図解でわかる!OSI参照モデルの7つのレイヤーを徹底解説

OSI(Open Systems Interconnection)モデルは、プロトコルを階層ごとに実装し、制御をあるレイヤーから次のレイヤーへと受け渡していくためのネットワーキングフレームワークを定義したものです。現在では主に教育ツールとして活用されており、コンピューターネットワークアーキテクチャを、論理的な流れに沿って7つのレイヤーに概念的に分割しています。

下位のレイヤーは、電気信号やバイナリデータの塊、そしてそれらのデータをネットワーク間でルーティングする処理を担当します。一方、上位のレイヤーは、ユーザーの視点から見たネットワーク要求と応答、データの表現方法、ネットワークプロトコルなどを扱います。

OSIモデルはもともと、ネットワークシステムを構築するための標準アーキテクチャとして考案されたものであり、今日広く使われている多くのネットワーク技術には、この階層型設計の思想が反映されています。

物理層(Layer 1)

第1層である物理層は、送信側(ソース)デバイスの物理層から、ネットワーク通信媒体を介して受信側(宛先)デバイスの物理層へと、デジタルデータのビットを最終的に伝送する役割を担っています。

レイヤー1の技術の代表例としては、イーサネットケーブルやハブが挙げられます。ハブなどのリピーターは物理層で動作する標準的なネットワークデバイスであり、ケーブルコネクターも同様に物理層に属します。

物理層でのデータ伝送には、物理媒体がサポートする信号方式が用いられます。具体的には、電気的な電圧、無線周波数、赤外線または可視光のパルスなどです。

データリンク層(Layer 2)

物理層からデータを受け取ったデータリンク層は、物理的な伝送エラーの有無をチェックし、ビット列をデータフレームにまとめます。さらに、イーサネットネットワークにおけるMACアドレスのような物理アドレス方式を管理し、ネットワークデバイスによる物理媒体へのアクセスを制御します。

データリンク層はOSIモデルの中で最も複雑なレイヤーとされ、そのためメディアアクセスコントロール(MAC)サブレイヤーと論理リンクコントロール(LLC)サブレイヤーの2つに分割されることが一般的です。

ネットワーク層(Layer 3)

ネットワーク層は、データリンク層の上に「ルーティング」という概念を追加します。データがネットワーク層に到達すると、各フレーム内に含まれる送信元アドレスと宛先アドレスが調べられ、データが最終目的地に到達したかどうかが判断されます。目的地に到達していれば、レイヤー3はデータをパケット形式に整えてトランスポート層へ引き渡します。まだであれば、ネットワーク層は宛先アドレスを更新し、フレームを下位のレイヤーへと送り返します。

ルーティングを支えるために、ネットワーク層はネットワーク上のデバイスに対するIPアドレスのような論理アドレスを管理しています。また、論理アドレスと物理アドレスの対応付け(マッピング)も担っており、IPv4ネットワークではARP(Address Resolution Protocol)、IPv6ではNDP(Neighbor Discovery Protocol)がこの役割を果たします。

トランスポート層(Layer 4)

トランスポート層は、ネットワーク接続を介してデータを確実に配信する役割を持ちます。TCP(Transmission Control Protocol)とUDP(User Datagram Protocol)は、レイヤー4のネットワークプロトコルとして最もよく知られた存在です。トランスポートプロトコルによっては、エラー回復、フロー制御、再送信サポートなど、多彩なオプション機能が提供されることもあります。

セッション層(Layer 5)

セッション層は、ネットワーク接続の確立から切断までの一連のイベントについて、その順序と流れを管理します。レイヤー5では、動的に生成され、個々のネットワーク上で実行される複数種類の接続を柔軟にサポートできるよう設計されています。

プレゼンテーション層(Layer 6)

プレゼンテーション層は、OSIモデル全体の中でも最もシンプルな機能を担う層です。レイヤー6では、上位のアプリケーション層を支援するために必要となる、フォーマット変換や暗号化・復号化といったメッセージデータの構文処理を行います。

アプリケーション層(Layer 7)

アプリケーション層は、エンドユーザーのアプリケーションに対してネットワークサービスを提供します。ここでいうネットワークサービスとは、ユーザーのデータを直接扱うプロトコルのことです。たとえばWebブラウザでは、アプリケーション層のプロトコルHTTPが、Webページコンテンツの送受信に必要なデータを組み立てます。このレイヤー7は、プレゼンテーション層へデータを渡し、そこからデータを受け取る窓口となります。