プロトコルスタック

2025年10月14日

プロトコルスタック

英語表記: Protocol Stack

概要

プロトコルスタックとは、コンピュータがネットワーク上でデータを送受信するために必要な、複数の通信規約（プロトコル）を機能ごとに階層化して組み合わせたソフトウェア群のことです。これは、コンピュータの構成要素であるOSの内部に実装され、周辺機器とインターフェースを通じて外部と円滑に通信を行うための手順書として機能します。特にインターネット通信で標準的に使用されるTCP/IPプロトコルスタックが最も有名であり、複雑な通信処理を整理し、アプリケーションから物理的なデータ伝送までを一貫して管理する、非常に重要な仕組みなのですよ。

【この概念の立ち位置】
このプロトコルスタックは、「コンピュータの構成要素」の中で、特に「周辺機器とインターフェース」を制御し、通信の「プロトコルと階層」を具現化する中心的な役割を担っています。物理的なインターフェース（LANカードなど）がハードウェアだとすれば、スタックはそのハードウェアを動かし、意味のある情報交換を可能にするための頭脳（ソフトウェア）だと言えるでしょう。

詳細解説

1. プロトコルスタックの目的と必要性

なぜ通信を階層化する必要があるのでしょうか？もしすべての通信処理を一つの巨大なプロトコルで賄おうとすると、仕様が複雑になりすぎる上、どこか一部に変更が必要になった際にシステム全体を改修しなければならなくなります。

プロトコルスタックは、通信機能を「階層（レイヤー）」に分割することで、この問題を解決します。各階層は、一つ下の階層が提供するサービスを利用し、一つ上の階層に対してサービスを提供します。これにより、たとえば物理的な伝送媒体（光ファイバーからWi-Fiへ）が変わっても、より上位のアプリケーション層は影響を受けずに済むのです。これは本当に素晴らしい設計思想だと思います。

2. 主要な構成要素（TCP/IPモデル）

現在、世界中で利用されているのはTCP/IPプロトコルスタックです。これは主に以下の4つの階層で構成されています。

3. データ処理の流れ（カプセル化と非カプセル化）

データがコンピュータから送信される際、プロトコルスタック内では「カプセル化（Encapsulation）」という処理が行われます。

アプリケーション層: ユーザーデータが生成されます。
トランスポート層: ユーザーデータにTCPヘッダ（ポート番号など）を付加し、セグメントを作成します。このポート番号によって、どのアプリケーション宛のデータかが識別されます。
インターネット層: セグメントにIPヘッダ（送信元/宛先IPアドレス）を付加し、パケットを作成します。このIPアドレスによって、ネットワーク上のどのコンピュータ宛かが識別されます。
ネットワークインターフェース層: パケットにフレームヘッダ（MACアドレスなど）を付加し、フレームを作成します。このフレームが、周辺機器であるNIC（ネットワークインターフェースカード）に送られ、物理的な電気信号や光信号に変換されて送信されます。

データを受信したコンピュータ側では、この逆の手順（非カプセル化）がスタックを上向きに通過しながら行われ、各階層で対応するヘッダが取り除かれ、最終的にアプリケーション層で元のデータが取り出されるのです。この流れこそが、プロトコルスタックがコンピュータの構成要素として通信を成り立たせている核心部分です。

具体例・活用シーン

1. 郵便局の業務分担モデル

プロトコルスタックの仕組みを理解する上で、最も分かりやすいのが「郵便局」の比喩です。この比喩は、プロトコルと階層の役割分担を鮮やかに示してくれます。

アプリケーション層（手紙を書く人）: ユーザーが伝えたい情報（手紙の本文）を作成します。
トランスポート層（宛名と差出人を書く作業）: どの部署（アプリケーション）宛かを特定する情報（ポート番号）を封筒（ヘッダ）に書き込みます。
インターネット層（郵便番号と仕分けセンター）: 遠隔地のどの建物（IPアドレス）に送るかを決定し、最適なルート（ルーティング）を選定します。
ネットワークインターフェース層（配達員とトラック）: 最終的に、目の前の道路（物理媒体）を使って、隣の街（MACアドレス）まで実際に荷物を運ぶ物理的な作業を担当します。

もし手紙の内容（アプリケーション層）が変わっても、郵便局の仕分け方法（インターネット層）は変える必要がありません。また、トラック（ネットワークインターフェース層）が自転車に変わっても、宛名（トランスポート層）はそのまま使えます。このように、各階層が独立して機能することで、通信システム全体の柔軟性が保たれているのです。

2. 実際のデータ通信

私たちがウェブブラウザでサーバーにアクセスする（HTTP通信）際、このプロトコルスタックは瞬時に動作しています。

ブラウザ（アプリケーション層）が要求データを作成します。
データはトランスポート層（TCP）で分割され、ポート番号（通常80番や443番）が付与されます。
インターネット層（IP）でサーバーのIPアドレスが付与され、ルータを経由するための準備が整います。
周辺機器であるNICのドライバが、ネットワークインターフェース層の処理を行い、データを電気信号としてLANケーブルに送り出します。

プロトコルスタックは、これらの複雑な処理をOS内部で自動的に行っているため、ユーザーはURLを入力するだけで、瞬時に外部のサーバーと通信できるわけです。

資格試験向けチェックポイント

プロトコルスタック、特にTCP/IPモデルは、IT Passportから応用情報技術者試験まで、ネットワーク分野の核となる知識です。プロトコルと階層の関連付けは頻出パターンですので、ぜひ重点的に学習してください。

階層とプロトコルの対応（必須）:
- トランスポート層の主要プロトコルはTCPとUDPです。信頼性が必要なのはTCP（ウェブ、メール）、高速性が求められるのはUDP（動画配信、DNS）と区別して覚えてください。
- インターネット層の主要プロトコルはIPです。ルーティングとIPアドレス管理の役割を担っています。
OSI参照モデルとの比較:
- TCP/IPモデルは4層または5層で説明されますが、理論的な7層モデルであるOSI参照モデルとの対応関係（特にどの層が統合されているか）を問われることが多いです。
PDU（データ単位）の名称:
- アプリケーション層：データ
- トランスポート層：セグメント（TCPの場合）
- インターネット層：パケット
- ネットワークインターフェース層：フレーム
- これらのデータ単位がどの階層で生成されるかを正確に把握しておきましょう。
周辺機器との連携:
- ネットワークインターフェース層では、MACアドレスが使われ、これは周辺機器であるNICに固有のアドレスです。IPアドレス（論理アドレス）とMACアドレス（物理アドレス）の役割の違いを理解しておくことが重要です。