インターネットはどうやってデータを届けるの? パケットとルータ

身近なところでは

スマホでニュースのリンクをタップすると、多くの場合、数秒もかからずにページが表示されます。そのデータは、どこか遠くのコンピュータから届いています。このように、求めに応じてデータを渡すコンピュータを「サーバ」と呼びます。

この記事では、Webページを1つ開くときに裏で起きていることを、順番に見ていきます。大まかな流れは次のとおりです。

1. サイトの名前(例: www.example.com)から、サーバの番号を調べる
2. サーバとの間で、やり取りを始める準備をする
3. 「このページをください」という依頼を送る
4. ページのデータが、たくさんのかたまりに分かれて届く
5. スマホの側で組み立て直し、画面に表示する

データは「パケット」に分けて送る

インターネットでは、写真もページの文章も、0と1の並びとして送ります。大きなデータは、一続きのままでは送りません。小さなかたまりに切り分けて、1つずつ送ります。このかたまりをパケットと呼びます。

パケットの先頭には、宛先や送り主の番号などを書いた部分がつきます。これを「ヘッダ」と呼びます。受け取った側は、ヘッダを手がかりにかけらを集め、元のデータに組み立て直します。

1つのパケットの大きさには上限があります。家庭の有線LANやWi-Fiでは、ふつう1,500バイトまでです(1バイトは0と1を8個並べた量)。1MB(100万バイト)の写真なら、約700個のパケットに分かれる計算です。

わざわざ切り分ける理由は、主に2つあります。1つは、1本の回線を大勢で分け合えることです。小さなパケットなら、いろいろな人の通信を少しずつ交互に流せます。もう1つは、途中で一部が失われても、そのかけらだけを送り直せばよいことです。

昔の固定電話は、逆の考え方でした。通話のあいだ、相手までの回線をまるごと確保します。話していない時間も、その回線はほかの人には使えません。データを分けて回線を分け合う方式は1960年代に考え出され、インターネットの土台になりました。

IPアドレス: パケットの宛先になる番号

パケットの宛先には、相手の機器を表す番号を書きます。この番号をIPアドレスと呼びます。スマホもパソコンもサーバも、インターネットにつながる機器にはIPアドレスが割り当てられます。

広く使われている形式では、IPアドレスを「192.0.2.10」のように書きます。0〜255の4つの数を、点で区切った形です。0と1で表すと32けたなので、作れる番号は約43億通りしかありません。これでは世界の機器の数に足りないため、けたを大きく増やした新しい形式(IPv6)への切り替えが進んでいます。違いは「IPv4とIPv6の違い」で表にまとめています。

IPアドレスを使って、パケットを相手まで届ける決まりごとをIPと呼びます。IPは、パケットを宛先に向けて送り出すことに専念します。届いたかどうかの確認は、IPの仕事ではありません。

ルータが「次の行き先」だけを選んで運ぶ

インターネットは、たくさんの小さなネットワークをつなぎ合わせたものです。家のネットワーク、会社のネットワーク、通信会社のネットワークなどがあります。ネットワークの境目にいて、パケットを隣のネットワークへ受け渡す機器をルータと呼びます。

ルータは、届いたパケットのヘッダから、宛先のIPアドレスを読みます。そして、自分の持つ表と照らし合わせて、隣のどのルータに渡すかを決めます。この表を経路表と呼びます。経路表には「この範囲の番号なら、あちらの隣へ」という対応が書かれています。

大切なのは、どのルータも相手までの道順の全部は知らない、という点です。知っているのは「次にどこへ渡せばよいか」だけです。送る前に道順を全部決めておくのではありません。パケットはルータからルータへ、バケツリレーのように運ばれます。

経路表は、ルータどうしが情報を交換して、自動的に作り直されます。どこかの回線が故障すると、その道を避けるように書き換わります。同じ相手へのパケットは、ふだんはほぼ同じ道を通ります。それでも、通信の途中で道が変わることがあり、そのあともパケットは届き続けます。

仕事を4つの「層」に分けて考える

ここまでの話には、いくつもの仕事が混ざっていました。隣の機器まで信号を届ける仕事、遠くの相手まで道を探す仕事、取りこぼしを防ぐ仕事などです。インターネットでは、こうした仕事を「層」に分けて、層ごとに通信の決まりごとを定めています。この決まりごとを「プロトコル」と呼びます。

層は、一般に次の4つで説明されます(TCP/IPの4階層と呼ばれます)。表では、上の層ほどアプリに近く、下の層ほど電波やケーブルに近くなります。

いちばん下のリンク層は、つながっている隣の機器まで運ぶだけです。スマホのWi-Fiなら、家のルータまでが受け持ちです。その先はイーサネット(有線LANの規格)や光ファイバの回線で、また次の機器まで運ばれます。

いちばん上で、Webページのやり取りを決めているのがHTTPです。「このページをください」「はい、どうぞ」という会話の形を定めています。その会話を、下の層が順に引き受けて相手まで運びます。

層に分けると、ある層を入れ替えても、ほかの層はそのまま使えます。例えば、Wi-Fiを有線LANに替えても、ブラウザやIPを作り直す必要はありません。

資格試験の勉強では、同じ考え方を7つの層で整理したOSI参照モデルもよく出てきます。分け方が細かいだけで、「仕事ごとに層に分ける」という考え方は同じです。おおまかには、リンク層(ネットワークインタフェース層とも呼びます)がOSIの第1〜2層、インターネット層が第3層です。トランスポート層は第4層、アプリケーション層は第5〜7層です。

DNS: 名前から番号を調べる

人はサイトを「www.example.com」のような名前で覚えます。しかし、パケットの宛先に書けるのは番号(IPアドレス)です。そこで、名前を番号に変えるしくみを使います。これをDNS(ドメインネームシステム)と呼びます。

ブラウザは、まずDNSのサーバに「この名前の番号は?」と問い合わせます。答えをもらって、ようやくページのサーバにパケットを送れます。冒頭の流れの1番がこれです。答えはしばらく覚えておくので、毎回聞き直すわけではありません。

TCPとUDP: 確実さを取るか、身軽さを取るか

IPは、パケットを送り出すところまでが仕事です。途中で混みすぎたルータがパケットを捨てることも、到着の順番が入れ替わることもあります。それでもWebページが欠けずに表示されるのは、TCPという決まりごとのおかげです。

TCPでは、送る側がデータに通し番号をつけます。受け取った側は「ここまで届きました」と返事を送ります。返事が来ない分は、送る側がもう一度送ります。受け取った側は、番号を見て正しい順に並べ直します。

また、TCPはデータを送り始める前に、相手と短いあいさつを交わして準備をします。冒頭の流れの2番がこれです。このあいさつに、1往復分の時間がかかります。

もう一方のUDPは、番号の管理や送り直しをせず、パケットを送りっぱなしにします。手順が少ない分、待ち時間を短くできます。ビデオ通話や対戦ゲームのように、遅れて届くデータより「今」のデータが大事な用途で使われます。DNSの問い合わせにも、主にUDPが使われます。

新しいHTTP/3では、UDPの上にQUICという決まりごとを重ね、送り直しなどをQUICが受け持ちます。違いは「TCPとUDPの違い」と「HTTP/1.1・HTTP/2・HTTP/3の違い」で表にまとめています。

家のルータと、番号の書き換え(NAT)

家のWi-Fiの機器は、多くの場合、Wi-Fiの親機とルータを1台にまとめたものです。家の中のスマホやパソコンには、家の中だけで通じる番号が配られます。「192.168.」で始まる番号が多く使われます。この番号のままでは、インターネットの向こうから返事を送れません。

そこで、外へ出るパケットの送り主の番号を、家のルータがインターネット用の番号に書き換えます。ルータはどの通信がどの機器のものかを控えておき、返ってきたパケットを元の番号に戻して届けます。この書き換えをNATと呼びます。約43億個しかない番号を、多くの機器で分け合うための工夫です。

HTTPSと鍵マーク

途中の機器は、パケットの中身を読もうと思えば読めてしまいます。そこで、鍵を持つ相手にしか元に戻せない形にデータを変えてから送ります。これを「暗号化」と呼びます。

Webのやり取りを暗号化して送る方式がHTTPSです。HTTPSでは、通信の相手が本物のサーバかどうかも確かめます。

そのためにサーバは、「証明書」という電子的な身分証を示します。証明書は、信頼された発行機関が、サイトの名前の持ち主を確かめて保証したものです。ブラウザは、その保証を確かめてから通信を始めます。

アドレス欄の鍵マークは、この確認と暗号化ができていることを表してきました。ただし、鍵マークは「運営者が信頼できるサイト」という意味ではありません。だましサイトでも証明書は取れるからです。Chromeは2023年のバージョン117から、この誤解を避けるため、鍵マークを別のアイコンに替えています。

何台も経由するのに、なぜ速いのか

長い距離の通信には、主に光ファイバが使われます。光ファイバは、髪の毛ほどの細いガラスの線に光を通して、信号を送るケーブルです。その中を光は1秒に約20万km進みます。真空中の光の速さ(約30万km)の、およそ3分の2です。

1kmあたりにすると、約5マイクロ秒(1マイクロ秒は100万分の1秒)です。データを送ってから返事が戻るまでの時間をRTTと呼びます。東京と大阪は直線で約400kmなので、RTTは最短でも約4ミリ秒(1ミリ秒は1000分の1秒)です。実際のケーブルは直線ではないので、道のりはもっと長くなります。

東京とロサンゼルスは、地球の表面に沿った最短距離で約8,800kmです。光ファイバで往復すると、距離だけで約88ミリ秒かかります。米国の通信会社Verizonの公表値では、両都市の拠点の間の往復は、2026年初めの月平均で約110ミリ秒でした。差の約20ミリ秒は、ケーブルの遠回りと、途中の機器での処理や順番待ちによるものです。

ルータでの処理は、混んでいなければ短時間で済みます。遠い相手との通信では、待ち時間の大部分は、信号が距離を進む時間です。海を越える通信の大部分は、海底に敷かれた光ファイバのケーブルを通ります。調査会社TeleGeographyは2023年の検証で、大陸の間のデータの99%以上がそうだとしています。

よくある誤解

数字で見る

「下限」は、光ファイバの中の速さで最短距離を往復した時間です。実際の往復時間は、これより短くはなりません。

もっと詳しく学ぶ

• 違いを表で見る: ハブ・スイッチ・ルータの違い(家や会社のネットワークの機器)
• 計算で試す: IPアドレス・サブネット計算(IPアドレスを「ネットワークの部分」と「機器の部分」に分ける計算)
• 次の一歩の用語: MACアドレス、デフォルトゲートウェイ、DHCP(家のネットワークのしくみ)
• HTTPSをもっと知る: 認証局(証明書を発行する機関)、TLS(HTTPSの暗号化の決まりごと)
• 経路を自分で見る: traceroute(パケットが通ったルータを一覧にするコマンド)
• 土台から読む: サーバもスマホも、中ではCPUが命令を実行しています。「CPUとは?」