TCP・IPのプロトコル階層とフォーマットの整理

最近このあたりの知識を使うタイミングがあったので、整理として残しておきます。

プロトコル階層

アプリケーション層

ユーザーが直接利用するアプリケーションにサービスを提供する層
HTTP, SMTP, FTPなど

トランスポート層

アプリケーション間のデータ転送を信頼性と効率性を持って提供する層

• TCP (Transmission Control Protocol)
  • コネクション型で信頼性の高いデータ転送を提供します。データの順序制御や再送制御を行い、ウェブブラウジングやメール送受信などに使用されます。
• UDP (User Datagram Protocol)
  • コネクションレス型で高速なデータ転送を提供します。信頼性よりも速度を重視するため、動画配信やオンラインゲームなどに使用されます。

インターネット層 (IP)

異なるネットワーク間でデータを転送するための経路選択やアドレス指定を担当する層

• IP (Internet Protocol)
  • データをパケット（データグラム）として送受信し、送信元から目的地までの経路を決定します。現在、IPv4とIPv6が主に使用されています。
• ICMP (Internet Control Message Protocol)
  • ネットワークのエラーメッセージや診断情報を転送します。例えば、pingコマンドはICMPを使用しています。
• ARP (Address Resolution Protocol)
  • IPアドレスから対応するMACアドレスを取得するためのプロトコル。同一ネットワーク内での通信に使用されます。

リンク層 (イーサネット(MACアドレス))

物理的なネットワーク媒体上でデータの伝送を行う層

• イーサネット (Ethernet)

■ ザックリTCPパケットの構造

■ リンク層

イーサネットのフレームフォーマット

※ 1オクテット = 1バイト

フィールド	サイズ	説明
プリアンブル	7オクテット	1と0を交互に並べたフィールド。「イーサネットの始まり」を示します。
SFD (Start Frame Delimiter)	1オクテット	10101011 。「フレームの開始」を表すフィールドです。
宛先MACアドレス	6オクテット	フレームの宛先MACアドレス。
送信元MACアドレス	6オクテット	フレームの送信元MACアドレス。
タイプ	2オクテット	データ部分のプロトコルを表す番号 (0800: IPv4, 0806: ARP, 86DD: IPv6, etc...)。
データ	46 ~ 1500オクテット	上位層プロトコルのHeader + Data。46オクテット未満は0で埋めます。
FCS	4オクテット	フレーム全体を特定のビット列で割った余りを格納し、エラー検出を行います。

■ インターネット層 (IP)

IPパケットのフォーマット

フィールド	サイズ	説明
Version	4bit	IPバージョン。IPv4なら 4 、IPv6 なら 6。
IHL (Internet Header Length)	4bit	IPヘッダのサイズを4オクテット(32bit)単位で表します。オプションなしなら 5 (20オクテット)。
TOS (Type of Service)	8bit	送信しているIPのサービス品質。現在はDSCP(6bit), ECN(2bit)として利用。
Total Length	16bit	IPヘッダとIPデータを合計したパケット全体のサイズ(オクテット単位)。
Identification	16bit	フラグメント復元用の識別子。パケット送信ごとにインクリメント。
Flags	3bit	パケット分割(フラグメント)に関する制御情報。
Fragment Offset	13bit	フラグメントが元のデータのどこに位置していたかを示す。
Time to Live	8bit	パケットの生存期間。ルーター通過ごとにデクリメントされ、0で破棄。
Protocol	8bit	データ部分のプロトコル。(ICMP=1, IPIP=4, TCP=6, UDP=17, IPv6=41)
Header Checksum	16bit	IPヘッダのチェックサム。
Source Address	32bit	送信元IPアドレス。
Destination Address	32bit	宛先IPアドレス。
Options	可変長	テスト・デバッグ用に利用。
Padding	可変長	Optionを32bitの整数倍にするためのパディング。
Data	可変長	IPの上位層プロトコルのHeader + Data

ICMPパケットのフォーマット

フィールド	サイズ	説明
Type	8bit	通知メッセージの種類 (0: Echo Reply, 8: Echo, etc...)
Code	8bit	サブタイプ情報
Checksum	16bit	ICMPヘッダとデータのチェックサム
Identifier	16bit	Echo Reply時にEcho要求と同じ値を格納し、要求を識別
Sequence Number	16bit	Echo Reply時にEcho要求と同じ値を格納し、要求を識別
Data	可変	送信元が任意のデータを格納可能

ARPパケットのフォーマット

ARP要求: IPアドレスからMACアドレスを知るためにブロードキャストで送信
ARP応答: 要求されたIPアドレスが自身のものであった場合に、自身のMACを知らせるために返送

フィールド	サイズ	説明
Hardware Type	16bit	リンク層プロトコルの種類 (1: Ethernet)
Protocol Type	16bit	Ethernetヘッダで使用されているプロトコルの種類 (0x0800: IPv4)
Hardware Size	8bit	ハードウェアアドレスのサイズ。Ethernetの場合はMACアドレスなので 6
Protocol Size	8bit	プロトコルアドレスのサイズ。IPv4の場合は 4
Opcode	16bit	ARPリクエストなのか、ARPリプライなのか (1: Request, 2: Reply)
Sender MAC Address	48bit	送信元のMACアドレス
Sender IP Address	32bit	送信元のIPアドレス
Target MAC Address	48bit	宛先のMACアドレス リクエスト時はブロードキャストになるので 00:00:00:00:00:00 や ff:ff:ff:ff:ff:ff
Target IP Address	32bit	宛先のIPアドレス

■ トランスポート層

TCPパケットのフォーマット

Field Name	ビット数	説明
Source Port	16bit	送信元ポート番号。
Destination Port	16bit	宛先ポート番号。
Sequence Number	32bit	データの順序を管理するための番号。抜けがあると再送を依頼します。
Acknowledgment Number	32bit	確認応答番号。受信側が次に受信を期待するシーケンス番号を格納します。(シーケンス番号+受信したデータのバイト数)
Data Offset	4bit	TCPヘッダの長さを4オクテット(32bit)単位で表します。データがTCPパケットの先頭のどこから始まるのかを意味します。
Reserved	4bit	将来の利用のための予約。常に 000。
Flags	8bit	制御ビット 。8bitそれぞれが CWR, ECE, URG, ACK, PSH, RST, SYN, FIN の意味を持ちます。
Window Size	16bit	受信側が Acknowledgment Number の位置から受信可能なデータサイズ(オクテット数)を格納します。
Checksum	16bit	ヘッダとデータのチェックサム。途中のルーターの故障によってデータが破損していないかを確認する目的。
Urgent Pointer	16bit	緊急データ位置。 Flags の URGが 1 の場合に有効になり、Data の先頭からUrgent Pointerに格納されている数値(オクテット長)までのデータが緊急データとなります。 主に通信を途中で中断する場合に利用されます。(webブラウザの中止ボタン, TELNETでCTRL+Cを入力した場合)
Options	可変長	拡張オプション タイプ1: Maximum Segment Size(MSS): コネクション確立時に最大セグメント長を決定 タイプ3: WSOPT-Window Scale: Window Sizeを最大1Gオクテットに拡張(通常は64kオクテット)。スループット改善 など
Padding	可変長	Optionを32bitの倍数に揃えるためのパディング。
Data	可変長	TCPセグメントのペイロード。

UDPデータグラムのフォーマット

フィールド	サイズ	説明
Source Port	16 bit	送信元ポート番号
Destination Port	16 bit	送信先ポート番号
Length	16 bit	ヘッダ＋データの合計バイト数
Checksum	16 bit	エラー検出のためのチェックサム（IPv4ではオプション、IPv6では必須）
Data	可変	送信するペイロード（最大65,507バイト）