ネットワーク(OSI・TCP/IP・サブネット)

OSI基本参照モデルは、ISO(国際標準化機構)が策定した通信機能の7階層モデルであり、下位から物理層・データリンク層・ネットワーク層・トランスポート層・セッション層・プレゼンテーション層・アプリケーション層で構成される。IPAの試験要綱・シラバス(テクノロジ系・大分類「技術要素」中分類「ネットワーク」)では、各層の役割と中継装置との対応が明示的に問われる。物理層は電気信号やコネクタ形状などビット伝送を担い、リピータやリピータハブが対応する。データリンク層は隣接ノード間の伝送とMACアドレスによる制御を担い、ブリッジやスイッチングハブ(レイヤ2スイッチ)が対応する。ネットワーク層はIPアドレスに基づく経路選択(ルーティング)を担い、ルータやレイヤ3スイッチが対応する。装置と層の対応を問う出題は定番中の定番であり、「リピータ=第1層、ブリッジ=第2層、ルータ=第3層、ゲートウェイ=第4層以上」と即答できるようにしておくことが得点の近道である。

実際のインターネットはTCP/IPプロトコル群で動作しており、ネットワークインタフェース層・インターネット層・トランスポート層・アプリケーション層の4階層で整理される。インターネット層はOSIのネットワーク層に、TCP/IPのトランスポート層はOSIの同名の層に対応する。トランスポート層の二大プロトコルがTCP(RFC 9293)とUDP(RFC 768)である。TCPはコネクション型で、通信開始前に3ウェイハンドシェイク(SYN→SYN/ACK→ACK)により接続を確立し、確認応答と再送制御によって信頼性を保証する。一方UDPはコネクションレス型で、確認応答を行わない代わりにオーバヘッドが小さく、音声・動画のリアルタイム配信やDNS問合せに用いられる。通信相手のアプリケーションはポート番号で識別され、HTTP=80、HTTPS=443、SMTP=25、DNS=53、FTP=20/21などのウェルノウンポートは科目Aの頻出暗記事項である。TCPとUDPの特徴を入れ替えるひっかけが極めて多い。

アプリケーション層の主要プロトコルは、名称と役割の対応を問う形式で繰り返し出題される。DNSはドメイン名とIPアドレスを相互に変換する名前解決の仕組みであり、DHCPはLANに接続した端末へIPアドレスやデフォルトゲートウェイなどの設定情報を自動的に割り当てる。Webアクセスに用いるHTTPと、TLSで暗号化したHTTPS、ファイル転送のFTP、時刻同期のNTPも基本である。電子メールは送信・転送がSMTP、受信はPOP3(メールを端末にダウンロードして管理)とIMAP(メールをサーバ上に置いたまま複数端末から参照)という方式の違いまで問われる。さらにインターネット層の補助プロトコルとして、IPアドレスから宛先のMACアドレスを取得するARP、疎通確認(ping)やエラー通知に用いられるICMPを押さえる。ARPと逆方向の変換を行うRARPを入れ替えるひっかけが定番であるため、「どちらからどちらへ変換するか」の向きを正確に記憶することが重要である。

IPv4アドレスは32ビットで構成され、8ビットずつ4組の10進数(例: 192.168.1.1)で表記する。アドレスはネットワーク部とホスト部に分かれ、その境界を示すのがサブネットマスクである。組織内で自由に使えるプライベートIPアドレスの範囲はRFC 1918で定められており、10.0.0.0〜10.255.255.255(クラスA)、172.16.0.0〜172.31.255.255(クラスB)、192.168.0.0〜192.168.255.255(クラスC)の3ブロックである。プライベートアドレスのままではインターネットと直接通信できないため、ルータがグローバルIPアドレスへ変換するNATを用いる。特に1つのグローバルアドレスを複数端末で共有するため、IPアドレスに加えてポート番号まで変換する方式をNAPT(IPマスカレード)と呼び、本試験の頻出論点である。またアドレス枯渇への根本対策として128ビットのIPv6が定義されており、ビット長(32ビットと128ビット)の対比も確実に押さえておく。

サブネット計算は科目Aの計算問題の柱である。手順は機械的で、(1)サブネットマスクをビット列に直し、IPアドレスとの論理積(AND)を取るとネットワークアドレスが得られる。(2)ホスト部のビットをすべて1にするとブロードキャストアドレスになる。(3)ホスト部がnビットのとき、割り当て可能なホスト数は、ネットワークアドレスとブロードキャストアドレスの2つを除いた2のn乗−2個である。例えば172.16.10.130/26(マスク255.255.255.192)では、第4オクテットが64刻みのブロック(0、64、128、192)に分かれ、130は128〜191の範囲に含まれるため、ネットワークアドレスは172.16.10.128、ブロードキャストアドレスは172.16.10.191、割り当て可能ホスト数は2の6乗−2=62個となる。プレフィックス表記(/26)とマスク表記(255.255.255.192)の相互変換、そして「−2」を忘れないことが正答の分かれ目である。

LAN技術と性能計算も出題実績が多い。イーサネット(IEEE 802.3)ではネットワークインタフェースごとに48ビットのMACアドレスが割り当てられ、上位24ビットはベンダー識別子(OUI)である。無線LANはIEEE 802.11規格群で標準化され、アクセスポイントの識別にはSSIDを用い、暗号化は脆弱性が判明したWEPを避けWPA2/WPA3を用いるのが基本である。性能面では、伝送時間=データ量÷(回線速度×伝送効率)という関係式による計算問題が定番で、データ量の単位がバイト、回線速度の単位がビット/秒で与えられるため、データ量を8倍してビットに揃える単位変換が最大の落とし穴になる。例えば100Mビット/秒・伝送効率80%の回線で100Mバイトのファイルを送ると、800Mビット÷80Mビット/秒=10秒である。単位換算を落ち着いて処理すれば確実に得点できる分野であり、本章全体を通じて「ビットとバイトの変換」を習慣化することが合格への近道である。