#4ネットワークの基礎　TCPとUDPを「宅配便とポスト投函」で完全理解する

はじめに

前回はIPv4アドレッシングを解説しました。IPアドレスという「住所」でネットワーク上の機器の位置を特定する仕組みでした。

今回は「TCPとUDP」に入ります。
第1回で紹介したTCP/IPの4層モデルのうち、トランスポート層に位置する2つのプロトコルです。

私のロードマップを使った人がこんなことを言っていました。
「TCPとUDPの違いは暗記していたけど、なぜそちらを使うのかまでは答えられなかった」

CCNAの試験では「このプロトコルはTCPとUDPのどちらを使うか」という問いが繰り返し出ます。丸暗記で乗り切ろうとすると応用が効きません。
「なぜそちらを使うのか」まで理解することが、試験でも実務でも重要です。

トランスポート層の役割——「配送方法の選択」

TCP/IPの4層モデルにおいて、トランスポート層はアプリケーション間でデータを届けるための仕組みを担う層です。

インターネット層（IP）が「どこへ届けるか」を決めるのに対して、トランスポート層は「どのように届けるか」を決めます。

配送サービスに例えると、IPが「住所を見て配達先を決める」役割で、トランスポート層は「宅配便で送るか、ポストに投函するか」を決める役割です。

宅配便は確実に届けてくれますが手続きに時間がかかります。
ポスト投函は速くて手軽ですが、相手に届いたかどうかは確認できません。

この選択肢がTCPとUDPです。
どちらを選ぶかは「何を届けたいか」によって変わります。

ポート番号とは——「部屋番号」

TCPとUDPの説明に入る前に、ポート番号を理解しておく必要があります。

1台のコンピュータでは、Webブラウザでページをみながらメールソフトでメールも受信する、ということが同時に起きています。
どちらの通信もIPアドレスは同じです。
では、届いたデータがブラウザ向けなのかメール向けなのかを、どうやって区別するのでしょうか。

その答えがポート番号です。IPアドレスが「マンションの住所」なら、ポート番号は「部屋番号」です。同じマンションに複数の住人がいても、部屋番号があれば正しい住人に届けられます。

ポート番号は0〜65535の範囲で、よく使われるプロトコルには決まった番号（ウェルノウンポート）が割り当てられています。

ポート番号はプロトコルと必ずセットで覚えてください。

TCPとは——「追跡番号付き宅配便」

TCP（Transmission Control Protocol）は、信頼性の高い通信を実現するプロトコルです。
「確実に届けること」を最優先にした設計になっています。

スリーウェイハンドシェイク——「在宅確認の3ステップ」

TCPは通信を始める前に、必ず相手が受け取れる状態かどうかを確認します。これをスリーウェイハンドシェイクと呼びます。
3回のやり取りで接続を確立することからこの名前が付いています。

宅配便の業者が荷物を届ける前に電話で確認するイメージです。

1. 送信側が「通信を開始したい（SYN）」を送る
2. 受信側が「了解、こちらも準備できた（SYN-ACK）」を返す
3. 送信側が「確認した、では通信を始める（ACK）」を返して接続確立

このやり取りを経てから実際のデータ送信が始まります。
通信が終わったときにも、接続を正式に終了するためのFINとACKのやり取りが行われます。

シーケンス番号と確認応答——「伝票番号と受取確認」

TCPはデータを「セグメント」という小さな単位に分割して送ります。
それぞれのセグメントにはシーケンス番号という連番が振られています。
宅配便の伝票番号と同じです。

受信側は届いたセグメントに対して「届きました（ACK）」という確認応答を送り返します。
送信側はこのACKが返ってこなければ「届いていない」と判断して、同じセグメントを再送します。これが再送制御です。

また、セグメントが順番通りに届かない場合もあります。
ネットワークの混雑によって、後から送ったデータが先に届くことがあるからです。
TCPはシーケンス番号を見て正しい順番に並べ直してからアプリケーションに渡します。これが順序制御です。

フロー制御——「倉庫の空き状況に合わせた配送量の調整」

受信側にも処理能力の限界があります。
送信側が際限なくデータを送り続けると、受信側のバッファ（一時保管場所）があふれてしまいます。これをバッファオーバーフローと呼びます。

TCPはウィンドウサイズという値を使ってこれを防ぎます。
受信側は「今はこれだけの量なら受け取れます」という受け入れ可能なデータ量をウィンドウサイズとして送信側に伝えます。
送信側はその範囲内でのみデータを送ります。
倉庫の空き状況を見ながら配送量を調節するイメージです。

輻輳制御——「道路渋滞を見て配送量を減らす」

フロー制御が受信側の処理能力に合わせた制御なのに対して、輻輳(ふくそう)制御はネットワーク全体の混雑に合わせた制御です。

ネットワークが混雑してパケットが失われると、TCPはそれを「道路が渋滞している」と判断して送信量を絞ります。
混雑が解消されれば徐々に送信量を増やしていきます。
このスロースタートという仕組みにより、ネットワーク全体の安定を保ちます。

これらの仕組みをすべて持つTCPは処理が重くなりますが、その分「届いていないデータがない」という保証を得られます。

UDPとは——「確認なしのポスト投函」

UDP（User Datagram Protocol）は、信頼性より速度を優先したプロトコルです。

TCPと比べると機能がシンプルです。
コネクションの確立もなく、再送も順序制御もしません。
データをそのまま送り出して、届いたかどうかは確認しません。

ポスト投函がまさにこのイメージです。
封筒をポストに入れれば終わりです。
相手に届いたかどうかは確認しません。もし届かなくても再送しません。
その代わり、手続きが非常に軽くて速いです。

UDPが選ばれる理由——「再送されては困る場面がある」

UDPを使う理由は単に「速いから」だけではありません。
アプリケーションによっては、再送制御があると逆に困る場面があります。

動画のライブストリーミングを例にします。
今映している映像が0.5秒遅れて届かなかったとします。
TCPならば「届いていないから再送します」となります。
しかし0.5秒前の映像を今さら再送されても、視聴者には意味がありません。
むしろコマが抜けても映像が途切れず流れ続けるほうが価値があります。

音声通話（VoIP）も同じです。
会話中に「0.3秒前の音声が届いていないから再送します」と言われても、会話にはなりません。
多少音声が欠けても、リアルタイムで通話が続くことが最優先です。

このようにリアルタイム性が重要な用途では、TCPの信頼性制御がむしろ邪魔になります。UDPはそういった場面のために存在します。

DNSがUDPを使う理由

DNS(Domain Name System)もUDPを使う代表例です。
DNSは「このドメイン名はどのIPアドレスですか？」という問い合わせに答えるサービスで、インターネット上の「電話帳」の役割を果たすシステムです。

この通信は「1回の質問と1回の返答」で完結します。
わざわざTCPでコネクションを確立して、やり取りが終わったら切断する、という手間は不要です。
UDPで即座に質問して即座に答えをもらうほうが合理的です。

毎回のWebページ表示でDNS問い合わせが発生することを考えると、1回ごとにTCPのスリーウェイハンドシェイクが走ったら相当な遅延になります。
DNSがUDPを採用しているのは、こうした合理的な理由があってのことです。

TCPとUDPの使い分け——試験頻出の整理

CCNAでは「このプロトコルはTCPとUDPのどちらを使うか」が繰り返し問われます。
判断の基準は「確実な届けが必要かどうか」と「リアルタイム性が求められるかどうか」の2軸です。

TCPを使うプロトコルは、データが欠けると困るものばかりです。
Webページ（HTTP/HTTPS）は1ビットでも欠けると表示が崩れます。
ファイル転送（FTP）は欠損があるとファイルが壊れます。
メール（SMTP）やリモート操作（SSH）も同様です。

UDPを使うプロトコルは、リアルタイム性や軽さが求められるものです。
名前解決（DNS）、アドレス配布（DHCP）、音声通話（VoIP）、動画ストリーミングがここに入ります。

ポート番号とセットで整理すると次のようになります。
TCP を使うもの（確実な届けが必要）：HTTP（80 番）、HTTPS（443 番）、FTP（20・21 番）、SMTP（25 番）、SSH（22 番）

UDP を使うもの（速度・リアルタイム性が重要）：DNS（53 番）、DHCP（67・68 番）、VoIP（音声通話）、動画ストリーミング

DNSはTCPも使う場合がありますが、通常の名前解決はUDPです。
TCPを使うのは、返答データが大きすぎてUDPに収まらない場合やゾーン転送（DNSサーバー間のデータ同期）のときです。

まとめ

TCPは「確実に届けること」を最優先にしたプロトコルです。
スリーウェイハンドシェイクでコネクションを確立し、シーケンス番号と確認応答で欠損と順序を管理し、フロー制御と輻輳制御でネットワークと受信側の負荷を調整します。
その分処理は重くなりますが、「すべてのデータが正しい順番で届く」という保証を得られます。

UDPは「速さとリアルタイム性」を優先したプロトコルです。
コネクション確立も再送もなく、送ったら終わりです。
信頼性は低い代わりに処理が軽く、遅延が少ないです。
再送されては困る場面や、1回のやり取りで完結する通信に向いています。

まず仕組みを理解して、ポート番号は後から付け足すような感覚で進めてください。

これでネットワークの基礎4テーマがすべて完了です。
TCP/IPの階層モデル、イーサネットとスイッチの仕組み、IPv4アドレッシング、そしてTCPとUDP——この4つの理解が、CCNA学習のすべての土台になります。

次回からはいよいよCisco ルータに踏み込みます。
ぜひフォローして明日お会いしましょう。

#CCNA #ネットワーク #TCP #UDP
#エンジニア #IT #フォロバ100