【初心者向け】TCP/IPモデルとは？OSI参照モデルとの違いも分かりやすく徹底解説（IT資格対策）

IT関連の勉強をしていて、『TCP/IP モデル』という言葉に出会い、『いまいちピンとこない……』と頭を悩ませていませんか？

試験では単なる用語の暗記だけではなく、その仕組みや活用シーンが問われます。せっかく勉強するなら、試験に受かるだけでなく、仕事でも役立つ『一生モノの知識』として身につけたいですよね。

この記事では、TCP/IP モデルの本質を、例を交えながら解説します。難しい理屈を徹底的に噛み砕き、専門用語を使わずにその正体を解き明かします。

肩の力を抜いて、気楽に読み進めましょう。この記事を読み終える頃には、小難しい専門用語がスッと頭に入り、自信を持って問題に挑めるようになっているはずです。試験合格のその先を見据えた『使える知識』を、分かりやすくお届けします。

TCP/IPモデルとは

TCP/IPモデルは、インターネットでコンピュータ同士がデータをやり取りするための「通信ルール」を定めた設計図です。データを送ったり受け取ったりするときに、複雑な処理を4つの層に分けて、それぞれが役割を担当することで、スムーズで効率的な通信を実現しています。

実は、このモデルはインターネットの世界で最も広く使われている標準的なモデルです。メールを送ったり、ウェブサイトを閲覧したり、動画をストリーミングしたりするとき、すべてこのTCP/IPモデルに基づいた通信が行われています。

TCP/IPモデルの全体像

TCP/IPモデルの特徴は、通信機能を4つの層に分類することです。上から順に「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」「ネットワークインターフェース層」という4段階で構成されています。

各層には、その層独有の役割があり、その役割を果たすための専門的な通信方式（プロトコル）が定義されています。

各層の詳しい役割

ネットワークインターフェース層（第1層）

この層は、最も下位に位置し、物理的な通信手段に直接関わる領域です。データを電気信号や電波に変換して、ケーブルやWi-Fiなどの通信媒体を通して、コンピュータ間でデータをやり取りしています。

具体的には、Ethernetケーブルで接続されたパソコンや、Wi-Fiで接続されたスマートフォンなど、同じ部屋や同じオフィス内のようなローカルエリアネットワーク（LAN）内でのデータ送受信を担当します。この層では、MACアドレスという機器を識別する情報を使用して、「この機器から、あの機器へ」というデータの流れを制御します。

簡単に言い換えると、この層は「実際に物をやり取りする運送会社」のような役割を果たしています。

インターネット層（第2層）

インターネット層では、データを送る相手の住所にあたるIPアドレスを見て、どのルートを通ってデータを送るかを決定します。世界中のコンピュータは膨大な数存在し、それらすべてが直接つながっているわけではありません。そのため、データが目的地に到達するまでに、複数のルーター（ネットワーク交差点を管理する機器）を経由する必要があります。

この層では、ルーターが活躍し、「次にこのデータをどのルーターに送ればいいか」という判断を何度も繰り返すことで、最終的に目的地にデータを届けます。

簡単に言い換えると、この層は「ナビゲーションシステム（カーナビ）」のような役割です。複雑な道路網の中で、最適なルートを判断して、目的地までたどり着くように案内します。

この層で使われる主なプロトコルは、以下の通りです。

トランスポート層（第3層）

トランスポート層は、データを正確に相手に届けることを保証する層です。アプリケーション層から受け取った大きなデータは、そのままでは送信しにくいため、この層で適切なサイズに分割されます。また、受け取る側がバラバラに届いたデータを正しい順序で並べられるように、それぞれのデータに番号が付けられます。

さらに、受け取った側が「ちゃんとデータを受け取りましたよ」という確認信号を返すことで、送信する側は安心してデータを送ることができます。

簡単に言い換えると、この層は「郵便局の仕分けと配送管理」のような役割です。大量の手紙を運びやすいサイズごとに仕分けし、追跡番号をつけて、きちんと相手に届けることを保証します。

この層で使われる主なプロトコルは、以下の通りです。

アプリケーション層（第4層）

アプリケーション層は、ユーザーが直接使うアプリケーション（メールソフト、ウェブブラウザ、ファイル転送ソフトなど）とネットワークの橋渡しをする層です。ユーザーがメールを送ったり、ウェブページを見たり、ファイルをダウンロードしたりするときに実行される、すべての通信処理がこの層で管理されています。

メールを送るときは、複数のメールサーバーを経由して送信先に届く必要があります。ウェブページを見るときは、リクエストを送ってサーバーからデータを受け取ります。このような各アプリケーション独自の処理が、この層で定義されています。

簡単に言い換えると、この層は「受付窓口」です。ユーザーからのリクエストを受け取り、それを下の層へ渡して処理を進め、結果をユーザーへ返します。

この層で使われる主なプロトコルは、以下のようなものがあります。

TCP/IPモデルとOSI参照モデルの違い

ネットワークについて学んでいると「OSI参照モデル」という言葉も目にすることがあります。これはTCP/IPモデルと類似していますが、いくつかの違いがあります。

OSI参照モデルは理論的な標準モデルであり、教科書的です。一方、TCP/IPモデルは実際に動いているインターネットの仕組みに合わせて作られているため、より現実的で実用的です。現在のネットワーク業界では、TCP/IPモデルを中心に考えることが一般的です。

実際の通信の流れ

ここまで各層について学びました。では、実際にウェブページにアクセスするとき、TCP/IPモデルの各層がどのように協力するのか、流れを見てみましょう。

ユーザーがウェブブラウザでURLを入力して、「表示」ボタンを押したとき。

1。アプリケーション層で、ブラウザが「このウェブサイトを見たい」というリクエストを作成します。このとき、使われるプロトコルはHTTPです。

2。トランスポート層で、大量のデータを小分けにして、それぞれに順番号をつけます。TCPが使われることが多いため、各データには「このデータは全体の何番目か」という情報が追加されます。

3。インターネット層で、「相手のコンピュータのIPアドレスはどこか」という情報を追加します。IPプロトコルが使われ、宛先と送信元のIPアドレスが含まれます。

4。ネットワークインターフェース層で、データが電気信号や電波に変換され、Wi-FiやEthernetを通じて、まずは近くのルーターに送られます。MACアドレスという情報も追加されます。

5。ルーターを経由しながら、インターネット上を複数の経路で目的のサーバーへ到達します。

6。受け取ったサーバー側でも、各層が逆の手順を実行します。ネットワークインターフェース層で電気信号をデータに戻し、その後、各層のヘッダ情報を読み込みながら、上へ上へとデータが進んでいき、最終的にサーバー内のアプリケーション層に到達します。

7。サーバーのアプリケーション層が「ウェブページを表示するリクエストだ」と理解し、要求されたウェブページのデータを作成します。

8。その後、同じ4層を経由して、ユーザーのコンピュータへ返送されます。

9。ユーザーのブラウザが最終的なデータを受け取り、ウェブページが表示されます。

このように、複雑な通信処理が4つの層に分割されることで、各段階で「自分の仕事」に集中できる仕組みになっています。また、ある層に問題が生じたとしても、その層だけを改善すれば良いため、ネットワークシステムの保守や改善が容易になります。

各層のデータ単位

各層ではデータに情報を付け足しながら下の層へ渡していきます。各層で付け足される情報を「ヘッダ」と呼びます。また、各層でのデータの呼び方も異なります。

この仕組みを「カプセリング」と呼び、上の層で作られたデータが、下の層を経由するたびに、必要な情報がどんどん追加されていく過程を指します。

TCP/IPモデルを学ぶメリット

TCP/IPモデルを理解することで、以下のようなメリットが生まれます。

ネットワークトラブルが発生したときに、「どの層に問題があるのか」を特定しやすくなります。例えば、「インターネットには接続しているがウェブページが表示されない」という症状であれば、アプリケーション層か、その下のトランスポート層に問題がある可能性が高まります。

複雑なネットワークシステムを学ぶときの基礎となります。TCP/IPモデルを理解していると、新しいプロトコルやネットワークシステムを学ぶときに、「それはどの層に関連しているのか」と、論理的に整理しながら理解を深められます。

ネットワークに関するIT資格試験（基本情報技術者試験、応用情報技術者試験、CCNA、ITパスポートなど）で頻出の知識です。

TCP/IPモデルで誤解しやすいポイント

「TCP/IPモデル＝4層」と「OSI参照モデル＝7層」を同じものだと思ってしまう誤解

TCP/IPモデルとOSI参照モデルは、どちらもネットワーク通信を階層的に説明するフレームワークですが、全く異なるものです。TCP/IPモデルは4層、OSI参照モデルは7層という構造の違いだけではなく、成り立ちや役割も異なります。

OSI参照モデルは、ISO（国際標準化機構）が理論的に設計した「標準化のための教科書的なモデル」です。一方、TCP/IPモデルは、実際にインターネットで動作しているプロトコルの仕組みに基づいた「実務的で現実的なモデル」です。つまり、OSI参照モデルは「ネットワーク通信をどう理解・学ぶべきか」という教育的な観点から、TCP/IPモデルは「実際のインターネット通信はどう動いているのか」という実装の観点から設計されています。

試験では、「TCP/IPモデルとOSI参照モデルの違いを説明せよ」という問題が頻出です。単に「TCP/IPは4層、OSIは7層」と答えるだけでは不十分です。TCP/IPモデルのアプリケーション層が、OSI参照モデルのアプリケーション層・プレゼンテーション層・セッション層の3層をまとめたものであることを理解する必要があります。

「TCP/IPモデルの層の対応関係」を誤解している

TCP/IPモデルとOSI参照モデルの層を一対一で対応させていると、大きな間違いを犯します。実際の対応関係は以下の通りです。

TCP/IPモデルのアプリケーション層、トランスポート層、インターネット層は、OSI参照モデルの複数の層の機能を含んでいます。これを理解しないと、プロトコルの配置や機器の役割を誤解してしまいます。

「トランスポート層＝TCP」だと思ってしまう誤解

TCP/IPモデルのトランスポート層は、TCPだけではなくUDPも含まれています。むしろ、TCPとUDPはどちらも同じトランスポート層で動作する異なるプロトコルです。

TCPは「接続型・信頼性重視」のプロトコルで、通信前に相手との接続を確立し、データが正確に到着することを保証します。一方、UDPは「非接続型・速度重視」のプロトコルで、事前接続なしにデータを送り、速度は優先しますが信頼性は保証しません。この違いは試験でよく問われます。

HTTPやHTTPSはTCPを使用しますが、DNSやNTPはUDPを使用します。つまり、同じアプリケーション層のプロトコルでも、使用するトランスポート層のプロトコルが異なるのです。この関係を理解していないと、試験で「このプロトコルはどの層で動作するのか」という問題に答えられません。

「ネットワークインターフェース層＝ハードウェア」だと思ってしまう誤解

TCP/IPモデルのネットワークインターフェース層は、物理的なハードウェアだけではなく、OSI参照モデルの第1層（物理層）と第2層（データリンク層）の両方の機能を含んでいます。つまり、ケーブルやハブなどの物理的な機器だけでなく、Ethernetなどのデータリンク層のプロトコルも含まれています。

ハードウェアはあくまで通信を実現するための「道具」に過ぎず、ネットワークインターフェース層には、MACアドレスを使った同一ネットワーク内での通信制御も含まれています。例えば、スイッチはLANケーブルを接続するハードウェアですが、スイッチがMACアドレスを読み込んで正しいポートにデータを転送するのは、ネットワークインターフェース層のデータリンク層の機能です。

「IPアドレス＝インターネット層」という理解が不完全である誤解

IPアドレスはインターネット層で使用される重要な概念ですが、インターネット層の全ての機能ではありません。インターネット層は、IPアドレスを使ったルーティング（経路選択）だけでなく、パケットの破損チェック、エラー検出、ネットワーク内での移動経路の最適化など、複数の機能を担当しています。

また、IPアドレスに関連する技術には、サブネットマスク、デフォルトゲートウェイ、ARPなどがあり、これらすべてがインターネット層で協力して動作しています。単に「IPアドレスはIPプロトコルが使用する」という理解では不十分です。

「HTTP＝アプリケーション層」という理解だけで満足してしまう誤解

HTTPはアプリケーション層のプロトコルですが、実際の通信では複数の層のプロトコルが協力して動作しています。HTTPはTCPを使用してトランスポート層で信頼性を確保し、IPを使用してインターネット層でルーティングを行い、Ethernetを使用してネットワークインターフェース層で物理的な転送を実現しています。

「ウェブページを見るときはHTTPが動作している」という理解は正しいですが、実は「HTTP＋TCP＋IP＋Ethernetが協力して動作している」というのが正確です。試験では、このプロトコル間の関係性を問う問題が出題されます。

混同注意！TCP/IPモデルと間違いやすい用語

TCP/IPモデルと「TCP/IPプロトコル」の混同

TCP/IPモデルは「4つの層に分けたネットワーク通信の理論的な枠組み」です。一方、TCP/IPプロトコルは「TCPとIPという2つの具体的なプロトコルの総称」です。

TCP/IPモデルは、TCP、UDP、IP、ICMP、HTTP、FTP、SMTPなど、多くのプロトコルを包含する大きな枠組みです。ですから、「TCP/IPモデル＝TCP＋IP」ではなく、「TCP/IPモデルの中に、TCP、UDP、IP、ICMPなどのプロトコルが存在する」という理解が正しいです。試験の問題文をよく読み、「モデルについて問われているのか」「プロトコルについて問われているのか」を区別することが重要です。

「トランスポート層」と「トランスポート層のプロトコル」の混同

トランスポート層は、TCP/IPモデルにおける第3層で、「信頼性のある通信」や「ポート番号による通信の振り分け」などの役割を持つ層です。一方、トランスポート層のプロトコルは、TCPやUDPなど、その層で動作する具体的なプロトコルです。

試験では「トランスポート層で動作するプロトコルは何か」と問われることがあります。答えは「TCPとUDP」です。「トランスポート層」という層そのものではなく、その層で動作する具体的なプロトコルを答える必要があります。

「インターネット層」と「インターネット」の混同

TCP/IPモデルの「インターネット層」は、インターネットで使用される層という意味で名付けられました。しかし、インターネット層で動作するプロトコルは、ローカルエリアネットワーク（LAN）など、インターネット以外でも使用されています。

つまり、「インターネット層＝インターネット上でのみ使用される層」ではなく、「TCP/IPの第2層であり、IPアドレスを使ったルーティングを行う層」というのが正確です。この理解がないと、「なぜLAN内でもIPアドレスを使うのか」という質問に答えられません。

「ネットワークインターフェース層」と「ネットワークインターフェースカード」の混同

TCP/IPモデルのネットワークインターフェース層は、コンピュータ内のネットワークインターフェースカード（NIC）だけを指す概念ではなく、OSI参照モデルの第1層と第2層の機能を統合した論理的な層です。

ネットワークインターフェースカードは、ネットワークインターフェース層を実装するための具体的なハードウェアに過ぎません。つまり、層は「通信機能の分類」であり、NIiは「その機能を実現するためのハードウェア」です。この違いを理解しないと、「物理層＝ハードウェア」という誤解に陥り、ネットワーク通信の本質を理解できません。

「TCPとUDP」の選別誤解

TCPとUDPの違いは、試験で最も頻出の混同です。以下の表で、両者の特徴を整理します。

TCPは「どんなに時間がかかっても、正確にデータを届けたい場合」に使用されます。UDPは「多少のデータ損失があってもいいから、とにかく速く送りたい場合」に使用されます。試験では「このプロトコルはTCPとUDPのどちらを使用しているか」という問題が出題されます。

「HTTP」と「HTTPS」と「HTTP/3」の階層的な位置関係の混同

HTTP、HTTPS、HTTP/3は、すべてアプリケーション層のプロトコルですが、使用するトランスポート層のプロトコルが異なります。

HTTPやHTTPSは従来TCPを使用していますが、HTTP/3はUDPを使用します。つまり、「プロトコル名が似ているから同じトランスポート層を使用している」と推測するのは危険です。特にHTTP/3が登場したことで、「新しいHTTPはUDPを使用する」という理解が必要になりました。この違いを理解していないと、試験で「HTTP/3で使用されるトランスポート層のプロトコルは何か」という問題に答えられません。

「ルータが動作する層」と「スイッチが動作する層」の混同

TCP/IPモデルでは、ルータはインターネット層で、スイッチはネットワークインターフェース層で動作する機器とされています。これは、ルータがIPアドレスを使用してルーティングを行い、スイッチがMACアドレスを使用してフレームを転送することに基づいています。

しかし、現代のスイッチの中にはレイヤー3スイッチなど、複数の層で動作する機器も存在します。また、ルータも内部ではMACアドレスの処理を行っています。つまり、「ルータ＝第3層」「スイッチ＝第2層」という理解は、基本的な枠組みとしては正しいですが、実際のネットワーク機器はより複雑です。試験では、基本的な理解を前提としながらも、応用的な知識を問う問題が出題されることがあります。

TCP/IPモデルに関連する重要用語

OSI参照モデル

OSI参照モデルは、国際標準化機構（ISO）が定義した、ネットワーク通信を7つの層に分けたモデルです。TCP/IPモデルと最も混同されやすい用語です。TCP/IPモデルは実際のインターネット通信に基づいた4層構造ですが、OSI参照モデルは理論的な学習や標準化のための7層構造です。

試験では「TCP/IPモデルとOSI参照モデルの違いを説明せよ」という問題が出題されます。重要なポイントは、TCP/IPモデルのアプリケーション層がOSI参照モデルのアプリケーション層・プレゼンテーション層・セッション層の3つをまとめたものだということです。

TCP（Transmission Control Protocol）

TCPはトランスポート層で動作するプロトコルで、「通信前に相手との接続を確立し、データが正確に目的地に到達することを保証する」信頼性を重視した通信方式です。3ウェイハンドシェイクという仕組みで接続を確立します。

HTTP、HTTPS、FTP、SMTPなどのアプリケーション層のプロトコルはTCPを使用しています。データが確実に届くことが重要なウェブページ閲覧やメール送受信に適しています。試験では「TCPとUDPの違い」が頻出問題です。

UDP（User Datagram Protocol）

UDPはトランスポート層で動作するプロトコルで、TCPとは異なり「通信前の接続確立なしに、できるだけ速くデータを送ることを優先する」軽量な通信方式です。データの到着を保証しません。

DNS、DHCP、NTPなどはUDPを使用しており、リアルタイム性が重要な動画ストリーミングやオンライン会議でも使用されます。TCPよりもオーバーヘッドが少ないため、ネットワーク負荷が軽いのが特徴です。

IP（Internet Protocol）

IPはインターネット層で動作するプロトコルで、「IPアドレスを使用してデータの送信先を決定し、複数のネットワークを経由してルーティングする」役割を担当しています。

TCP/IPモデルの名前の由来の一つであり、最も基本的なプロトコルです。インターネット上のすべての通信はIPを使用しており、IPアドレスによってコンピュータを一意に識別します。試験では、IPアドレスの構造、サブネットマスク、ルーティングの仕組みなどが出題されます。

DNS（Domain Name System）

DNSはアプリケーション層で動作するプロトコルで、「example.comのようなドメイン名を、192.0.2.1のようなIPアドレスに変換する」名前解決機能を提供します。

ウェブブラウザでURLを入力したとき、実は裏側でDNSがドメイン名をIPアドレスに変換しています。UDPのポート53番を使用しており、速度が重要なため信頼性よりも速度を優先しています。試験では、DNSのキャッシング機能やDNSサーバーの階層構造が出題されることがあります。

【試験別】出題ポイントと対策

各試験の出題傾向と対策について解説します。受験予定のタブを切り替えて確認しましょう。

例題・過去問演習

まとめ

TCP/IPモデルについて、このセクションで大切なポイントをまとめました。

• TCP/IPモデルは、インターネット通信を4つの層に分けた設計図であり、現代のネットワーク運用の基準となっている。
• 4つの層は、下から「ネットワークインターフェース層（物理送受信）」「インターネット層（経路決定）」「トランスポート層（正確な通信管理）」「アプリケーション層（ユーザーサービス提供）」と、それぞれ独立した役割を持つ。
• 各層は複数のプロトコルで構成されており、代表的なものとしてHTTP、TCP、IP、Ethernetなどが挙げられる。
• TCP/IPモデルはOSI参照モデルより層が少なく、実務面では標準とされている。
• データは上の層から下の層へ進むたびにヘッダ情報が追加され、受信時には逆方向で情報が削除される。
• ネットワークトラブルの診断や、ネットワーク技術の習得に不可欠な基礎知識である。

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。