レイヤ4のプロトコル

レイヤ４のプロトコルには2種類があります。厳密には他にもありますが、試験では問われません。

種類	特徴	アプリケーション層のプロトコル例
TCP	信頼性の高い通信を実現するプロトコル	HTTP，SMTP，POP3，SSH，FTP，Telnet，DNS（ゾーン転送）
UDP	高速性を優先したプロトコル	SNMP，NTP，DNS（問合せ），DHCP，TFTP，ストリーム配信のプロトコル

参考。TCP/UDPを使わない通信として、ICMP、GRE、ESPなどがあります。当然、ポート番号の概念はありません。ICMPなどは、レイヤ３のプロトコルです。

TCP（Transmission Control Protocol）

TCPはTransmission Control Protocolとう名前のとおり、伝送（Transmission）を”制御（Control）”するプロトコルである。

TCPの特徴
・コネクション型通信。
・再送制御、順序制御などの機能を持つ。
（順序制御はTCPヘッダの中のSequence numberで管理しているので確認してほしい）
・過去問では、TCPのフロー制御に関して、「確認応答がない場合は再送処理によって
データ回復を行う（H18NW午前問21）」と述べている。
・その分、UDPに比べて速度が遅い。ストリーミングなどの高速な通信にはUDPが向く。

具体的なアプリケーション
・UDPの例
　DNS（問合せ）、SNMP、DHCP、TFTP、NTPなど
※ストリーム配信でもUDPを使うが、使用するプロトコルは様々である

・TCPの例
HTTP、SMTP、POP3、SSH、FTP、Telnet、DNS（ゾーン転送）など

フレームを見てみよう
tcp

UDPと比べると、その違いは一目瞭然である。
http://nw.seeeko.com/archives/50284111.html

その他
TCPの通信では、ひっきりなしにACKを返している。1パケット（1500バイト）に対し、1ACKを返すようなイメージである。ただ実際にはスライディングウィンドウの機能により、ウィンドウサイズ分をまとめてACKを返すので、4～5パケットで1つのACKを返しているのが実際であろう。
これに対し、UDPではACKをまったく返さない。だからTCP/IPのオーバヘッドが少ない。

◆ポイント
・TCPとUDPの違いを意識してTCPを理解する。
・再送制御、順序制御を行っている。（どうやって実現しているかを確認しよう）

TCPのヘッダフォーマット

フレームフォーマットを確認しましょう。
その前に、今はどの部分を見ているのか、L２のイーサネットフレームから順に理解しておきましょう。
frame

	項目	長さ(bit)	説明
1	送信元ポート番号	16
2	宛先ポート番号	16
3	シーケンス番号	32	・0から始まるわけではなく、コネクション確立時に乱数を用いて決定される。・取りうる値は、32ビットなので、 0～2の32乗-1。これにより、パケットの順番を制御する。
4	確認応答番号	32	どのデータまでを受け取ったかを示す
5	データオフセット	4	TCPヘッダの長さを示す
6	予約	6	将来の拡張のために予約されている
7	フラグ	6	・順にURG,ACK,PSH,RST,SYN, FINフラグがある。・URG(Urgent）は緊急を示す。緊急で処理すべきパケットの場合は、 URGフラグを1にする。・ACKとSYNは3ウェイハンドシェイクで利用するから有名ですよね。・RESETは強制終了で、IDSなどで TCP通信を強制切断する際に利用するフラグ。・FINは3ウェイハンドシェイクを終了させるときに利用する。
8	ウィンドウサイズ	16	ウィンドウサイズを指定
9	チェックサム	16
10	緊急（Urgent)ポインタ	16	URGフラグがONの場合、ここに緊急データのサイズを指定できる。
11	オプション	可変	省略可
12	Padding	可変	詰め物。省略可

毎度のことですが、Wiresharkでキャプチャして確認しましょう。以下は、ブラウザからyahoo!のサイトを見た場合のキャプチャです。実際のデータを見ると、より理解が深まることでしょう。

TCPのヘッダに関して、過去問があるのでチャレンジしていただきたい。はっきり言って難しい。とても午前問題とは思えない。

【H19NW午前問30】
TCPのデータ転送に関する記述のうち、適切なものはどれか。

ア　ウィンドウサイズはACKを待たずに送信できるデータ量で、ネットワークごとに一定の値が決められている。
イ　順序番号は送信データストリーム中のセグメントのオクテット位置を示し、0～2の32乗-1の値をとる。
ウ　制御ビットフィールドの緊急フラグが有意のセグメントは、そのセグメントを緊急に送るべきであることを表すが、緊急データの長さを指定することはできない。
エ　パケットの重複や順序誤りなどのエラーを検出するためにチェックサムの計算を行う。

正解：イ

ポート番号

IPアドレスでは、端末（正確にはNICですが）を特定します。ポート番号は、端末におけるサービスやアプリケーションを指定するために利用するものです。たとえば、HTTPであれば80、メール送信であれば25などのポート番号を使って通信をします。

TCPやUDPの通信を行うには、ポート番号が必要です。
女性直立

　

インターネットを見るHTTPは80番で、
メールを送るSMTPは25番として決まっていますよね。
そう。ただ、厳密に言うと、違うポート番号でHTTP通信をしたり、SMTPにてメールを送ることもできる。
でも、決まっていた方が分かりやすい。
クライアントは、そのポートめがけて通信をすればいいので。
インターネットを見たいときは、80番でアクセスする。サーバは80番で待ち受けている。
サーバ側でnetstatコマンドで確認すれば、その様子が分かるだろう。
（後日その画面を貼り付けます）

補足解説
・ポート番号は2バイト（16ビット）で表現されるので0～2の16乗（=65535）の値を持つ。
・利用範囲が決められている。

範囲	解説
0～1023	Well-Knownポート。telnet 23,smtp 25など
1024～49151	登録されたポート。IPアドレスを管理しているIANA(Internet Assigned Number Authority)が管理し、許可をもらって利用する。たとえばMicrosoft社は3389をターミナルサービスとして登録している。メジャーな会社は申請することが多いだろう。
49152～65535	アプリケーションが動的に割り当てたり、Privateポート番号として自由に使える。

また、ポート番号はクライアント側でも特定のものが割り当てられている。
サーバは、クライアントのポート番号に向けて、応答パケットを返します。

代表的なWell-Knownポート
TCP 20、21 FTP(File Transfer Protocol)　
TCP 22 SSH（Secure SHell）
TCP 23 Telnet
TCP 25 SMTP（Simple Mail Transfer Protocol）
UDP/TCP 53 DNS（Domain Name System）
UDP 67、68 DHCP(Dynamic Host Configuration Protocol)
TCP 80 HTTP（HyperText Transfer Protocol）
TCP 110 POP3（Post Office Protocol versison 3)
UDP 123 NTP(Network Time Protocol)
TCP 143 IMAP（Internet Message Access Protocol）
TCP 389 LDAP（Lightweight Directory Access Protocol）
TCP 443 HTTPS（HTTP over SSL/TLS）
TCP 465 SMTPS
UDP 514 SYSLOG
TCP 587 サブミッションポート
TCP 993 IMAPS（IMAP over SSL/TLS ）
TCP 995 POP3S（POP3 over SSL/TLS)

3ウェイハンドシェイク

まず問題。TCPコネクション確立方式である３ウェイハンドシェイクを表す図はどれか。（H22NW午前Ⅱ問14)

sway

正解はそれほど難しくないでしょう。
参考までに、実際のパケットを見てみましょう。

これは、192.168.1.1のPCからWebサーバ（203.0.113.1）にgazou.pngファイルを取得したHTTP通信です。
4行目のHTTP通信の前に、3wayハンドシェークが行われていることが分かります。
前置きが長くなりましたが、さきほどの答えはアです。
女性ハテナ

さて、なぜこんな面倒なことをするの？
3ウェイハンドシェイクをしなくても、通信はできますよね。
現にUDPはこれがありません。

かなりざっくりいうと、信頼性を向上させるためである。
TCPはUDPと違ってコネクション型なので、通信の前にコネクションを確立する。これが3ウェイハンドシェイクのフェーズである。セキュリティを高めるためにやっているわけではない。パケットをキャプチャすればこれらの情報を簡単に入手できるからだ（セキュリティの意味がないわけではない）。
一方的な通信を受け入れるのではなく、両者で確認メッセージを送り、しかも番号の整合性もチェックすることで、不正な通信を排除し、整合性の高い通信を可能にする。

◆シーケンス番号と確認応答番号
試験にあまり細かいのは出ませんが、両者の例は以下です。
①→　SYN
　シーケンス番号　1000　確認応答番号　0　（Length　0)
※確認応答番号は存在しないと考えた方がいい。ただ、値としては0が入る。
②←　SYN＋ACK
　シーケンス番号　2000　確認応答番号　1001　（Length　0)
③→　ACK
　シーケンス番号　1001　確認応答番号　2001　（Length　0)

(1)シーケンス番号
各端末（PCやサーバ）が、自分で管理しているパケットの通番です。送信側と受信側で異なる番号を使います。ただ、基本的には受け取ったパケットの確認応答番号がそのままシーケンス番号になります。
※なお，シーケンス番号は0からではなく、ランダムな値から開始されることがあります。
(2)確認応答番号
は、受け取ったシーケンス番号にLengthを加えたものになる。意味は、「次に送信するシーケンス番号を伝える」ことである。
・3ウェイハンドシェイクが終わった後の実際の通信では、以下のようにLengthの値が各番号に付加される。
①→　ACK　
　シーケンス番号　1100　確認応答番号　2100　（Length　5)
②←　ACK　
　シーケンス番号　2100　確認応答番号　1105　（Length　4)
③→　ACK
　シーケンス番号　1105　確認応答番号　2104　（Length　6)

ただ、3ウェイハンドシェイクのLengthは0であるが、1を加える。なので、「受信したシーケンス番号＋１」が確認応答番号です。
では問題。以下のa、b　cに当てはまる数字を答えよ。
キャプチャ

※確認応答番号は存在しないと考えた方がいい。ただ、何かを入れないとデータにならないので、値としては0が入る。
さて、正解は以下である。
a:1001、b:1001、c:2001 3way

偽装したパケットであれば、シーケンス番号を知らないから、正しい③のACKを返せない。

過去問（R1NW午後Ⅱ問2）をみてみましょう。
DoS攻撃の内容になっているので、若干仕組みは異なりますが、キーワードは同じです。

②SYNパケットの情報などを基に計算した値を、TCPヘッダ中の【　イ　】番号にセットして、SYN/ACKパケットを返送する。
③受信したACKパケットの情報などを基に計算し、TCPヘッダ中の【　ウ　】番号の値が計算値に【　エ　】を加えた値と一致するかどうかをチェックする。

▼解答例　
イですが、確認応答番号は、受信したシーケンス番号＋１と決められています。自ら決めることはできません。今回は、自分で計算した値を入れているので、シーケンス番号です。

イ：シーケンス　　ウ：確認応答　　エ：1

◆セッションの終了
女性腕組み

たしかTCPの場合、接続の開始だけでなく、接続を終了するときも同じような処理をするんですよね？
そうですね。
過去問（H19秋SW午後１問１）を見てみましょう。このように、FIN、ACK、FIN、ACKの流れでコネクションを終了します。
ネットワークスペシャリスト_3ウエイハンドシェーク

実際には、①FIN＋ACK、②ACK、③FIN＋ACK、④ACKの4段階で送られます。
具体的にみていきましょう。サーバでは、通信が完了すると、PCに対してセッションを終了していいかというパケット（FIN＋ACK）を送ります（①）。PCでは、通信を受け取ったことを了承するACKを送ります（②）。次に、PCからもサーバに対してセッションを終了するパケット（FIN＋ACK）を送ります（③）。サーバからの応答（ACK）が届き（④）、セッションが終了します。

以下は、Wiresharkのパケットです。サーバからのデータ通信が終わった後、サーバからFIN、ACKパケットが送られ、終了処理が始まります。
aaa

補足ですが、終了処理にはFINとRST（RESETの意味）の２つがあります。
①FIN
　正常に終了する。3ウェイハンドシェイクの手順を踏んで確認応答も行う。
②RST
　強制終了。確認応答を行わない。RSTを受信したホストは、その段階でコネクション情報を破棄する。たとえば、ブラウザを「X」で閉じてもRSTを送る。

TCPのスライディングウィンドウ

・TCPの通信高速化を実現する技術
・まず、TCPの通信ではバッファをする必要がある。
相手に送信きちんとできない（確認応答が無い）場合には再送する必要があり、送信データはバッファに保存しておく。また受信データもアプリケーションに渡し終わるまではバッファをする。
・確認応答を都度実施していると遅くなるので、ウィンドウサイズ分だけまとめて確認応答をする。それまでは連続して送信する。これにより、TCP/IPのオーバーヘッドを少なくして高速化することができる。
・過去問ではTCPヘッダ中のウィンドウサイズの説明として「受信側からの確認応答を待たずに、データを続けて送信できるかどうかの判断に使用される（H21春SC午前2問15）」と述べられている。
・スライディングウィンドウの言葉は、バッファは一つ確認応答が来たら削除し、次の新しいバッファを利用できる。？？？？。こんなイメージ。
・ただ実際には、これが今の高速化技術としていえるかというと疑問である。WAN最適化装置ではもっと画期的な方法で高速化している。

UDP（User Datagram Protocol）

・コネクションレス型のプロトコル
・TCPと比べて，1パケット毎に確認応答を行うことが無い，コネクションを確立するためのオーバヘッドが無い，再送制御をしない，順序の制御をしない，ヘッダがTCPに比べてシンプル，などの理由によって高速な通信を可能にしている。
・上記のことにより電話などのリアルタイム通信や動画，音声のストリーミングなどに適している。UDPはTCPと比べて信頼性が薄いが，ストリーミングにおいて，画面の一部が一瞬欠落してもそれほど問題にはならない。それよりも高速性が求められている。
・過去問（H26年秋高度午前1問10）では，UDPに関して，「IPの上位階層のプロトコルとして，コネクションレスのデータグラム通信を実現し，信頼性のための確認応答や順序制御などの機能をもたないプロトコル」と述べられています。

◆UDPのヘッダ情報
※テキスト類では32ビットで区切られた表になっている場合が多い。私はこの表の意味が理解できなかった。実データは01データなので横並びであるが，ページの関係や分かりやすさの面で，表にしているだけである。

1)送信元ポート番号(16ビット)
2)宛先ポート番号(16ビット)
3)セグメント長(16ビット)
4)チェックサム(16ビット)

たったこれだけで，合計8バイト。TCP（基本は20バイト）に比べてシンプルですよね。
ポイントの一つとして，TCPに存在したシーケンス番号が存在しない。よって，相手に届くパケットの順序制御ができない。

◆過去問にて
過去問では，TCPとUDPのヘッダの違いが問われている。単なる暗記問題と考えるのでははなく，なぜこのフィールドが無いかを理解するべきである。

【H19NW午前問31】
UDPのヘッダフィールドにはないが，TCPのヘッダフィールドには含まれる情報はどれか。

ア　あて先ポート番号
イ　シーケンス番号
ウ　送信元ポート番号
エ　チェックサム

↓
↓
↓
↓
↓
正解：イ

【H29秋NW午前2 問10】
UDPを使用するプロトコルはどれか。

ア　DHCP
イ　FTP
ウ　HTTP
エ　SMTP

↓
↓
↓
↓
↓
正解：ア

【H29秋FE午前問34】
トランスポート層のプロトコルであり，信頼性よりもリアルタイム性が重視される場合に用いられるものはどれか。

ア　HTTP
イ　IP
ウ　TCP
エ　UDP

↓
↓
↓
↓
↓
正解：エ

【H28春ES午前問17】
TCPヘッダとUDPヘッダの両方にあるフィールドはどれか。

ア　宛先IPアドレス
イ　コントロールフラグ（SYN，ACKなど）
ウ　シーケンス番号
エ　チェックサム

↓
↓
↓
↓
↓
正解：エ
ア：TCPヘッダではなくIPヘッダ
イ，ウ：TCPヘッダのみに存在

【H26秋AP午前問33】
IPの上位階層のプロトコルとして，コネクションレスのデータグラム通信を実現し，信頼性のための確認応答や順序制御などの機能をもたないプロトコルはどれか。

ア　ICMP
イ　PPP
ウ　TCP
エ　UDP

↓
↓
↓
↓
↓
正解：エ

【H23秋NW午前2 問14】
IPv4ネットワークにおいて，Pヘッダ，TCPヘッダ，UDPヘッダのチェックサムフィールドに関する記述のうち，適切なものはどれか。

ア　IPヘッダのチェックサムの計算は必須であるが，TCPヘッダ及びUDPヘッダのチェックサムの計算はオプションであり，計算を省略して0を指定してもよい。
イ　IPヘッダのチェックサムの対象はヘッダ部分だけであるが，TCPヘッダ及びUDPヘッダのチェックサムの対象はデータ部分も含む。
ウ　TCPヘッダのチェックサムの計算は必須であるが，IPヘッダ及びUDPヘッダのチェックサムの計算はオプションであり，計算を省略して0を指定してもよい。
エ　どのヘッダのチェックサムフィールドも，チェックサムの対象はヘッダ部分だけである。

↓
↓
↓
↓
↓
正解：イ
IPヘッダのチェックサムはIPヘッダのみで，TCPやUDPのチェックサムはデータも含む。
考え方としては，TCPやUDPでデータをチェックしてくれるから，IPヘッダではIPヘッダのみでOKと覚えればいいと思う。
ちなみに，UDPヘッダは0を指定してもよい。

HTTP（TCP)のフレーム

HTTP（TCP）のフレームを示す。
今回はGoogleにアクセスした。

以下の赤線部分のみ見てもらえばいい。
１．Ethernet　・・・　イーサネットヘッダ
（１）宛先MACアドレス　・・・　00:0d:02:xx:xx:xx
（２）送信元MACアドレス　・・・　00:19:d2:xx:xx:xx
（３）タイプ　・・・　IP　（ここから次はIPフレームであることを示している）
２．Internet　Protocol　・・・　IPヘッダ
（１）プロトコル　・・・　TCP
（２）送信元IPアドレス　・・・　192.168.1.111
（３）宛先IPアドレス　・・・　66.249.89.99
３．Transmisson Control Protocol　・・・　TCPヘッダ
（１）送信元ポート番号　・・・　3192　（1024番以上）
（２）あて先ポート番号　・・・　80
（３）シーケンス番号　・・・　TCP固有
HTTPのパケット

DNS（UDP)のフレーム

UDPのフレーム構造を以下に示す。
www.ipa.co.jpにアクセスした際に、DNSサーバにDNS問い合わせが行われたフレームである。

TCPとの違いを中心に見てほしい。
UDP

DNSってUDPなんですね。
名前解決って信頼性が大事だと思うんですが
確かにそうだね。DNSキャッシュポイズニングなどDNSを詐称する攻撃もあるから。
でも、名前解決はスピードも必要なんだ。
たとえば、www.yahoo.co.jpのサイトを見ようと思うと、まずはDNSで名前解決をする。それから接続に行く。このとき、3wayハンドシェークなどをするTCPは、名前解決までに、コンマ何秒というレベルではあるが、時間がかかってしまう。利用者にとってはネットは早い方がいいよね

ネットワークスペシャリスト - SE娘の剣 -

カテゴリ： 9.トランスポート層（L4）