TCP（Transmission Control Protocol）とは？TCP/IPの役割・仕組みと特徴を解説

TCP（Transmission Control Protocol）の役割・仕組み・特徴を分かりやすく解説。データの信頼性・順序保証・混雑制御の仕組みと実践例を初心者向けに紹介。

TCP（Transmission Control Protocol）は、インターネットプロトコルスイートの主要プロトコルの1つです。TCP は、インターネットで使用されている一般的な「TCP/IP」の組み合わせの一部であり、インターネットプロトコル（IP）と協調して動作します。IP がデータをネットワーク上の正しい場所へ運ぶ役割を担うのに対し、TCP はデータが欠損せず、正しい順序で届くことを保証し、さらにネットワークの混雑を抑える機能も持ちます。これらのプロトコルは、コンピュータ同士が共通の「言語」で通信するために設計されており、どんなプログラム（ウェブブラウザや電子メールクライアントなど）でも利用できます。

TCPの役割（何をするか）

TCPは主に次の機能を提供します。

• 信頼性の確保：データが欠落したり重複したりしないように、送受信の確認（ACK）と再送を行います。
• 順序制御：受信側でデータを元の送信順に並べ直します（シーケンス番号による管理）。
• フロー制御：送信側が受信側の処理能力に合わせて送信速度を調整します（ウィンドウ制御）。
• 輻輳制御（コングestion制御）：ネットワーク全体の混雑状況に応じて送信速度を制御し、過負荷を防ぎます（スロースタート、輻輳回避など）。
• コネクション管理：接続の開始と終了を行い、状態を保持することで状態的（ステートフル）な通信を実現します。

基本的な仕組み（3ウェイハンドシェイクと終了）

TCPは通信を始める際に「3ウェイハンドシェイク」と呼ばれる手順を使って接続を確立します。簡単に言うと次の3段階です：

• SYN：クライアントがサーバへ接続要求（SYNパケット）を送る。
• SYN-ACK：サーバが要求を受け取り了承（SYN+ACK）を返す。
• ACK：クライアントが受信確認（ACK）を返し、接続が確立する。

通信終了時はFINやRSTフラグを使って接続を終了します（4ウェイでの正常終了など）。

TCPセグメント（ヘッダ）の主な項目

TCPは「セグメント」と呼ばれる単位でデータを送ります。代表的なヘッダフィールドは次の通りです：

• 送信ポート・宛先ポート：どのアプリケーションに届けるかを示す。
• シーケンス番号：データの位置（順序）を識別する。
• 確認応答番号（ACK）：次に期待するシーケンス番号を示す。
• フラグ（SYN, ACK, FIN, RST, PSH, URGなど）：制御情報を示す。
• ウィンドウサイズ：フロー制御のための受信側が許容するバイト数。
• チェックサム：データとヘッダの誤り検出。
• オプション（MSS, ウィンドウスケーリング, タイムスタンプなど）：性能向上や機能拡張に使用。

信頼性を支える仕組み

TCPの信頼性は以下のメカニズムによって支えられています。

• シーケンスとACK：送信したデータに番号を付け、受信側が受け取った番号をACKで返すことで欠落を検出する。
• 再送：ACKが一定時間内に返ってこないと送信データを再送する（RTO：再送タイマ）。
• 重複ACKと高速再送：同じACKが複数回届くと、その区間での損失を推測して再送を速める。
• チェックサム：セグメント単位で誤り検出を行い、破損したセグメントは破棄され再送される。

フロー制御と輻輳制御

フロー制御は受信側の処理能力に合わせて送信を抑える仕組み（ウィンドウ制御）で、受信ウィンドウ値によって送信可能な未確認データ量が決まります。一方、輻輳制御はネットワーク全体の混雑を避けるための仕組みで、代表的なアルゴリズムに次があります：

• スロースタート：接続開始時に送信量を指数的に増やして帯域を探る。
• 輻輳回避：輻輳の兆候が出たら増加速度を抑え線形に増やす。
• 高速再送／高速回復：重複ACKなどで損失を検出した際に迅速に対応し、回復を図る。

TCPとUDPの違い（簡潔に）

• TCP：コネクション型、信頼性あり、順序保証、フロー・輻輳制御。ウェブ（HTTP/HTTPS）、電子メール（SMTP/IMAP）、ファイル転送（FTP）などに適する。
• UDP：コネクションレス、信頼性なし（アプリ側で処理する）、低レイテンシやマルチキャストに有利。音声・映像のストリーミング、DNS、ゲームなどで使われる。

利用例と用途

TCPは信頼性が求められる多くのアプリケーションで使われます。具体例：

• ウェブページの表示（HTTP/HTTPS）
• メール送受信（SMTP、POP3、IMAP）
• ファイル転送（FTP、SFTP）
• リモート端末操作（SSH、Telnet）

長所と短所

• 長所：データの信頼性と順序性を保証し、ネットワーク混雑に対して適切に振る舞う点で安定した通信が可能。
• 短所：オーバーヘッドがあり、遅延が増える場合がある。リアルタイム性を最優先する用途には不向き。

補足：歴史と仕様

TCPは1970年代から設計され、その仕様はRFC 793などで定義されています。現在では多くの拡張（ウィンドウ拡張、セレクティブACK、タイムスタンプなど）が加えられ、現代のインターネットに不可欠なプロトコルとなっています。

以上がTCPの概要と主要な仕組み・特徴です。用途やトラブルシューティングを行う際は、ヘッダ情報（ポート、フラグ、ウィンドウサイズ、シーケンス番号など）や再送/輻輳の挙動を確認すると原因把握がしやすくなります。

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