高校情報I プロトコルの階層—役割を分けた通信の約束を送受信の順に対応させる｜武蔵野個別指導塾

提出データの処理表を送受信の順にたどり、宛先の指定と順序制御を別々の層に対応させます。

よくあるのは、提出データを送る図で、宛先を決める処理と順番を整える処理を同じ仕事だと考える場面です。通信の約束は役割ごとに分けると追いやすくなります。ここでは4つの層を使い、送る側では上から下、受ける側では下から上へ処理をたどります。出方には、処理表の空欄を埋める型、故障の報告から確かめる場所を選ぶ型、届いたことと提出が受理されたことを区別する型があります。

4つの層に仕事を分ける

プロトコルは、通信する相手どうしがデータの形や手順を合わせるための約束です。どの情報をどのように渡し、受け取った側がどう解釈するかを定めます。一方が独自の手順を使うと、信号が相手に届いても、意味のある提出データとして扱えないことがあります。

ここでは、アプリケーション、トランスポート、インターネット、リンクの4層に整理します。層の数や境界は整理の仕方によって変わります。この4層は通信を考えるための一例であり、実際の製品の内部に必ず4枚の独立した部品があるという意味ではありません。

図1のように、送り手はアプリケーションのデータを下へ渡し、受け手はリンクから上へ渡します。対応する層どうしは同じ約束に従いますが、端末の内部で実際にデータを受け渡す相手は隣の層です。図の横方向は約束の対応、下から上への流れは受信時の処理を表します。

図1の最上段のアプリケーション層は、提出内容や応答をアプリがやり取りするための約束を担当します。提出先のサービスに要求を出し、返ってきた応答を解釈するのもこの層の場面です。受け取った内容が提出条件に合うかという判断は、通信路に届いたかという判断とは別です。

トランスポート層は、端末上の通信をアプリに届けるための役割を持ちます。選ぶ方式によっては、順序を整えたり、届かなかった部分を再送したりします。順序制御や再送が常に備わるわけではありません。問題でその機能があると指定されたときに、その条件を使います。

インターネット層は、ネットワークを越えて届けるための宛先の指定と経路に関わります。宛先に基づいて中継先を選ぶことと、届いたデータを元の順序に整えることは別の役割です。ここでいう宛先は端末への配送に関わる情報で、提出内容の正誤を示すものではありません。

リンク層は、隣接する機器の間でデータを渡すための取り決めを担います。途中に複数の区間があれば、区間ごとにリンクの処理が行われます。リンクの受け渡しが成功しても、最終的な相手までの到達や提出の受理をそれだけで証明したことにはなりません。

送信では、各層が必要な制御情報を付けて下の層に渡すと考えます。受信では対応する情報を確かめ、上の層に渡します。この包む処理をカプセル化と呼びます。説明のために箱を重ねると便利ですが、すべての層が必ず同じ形の情報を付けると決めつけてはいけません。

基本例題：提出データの処理表

問題。端末Aから提出先Bへ学習用の記録を送ります。トランスポート層には順序を整える機能があるとします。次の4つの処理を層に対応させ、送信時と受信時の順序をそれぞれ層名で答えてください。処理は、提出内容を作る、順序を整えるための情報を扱う、Bへの宛先を扱う、隣の機器へ渡す、の4つです。実際の通信方式の細部は指定しません。

まず、提出内容を作る処理はアプリケーション層に置きます。次に、順序に関する情報を扱う処理は、条件でその機能を持つとされたトランスポート層に置きます。Bへの宛先を扱うのはインターネット層、隣の機器へ渡すのはリンク層です。

図2のように送信側の表を下へたどると、隣の機器へ渡すところまで進みます。受信側は逆向きに、リンク、インターネット、トランスポート、アプリケーションの順です。図2は端末の中の処理順を示し、通信経路上に中継がないと主張する図ではありません。

答えを場面に戻します。B側ではまず隣から受け、B宛ての情報を扱い、指定された順序制御を経て、提出内容がアプリに渡ります。宛先を扱う段と順序を整える段を入れ替えると、問題で与えたそれぞれの役割と一致しません。提出内容を作ることと、提出先で内容が受理されることも別の処理です。

この表は役割の対応を示すもので、各層が1回ずつ動けば必ず提出が終わるという保証ではありません。途中でデータが失われれば、再送の有無や回数など、さらに与えられた条件が必要です。処理順の正解と通信成功の判定は分けて書きます。

標準例題：欠落と応答を追う

問題。端末Cが記録を3部分に分けて端末Dへ送ります。この問題ではトランスポート層が番号を使い順序を整え、欠けた部分を要求して再送できるとします。最初にDへ届いたのは番号1と3、再送後に番号2が届きました。Dのアプリは完成した記録を受け取った後、内容が条件を満たす場合に受理応答を返します。内容は条件を満たすものとします。Dでの処理と、受理応答が必要な理由を順に説明してください。

1. 最初の到着記録を番号で見ると、1と3はありますが2がありません。
2. 指定されたトランスポート層の機能により、欠けた2を要求します。
3. 再送された2が届くと、番号順に1、2、3と整えます。
4. 完成した記録をアプリケーション層へ渡します。
5. アプリが内容を確かめ、条件を満たすので受理応答を返します。

元の条件に戻すと、最終的に1、2、3の3部分がそろい、欠けていた番号2も含まれます。最初に届いた1と3をそのまま完成品とする答えでは、番号2が消えてしまいます。再送が成功したことは記録がそろったことを示しますが、提出先の内容確認が終わったことまでは示しません。そのため受理応答を別に待ちます。

もし2の再送も届かないまま時間切れになったら、指定の記録は完成していません。この条件だけでは最終的に何回再送するかは決まらないため、勝手に回数を補えません。完成していない段階で受理応答が来たと書くのも、問題の手順と矛盾します。

発展例題：届いた後の失敗を切り分ける

問題。端末Eから端末Fに申込データを送ります。この問題では、トランスポート層がデータの欠落を補い、正しい順序でアプリに渡せたとします。Fのアプリは必須項目の空欄を検査し、空欄なら受理せず訂正を求めます。届いたデータには必須項目の空欄がありました。通信と申込のそれぞれの結果を答え、送り手の次の行動を説明してください。

1. 問題の条件から、データは順序を整えられてFのアプリに渡っています。
2. したがって、この条件での配送と順序の処理は完了しています。
3. アプリは必須項目を調べ、空欄を見つけます。
4. 条件に従い、申込は受理せず訂正を求めます。
5. 送り手は空欄を埋め、訂正後のデータを送って応答を確かめます。

答えを元に戻すと、Fに渡ったことと、Fが受理しないことは両立します。トランスポート層が正常だったという条件から、申込内容まで正しいとは結論できません。反対に、空欄による不受理を見て、途中のリンクが必ず故障したと断定することもできません。

今度は、データを送った後に応答が時間内に戻らなかった場合を考えます。相手が受理する前に止まった場合と、相手が受理した後に応答が失われた場合の両方がありえます。応答なしという観察だけでは、どちらかに決められません。状態を確認できる仕組みがあれば確認し、再提出の扱いはそのサービスの手順に従います。送信を繰り返せば必ず安全だとも、必ず未受理だとも言えません。

また、アプリに渡ったデータの形式が壊れていて読めない場合は、内容の空欄判定より前に処理できないことがあります。どこで壊れたかは、この観察だけでは特定できません。送る前のデータと受け取った側の報告を比べ、条件に沿って再作成や再送を試みる必要があります。各層に役割を分けることは、原因を自動的に一つに決めることではなく、どの段階まで確認できたかを記録する助けになります。

誤答を直す：宛先と順序は同じ仕事か

ある生徒が「宛先を指定するインターネット層が、届いた部分を元の順に並べる」と書きました。図3の左側のように、宛先と順序を一段にまとめた答えです。提出先を決める情報と、順番を判断する情報は用途が違います。宛先が正しくても、部分の到着順が元の順とは限りません。

図3の右側のように、宛先はインターネット層、順序制御はその機能を持つトランスポート層へ分けます。問題が順序制御の有無を指定していなければ、その機能が必ずあるとは書けません。例えば宛先が正しい記録の一部が遅れても、宛先の指定そのものが順番を整えるわけではありません。

逆に、順番が正しく整ったという報告から、アプリが内容を受理したと決めるのも誤りです。修正するときは、何を観察したか、どの層のどの機能が条件として与えられたか、まだ何が確かでないかを別々に書きます。失敗した場所を探す際も、一つの症状を一つの層に直結させず、追加の情報を求めます。

練習問題

各問は独立した学習用の条件です。指定がない機能を補わず、理由も答えてください。

1. 端末Gが展示の案内を端末Hへ送ります。案内を作る、Hへの宛先を扱う、隣の機器に渡す、順序情報を扱う、の4処理を送信時の順に並べ、それぞれの層名を答えてください。順序制御は使うものとします。
2. 受信側で、リンク、インターネットの処理を終えた案内があります。順序制御を行ってから内容をアプリが読む場合、残る2層を処理順に答えてください。アプリが内容を読むまでの全4層も確認してください。
3. ある方式では、番号付きの4部分を順序通りに渡し、欠落を要求して再送します。受信記録は最初が2、4、1、再送後が3です。完成時の番号順と、最初に欠けていた番号を答えてください。
4. 別の提出で、データは相手のアプリに渡りましたが、相手のアプリが指定外の形式だと返しました。送達と受理をそれぞれどう判定できるか、次に何を直すかを答えてください。
5. さらに別の提出で、送信後に応答が時間内に届きませんでした。相手の処理について考えられる異なる状態を2つ挙げ、応答がないだけで受理の有無を決められるか答えてください。

練習の答えと解き方

1. アプリケーションで案内を作る、トランスポートで順序情報を扱う、インターネットでHへの宛先を扱う、リンクで隣に渡す、の順です。元の4処理に戻して照合すると、案内、順序、Hへの宛先、隣への受け渡しがそれぞれ1回ずつ表に入ります。順序と宛先は別の段です。

2. 残る順序はトランスポート、アプリケーションです。全体ではリンク、インターネット、トランスポート、アプリケーションとなります。受信済みとされた最初の2層の後に残る2層を続けると、4層が下から上へ並びます。最初からアプリで読むと、問題で指定された順序制御を飛ばしてしまいます。

3. 最初に欠けていたのは3、完成時は1、2、3、4です。最初の記録を番号順に確認すると1、2、4があり、指定された4部分のうち3がありません。再送の3を戻して数えると4部分がそろいます。到着順の2、4、1、3は完成時の並びとは異なります。

4. 相手のアプリに渡ったことは条件から確認できます。形式が指定外なので、その応答は受理を示していません。送り手は求められた形式を確かめてデータを直し、再び送って結果を確認します。宛先や順序の処理が原因だと、形式のエラーだけから断定することはできません。

5. 相手がまだ受理する前に処理が止まった状態と、相手が受理した後で応答が届かなかった状態が考えられます。どちらも送り手には時間内に応答がないように見えます。そのため応答なしだけでは受理の有無を決められません。状態確認の方法が用意されていれば利用し、再送の扱いも確認します。

覚えておくこと

• 4層は整理の一例で、送信は上から下、受信は下から上です。
• アプリケーションは内容のやり取り、トランスポートは端末上の通信に関わります。
• インターネットは宛先と経路、リンクは隣接機器間の受け渡しに関わります。
• 順序制御や再送の有無は方式や問題の条件で確かめます。
• 到達、内容の検査、受理応答は別々に確かめます。

層名を覚えていても、処理表の送信と受信の向きが逆になると、説明の途中で迷いやすくなります。個別指導では、まず提出内容から隣の機器までを指でたどり、受信側で逆向きに戻せるかを確認します。次に、欠落と形式の誤りを別々に示し、どの条件なら次へ進めるかを言葉にします。宛先、順序、受理を別の欄に置くと、通信の途中で確かめられたことが見えてきます。