トランスポート層とは?

Open Systems Interconnection モデル (OSI モデル) は、コンピューターネットワークを構成する部分を説明するために使用される概念モデルです。主に、ネットワーキングの標準とプロトコルを開発するための日常的な理解を深めることを目的としています。このモデルは、コンピューターネットワーキングの基本を理解するのに非常に役立ちます。

ただし、実際のプロトコルの実装は多少異なることに注意してください。層をまたぐプロトコルはたくさんあります。最新のネットワーキングの概念も、必ずしも OSI モデルにうまく適合するとは限りません。それでも、基本を理解することは役に立ちます。

OSI モデルには 7 つのレイヤーがあり、数字が小さいほど、データを伝送するベアメタルケーブルに近くなります。トランスポート層は第 4 層です。トランスポート層は、通信デバイス間でエンドツーエンドの通信サービスを提供する役割を果たします。トランスポート層プロトコルは、接続指向にすることができます。ただし、コネクションレスにすることもできます。

Transmission Control Protocol の略である TCP は、最もよく知られており、最も使用されているトランスポート層プロトコルです。双方向通信を形成する接続指向であり、エラー検出と再送信機能を備えています。最も一般的なトランスポート層プロトコルである UDP は、Universal Datagram Protocol の略です。これはコネクションレスであり、送信者は受信者が送信を受信したかどうかを知りません。これら 2 つのプロトコルが一緒になって、インターネット上のネットワークトラフィックの大部分を占めています。これらは、すべての主要なオペレーティングシステムに実装されている唯一の 2 つのプロトコルでもあります。

TLS (Transport Layer Security) は、特に HTTPS で使用される暗号化プロトコルです。名前に「トランスポート層」という言葉が含まれているにもかかわらず、TLS は OSI モデルの第 6 層であるプレゼンテーション層で動作し、実際のトランスポート層プロトコルに到達する前にデータを暗号化します。

トランスポート層プロトコルの機能

トランスポート層プロトコルは、接続指向にすることができます。これは、潜在的に不完全な一連のデータグラムではなく、単一のデータストリームがあるため、通常、アプリケーションの管理が容易です。一般に、データの順序も重要です。ネットワークでは通常、パケットは送信された順序で配信されますが、これは必ずしも信頼できるとは限りません。セグメントに番号を付けて、間違った順序で表示された場合に並べ替えることができます。

エラー検出は、チェックサムなどのエラー検出コードを使用して実装できます。ACK で受信の成功を確認し、NACK でエラーを確認する受信メッセージを送信できます。NACK またはタイムアウトを受信すると、送信者は自動的に送信を繰り返す場合があります。フロー制御により、送信側の送信速度が速すぎて受信側が追いつかなくなることがなくなります。

輻輳回避は、負荷が高い場合でも最適なネットワークパフォーマンスを確保するのに役立ちます。たとえば、スロースタートは、一部の接続の開始を遅くし、速度を上げて、ネットワークの圧倒を回避できるようにします。ネットワークの輻輳が最初の問題の原因である可能性があり、再度再送信すると問題が悪化するため、これは再送信に関して特に重要です。多重化により、ポート番号の定義が可能になり、複数の送信が同じマシン上で同時に発生し、すべてが互いに干渉することなく適切なアプリケーションに到達できるようになります。

これらの機能はいずれも、トランスポート層プロトコルに必須ではありません。たとえば、TCP は上記のすべての機能をサポートしています。ただし、UDP は多重化のみをサポートします。

コネクション型とコネクションレス型

通常、ほとんどのネットワーク通信は双方向であり、要求と応答のパターンに従います。Web トラフィックは、この好例です。リクエスト/レスポンスのユースケースでは、TCP が理想的です。両者の間に信頼できる接続を提供します。セグメントが適切に受信されない場合、Web ページが正しく表示されない可能性があります。ただし、自動エラーチェックと再生は、これらのエラーを可能な限り迅速に検出して修正するのに役立ちます。追加の転送時間は、破損したコンテンツほど問題ではありません。

ただし、常にそうであるとは限りません。ライブビデオストリームの視聴、オーディオのストリーミング、またはオンラインビデオゲームのプレイ時には、伝送時間が必要になる場合があります。データグラムを失うのは確かに理想的ではありませんが、再送信されるのを待つことが望ましいです。そのため、リアルタイムおよびストリーミングコンテンツは UDP を使用する傾向があります。TCP とは異なり、送信の成功を保証しないため、軽量で高速です。

結論

トランスポート層は、OSI モデルの第 4 層です。通信デバイス間でエンドツーエンドの通信サービスを提供する責任があります。この層のプロトコルは、ほとんどのトラフィックが正常に通過すると仮定すると、不安定な接続やコネクションレスの接続であっても、信頼できる接続を提供できます。どちらのオプションも役に立ち、多くのユースケースがあります。TCP と UDP を合わせて、インターネット上のネットワークトラフィックの大部分を占めています。