現代のデジタル通信は、複雑なデータのやり取りを効率的に行うため、共通のルールであるプロトコルに基づいています。これらのプロトコルを整理し、機能ごとに階層化した概念が「OSI参照モデル」です。OSIモデルは、通信プロセスを7つのレイヤー（層）に分けることで、異なるメーカーの機器同士でも相互運用を可能にする標準的な枠組みを提供しています。
ただし、実際のインターネットで主流となっているTCP/IPモデルなどは、OSIモデルの定義に完全に一致しない場合もあります。本記事では、主要なネットワークプロトコルをOSI参照モデルの各層に当てはめて解説します。
Key Facts
- OSI参照モデルは通信機能を7つの階層に分けた標準モデルである。
- 下位層（物理層・データリンク層）はハードウェアに近い物理的な接続を制御する。
- 上位層（セッション・プレゼンテーション・アプリケーション層）はデータの形式やユーザーインターフェースを管理する。
- 多くの現代的プロトコルはTCP/IPスイートに基づいており、OSIモデルの複数の層にまたがって機能することがある。
OSI参照モデルの階層別プロトコル詳細
第7層：アプリケーション層（Application Layer）
ユーザーが利用するアプリケーションに直接インターフェースを提供する層です。Web閲覧やメール送信など、具体的なサービスを実現するためのプロトコルがここに含まれます。
- Web・ファイル転送: HTTP (HTTP/3), HTTPS, FTP, NFS, Gemini
- メール・メッセージ: SMTP, POP3, IMAP, NNTP, SMPP
- 管理・設定: DNS, DHCP, SNMP, NTP, NETCONF
- リモートアクセス: SSH, Telnet
- その他: SIP, WebSocket, SOAP, UPnP
第6層：プレゼンテーション層（Presentation Layer）
データの表現形式を定義し、異なるシステム間でのデータ変換や暗号化、圧縮を担う層です。
- 暗号化・セキュリティ: TLS, SSL, PGP
- データ形式: ASCII, MIME, XDR, ASN.1 (抽象構文表記法)
- その他: AFP, ICA (Citrix)
第5層：セッション層（Session Layer）
通信の開始から終了までの「セッション」を管理し、対話の制御や同期を行います。例えば、認証後のセッション維持や、銀行取引のような重要な操作の管理をサポートします。
- セッション管理: NetBIOS, SOCKS, RPC, SDP (セッション記述プロトコル)
- ストリーミング・制御: RTP, RTCP, H.245
- その他: SMB, PPTP, Named pipe
第4層：トランスポート層（Transport Layer）
データ転送の信頼性を確保し、エラー検出やフロー制御を行う層です。ポート番号を用いて、どのアプリケーションにデータを届けるかを制御します。
- 信頼性重視（コネクション型）: TCP, SCTP, SPX
- 速度重視（コネクションレス型）: UDP, DCCP
- 次世代プロトコル: QUIC
- その他: iSCSI, VXLAN, FCP
第3層：ネットワーク層（Network Layer）
異なるネットワーク間でのデータルーティング（経路選択）とアドレス割り当てを担う層です。
- 基本プロトコル: IP (IPv4, IPv6)
- 制御・管理: ICMP (ICMPv6), IGMP, ARP (※層の定義により2.5層とされることもある)
- ルーティング: OSPF, RIP, IS-IS
- セキュリティ: IPsec, WireGuard
- その他: IPX, AppleTalk DDP, VRRP, HSRP
第2層：データリンク層（Data Link Layer）
同一ネットワーク内での物理的な接続先（MACアドレスなど）を識別し、データのフレーム化やエラー検知を行います。
- 有線・無線LAN: Ethernet, IEEE 802.11 (Wi-Fi), Token Ring
- トンネリング・接続: PPP, L2TP, PPPoE, Frame Relay, ATM
- 制御・管理: STP (スパニングツリー), LLDP, MAC, ARP
- その他: HDLC, SLIP, IEEE 802.15.4, WiMAX
第1層：物理層（Physical Layer）
電気信号、光信号、電波などの物理的な媒体を通じてビットデータを伝送する層です。ケーブル規格やコネクタ形状などがここに含まれます。
- 有線規格: RS-232, RS-485, USB, Ethernet物理層 (10BASE-Tなど), DSL, SONET/SDH
- 無線規格: Bluetooth, IEEE 802.11物理層, IrDA
- 光・広域網: OTN, PON, FO (光ファイバー)
- その他: CAN bus, ISDN, T1/E1キャリアリンク
プロトコル分類まとめ
| レイヤー | 名称 | 主な役割 | 代表的なプロトコル |
|---|---|---|---|
| 第7層 | アプリケーション層 | ユーザーサービス提供 | HTTP, DNS, SMTP, SSH |
| 第6層 | プレゼンテーション層 | データ形式の変換・暗号化 | TLS, SSL, MIME |
| 第5層 | セッション層 | 通信セッションの管理 | NetBIOS, RPC, SOCKS |
| 第4層 | トランスポート層 | エンドツーエンドの転送制御 | TCP, UDP, QUIC |
| 第3層 | ネットワーク層 | 経路選択（ルーティング） | IP, ICMP, OSPF |
| 第2層 | データリンク層 | 隣接ノード間のデータ転送 | Ethernet, PPP, MAC |
| 第1層 | 物理層 | 物理的な信号伝送 | USB, Bluetooth, 10BASE-T |
Frequently Asked Questions
OSI参照モデルとTCP/IPモデルの違いは何ですか？
OSIモデルは概念的な標準として7層に分かれていますが、TCP/IPモデルはより実践的な設計となっており、上位のセッション層、プレゼンテーション層、アプリケーション層をまとめて一つの「アプリケーション層」として扱うことが一般的です。
ARPはどのレイヤーに属しますか？
ARP（Address Resolution Protocol）は、IPアドレスからMACアドレスを導き出すため、ネットワーク層（第3層）とデータリンク層（第2層）の境界に位置するとされており、便宜上「レイヤー2.5」と表現されることがあります。
TLSやSSLはなぜプレゼンテーション層に分類されるのですか？
TLSやSSLは、アプリケーション層から渡されたデータを暗号化して形式を変換し、トランスポート層へ渡す役割を持つため、データの「表現形式」を管理するプレゼンテーション層の機能に該当します。
物理層で定義されるものは具体的にどのようなことですか？
電圧のレベル、コネクタのピン配置、ケーブルの材質、無線通信の周波数など、ビットを物理的な信号としてどう送るかというハードウェア的な仕様が定義されます。
QUICプロトコルの特徴は何ですか？
QUICはトランスポート層で動作し、UDPをベースにしながらTCPのような信頼性とTLSのようなセキュリティを統合したプロトコルです。接続確立の高速化を実現しており、HTTP/3の基盤として採用されています。
References
- "X.225 : Information technology – Open Systems Interconnection – Connection-oriented Session protocol: Protocol specification". Archived from the original on 1 February 2021. Retrieved 10 March 2023.
- Reliable Data Protocol - https://www.rfc-editor.org/rfc/rfc908.html
- Session Description Protocol - https://datatracker.ietf.org/doc/html/rfc8866