ネットワーク層（OSI参照モデル 第3層）

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ネットワーク層とは

ネットワーク層とは、OSI参照モデル（＝通信の役割を7つの層に分けて整理した世界共通の考え方）の第3層で、離れた相手まで、複数のネットワークをまたいでデータを届けるための「住所付け」と「道案内」を担う層です。

下のデータリンク層が「隣の機器まで」しか運べなかったのに対し、ネットワーク層は送信元から最終的な宛先まで（エンドツーエンド）を見渡し、途中のルータを乗り継いで届けます。ここで扱うデータの単位をパケット（＝宛先IPなどを付けたデータのかたまり）と呼びます。

身近な例で考えると、郵便の宛先住所と配送ルートに似ています。荷物に住所（IPアドレス）を書いておけば、各地の配送センター（ルータ）が「次はどこへ送ればいいか」を判断して、最終的に宛先へ届けてくれます。上の図解で第3層（赤くハイライト）がこの役割です。

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IPの役割

ネットワーク層の中心となるプロトコル（＝通信の取り決め）がIP（Internet Protocol）です。IPは、各機器にIPアドレス（＝ネットワーク上の住所を表す番号）を割り当て、パケットに宛先・送信元のIPアドレスを書き込んで送り出します。

IPアドレスには大きく2種類あります。
・IPv4：32ビットで表し、192.168.1.5 のように10進数4つで書く
・IPv6：128ビットで表し、アドレスの数が圧倒的に多い新しい方式
また、IPアドレスは「どのネットワークか（ネットワーク部）」と「その中のどの機器か（ホスト部）」に分かれており、これがルータの道案内に使われます。

ここで大事なのは、IPは「届けようと努力する」だけで、確実に届く保証はしないという点です。途中でパケットが失われても、IP自身は再送しません。確実さの保証は上のトランスポート層（TCP）が担当する、と覚えておきましょう。

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ルーティングの仕組み

ルーティングとは、パケットを宛先まで届けるために「次にどのルータへ渡すか」を選び続ける仕組みです。これを担当する機器がルータです。

各ルータはルーティングテーブル（＝「この宛先なら次はここへ送る」を一覧にした道案内表）を持っています。パケットが届くたびに次の手順を繰り返します。
・① 宛先IPを読む：パケットの宛先アドレスを確認する
・② テーブルと照合：その宛先に一番合う行を探す
・③ 次のルータへ転送：表に書かれた次の送り先へパケットを渡す
これを宛先に着くまでバケツリレーのように繰り返します。

上の図解の通り、行き先が複数あるときは遠回り（点線）ではなく、なるべく良い経路（実線）を選ぶのがルーティングの役目です。カーナビが渋滞を避けて最適ルートを案内するのと同じイメージで捉えると分かりやすいでしょう。

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サブネットとネットワークアドレスの仕組み

IPアドレスは「ネットワーク部（どのグループか）」と「ホスト部（そのグループの何番目か）」の2つに分かれています。どこまでがネットワーク部かを示す値をサブネットマスク（＝IPアドレスの境目を表す値）と呼びます。

たとえば 192.168.1.5 / 24 というアドレスは次のように読みます。
・ネットワーク部：192.168.1（左の24ビット分）＝「同じ組（グループ）に属するかどうか」を決める
・ホスト部：.5（右の8ビット分）＝「その組の中の5番目の機器」を指す
・ネットワーク部が同じ機器同士は同一ネットワーク（同じ組）に属し、ルータなしで直接やり取りできます

身近な例で考えると、都市と番地に似ています。「大阪市北区（ネットワーク部）の1番地（ホスト部）」のように、上位の住所でグループを決め、末尾の番号で個人を特定します。ルータは「別の区（別のネットワーク）」への荷物だけ引き受ける配送センターにあたります。

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IPアドレスとMACアドレスの違い

ネットワーク通信では「どこまで届けるか」に使うアドレスが2種類あります。ネットワーク層のIPアドレスと、その1つ下のデータリンク層のMACアドレスです。

実際の通信では、パケットが宛先に届くまで「ルータを1つ越えるたびにMACアドレスは書き換えられ、IPアドレスは変わらない」という連携が行われます。
・IPアドレス：最終目的地（宅配の届け先住所）として最初から最後まで変わらない
・MACアドレス：区間ごと（次のルータまで）の「誰に渡すか」を示すラベルで、ルータを越えるたびに書き換わる
身近な例では、飛行機の乗り継ぎ旅行に似ています。最終目的地（東京＝IPアドレス）は変わらず、搭乗券（MACアドレス）だけが乗り継ぎごとに替わるイメージです。