【初心者用】CCNA学習＃2OSI参照モデル

1. プロトコル

通信におけるルールの事になります。

送信側と受信側でお互いの共通のルールでないとデータの疎通ができません。

通信中のプロセス中には、たくさんのプロトコルが存在しています。

たとえば、バイナリデータに変換する際のプロトコルや、電気信号に変換する際のプロトコル。

電気信号を送信するケーブルの規格など。。。様々なプロトコルが存在しています。

1-1. プロトコルスタック（ネットワークアーキテクチャー）

通信におけるたくさんのプロトコルを役割ごとにまとめたものを、プロトコルスタックまたは、ネットワークアーキテクチャ、プロトコルスイートと呼ぶ。

補足・・・
少し前のPCメーカーは自社製品同士でしか、使用できないプロトコルスタックをそれぞれ作っていました。
なので、違う会社のPC同士だと、プロトコルスタックに互換性が全くなく、ネットワーク環境を構築するには、同一メーカーのPCをそろえる必要がありました。

2. OSI参照モデル

異なる機種間（PC、スマホ、タブレット）でも通信ができる世界標準でのプロトコルスタックとして、作られたのがOSI参照モデルになります。

OSI：Open Systems Interconnectionの略です。
ISO：Internation Organization for Standardzdization：国際標準機構によって決められました。

このOSIがどんどん広まっていくことで、各メーカー間で決めていたプロトコルが少なくなっていき異なる機種間でも通信をできるようになってきたという背景があります。

OSI参照モデルは、通信に必要とされる機能を７つの階層に分けています。

・アプリケーション層（レイヤ７）：アプリケーション固有のルール
・プレゼンテーション層（レイヤ６）：ユーザが見て触れるデータのルール
・セッション層（レイヤ５）：アプリケーション間の接続のルール
・トランスポート層（レイヤ４）：通信の信頼性に関するルール
・ネットワーク層（レイヤ３）：エンドツーエンドに関するルール
・データリンク層（レイヤ２）：隣接ノード間の通信に関するルール
・物理層（レイヤ１）：機器や電気信号に関するルール

上記の１～７のレイヤはL1L2と呼ばれることもあり、上記のレイヤごとにプロトコルを切り分ける事で（階層化）することで、それぞれのプロトコルの役割が明確になり、変更などが必要になった場合でも、最小限のプロトコルの変更で済むというメリットもあります。

データを送信して受信されるまでの流れ。

例えばA君がB君に「こんにちは」とメールをした場合で、考えてみます。

①メールを書く→アプリケーション層
②メールの内容がバイナリデータに変換される→プレゼンテーション層
③相手のメールアプリとの接続を開始する→セッション層
④しっかりとメールを送れるための仕組みを準備する→トランスポート層
⑤B君にメールが届くまでの経路を把握し、通信全体を把握する→ネットラーク層
⑥メールのバイナリデータを電気信号に変換しB君のノード（スマホ、PC、タブレットなど）へ正しく通信する→データリンク層
⑦物理経路、LANケーブル、Wifi、光通信などどういった形で送るかを定義→物理層

あとは⑦→⑥→⑤→④→③→②→①を再度繰り返す事で、B君にメールが届きます。

補足・・・
・物理層：具体的にどういった処理で伝送するかを決めているプロトコル
・データリンク層：ノード間でルールが違うが、各ノード別に伝送のルールを決めているプロトコル
・ネットワーク層：送信元から送信先までのノードがたくさんあるが、どういったルートを伝送するかを決めているプロトコル
・トランスポート層：送信もとから送信先まで、どういったルールで送信するかを決めているプロトコル
・セッション層：アプリケーション同士の接続に関するルールを決めているプロトコル
・プレゼンテーション層：エンコードとデコードに関するルール決めているプロトコル
・アプリケーション層：アプリケーション間の連携のルールを決めいているプロトコル

上記に簡単にまとめましたが、各レイヤをもう少し深堀していきたいと思います。

2-1. レイヤ１：物理層

機器や、電気信号に関するルール

・ケーブルの種類や長さに関するルール
・電圧レベル、電圧変化に関するルール
・通信速度、電気信号の符号化（エンコード）に関するルールなど

2-2. レイヤ２：データリンク層

ノード間の通信に関するルール

・データの送信元と送信先の識別に関するルール（物理アドレス）
・データの衝突（コリジョン）の見地や回避に関すルール
・送信するためのデータの加工に関するルールなど

2-3. レイヤ３：ネットワーク層

エンドツーエンド（送信元と送信先）の通信に関するルール

・エンドツーエンドの識別方法に関するルール（論理アドレス）
・経路選択に関するルール
・データの送信方法に関するルール

2-4. レイヤ４：トランスポート層

通信における信頼性のルール

・確実な伝送orスピードどちらを優先するか
・異常があった時の対処に関するルール
・送信の調節に関するルール

2-5. レイヤ５：セッション層

アプリケーション間の接続のルール

・二者間の接続開始から終了までのルール
・接続の維持や回復に関するルール
・接続情報に関するルール

2-6. レイヤ６：プレゼンテーション層

ユーザが見て取れるデータのルール

・文字コードに関するルール
・画像や動画に関するルール
・データの圧縮や暗号化に関するルール

2-7. レイヤ７：アプリケーション層

アプリケーション固有のルール

・電子メールアプリの送受信のルール
・メールサーバの利用に関するルール
・添付ファイルに関するルール

簡単にまとめるとこういった形になります。

いまは、大体のルールを把握するだけで大丈夫です。

3. カプセル化・非カプセル化

送信時はレイヤ７→レイヤ１の低階層に向かう

逆に受信時はレイヤ１→レイヤ７の高階層に向かう

各レイヤで処理していく際、ヘッダという制御情報を付加します。

データリンク層ではトレーラというエラーチェック用の情報も付加します。

この送信データを作るためにレイヤごとにヘッダとトレーラを付加していく処理をカプセル化といいます。

受信データは、各レイヤで処理されていく際に送信時に付加されたヘッダとトレーラが外されます。

この処理を非カプセル化と言います。

このデータ＋トレーラのデータの単位をPDU（protocol Date Unit）と呼びます。

PDUは度のレイヤのヘッダが付加されているかで呼び名が変わり、データリンク層ではフレーム、ネットワーク層ではパケット、トランスポート層ではセグメントと呼びます。

以上が、OSI参照モデルの概要になります。

ネットワークの全体を表すような、本当に大事な箇所になりますので、必ず覚えるようにしましょう。

上記は最低限の内容になりますが、非常に大事ですので、要復習です！

4. 代表的なネットワーク機器

ここでは、代表的なネットワーク機器を紹介していきたいと思います。

まず初めにクライアントやサーバーといったコンピューター以外にネットワークを構築するためのハードウェアであるネットワーク機器もノードに含まれます。

4-1. ハブ（リピータハブ）

複数のノードをつなげる集線装置をハブ（リピータハブ）といいます。

宛先以外にもデータを伝送してしまうという、デメリットがあります。

4-10. ポート

モジュラージャックともいいます。

何番ピンからデータを送受信するかで、MDI、MDI-Xのどちらかに分類されます。

１，２番のポートで送信し３．６番で受信するものをMDI
１．２番のポートで受信し３．６で送信するものをMDI-Xと呼びます。

・MDIとMDI-Xで通信を使いたい場合は、ストレートケーブルを使う。
・同じポート（モジュラージャック）間でストレートケーブルを使うと通信が失敗します。
・同じポート（モジュラージャック）間の場合はクロスケーブルだと通信できません。
・MDIとMDI-X間でクロスケーブルを使うと通信ができなくなります。

上記の内容は非常に大切な内容になっておりますので、しっかりと理解しましょう！

補足・・・
ノードによってMDI/MDI-Xのどちらのポートを持つか決まっています。
MDIを持つノード：PC（NIC）、ルータ
MDI-Xを持つノード：ハブ、スイッチ　など。。。

4-11. 光ファイバーケーブル

・コンピュータからの電気信号を光信号に変換して伝送するケーブルを光ファイバーケーブルといいます。

・光の通り道となるコアとコア内に光を閉じ込めるクラッドとそれらを包む外皮で構成されます。

・光信号は電気信号とちがい、ノイズが発生しないことから、長距離や超高速データ通信が可能です。

・伝送可能な距離は５００ｍ～数ｋｍと非常に長いことが特徴になります。

補足・・・
光信号はクラッドで反射しコアの中で屈折して進んでいきます。
超高速通信が可能になりますが、コストが高いというのが特徴です。

4-12. シングルモードファイバ（SMF）マルチモードファイバ（MMF）

シングルモードファイバ（ＳＭＦ）

コアの直径がものすごく小さく（約９μｍ）１つのモード（光信号）で伝送する光ファイバーケーブルをシングルモードファイバ（ＳＭＦ）といいます。

高速でものすごい距離の伝送が可能ですが、コア部分が非常にデリケートなうえに、コストが高い事と取り扱いが難しいという特徴があります。

マルチモードファイバ（ＭＭＦ）

コアの直径が大きく（約５０μｍ）複数のモードで伝送する光ファイバーケーブルをマルチモードファイバ（ＭＭＦ）といいます。

複数のモードを使っているので、到達までの時間がばらつくことから、低速で短い距離の伝送向けになっています。頑丈で安価なのが特徴です。

その他のケーブル

・同軸ケーブルはＬＵＮの普及の初期で広く使われていました。
がちがちにかためているため、ノイズの遮断に優れており、質の高い信号が伝送できるので、現在でもテレビなどで使われています。

・シリアルケーブルはＷＡN接続で主に使用されるケーブルです。
ルーターなどの機器によって様々な企画が存在します。

4-2. 光ファイバーケーブル

・コンピュータからの電気信号を光信号に変換して伝送するケーブルを光ファイバーケーブルといいます。

・光の通り道となるコアとコア内に光を閉じ込めるクラッドとそれらを包む外皮で構成されます。

・光信号は電気信号とちがい、ノイズが発生しないことから、長距離や超高速データ通信が可能です。

・伝送可能な距離は５００ｍ～数ｋｍと非常に長いことが特徴になります。

補足・・・
光信号はクラッドで反射しコアの中で屈折して進んでいきます。
超高速通信が可能になりますが、コストが高いというのが特徴です。

4-3. スイッチ（スイッチングハブ）

送りたいノードにのみ送ることができるハブをスイッチ（スイッチングハブ）と言います。

4-4. ルータ

ハブやスイッチと違って隣接していないノードとの通信を可能にします。

異なるネットワークを相互接続することのできるネットワーク機器をルータと言います。

上記のネットワーク機器は下記のようにレイヤ別に分担することができます。

・レイヤ１（物理層）：ハブ
・レイヤ２（データリンク層）：スイッチ
・レイヤ３（ネットワーク層）：ルータ

今回は物理層の話を進めていていきたいと思いますので、ハブ（集線装置）について詳しく記載していこうと思います。

4-5. ハブ（リピータハブ）

・複数のノードをつなぎ、双方の通信を可能とします。
あるノードから受信したデータを他のすべてのノードへと伝送する機能があります。

・減衰してしまった電気信号を増幅し、波形を再生して中継する機能もあります。

通信データを単なる電気信号としてしか扱わない物理層で働く装置で、機能としては、集線装置としての機能とリピータ機能を持っています。

特定の宛先を選んで送るといった制御機能はなく、シスコでは、ハブと呼ばれています。

ちなみに、正式名称はリピータハブと呼ばれています。

差し込み口の事をポートと言うので、一緒に覚えましょう！

4-6. ツイストペアケーブル

２本のより合わせを４セット。合計８本の芯線を使ったケーブルをツイストペアケーブルと言います。

ノイズの発生と影響を抑えることができるので、現在のLANで一番使われているケーブルになります。

シールドがあるのとないのとで

UTPケーブル（Unshielded Twisted-Pair）

STPケーブル（Shielded Twisted-Pair）

STPはコストが高くなるので、大体の場所ではUTPが使用されています。

伝送可能な距離は約１００メートルになります。それ以上の場合は減衰してしまいます。

距離を延長したい場合は、ハブなどを使います。

ツイストペアケーブルは品質によって、カテゴリに分けられます。

LANではカテゴリ３（Cat3）以上のものしか使用できないようになっています。

カテゴリの数値が上がれば上がるほど高速で高品質な通信が可能になっていきます。

カテゴリ	伝送速度（ｂｐｓ）	最大周波数（Hz）	用途
1	２０k	規定なし	電話線
2	４Ｍ	１Ｍ	低速データ通信
3	１６Ｍ	１６Ｍ	10BASE-T、トークンリング
4	２０Ｍ	２０Ｍ	トークンリング
5	１００Ｍ	１００Ｍ	100BASE-TX
5e	１Ｇ	１００Ｍ	1000BASE-T
6	１．２Ｇ	２５０Ｍ	1000BASE-T,10GBASE-T
6a	１０Ｇ	５００Ｍ	10GBASE-T
7	１０Ｇ	６００Ｍ	10GBASE-T

※カテゴリが上がるほど、高速で高品質になります。

4-7. ＲＪ－４５コネクタ

ケーブルの末端に取り付ける接続装置をコネクタといいます。

ツイストペアケーブルで一般に使用されている８芯のコネクタをＲＪ－４５コネクタと言います。

多くのＮＩＣ、ネットワーク機器がＲＪー４５に対応しています。

4-8. ネットワークインタフェースカード

・コンピュータをネットワークに繋ぐための拡張部品をNIC(Network Interface Card)と言います。

・ＬＡＮカード、ネットワークアダプター、ネットワークカードとも言います。

・優先ＬＡＮ、特にイーサネットに対応するものが非常におおいです。

こういった、ＮＩＣをパソコンなどに組み込んでいることから、ＲＪ－４５をつなげることができます。

これは重要なので、覚えておきましょう。

4-9. ストレートケーブル・クロスケーブル

ツイストペアケーブルは同線の並びでストレートケーブルかクロスケーブルの２種類に分類されます。

ストレートケーブル

ストレートケーブルは両端のピンが同じ並びで製造されます。

クロスケーブル

クロスケーブルは同線が交差状態になって製造されています。

通信規格によって、１⇔３、２⇔６ものと、１⇔３、２⇔６、４⇔７、５⇔８のピン同士が交差状に接続されたもので使い分けられます。

5. まとめ

今回は、OSI参照モデルと、OSI参照モデルの中のレイヤ１に該当する物理層についてまとめました。

OSI参照モデルに関しては、７つのレイヤが存在し、各レイヤの簡単な役割を理解できるようになりましょう。

また物理層では、いろんなケーブルが使われていることもまとめました。

RJ-45、クロスケーブル、ストレートケーブル、SMF、MMF、光ファイバーケーブルなどなど。。。

混同して覚えやすい部分になりますが、しっかりと復習し、それぞれの役割を理解出来るようになれば完璧です。