【ネスペ・SC対策】TCPヘッダーを徹底解剖！ 資格試験の頻出ポイントも解説
ネットワークの学習を進めている皆さん、TCPという言葉は日常的に耳にするかと思います。Webサイトの閲覧、メールの送受信、ファイル転送など、私たちがインターネット上で利用するほとんどのアプリケーションでTCPが活躍しています。
今回は、そのTCPの中心的な役割を担う「TCPヘッダー」について、情報処理安全確保支援士やネットワークスペシャリストを目指す皆さんに向けて、基礎から応用まで徹底的に解説していきます！ 資格試験対策にも役立つ内容ですので、ぜひ最後までお付き合いくださいね。
【出典：情報処理安全確保支援士試験 令和6年度 春期 午前2（一部、加工あり）】
TCPヘッダーに含まれる情報はどれか。
ア 宛先ポート番号
イ 送信元IPアドレス
ウ パケット生存時間（TTL）
エ プロトコル番号
TCPヘッダーって、そもそも何？
まずは、TCPヘッダーの定義から確認していきましょう。
TCPヘッダーとは、TCP（Transmission Control Protocol）でデータを送信する際に、データの先頭に付加される制御情報のことを指します。
イメージとしては、郵便物でいう「封筒」のようなものです。封筒には、宛先や差出人の情報、切手などが貼られていますよね。TCPヘッダーもこれと同じで、データが正しく相手に届くために必要な様々な情報が詰まっているんです。
なぜTCPヘッダーが必要なの？ 背景・経緯
インターネットが発展するにつれて、様々なアプリケーションが生まれ、安定したデータ通信の必要性が高まりました。UDP（User Datagram Protocol）のように、単純にデータを送るだけのプロトコルもありますが、それではデータの欠損や順序の保証ができません。
そこで登場したのがTCPです。TCPは、信頼性の高いデータ転送を実現するために設計されました。その信頼性を支える重要な要素の一つが、このTCPヘッダーなんです。TCPヘッダーに含まれる情報を利用することで、データの再送制御、フロー制御、輻輳制御など、様々な制御が可能となり、安定した通信が実現されています。
TCPヘッダーの主要なフィールドを見てみよう！
TCPヘッダーには、たくさんの情報が含まれていますが、特に重要なフィールドをいくつかご紹介します。資格試験でもよく問われる部分ですので、しっかり押さえておきましょう！
- 送信元ポート番号 (Source Port Number)：データを発信したアプリケーションのポート番号です。
- 宛先ポート番号 (Destination Port Number)：データを受け取るアプリケーションのポート番号です。
- シーケンス番号 (Sequence Number)：送信するデータの順番を示す番号です。これでデータの抜け落ちがないかを確認したり、正しい順序でデータを組み立てたりします。
- 確認応答番号 (Acknowledgement Number)：相手から受け取ったデータに対して、どこまで正常に受信できたかを示す番号です。
- オフセット (Data Offset)：TCPヘッダーの長さを表します。これによって、実際のデータがどこから始まるのかが分かります。
- 予約 (Reserved)：将来の拡張のために予約されている領域です。通常は0が設定されます。
- フラグ (Flags)：TCPの動作を制御するための様々なフラグが含まれています。例えば、SYN（接続開始）、ACK（確認応答）、FIN（接続終了）、RST（接続リセット）、PSH（即時送信）、URG（緊急ポインタ有効）などがあります。
- ウィンドウサイズ (Window Size)：一度に受信できるデータの量（バッファサイズ）を表します。これで、相手に送るデータの量を調整し、回線の負荷を軽減します（フロー制御）。
- チェックサム (Checksum)：ヘッダーとデータに誤りがないかをチェックするための値です。
- 緊急ポインタ (Urgent Pointer)：緊急データがある場合に、そのデータの位置を示すポインタです。
- オプション (Options)：TCPの機能を拡張するためのオプション情報です。MSS（Maximum Segment Size）などが含まれます。
どうですか？ たくさんの情報がありますよね！ 一つ一つがTCPの「信頼性」を支える重要な役割を担っています。
事例で学ぶTCPヘッダーの活用シーン
では、実際の通信でTCPヘッダーがどのように使われているか、具体例を見てみましょう。
あなたがWebブラウザで「aolaniengineer.com」にアクセスしたとします。
- 接続確立 (3ウェイハンドシェイク):
- あなたのPCからWebサーバーへ「SYNフラグ」が立ったTCPセグメントが送られます。（「接続したいんだけど？」）
- Webサーバーは「SYNとACKフラグ」が立ったTCPセグメントを返します。（「いいよ、私も準備OK！」）
- あなたのPCは「ACKフラグ」が立ったTCPセグメントを送ります。（「OK、じゃあ始めるね！」） この一連のやり取りで、両者のポート番号や初期シーケンス番号などが交換され、通信の準備が整います。この際、TCPヘッダー内の「送信元/宛先ポート番号」や「シーケンス番号」「確認応答番号」「フラグ」がフル活用されます。
- データ転送:
- WebサーバーからWebページのデータが細かく分割され、それぞれにシーケンス番号が付与されたTCPセグメントとして送られてきます。
- あなたのPCは、受信したセグメントのチェックサムを確認し、データが壊れていないかを確認します。
- 順番通りにデータが届かなかったり、一部のデータが欠損したりした場合、あなたのPCは確認応答番号を用いて、どこまで受信できたかをWebサーバーに伝えます。Webサーバーはそれを受けて、届かなかったデータを再送します。 この間、「シーケンス番号」や「確認応答番号」、「ウィンドウサイズ」などが継続的に利用され、効率的かつ確実にデータが転送されます。
TCPヘッダーに関する課題と対策
TCPヘッダーは非常に多くの情報を持ち、信頼性の高い通信を実現しますが、それに伴う課題も存在します。
- ヘッダーオーバーヘッド: ヘッダーに含まれる情報が多いため、データ本体の他に余分な情報が付加され、通信効率が低下する可能性があります。特に小さなデータを頻繁に送る場合、このオーバーヘッドが顕著になることがあります。
- 複雑性: 多くの制御機能を持つため、実装やデバッグが複雑になることがあります。
これらの課題に対する対策としては、以下のようなものが挙げられます。
- TCPオフロードエンジン (TOE): ネットワークインターフェースカード (NIC) 上でTCPの処理の一部を行うことで、CPUの負荷を軽減し、スループットを向上させる技術です。
- ジャンボフレーム: イーサネットのデータフレームの最大サイズを大きくすることで、一度に転送できるデータ量を増やし、ヘッダーオーバーヘッドの割合を相対的に減らすことができます。
- TCP最適化: 設定のチューニングや、TCPアクセラレーターの導入などにより、特定のネットワーク環境に合わせてTCPの性能を最大化する取り組みです。
今後の動向：QUICとTCPの共存
近年、HTTP/3の基盤プロトコルとして注目されているのが「QUIC (Quick UDP Internet Connections)」です。QUICはUDPの上に構築されており、TCPの持つ信頼性やフロー制御といった機能を独自に実装しています。
QUICは、従来のTCPよりも接続確立が高速であることや、複数のストリームを多重化できることで、ヘッドオブラインブロッキング（一つのストリームでのパケットロスが他のストリームの処理をブロックしてしまう問題）を解決できるなどのメリットがあります。
しかし、だからといってTCPがすぐに廃れるわけではありません。TCPは長年にわたりインターネットを支えてきた強固な基盤であり、その安定性と信頼性は依然として重要です。今後は、Web通信など一部の領域でQUICの利用が進む一方で、TCPも他の様々なアプリケーションで引き続き活用されていく、というように、両者が共存していくと考えられます。情報処理安全確保支援士やネットワークスペシャリストを目指す皆さんとしては、両方のプロトコルについて理解しておくことが重要になりますね。
まとめ
今回は、TCPヘッダーについて深掘りして解説しました。
TCPヘッダーは、一見すると複雑に見えるかもしれませんが、それぞれのフィールドが「信頼できる通信」を実現するために欠かせない役割を担っています。
資格試験では、各フィールドの役割や、3ウェイハンドシェイク、シーケンス番号と確認応答番号の関係性、各種フラグの意味などが頻出ポイントです。本記事を参考に、ぜひ理解を深めてくださいね！
TCPヘッダーに関する問題解説
それでは、冒頭で提示した問題の解説に移りましょう。
問題： TCPヘッダーに含まれる情報はどれか。
ア 宛先ポート番号
イ 送信元IPアドレス
ウ パケット生存時間（TTL）
エ プロトコル番号
正解：ア
解説：
- ア 宛先ポート番号: TCPヘッダーには、データを受信するアプリケーションを特定するための宛先ポート番号が含まれています。これはTCPヘッダーの必須フィールドです。
- イ 送信元IPアドレス: 送信元IPアドレスは、TCPヘッダーではなく、IPヘッダーに含まれる情報です。IPヘッダーは、データがどのネットワークから来たのか、どこへ向かうのかを示す、いわば「住所」のような情報です。
- ウ パケット生存時間（TTL）: パケット生存時間（TTL: Time To Live）も、TCPヘッダーではなく、IPヘッダーに含まれる情報です。TTLは、パケットがネットワーク上を転送できるホップ数（ルーターを通過できる回数）を制限することで、ネットワーク上を無限に循環するパケット（ルーティングループなどによる）を防ぐ役割があります。
- エ プロトコル番号: プロトコル番号も、TCPヘッダーではなく、IPヘッダーに含まれる情報です。IPヘッダーの「プロトコル」フィールドは、IPデータグラムのデータ部分にどのような上位層プロトコル（TCP, UDP, ICMPなど）のデータが格納されているかを示します。TCPの場合、このフィールドには「6」が設定されます。
したがって、TCPヘッダーに含まれる情報は「宛先ポート番号」となります。
この問題は、TCPヘッダーとIPヘッダーのそれぞれの役割と含まれる情報をしっかりと理解しているかを問う、基本的ながらも重要な問題です。資格試験ではこのようなプロトコルスタックの各層の役割を問う問題がよく出題されますので、しっかりと区別できるようにしておきましょう。