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

スクリーンショット 2025-02-19 9.26.35.png (14.1 kB)

■ リンク層

イーサネットのフレームフォーマット

スクリーンショット 2025-02-17 0.11.03.png (44.0 kB)

※ 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

スクリーンショット 2025-02-18 23.12.15.png (52.5 kB)

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

スクリーンショット 2025-02-18 23.30.56.png (31.6 kB)

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

スクリーンショット 2025-02-19 9.27.35.png (58.5 kB)

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

スクリーンショット 2025-02-18 23.23.07.png (51.4 kB)

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

スクリーンショット 2025-02-19 8.49.06.png (28.3 kB)

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）