「トランスポート層って何？」
「TCPとUDPの違いが分からない」
「ネットワークの仕組みを理解したい」
インターネットやネットワークの勉強をしていると、トランスポート層という言葉が出てきますよね。
トランスポート層は、ネットワーク通信の中核を担う重要な役割を持っています。この層がなければ、Webサイトもメールもオンラインゲームも、今のように快適には使えないんですね。
この記事では、トランスポート層とは何か、どんな役割があるのか、TCPとUDPの違いは何かなど、初心者の方でも分かるように詳しく解説していきます。
ネットワークの基礎を理解したい方は、ぜひ最後まで読んでください！
トランスポート層とは
まずは、トランスポート層の基本を理解しましょう。
ネットワークの階層構造
インターネット通信は、複数の層（レイヤー）が重なって動いています。
これをOSI参照モデルまたはTCP/IPモデルと呼ぶんですね。
OSI参照モデル（7層）：
- 物理層：ケーブルや電波などの物理的な信号
- データリンク層：直接つながった機器間の通信
- ネットワーク層：IPアドレスを使った経路選択
- トランスポート層：アプリ間の確実な通信
- セッション層：通信の開始・維持・終了
- プレゼンテーション層：データ形式の変換
- アプリケーション層：実際のアプリケーション
TCP/IPモデル（4層）：
- ネットワークインターフェース層
- インターネット層
- トランスポート層
- アプリケーション層
どちらのモデルでも、トランスポート層は中心的な位置にあります。
トランスポート層の定義
トランスポート層とは、送信側と受信側のアプリケーション同士を、確実につなぐ役割を持つ層です。
英語では「Transport Layer」と書きます。
なぜ「トランスポート（輸送）」なのか
Transportは「輸送する」という意味です。
データを荷物に例えると、トランスポート層は配送業者のような役割なんですね。
荷物（データ）を、正しい宛先（アプリケーション）まで、確実に届けます。
実例
例えば、あなたがWebサイトを見る時：
- アプリケーション層：ブラウザが「このページを見たい」と要求
- トランスポート層：その要求を確実にWebサーバーに届ける
- ネットワーク層以下：実際にデータを送る
トランスポート層がなければ、データが届いたか、順番通りかを確認できません。
トランスポート層の主な役割
トランスポート層が何をしているか、詳しく見ていきましょう。
役割1：アプリケーションの識別
同じパソコンで、複数のアプリが同時に通信しています。
ポート番号という仕組みで、どのアプリ宛のデータかを識別するんですね。
例：
- ブラウザ：ポート80（HTTP）または443（HTTPS）
- メールソフト：ポート25（SMTP）、110（POP3）
- オンラインゲーム：専用のポート番号
役割2：データの分割と再構成
大きなデータは、小さな単位に分割されます。
分割：
送信側で、データをセグメントという単位に分けます。
再構成：
受信側で、セグメントを元の順番に並べ直して、元のデータに戻すんですね。
役割3：信頼性の確保
データが正しく届いたか確認します。
確認応答：
受信側が「届きました」という返事を送ります。
再送制御：
届かなかったデータは、もう一度送り直すでしょう。
役割4：フロー制御
送信速度を調整します。
理由：
受信側が処理しきれない速度で送ると、データがあふれてしまいます。
方法：
受信側の状況に合わせて、送信速度を調整するんですね。
役割5：輻輳制御
ネットワーク全体の混雑を防ぎます。
輻輳（ふくそう）とは：
ネットワークが混雑している状態のことです。
制御方法：
混雑を検知したら、送信量を減らします。
実例
例えば、大きな動画ファイル（100MB）をダウンロードする場合：
- ファイルを小さなセグメントに分割（数千個）
- 各セグメントに番号を付けて送信
- 受信側は届いたか確認
- 届かなかったセグメントは再送要求
- すべて届いたら、番号順に並べて元のファイルに復元
これらをすべてトランスポート層が自動的に行っています。
TCPとUDP：2つの主要プロトコル
トランスポート層には、主に2つのプロトコルがあります。
プロトコルとは
プロトコルとは、通信のルール（約束事）のことです。
トランスポート層では、主にTCPとUDPという2つのプロトコルが使われます。
TCP（Transmission Control Protocol）
特徴：
確実にデータを届けることを重視したプロトコルです。
主な機能：
- 接続確立（3ウェイハンドシェイク）
- 確認応答
- 順序制御
- 再送制御
- フロー制御
- 輻輳制御
メリット：
データが確実に、正しい順番で届きます。
デメリット：
確認作業が多いため、少し遅くなる場合があるでしょう。
使われる場面：
- Webブラウジング（HTTP/HTTPS）
- メール送受信（SMTP、POP3、IMAP）
- ファイル転送（FTP）
- リモート接続（SSH）
UDP（User Datagram Protocol）
特徴：
速度を重視したプロトコルです。
主な機能：
- データを送るだけ
- 確認応答なし
- 順序制御なし
メリット：
確認作業がない分、高速です。
デメリット：
データが届かなくても、気づきません。
使われる場面：
- 動画・音声のストリーミング配信
- オンラインゲーム
- DNS（ドメイン名の解決）
- VoIP（インターネット電話）
TCPとUDPの比較表
| 項目 | TCP | UDP |
|---|---|---|
| 信頼性 | 高い | 低い |
| 速度 | やや遅い | 速い |
| 接続 | あり | なし |
| 確認応答 | あり | なし |
| 順序保証 | あり | なし |
| 用途 | 正確性重視 | 速度重視 |
なぜ使い分けるのか
TCPを使う理由：
Webページやメールは、文字が一つでも欠けたら意味が変わってしまいます。
確実性が最優先なんですね。
UDPを使う理由：
動画配信は、少しくらい画質が乱れても、止まらない方が重要です。
リアルタイム性が優先されるでしょう。
実例
Webサイト閲覧（TCP）：
あなたがAmazonで商品を買う時、商品名や価格が間違って表示されたら困ります。
TCPで確実にデータを取得します。
YouTubeの視聴（主にTCP、一部UDP）：
多少画質が乱れても、動画が止まらない方が快適です。
最近は、QUICというプロトコル（UDPベース）も使われています。
ポート番号の仕組み
トランスポート層で重要な「ポート番号」について詳しく見ていきましょう。
ポート番号とは
ポート番号は、アプリケーションを識別するための番号です。
0～65535までの番号が使えます。
3つの種類
ウェルノウンポート（0～1023）：
有名なサービス用に予約されています。
- ポート80：HTTP（Web）
- ポート443：HTTPS（暗号化Web）
- ポート25：SMTP（メール送信）
- ポート22：SSH（安全なリモート接続）
登録済みポート（1024～49151）：
企業やアプリが登録して使います。
- ポート3306：MySQL（データベース）
- ポート8080：代替HTTP
動的ポート（49152～65535）：
一時的に自動割り当てされます。
送信元と宛先
通信には、2つのポート番号が使われます。
送信元ポート番号：
自分のパソコンの、どのアプリから送るか
宛先ポート番号：
相手のパソコンの、どのアプリに送るか
ポート番号の例
あなたがWebサイトを見る時：
あなたのパソコン：
- 送信元ポート：50000（動的に割り当て）
- 宛先ポート：80（Webサーバー）
Webサーバー：
- 送信元ポート：80
- 宛先ポート：50000（あなたのパソコンに返信）
ファイアウォールとの関係
ファイアウォールは、ポート番号を見て、通信を許可するか決めます。
例：
- ポート80、443：許可（Web閲覧）
- ポート3389：ブロック（リモートデスクトップ、セキュリティリスク）
実例
例えば、会社のパソコンで「このサイトが開けない」という場合、ファイアウォールが特定のポートをブロックしている可能性があります。
IT部門に確認すると良いでしょう。
TCPの詳しい仕組み
TCPがどのように確実な通信を実現しているか見ていきましょう。
3ウェイハンドシェイク（接続確立）
TCPは、通信を始める前に「接続」を確立します。
手順：
ステップ1：SYN（シン）
クライアント：「つながりたいです」
ステップ2：SYN-ACK（シンアック）
サーバー：「了解しました。つながりますよ」
ステップ3：ACK（アック）
クライアント：「ありがとう。では始めましょう」
この3回のやり取りで、接続が確立されます。
シーケンス番号
各セグメントに、シーケンス番号という番号が付けられます。
役割：
- データの順番を管理
- どこまで届いたか確認
- 重複を検出
確認応答（ACK）
受信側は、データを受け取ったら「ACK」を返します。
ACK番号の意味：
「この番号までは受け取りました」という確認です。
再送タイマー
ACKが返ってこない場合、タイムアウトになります。
再送：
一定時間内にACKが来なければ、もう一度送り直すんですね。
ウィンドウサイズ
ウィンドウとは、確認なしで送れるデータ量のことです。
スライディングウィンドウ：
確認を受け取るごとに、次のデータを送れます。
これにより、効率的な通信が可能になるでしょう。
接続終了（4ウェイハンドシェイク）
通信を終える時も、きちんと手順を踏みます。
手順：
ステップ1：FIN
クライアント：「終わりたいです」
ステップ2：ACK
サーバー：「了解しました」
ステップ3：FIN
サーバー：「こちらも終わります」
ステップ4：ACK
クライアント：「了解しました」
実例
例えば、100個のセグメントを送る場合、1個ずつ確認していたら時間がかかります。
ウィンドウサイズが10なら、10個まとめて送って、確認を受け取ったらまた10個送る、という効率的な方法が使えるんですね。
UDPの詳しい仕組み
UDPのシンプルな仕組みを見ていきましょう。
接続レス型
UDPには「接続」という概念がありません。
方法：
いきなりデータを送ります。
事前の挨拶なしに、荷物を投げ込むイメージですね。
UDPヘッダー
UDPのヘッダー（制御情報）は非常にシンプルです。
含まれる情報：
- 送信元ポート番号
- 宛先ポート番号
- データ長
- チェックサム（エラー検出）
TCPのヘッダーより、ずっと小さいんですね。
チェックサム
データが壊れていないか、簡単に確認します。
ただし：
壊れていても、再送はしません。
検出するだけです。
順序保証なし
UDPは、セグメントに順序番号を付けません。
結果：
届く順番がバラバラになることもあります。
アプリケーション側で順序を管理する必要があるでしょう。
UDPのメリット
低遅延：
確認作業がないため、非常に速いです。
シンプル：
実装が簡単で、オーバーヘッドが少なくなります。
ブロードキャスト対応：
複数の相手に同時送信できるんですね。
UDPのデメリット
信頼性なし：
データが届いたか分かりません。
順序保証なし：
順番がバラバラになる可能性があります。
輻輳制御なし：
ネットワークが混雑しても、送信量を調整しません。
実例
例えば、オンラインゲームでキャラクターを動かす時、0.1秒前の位置情報が遅れて届いても意味がありません。
最新の情報を速く受け取る方が重要なので、UDPが使われます。
主要なトランスポート層プロトコル
TCP、UDP以外のプロトコルも見ていきましょう。
SCTP（Stream Control Transmission Protocol）
特徴：
TCPとUDPの中間的な性質を持ちます。
使用例：
電話網のシグナリング（制御信号）
DCCP（Datagram Congestion Control Protocol）
特徴：
UDPに輻輳制御を加えたものです。
使用例：
ストリーミング配信
QUIC（Quick UDP Internet Connections）
特徴：
UDPベースで、TCPのような信頼性を実現します。
使用例：
HTTP/3（次世代のWeb通信）、YouTube、Google検索
メリット：
- TCPより高速
- 接続確立が速い
- モバイル環境に強い
QUICは、Googleが開発した比較的新しいプロトコルで、今後の主流になる可能性があるでしょう。
実例
例えば、最新のChromeブラウザでYouTubeを見ると、QUICが使われていることがあります。
従来のTCPより、動画の読み込みが速く感じるのは、このためですね。
トランスポート層のトラブルシューティング
問題が起きた時の対処法です。
症状1：接続できない
原因：
- ファイアウォールがポートをブロック
- サーバーが起動していない
- ポート番号の間違い
確認方法：
Windows：
netstat -anMac/Linux：
netstat -an | grep LISTENどのポートが開いているか確認できます。
症状2：通信が遅い
原因：
- ネットワークの混雑
- ウィンドウサイズが小さい
- パケットロスが多い
対処法：
- 時間帯を変える
- 有線LANに切り替え
- ネットワーク機器を再起動
症状3：接続が頻繁に切れる
原因：
- タイムアウト設定が短い
- ネットワークが不安定
- ファイアウォールの設定
対処法：
- タイムアウト値を調整
- ネットワークの安定性を確認
- ファイアウォールログを確認
症状4：特定のアプリだけ通信できない
原因：
- そのアプリのポートがブロックされている
- アプリ側の設定問題
対処法：
- ファイアウォール設定を確認
- アプリのポート設定を確認
- 別のポート番号を試す
実例
例えば、オンラインゲームができない場合、ゲーム専用のポート（例：ポート27015）がファイアウォールでブロックされている可能性があります。
ファイアウォールでそのポートを許可すれば、解決することが多いですよ。
よくある質問（FAQ）
Q1: TCPとUDP、どちらが優れていますか？
A: 一概には言えません。用途によって使い分けます。
正確性が重要ならTCP、リアルタイム性が重要ならUDPです。Webブラウジングや銀行取引はTCP、動画配信やゲームはUDPが適しています。
Q2: ポート番号を自由に変更できますか？
A: アプリによっては変更できます。
ただし、ウェルノウンポート（0～1023）は標準サービス用に予約されているため、独自アプリでは1024以上を使うのが一般的です。セキュリティのため、デフォルトポートを変更することもあります。
Q3: トランスポート層とネットワーク層の違いは？
A: 担当範囲が違います。
ネットワーク層（IP）は、パソコンからパソコンへの配送を担当します。トランスポート層（TCP/UDP）は、アプリからアプリへの配送を担当するんですね。住所（IP）と部屋番号（ポート）の関係に似ています。
Q4: UDPは信頼性がないのに、なぜ使われるのですか？
A: 用途によっては、速度の方が重要だからです。
動画配信では、少しデータが欠けても気づきません。それより、リアルタイムで届く方が大切です。また、DNSのように短いデータを1回送るだけなら、再送の仕組みがなくても問題ありません。
Q5: 家庭用Wi-Fiルーターもトランスポート層を使いますか？
A: ルーター自体は主にネットワーク層で動作しますが、トランスポート層のデータを中継します。
ルーターは、IPアドレスとポート番号を見て、どのデバイスにデータを送るか判断します。NAT（ネットワークアドレス変換）という仕組みで、複数のデバイスを1つのIPアドレスで使えるようにしているんですね。
まとめ
トランスポート層についてまとめます。
トランスポート層とは：
- OSI参照モデルの第4層
- アプリケーション間の通信を担当
- データの確実な配送を実現
主な役割：
- アプリケーションの識別（ポート番号）
- データの分割と再構成
- 信頼性の確保
- フロー制御
- 輻輳制御
2つの主要プロトコル：
TCP（確実性重視）：
- 接続型
- 確認応答あり
- 順序保証あり
- Web、メール、ファイル転送に使用
UDP（速度重視）：
- 接続レス型
- 確認応答なし
- 順序保証なし
- 動画配信、ゲーム、DNSに使用
ポート番号：
- 0～65535の範囲
- アプリケーションを識別
- ウェルノウンポート（0～1023）は予約済み
- ファイアウォールで制御
その他のプロトコル：
- SCTP、DCCP、QUIC
- それぞれ特定の用途に最適化
トラブル対処：
- 接続できない → ポート確認
- 遅い → ネットワーク確認
- 切れる → タイムアウト設定
トランスポート層は、インターネット通信の要です。
TCPの確実性とUDPの速度という、2つの特性を使い分けることで、様々なアプリケーションが快適に動作しています。この基本を理解すれば、ネットワークトラブルの解決や、システム設計にも役立つでしょう！
コメント