際標準化機構 (ISO) によって開発されました。一方、TCP/IPモデルは、米国国防総省によって開発されたARPANETというネットワークを基に発展してきました。

OSI基本参照モデルは7階層であるのに対し、TCP/IPモデルは4階層です。OSI基本参照モデルは理論的なモデルであるのに対し、TCP/IPモデルは実用的なモデルです。

OSI基本参照モデルにおけるセキュリティプロトコル

OSI基本参照モデルの各層では、セキュリティを確保するための様々なプロトコルが使用されています。以下に、代表的なセキュリティプロトコルと、それらがどの層で機能するかを示します。

練習問題とその解説

問題1

Webサイトを閲覧する際に使用されるHTTPプロトコルは、OSI基本参照モデルのどの層に属するでしょうか？

1. 物理層
2. データリンク層
3. ネットワーク層
4. トランスポート層
5. セッション層
6. プレゼンテーション層
7. アプリケーション層

解答1：アプリケーション層

解説1：
HTTPは、WebブラウザなどのアプリケーションがWebサーバと通信するためのプロトコルです。ユーザーがWebサイトを閲覧する際に、WebブラウザはHTTPを使ってWebサーバにデータのリクエストを送信し、WebサーバはHTTPを使ってWebブラウザにWebページのデータを送信します。このように、アプリケーション層はユーザーが直接利用するアプリケーションとネットワークのインターフェースを担う層であるため、HTTPはアプリケーション層に属します。

問題2

データリンク層で用いられるMACアドレスは、どのような役割を持つでしょうか？

1. ネットワーク上のコンピュータを識別する。
2. データの送信経路を制御する。
3. データが壊れていないかチェックする。
4. 隣接する機器同士を識別する。

解答2：隣接する機器同士を識別する。

解説2：
MACアドレスは、ネットワークカードに割り当てられた固有の識別番号です。データリンク層では、このMACアドレスを使って、データが正しい相手に届くように制御します。同じネットワークに接続された機器同士が通信を行う際に、MACアドレスを使って互いを識別します。

問題3

TCP/IPモデルとOSI基本参照モデルの主な違いは何でしょうか？

1. 階層数が異なる。
2. TCP/IPモデルはセキュリティ機能を持たない。
3. OSI基本参照モデルはインターネットで使われていない。
4. OSI基本参照モデルはハードウェアに依存する。

解答3：階層数が異なる。

解説3：
OSI基本参照モデルは7階層であるのに対し、TCP/IPモデルは4階層です。OSI基本参照モデルはネットワーク通信をより詳細に定義するために作られた理論的なモデルであり、TCP/IPモデルはインターネットで実際に使われているプロトコルを基に作られた実用的なモデルです。

まとめ

この記事では、OSI基本参照モデルについて解説しました。OSI基本参照モデルは、ネットワークの仕組みを理解するための重要な基礎知識です。7つの階層とその役割を理解することで、ネットワーク上でデータがどのようにやり取りされているのかを把握することができます。また、OSI基本参照モデルの階層構造は、ネットワークのモジュール化を促進し、異なる技術の相互運用を可能にするという点で、ネットワーク技術の発展に大きく貢献しています。

OSI基本参照モデルをさらに深く学ぶためには、各層で使用されるプロトコルや、ネットワーク機器の役割などを詳しく調べてみましょう。ネットワークに関する書籍やウェブサイト、オンライン学習サービスなどを活用することで、より理解を深めることができます。たとえば、特定の層に特化した書籍や、ネットワークシミュレーションツールなどを利用することで、実践的な知識を身につけることができます。

まけまけ

フルスタックエンジニア

会社の研修でpythonを勉強し始めました。