ＴＣＰ／ＩＰの基礎講座
Transmission Control Protocol/Internet Protocol
本基礎講座の対象
Ｗｅｂプログラミングをある程度理解し、実践することを目指す人。
Ｗｅｂプログラミングは、「やさしい」と思う。余り大量のコードを書く必要はないからである。しかし、「むずかしい」一面もある。それは、大量の雑学を必要とするからである。
ネットワークシステムとは何か、インターネットとは何か、コンピュータ同士はどのように情報のやりとりをするのか、ＨＴＭＬとは何か、ウェブサーバは何をやっているのか。ウェブサーバの種類や機能、などなどの雑学である。
それに、実際にサーバを設置して実用レベルにもっていこうとすると、サーバのセキュリティー確保が最大の難物である。
その他に、いくつかの言語をある程度マスターする必要がある。しかし、いずれかの言語を完璧にマスターするというよりは、何か参考書を見ながら、チョロチョロとプログラムを書く能力が必要とされるように思える。
対象となる言語は、Ｊａｖａ、ＪａｖａＳｃｒｉｐｔ、ＪＳｃｒｉｐｔ、ＶＢＳｃｒｉｐｔ、Ｐｅｒｌ、Ｒｕｂｙなどなどだろうか。
Ｗｅｂプログラミングも、まもなく、「．ｎｅｔ」の時代が来るのだろう。そうなれば、プログラマのロードはますます減るだろうが、雑学の必要性はかえって増えるだろう。
本基礎講座も、そのような雑学のひとつである。記述は不正確である。しかし、そんなに正確な知識が必要とされないのも、Ｗｅｂプログラミングの特徴だと考える次第。
目次
１．歴史
２．仕組み
２．１ パケットとプロトコル
２．２ ネットワークサービス
２．３ ＴＣＰ／ＩＰの仕事
２．４ ＴＣＰ／ＩＰのネットワーク層
２．５ ＴＣＰ／ＩＰのプロトコルの種類
２．６ 各プロトコルの説明
３． ＩＰアドレス
３．１ アドレスとクラス
３．２ サブネットマスク
３．３ ＤＮＳ(Domain Name System）はなぜ必要か
４．ＴＣＰ／ＩＰはどうやって通信するか
４．１ ソケットとは何か
４．２ ポート番号とは何か
４．３ どうやってソケットを作るか
４．４ ソケットＡＰＩ
５． まとめ
１．歴史
１９６０年代、米国国防省がコンピュータを接続するネットワークの研究を開始。目的は、「核戦争」にも耐えうるコマンドと制御機構の確立だった。
コンセプトとしては、「ネットワークの一部が破壊されても、別の経路でデータのやり取りができるネットワーク」。
たとえ、ネットワークの一部のリンクが敵の攻撃で切断されたとしても、「ダイナミック・リルーティング」によって、自動的に代替経路を使って送受信する。
そして、ＡＲＰＡＮＥＴが１９７０年初頭に作られる。その後、このＡＲＰＡＮＥＴが急速に拡大するとともに、管理が大変になって、軍事部門ＭＩＬＮＥＴと民生部門の新生ＡＲＰＡＮＥＴは分離する。
１９８０年代初頭、国防長官は、ＡＲＰＡＮＥＴに接続するコンピュータは、２５６台までしか接続できないＮＣＰ（Network Control Protocol）ではなく、ＴＣＰ／ＩＰを使うように通達した。そして、Ｉｎｔｅｒｎｅｔが誕生。
ＮＣＰとＡＲＰＡＮＥＴの仕組み： それぞれのコンピュータに８ビット長の固有のアドレスを割り当てていた。そのため、２５６台が上限だった。
ＴＣＰ／ＩＰが普及した理由は、
○ネットワークモデルに依存しない。すなわち、リング型でもスター型でもＯＫ。
○伝送メディアに依存しない。有線でも無線でも衛星通信でも問題ない。
○ベンダーに依存しない。
○ＯＳやハードウェアに依存しない。
○しかも、所有権がないので、ただで使用できる。
２．仕組み
２．１ パケットとプロトコル
プロトコルとは、ネットワークデバイスやコンピュータ同士の通信方法を規定するもの。いわば０と１からなるデジタル信号暗号の読み方だと思えばよい。ＴＣＰ／ＩＰは、そのプロトコルを実現するためのソフトウェアである。
パケットとは、データを小さな塊に分割して転送すること。ＴＣＰ／ＩＰは、分解されたデータが一つ残らず相手に届き、再び組み立てられるまで責任をもつ。
２．２ ネットワークサービス
ＴＣＰ／ＩＰは、以下の３つのネットワークサービスの存在を前提として開発されている。それぞれのサービスは、ネットワーク層の特定のレベル（後述）で行われる。
コネクションサービス：このサービスは、ネットワーク層の最下層で行われ、コンピュータとネットワークケーブル間のデータの受け渡しを処理する。コネクションサービスは、データが宛先に正しく到着したかどうかについては、一切関知しない。
トランスポートサービス：このサービスは、ネットワーク層の中位層で行われ、コネクションサービスを補強し、コンピュータ間で信頼性のある通信を実現する。ここでパケットに番号が振られ、宛先に順不同で到着しても、正確に復元できるようにする。その後、コンピュータがエラーチェックを行い、すべてのパケットが問題なく到着したかどうかを確認する。
アプリケーションサービス：アプリケーションサービスは、一方のコンピュータ上で稼動するアプリケーションが他方のコンピュータ上で稼動するアプリケーションと通信して、ファイルコピーなどの処理を実行できるようにする。ネットワーク層の最上位層で行われる。
２．３ ＴＣＰ／ＩＰの仕事
電子メールをＡ君からＢ君に送る場合、ＴＣＰ／ＩＰはいくつかの仕事をネットワークサービスに命ずる。
○Ｂ君のコンピュータの名前をＴＣＰ／ＩＰ形式のアドレスに変換する。これはコネクションサービスが行う仕事。
○パケットを作り、Ａ君からＢ君と差出人と受取人を書き込む。これはトランスポートサービスの仕事。
○ネットワークでパケットを転送する。これはコネクションサービスの仕事。
○パケットに分割されたメールが、Ｂ君のところに正確に届いたかどうかを確認する。これは、トランスポートサービスの仕事。
○メールをＢ君のところまで届ける。これはアプリケーションサービスの仕事。
２．４ ＴＣＰ／ＩＰのネットワーク層
第１層：物理層：ハードウェアである。ケーブルや衛星、ネットワークカードなどのすべて。深く考える必要はない。
第２層：データリンク層：データをパケットに分割するところ。イーサネットなどは、このレベルで処理される。一旦、データがネットワーク上を流れたら、データリンク層が管理する。イーサネットは、ネットワークカードなどに付されているＭＡＣアドレスを使って、１対１通信を行う。
第３層：インターネット層：ＩＰは、この層に対するプロトコルである。ネットワーク層はデータリンク層（第２層）からパケットを受け取り、宛先に転送する。もしも、ネットワークに複数のルートが存在すれば、最適なルートを選択するのもネットワーク層である。
第４層：トランスポート層：データパケットが問題なく到着することに責任を持つ。ＴＣＰは、トランスポート層に対応するプロトコルである。パケットにエラーがなく、すべてのパケットが正しい順番で宛先に到着することを監視し保証する。
第５層：アプリケーション層：ユーザとデータとの仲介をする（この層をさらに詳しく３層に分けるのがどうやら本格派なのだが、余り意味があるとも思えない）。
注：ＭＡＣアドレスとは。
６バイトの数値であって、最初の３バイトがメーカー名、残りの３バイトが製品番号。全世界で、重ならないように管理されている。アップル・マッキントッシュのことではない。
２．５ ＴＣＰ／ＩＰのプロトコルの種類
それぞれのネットワーク層に対して、様々な手続きが決まっている。
第１層：物理層：
第２層：データリンク層：ＰＰＰ
第３層：インターネット層：ＩＰ、ＩＰＮＧ、ＩＣＭＰ、ＡＲＰ、ＲＡＲＰ
第４層：トランスポート層：ＴＣＰ、ＵＤＰ、
第５層：アプリケーション層：ＲＰＣ、ＳＭＴＰ、ＦＴＰ、ＴＦＴＰ、ＤＮＳ、ＤＨＣＰ、ＮＦＳ、ｔｅｌｎｅｔなど。
２．６ 各プロトコルの説明
ＩＰ：Internet Protocol
ＩＰは基本的なネットワーク接続に責任を持つ。ネットワークを利用するとき、データを送ったり受け取ったりする場所が必要だが、それがネットワークアドレスである。ＩＰは、そのアドレスにメッセージを送るときに、アドレスの管理を行う。
ＴＣＰ：Transmission Control Protocol
ＴＣＰは、インターネット層とアプリケーション層との間に存在し、インターネット上でやり取りするデータの取りこぼしが起きないように、パケットを管理する。エラーチェックとパケットに対する連続番号の割り当てがＴＣＰのもっとも重要な役割である。もしも、とどかないデータがあると、ＴＣＰは消失データの再送を要求する。
ＵＤＰ：User Datagram Protocol
ＵＤＰもデータをインターネット層とアプリケーション層の間で働いているが、ＴＣＰと違って、エラーチェックもパケットの番号割り当ても行わない。
ＩＣＭＰ：Internet Control Message Protocol
ＩＣＭＰは、ネットワークで発生した問題やネットワークデバイスのエラー情報を知らせるためのプロトコルである。先方のコンピュータが働いているかなどを知ることができる。
ＡＲＰ：Address Resolution Protocol
ＴＣＰ／ＩＰアドレスしか分からないときに、ネットワークインターフェースカードのハードウェアアドレスを割り出す仕事をしている。
ＲＡＲＰ：Reverse Address Resolution Protocol
ハードウェアアドレスしか分からないときに、ＴＣＰ／ＩＰアドレスを割り出す。
ＦＴＰ：File Trasfer Protocol
２台のコンピュータ間でファイルを転送するために使う。
ＴＦＴＰ:Trivial File Transfer Protocol
ＦＴＰの小型バージョン
ＳＭＴＰ：Simple Mail Transfer Protocol
電子メールを転送するためのプロトコルである。
ＲＩＰ：Routing Information Protocol
ルーターなどのステータス情報をやり取り。
ＤＨＣＰ：Dynamic Host Configuration Protocol
数値アドレスをいくつかのコンピュータで共有するための仕組み。
ＰＰＰ：Point to Point Protocl
３． ＩＰアドレス
ここまで数値アドレスという表記をしてきた「数値で表現されたアドレス」である。このＩＰアドレスは、唯一無二のものでなければならないのである。しかし、それでは不足してしまうので、様々な工夫がある。
今後移行するとされているＩＰｖ６と呼ばれる表現方法では、現在のＩＰアドレスが３２ビットで表現されているのに対し、１２８ビットで表現しており、ほぼ無限のアドレスが表現可能となる。
３．１ アドレスとクラス
現在のＩＰアドレスは、３２ビットの値で、ネットワーク番号とホスト番号の２つに分けることができる。しかし、それが明示的に分けられている訳ではなくて、クラスというものに分けられている。
３２ビットの値は、８ビット×４に分けられて、それぞれフィールド１．フィールド２．フィールド３．フィールド４と、数字とピリオドの組み合わせで表現される。
クラスＡ：
３２ビットの値の最初の第一ビットが０である場合には、クラスＡのアドレスだと判断されて、その場合には、最初の８ビット分がネットワーク番号、のこり３つの８ビット分がホスト番号（コンピュータ番号）である。
クラスＡは、１２７サイトしかなくて、それぞれのネットワークには、１７００万台のホストを置くことができる。こんなに巨大でどうするのだ、という感じ。
クラスＢ：
３２ビットの値の最初の２ビットが１０であるものをクラスＢのアドレスと呼び、この場合には、最初の８ビット×２がネットワーク番号、残りの８ビット×２がホスト番号。 ホストを６５０００台以上置くことができる。しかし、ネットワークとしては、１万６３８４サイトしかない。
クラスＣ：
３２ビットの最初の２ビットが１１であるものをクラスＣのアドレスと呼び、この場合には、最初の８ビット×３がネットワーク番号、残りの８ビットがホスト番号。
ホストを２５５台（実際には２５４台）しか置くことができない。しかし、ネットワークの数は、２０９万７１５２サイトである。
３．２ サブネットマスク
ネットワークの管理を容易にするために、固定ＩＰアドレスからなるネットワークであっても、いくつかのサブネットに分けて管理することが賢い。そのため、サブネットマスクというものを設定し、そのマスクとアドレスとの論理ａｎｄ演算をして、同じ値になる場合には同じサブネットに所属していると判定する。サブネット内の通信を緩い条件で許可し、サブネットには属さないホスト間の通信は制限することで、セキュリティーの確保が可能になる。
３．３ ＤＮＳ(Domain Name System）はなぜ必要か
インターネット上のコンピュータ名を数値アドレスに変換するサービス
ＤＮＳサーバの仕事
それぞれのＤＮＳは、自分の仕事の分担範囲を持っている。
すべてのネットワークごとに、コンピュータ名とアドレス情報をデータベースとして持つプライマリー・ネームサーバが置かれる。このネームサーバは、自らのネットワークに含まれているコンピュータについて責任を持つ。
セカンダリー・ネームサーバの仕事
プライマリー・ネームサーバが仕事をこなせないと思えば、セカンダリー・ネームサーバに対して、仕事を委嘱する。セカンダリー・ネームサーバーは、他のドメインのセカンダリー・ネームサーバから情報を仕入れて、プライマリー・ネームサーバの仕事を補助する。
同時に、キャッシングという仕事を行うことで、一度使われた数値アドレスを持っている。
４．ＴＣＰ／ＩＰはどうやって通信するか
４．１ ソケットとは何か
ソケットとは、ピッチャーとキャッチャーがお互いのキャッチボールに必要なものである。２つのコンピュータがこれを用いて接続する。とはいえ、これもソフトウェアである。
ソケットに含まれる情報
ローカルコンピュータのＩＰアドレス
ローカルポート番号
リモートコンピュータ上のＴＣＰ／ＩＰサービスのポート番号
４．２ ポート番号とは何か
コンピュータがデータのやり取りをするとき、データの出入口を指定する。この番号が付いた出入口をポートと呼び、その番号をポート番号と呼ぶ。と書くと、なにやら物理的なイメージがあるが、実際には、そのデータを取り扱うアプリケーションを指定している。ＴＣＰ／ＩＰでは、ポート番号の１〜２５５までは様々な特定の用途、すなわち、特定のアプリケーション（サービス）に予約されている。１〜６５５３５の範囲内で指定できる。
４．３ どうやってソケットを作るか
ａ）．コンピュータＡ上のクライアントソフトが、接続のためのソケットを作る。ソケットには、コンピュータ上で固有の番号が与えられる。
ｂ）．コンピュータＡ上のクライアントは、接続要求をコンピュータＢのサーバアプリケーションに送り、リモートサービスを利用したいと伝える。この要求には、コンピュータＢのＩＰアドレス、サービスのポート番号、ローカルソケット番号を含める。
ｃ）．コンピュータＢのサーバアプリケーションは、接続のためのソケットを作る。ソケットには、サーバー上で固有の番号が割り当てられる。
ｄ）．コンピュータＢのサーバアプリケーションは、コンピュータＡのＩＰアドレスとポート番号に対して、確認の返事を出す。
ｅ）．これで、双方向の通信が確立されて、コンピュータＡ上のクライアントソフトは、コンピュータＢのサービスを利用できるようになる。
４．４ ソケットＡＰＩ
ＴＣＰ／ＩＰには、ＡＰＩ（Application Programming Interface)が容易されていて、プログラムを簡単に作ることができるようになっている。上に述べたような面倒なソケットを作る手続きも、ソケットＡＰＩとして準備されている。
５．まとめ
以上のような知識があれば、Ｗｅｂプログラマとしての雑学は十分だろう。