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プロトコルとレイヤ

プロトコルとレイヤ

無線通信やコンピュータネットワークなどの計測に関わると、必ずプロトコルという用語が出てきます。

計測器ではプロトコルアナライザがありますし、ATMアナライザ、LANアナライザ、IEEE1394バスアナライザなども、実はプロトコルの検査機器です。

プロトコルを用語辞典などで引くと、通信手順とか通信規約と訳されていたり「複数のコンピュータなどが通信や情報をやりとりするための取り決め(通信ネットワーク用語ハンドブック 日経BP社)」などと説明されています。

コンピュータや通信機器それに計測器もそうですが、ほかの機器との接続機能を持つ電子機器を造っているメーカは世界中にたくさんあります。また、ひとつのメーカの中にも何種類ものモデルが存在します。

これらの機器が、信号の受け渡しをしようとする場合に、各々が勝手な仕様に基づいていたのではデータの授受がうまくいきません。

接続する機器のコネクタの形状から始まって、電圧レベルなどの物理仕様が一致していることがまず必要です。

その上で、両者のパルスの同期をどのようにして確立するのか、データの長さをどのくらいにするのか、データの始まりと終わりをどのように認識させるのか、エラーの訂正はどうするのかなどについて両者があらかじめ合意している必要があります。

そして、これらが一致して初めて両者は通信を開始できます。

通信を開始するには、まず相手の機器を認識できなければなりません。さらに一方が相手方を認識したことを相手方に伝えなければなりません。

その上で、データの送信開始を伝え、受け取る方はデータを受け取る準備が整ったことを相手に伝え、次にデータの開始信号が送られ、ようやくデータの本体が送られ・・・・・・というように、定められた手順を何段階も踏んでデータをやり取りすることになります。この手順が即ちプロトコルです。

プロトコルは多くの機器が共通して採用することが好ましいので、多くの場合は公の機関によって策定されます。
例えば、国連の下部組織であるITU(International Telecommunication Union:国際電気通信連合)では、電話など電気通信に関して「Vシリーズ」と呼ばれるプロトコルを数多く策定してしており、その結果はITU勧告のカタチで各国に通知されています。

特定のメーカが定めたプロトコルもあります。例えばアップル社のAppleTalkやノベル社のIPX/SPXなどそれです。

計測器とコンピュータをつなぐプロトコルであるGPIBは、当初ヒューレットパッカード社が使っていたものが、IEEE(Institute of Electrical and Electronics Engineers:米国電気技術者協会)によって標準化されたものです。

最近では、特定の団体が公的な標準になることを目指してプロトコルを策定することも多く行われます。インターネットのプロトコルであるTCP/IPなどはその一例です。
プロトコルとともに理解しておきたいのがレイヤです。
言葉としてのレイヤの意味は、重なり合った「層」、プロトコルの階層です。

機器がデータのやり取りをする場合、あるひとつのプロトコルだけに支配されるということはめったにありません。ひとつのプロトコルで全てを規定しようとすると、機器それぞれについてプロトコルを定めなければならず、現実的でないからです。

そこで、プロトコルに階層的な構造を持たせ、階層ごとにプロトコルを定める方法が採られています。このようにすると、ある階層のプロトコルを考える場合に階層を越えたプロトコルについては意識しなくて済むというメリットがあります。

レイヤを理解するために、会話を例にとって考えます。

例えば、取引先A社の営業担当者を相手にして先日注文した機械の納期についての話をするとします。

この場合、納期についての話が通じるには、口頭(人間の音声)であって、日本語であって、ビジネス専門分野についてお互いに理解があって、日頃から取引をしているA社であるという前提が必要です。

さらに、人間同士が口頭で会話するには、音声の周波数やレベルがお互いに一致していなければなりませんし、日本語で話し合うにはお互いが日本語の文法をわきまえていなければなりません。

つまり、音声会話、日本語・・・というそれぞれについてのプロトコルが図のように階層的に介在しています。

そして、取引先A社と話をするのに日本語であることが明らかであれば、文法についてその都度確認する必要はありません。

我々が電話を使う場合に、回線交換のプロトコルについて気にしなくても良いのと同じことです。

プロトコルのレイヤについてはISO(International Organization for Standarzation:国際標準化機構)で、7階層のOSIモデル(Opensystem Interconnection Model)が定義されています。

数あるプロトコルの中には、複数の階層にまたがるものもありますが、各階層の持つ意味はほぼ以下のようになります。

ISOのOSI

1:物理層コネクタ形状、ピン配列、信号のタイミングなど。
(光ファイバ、同軸ケーブルといったハードウエアそのものは規定しない)
2:データリンク層ネットワーク同士の伝送制御手順など
3:ネットワーク層コンピュータ同士を結ぶ経路選択など
4:トランスポート層下位の層で生じたデータ誤り訂正など
5:セッション層同期、伝送方向(全二重など)の選択など
6:プレゼンテーション層データのコード、暗号化など
7:アプリケーション層アプリケーションプログラム、インタフェースなど

例えば、パソコンのシリアルインタフェースであるRS232Cは第一層(レイヤ1)のプロトコルであり、LANでおなじみのイーサネット(Ethernet)はレイヤ1とレイヤ2にまたがるプロトコル、画像圧縮に使われるJPEGは第7層(レイヤ7)のプロトコルという具合です

インターネットでは、上記のISOのOSIモデルとレイヤが一致しない部分があり、右のような4層のレイヤ構造が定義されています。

一般にTCP/IPと表記されますが、IPのプロトコル(Internet Protocol)とTCPのプロトコル(Transmission Control Protocol)は独立したプロトコルです。

IPはインターネット層と呼ばれる下位のレイヤに、TCPはその上のトランスポート層に属しています。

インターネットのレイヤ構造

プロトコルとレイヤは密接に関係しているので、常に両者を併せて考えることが間違いのない理解につながります。

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