コンピュータネットワークとは：定義・種類・構成要素・通信プロトコル入門

コンピュータネットワークの基礎を図解で解説：定義・種類・構成要素・通信プロトコルまで初心者にもわかる入門ガイド

コンピュータネットワークとは、互いに接続された2台以上のコンピュータの集合で、データやリソースを共有したり、ファイルを交換したり、他のユーザーやシステムと通信するための仕組みです。ネットワークは単にケーブルや無線で結ばれた機器の集まりではなく、通信を成立させるためのハードウェア、ソフトウェア、通信規約（プロトコル）が組み合わさったシステムです。

ネットワークは、通信リンクによって接続された「ノード」（コンピュータ、プリンタ、スマートフォン、センサなど）で構成されます。各ノードはデータを送受信し、他のノードと協調して動作します。ネットワークの動作を支える機器には、ハブ、スイッチなどがあります。さらに、異なるネットワーク同士をつなぐためにルータが用いられます。一般に、有線接続は安定性や速度の面で優れ、無線は柔軟性に優れます。

ネットワークの種類（規模や用途別）

• LAN（Local Area Network）：家庭やオフィスなど、比較的狭い範囲をカバーするネットワーク。構築が容易で、高速な通信が可能です（Local Area Network）。
• WAN（Wide Area Network）：都市間や国際的に広がるネットワーク。複数のLANを接続して構成され、最大のWANはインターネットです。
• PAN（Personal Area Network）：個人の周辺機器（スマホ、ヘッドセット等）を接続する小規模ネットワーク。
• MAN（Metropolitan Area Network）：都市規模でのネットワーク。プロバイダや自治体の広域ネットワークに使われます。
• WLAN（Wireless LAN）：無線技術（Wi‑Fi 等）を用いるLAN。

ネットワークの典型的な利用例

企業や店舗では、ローカルネットワークを使って業務用システムや販売サイトを運用します。例えば、お店では、Webサーバーを使ってWebサイト上の商品を表示し、受注情報を受け取って出荷指示書を生成する、といった一連の処理がネットワーク経由で行われます。

構成要素（ハードウェアとソフトウェア）

• 端末（ホスト）：PC、サーバー、スマートフォンなど。ユーザーが操作する機器。
• ネットワーク機器：ハブ、スイッチ、ルーター、ブリッジ、ゲートウェイ、無線アクセスポイントなど。役割に応じてパケットの転送や経路選択を行います。
• 伝送メディア：光ファイバー、ツイストペアケーブル、同軸ケーブル、無線（電波）など。
• ネットワークインタフェース（NIC）：各端末がネットワークに接続するための装置（有線・無線の両方）。
• ソフトウェア：OSやデバイスドライバ、サーバーソフト、ネットワーク管理ツールなど。多くのOSは共通の通信手順（プロトコル）を用います（後述）。

通信プロトコル（基本と代表例）

ネットワーク上の通信は、共通のルール（プロトコル）に従って行われます。代表的なプロトコルには次のようなものがあります。

• TCP/IP：インターネットの基盤となるプロトコル群。ほとんどのシステムで採用されています（TCP/IPを）。Microsoft Windows、Linuxやその他多くのオペレーティングシステムはこれを使用します。
• アプリケーション層プロトコル：HTTP/HTTPS（Web）、FTP（ファイル転送）、SMTP/IMAP/POP3（メール）、DNS（名前解決）、DHCP（IPアドレス自動割当）など。
• 過去の例：Apple MacintoshはかつてAppletalk を使用していましたが、現在はTCP/IP を使用しています。

ネットワークモデル（OSI と TCP/IP）

ネットワーク技術を整理・設計するために、機能を階層（レイヤー）に分けたモデルが使われます。最も有名なのは国際標準化機構（ISO）のOSI（Open Systems Interconnection）モデルです。OSIモデルは通常7層に分かれ、各層は下位層のサービスを利用して上位層にサービスを提供します。主要な考え方は次の通りです：

• 物理層（Physical）— ケーブルや電気信号などの物理的伝送
• データリンク層（Data Link）— MACアドレスによる端末間のフレーム送受信
• ネットワーク層（Network）— IPアドレッシングとルーティング
• トランスポート層（Transport）— TCP/UDP による信頼性やポート管理
• セッション／プレゼンテーション層（Session/Presentation）— 通信セッションの管理、データ表現
• アプリケーション層（Application）— HTTP、FTP、SMTP などのアプリケーションプロトコル

実務では、OSIモデルに加えてより簡潔なTCP/IPモデル（4層など）が使われることが多く、どちらのモデルも基本的には「下位層は上位層にサービスを提供する」という考え方を共有しています。

トポロジー（接続形態）

• スター型：中央にハブやスイッチを置き、各ノードがそこに直接接続される。故障時の影響範囲が限定される。
• バス型：一本の共有伝送路に複数端末が接続される。古典的だが衝突や障害の問題がある。
• リング型：環状に接続し、順番にデータを渡す方式。
• メッシュ型：複数経路を持つ冗長構成。耐障害性が高いがコストがかかる。

アドレスとルーティングの基本

ネットワーク上の各機器は識別子を持ちます。物理層に近い識別子がMACアドレス、ネットワーク層で使うのがIPアドレスです。ルーターはネットワーク間の経路選択（ルーティング）を行い、宛先ネットワークへ最適な経路でパケットを届けます。IPv4 と IPv6 という二つの主要なIPバージョンがあり、IPv6はアドレス空間の拡張と機能改善を目的としています。

無線と有線の違い

有線は一般に安定性や帯域幅で有利、無線は配線不要で柔軟性が高いという特徴があります。無線LANでは IEEE 802.11 系（Wi‑Fi）が広く使われ、規格ごとに通信速度や到達距離、利用チャネルが異なります。セキュリティ（暗号化・認証）や干渉対策が重要です。

性能指標とセキュリティ

• 帯域幅（Bandwidth）：単位時間あたりに送受信できるデータ量（例：Mbps, Gbps）。
• 遅延（Latency）：データが送信元から宛先へ届くまでの時間。
• ジッタ（Jitter）：遅延の変動。音声や映像などリアルタイム通信で問題になることがある。
• 可用性と冗長性：障害時にサービスを維持するための設計。

セキュリティ面では、通信の暗号化（TLS/SSL 等）、アクセス制御、ファイアウォール、侵入検知・防御、定期的なソフトウェア更新などが必要です。

まとめ（設計と運用のポイント）

• ネットワークは単なる接続ではなく、ハードウェア、プロトコル、管理が連動して初めて機能します。
• 用途に応じて適切な規模（LAN/WAN等）、トポロジー、機器を選ぶことが重要です。
• パフォーマンス（帯域幅・遅延）とセキュリティのバランスを考えた設計・運用が求められます。

この入門で紹介した用語や要素は、ネットワークを理解するための基本です。実際の構築や運用では、さらに詳細な設計（IP設計、VLAN、QoS、冗長化など）や運用管理が必要になります。

オーエスアイモデル

OSI（Open Systems Interconnection）とは、ISO（国際標準化機構）規範で規定された7層のネットワークモデルで、世界中で広く利用されています。7層モデルの概念は、チャールズ・バックマン（Charles Bachman, Honeywell information Services）の仕事によって提供されました。OSI設計の様々な側面は、ARPANET、NPLNET、EIN、CYCLADESネットワークの経験とIFIP WG6.1での作業から発展しました。

データ単位	レイヤ	機能
データ	アプリケーション	ネットワークプロセスからアプリケーションまで
	プレゼンテーション	暗号化、復号化、データ変換
	セッション	アプリケーション間のセッションの管理
セグメント	交通機関	エンドツーエンドの接続と信頼性
パケット（データグラム	ネットワーク	パス決定と論理アドレッシング
フレーム	データリンク	物理的なアドレッシング
ビット	物理的な	信号とバイナリ伝送

レイヤ1

物理層は、デバイスの電気的および物理的な仕様を定義します。また、変調伝送やベースバンド伝送も規定します。

ベースバンド

ベースバンドは、その生の形（1001 1101 1010 0011）でデジタルデータです。これにより、近距離でも非常に高速で信頼性の高い伝送が可能になりますが、メディアによってビットが互いに干渉する傾向があり、ベースバンド伝送の範囲は非常に限られています。それは速度の増加とともに悪化します。ベースバンド技術は、LANで頻繁に使用されています。

• UTPケーブル - リピータなしで100Mビット/秒の速度で最大100m
• 光ファイバー - リピータなしで100Mbit/sの速度で最大1km

代表的な技術です。イーサネット

変調伝送

電気通信において、変調とは、物理的に伝送可能な別の信号の内部で、メッセージ信号、例えばデジタルビットストリームまたはアナログオーディオ信号を伝達するプロセスである。ベースバンド信号の変調を提供するデバイスは変調器と呼ばれ、変調された信号をベースバンドに戻す復調を提供するデバイスは復調器と呼ばれます。現在では、変調器と復調器が一体化されており、モデム（変調器-復調器）と呼ばれています。頻繁にWAN、WLAN、WWANで使用されます。
代表的な技術。WI-FI、ADSL、ケーブルテレビ接続（CATV

レイヤ2

データリンク層は、ネットワークエンティティ間でデータを転送し、物理層で発生する可能性のあるエラーを検出し、場合によっては修正するための機能的および手続き的な手段を提供する。

レイヤ3

ネットワーク層は、ＩＰアドレスを使用して、あるネットワーク上のソースホストから別のネットワーク上のデスティネーションホストに可変長データシーケンスを転送する機能的および手続き的な手段を提供する。

アイピーアドレス

インターネットプロトコルアドレス（IPアドレス）とは、インターネットプロトコルを使用して通信を行うコンピュータネットワークに参加している各機器（コンピュータ、プリンタなど）に割り当てられる数値ラベルのことです。現在使用されているプロトコルには、IPv4とIPv6の2つのバージョンがあります。

• IPv4は32ビットアドレッシングを使用しており、アドレス空間は最大4294967296(²³²)の可能な一意のアドレスに制限されています。

例です。IP-192.168.0.1 mask-255.255.255.0は、ネットワークアドレスが192.168.0.0.0、デバイスアドレスが192.168.0.1であることを意味します。

• IPv6は128ビットアドレッシングを使用しており、アドレス空間を^2128個の可能なアドレスに制限しています。これは、当面の間は十分であると考えられています。IPv6の完全サポートはまだ実装段階にあります。

レイヤ4

トランスポート層は、エンドユーザー間のデータの透過的な転送を提供し、上位層に信頼性の高いデータ転送サービスを提供します。インターネット・プロトコル・スイートの送信制御プロトコル（TCP）とユーザ・データグラム・プロトコル（UDP）は、一般的にOSI内のレイヤ4プロトコルとして分類されています。

• TCP（送信制御プロトコル）は、あるコンピュータ上のプログラムから別のコンピュータ上の別のプログラムへのバイトのストリームの信頼性の高い、順序付けられた配信を提供します。TCPは、厳密には信頼性の高い転送（電子メール、WWW、ファイル転送（FTP）、...）を必要とするアプリケーションに使用されます。
• UDP（ユーザー・データグラム・プロトコル）は、信頼性、順序付け、またはデータの整合性を提供するために、暗黙のハンドシェーク・ダイアログなしのシンプルな伝送モデルを使用します。UDPは、信頼性よりも待ち時間の短縮を必要とするアプリケーションで使用されます（ストリームビデオ、VOIP、オンラインゲームなど）。

層 5-7

簡略化されたネットワークモデルでは共通して1つのレイヤーに統合されており、その主な目的はアプリケーションとの対話、暗号化、必要に応じて専用の接続を確立することです。

デジタル変調: 16-QAMとコンステレーションポイントを例に挙げています。


アナログ変調： AM - 振幅 FM - 周波数

ネットワーク用語

遅延

遅延は、正しくは ping と呼ばれていませんが、パケットが目的地まで移動するのに必要な時間を測定する値です。ミリ秒 (ms) で測定されます。遅延を測定するツールはpingと呼ばれ、一般的には標準のデータパケットよりも小さい特殊なICMPパケットを使用しているため、その存在によってネットワークに重みを与えることはありません。

• 即時遅延は、X秒ごとに測定され、即座に表示されます。その値は、パケット交換ネットワーク技術の自然な特性により常に変化します。高い遅延ピークは、対応するサイズのメモリをバッファとして割り当てることで平均遅延に適応することができるほとんどのネットワークアプリケーションに悪影響を及ぼします。高遅延ピークは、このバッファを空にし、アプリケーションを一時的にフリーズさせます。このフリーズは一般的にラグと呼ばれています。
• 平均レイテンシとは、X秒ごとにY回測定した即時レイテンシの合計をYで割ったもので、平均レイテンシは主にあまり頻繁に変化しないため、バッファのサイズを推定するために使用されます。バッファを利用することで、ストリーム動画など一部のアプリケーションでは平均レイテンシが高くてもスムーズに動作するようになりますが、高レイテンシのピークから身を守ることはできません。

容量（帯域幅

容量は、ネットワークの転送容量の尺度であり、1 秒あたりのビット数（bps または b/s）で測定され、今日では一般的に Mbps または Mb/s です。これは、毎秒何個のデータ単位が転送されるかを示しています。現在のところ、平均帯域幅は必要以上に高く、ほとんどの場合、制限要因にはなっていません。

• アップリンクとは、ユーザーからサーバーへのデータ転送にどの程度の帯域幅を使用するかということです（通常はエンドユーザーの方が低いです）。
• ダウンリンクとは、サーバーからユーザーへのデータ転送に使用する帯域幅のことです（通常はエンドユーザーの方が高いです）。

放送

ブロードキャストとは、単一のデバイスに向けたものではなく、特定のネットワーク内のすべてのデバイスに向けた特別な伝送のことです。主にDHCPサーバが自動的にIPアドレスをデバイスに発行したり、ネットワークをマッピングしてトラフィックを高速化するARPテーブルを作成したりするために使用されます。

ADSLの周波数プラン。 上流＋下流＝ネットワーク帯域幅

質問と回答

Q:コンピュータ・ネットワークとは何ですか?

Q:ネットワークのノードとは何ですか?

Q:ネットワークが正しく機能するためには、どのような追加機器が必要ですか?

Q:異なる種類のネットワークは、どのように接続することができますか?

Q:LAN（ローカル・エリア・ネットワーク）はWAN（ワイド・エリア・ネットワーク）よりも簡単に構築できるのでしょうか?

Q:コンピュータは、同時に複数の異なるネットワークに属することができるのですか?

Q:ほとんどのオペレーティングシステムは、どのような通信プロトコルを使用していますか?

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