ネットワークの階層 (OSI 参照モデルと TCP/IP) を説明できますか

2 つのモデルの対応

OSI 参照モデルは、考えるための細かい地図です。TCP/IP モデルは、実際に動いている仕組みに合わせた大まかな地図です。 OSI は下から、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の 7 つです。TCP/IP の 4 つの層に、かっこの中の OSI の番号がおおよそ当たります。

いちばん下のリンク層は、ネットワークインターフェース層とも呼ばれます。

面接では、OSI の 5 層と 6 層を細かく言えるかより、「実際の話は TCP/IP の 4 層でしている」「L4、L7 のような呼び方は OSI の番号から来ている」と分かっているほうが役に立ちます。

どの層で何が起きるか

• リンク層同じ線や同じ Wi-Fi の中で、隣の機械へデータを届けます。スイッチはここで働きます
• インターネット層 IP アドレスを見て、いくつものネットワークをまたいで宛先の機械まで運びます。どの道を通るかはルーターが決めます
• トランスポート層ポート番号で、機械の中のどのプログラムへ渡すかを決めます。TCP なら届いたかの確かめや順番もここで扱います
• アプリケーション層 HTTP の GET や POST のような、アプリどうしの約束です

送るときは、上の層のデータに下の層が自分の宛名 (ヘッダー) を足して包みます。受け取った側は下の層から順に包みを開きます。手紙を封筒に入れ、さらに小包の箱に入れて送るのに似ています。

仕事でもこの番号はよく出てきます。ロードバランサーの「L4」は IP アドレスとポート番号 (TCP や UDP) を見て振り分ける物、「L7」は HTTP の URL やヘッダーまで見て振り分ける物を指します。

つながらないときは下の層から

障害のときは、下の層から順に確かめると、どこまで届いているかが分かります。

# インターネット層 IP で相手の機械まで届くか
ping example.com
# トランスポート層 相手のポートが開いているか
nc -vz example.com 443
# アプリケーション層 HTTP の答えとステータスコード
curl -I https://example.com

ping が通るのに curl が失敗するなら、機械までは届いていて、ポートかアプリの側に原因があると絞れます。逆に名前から IP アドレスが引けないなら、DNS の段で止まっています。ただし ping を返さない設定のサーバーもあるので、1 つの結果だけで決めつけず、いくつかの層の結果を合わせて判断します。

作った物と結ぶなら、自分が関わったサービスで「どの層の問題だったか」を 1 つ用意します。たとえば「サーバーは動いていたが、ファイアウォールで 443 番が閉じていて、トランスポート層で止まっていた」のような架空の形で話せます。

層の地図の弱点

層の地図はきれいに分かれていますが、実際の仕組みはまたがる物もあります。TLS は TCP とアプリの間に入るので、どの層かは説明によって違います。HTTP/3 は UDP の上に QUIC を載せ、TCP の役目をアプリに近い側で作り直しています。だから「この仕組みは必ずこの層」と言い切るより、「おおよそこの層の役目」と話すほうが安全です。細かい対応が要らない場面では、TCP/IP の 4 層だけで話すほうが伝わりやすくなります。