ネットワークの仕組み～前提編

ネットワーク入門の入門

本や記事を読んだ学習記録として綴っています。
厳密性がない部分がありますが、「だいたい合ってる！」くらいの温かい目で見てもらえると嬉しいです。
細かいツッコミは優しくお願いします…！😅

前提

クライアントとサーバーとは

• webサイトを見る、youtubeを見る、Amazonで商品を買う などサービスを提供する側をサーバーという。
• 逆に、サービスを利用する側をクライアントという。
• webサイトのデータやyoutubeの動画データ、amazonのアカウントのデータや商品データはサーバー側で保存されている。

プロトコルとは

• コンピュータ同士がネットワークを通じて通信するために決められた共通のルールのこと。

  よくある比喩

  • 日本語や英語：プロトコル
  • 会話・コミュニケーション：通信
  • 話の内容：データ

• 通信を行うためには、必ず同じプロトコルを互いに使用しなければならない。

• プロトコルさえ互いに同じであれば、異なるメーカーやCPU、OS同士でも通信ができる。

Webは HTTP、HTML、URI でできている

• HTTP（HyperText Transfer Protocol）

  • Webページのデータを送受信するためのルールのこと。

• HTML（HyperText Markup Language）

  • Webページの構造を記述するためのマークアップ言語のこと。

• URI(Uniform Resource Identifier)

  • Web上の特定のリソース（Webページ、画像、動画など）」を識別するための文字列（アドレス）のこと。

リクエストとレスポンスとは

• クライアントはサーバーにリクエスト（要求）を送り、サーバーはレスポンス（応答）を返す。
• リクエスト：「Qiitaの○○という記事のHTMLデータをくれよ。」
• レスポンス：HTMLデータがレスポンスとして返ってくる。

データのやり取りを行っているのはアプリケーションではなく、OSのプロトコル・スタック

• アプリケーション（例：ブラウザ、メールソフト）は直接データを送受信しているわけではなく、OSのプロトコル・スタックに依頼している。

図１：データ送信の階層構造

1. アプリケーション側で送信するデータを準備する
2. アプリケーション側のSocketライブラリ(ソケットAPI)を使用して通信の準備する
3. SocketライブラリがOSのプロトコル・スタックに「このデータを送信してください」と依頼する
4. OSのプロトコル・スタックがデータに対して、あれこれしてLANドライバに送信依頼をする
5. LANドライバでは、あれこれした送信するデータを電気信号や光信号に変換する など
6. LANアダプタを通じて、送信される

仲介役

• アプリケーションとOSのプロトコル・スタックの仲介役がSocketライブラリ
• OSとハードウェアの間の仲介役がドライバ

ソケットって何ぞや

• ソケット：通信の窓口であり、データの出入り口のようなもの
• コネクション：通信経路のことで、ソケットをつなぐパイプのようなもの

• 以下の２つのソケットをコネクションでつなぐことで、データの送受信ができる
  • クライアント側のプロトコル・スタックのTCPのソケット
  • サーバー側　　のプロトコル・スタックのTCPのソケット
• 一方のソケットが抹消されれば、もう片方のソケットも抹消される。つまり、この状態で通信動作は終了される

データをソケットに渡すと、OSのプロトコル・スタックがそれを適切に処理し、相手のソケットまで届けてくれます。

プロトコル・スタックへの解像度を少し上げる

結論
アプリケーションのSocketライブラリがプロトコル・スタックのTCPやUDPの処理を呼び出す。

TCPがコネクションを作成して、データのやり取りを行う。

• Socketライブラリのメソッド
  • socket()
  • connetct()
  • write()
  • close()

図２：Socketライブラリからプロトコル・スタックへの依頼
(これはあくまでイメージです。実際はもっと複雑ですので、あまり文句を言わないでくださいね！)

送信するデータとは？

結論

1. Socketライブラリでコネクションが確立される
2. アプリケーションがSocketライブラリのwrite()でTCPに送信するデータを渡す
3. 大きいデータを送信する場合は、TCPがデータを分割する(パケット化)
4. TCPでヘッダ(TCPヘッダ)をデータに付加する
5. IPでヘッダ(IPヘッダ)をデータに付加する
6. IPがドライバ・ソフトに送信依頼をする

• TCPによるデータの分割（パケット化）
  • MTU：１つのデータを運ぶことのできるデジタルデータの最大長(1500B)のこと
    • MTU(1500B) = IPヘッダー(20B) + TCPヘッダー(20B) + 送信するデータ(最大1460B)
  • MSS：IPヘッダーとTCPヘッダーを除いた１つのパケットで運べるTCPデータの最大長
    • MSS = 送信するデータ(1460B)

UDPってなんぞや。TCPとは違うんか？

結論

• TCPは、コネクションを作成してデータのやり取りをする
• UDPは、コネクションを作成せずにデータを送る

とりあえず。

• 確実にデータを相手に届けたいときは、TCP

  • Webサイトやメール送信、ファイル転送など

• データの欠損があったとしても、速さを重視するときは、UDP

  • 動画・音声ストリーミング、オンラインゲームなど

• 今後、登場する名前解決ではUDPを使用している

出典

• 『ネットワークはなぜつながるのか 第2版 知っておきたいTCP/IP、LAN、光ファイバの基礎知識』
• 『マスタリングTCP/IP―入門編―(第6版)』