TCP/IP ── 世界中とつながる、落ちても届く

Ethernet の回で、フレームに「宛先 MAC」を書いて、スイッチがそれを運ぶところまで来た。でも MAC で届くのは、同じネットワークの中 ── いわば隣近所まで、だ。世界の反対側のサーバには、MAC だけでは届かない。

そこで、フレームの中身（EtherType 0x0800 の中身）に IP を入れる。すると「世界中での住所と、そこへ至る経路」が手に入る。さらにその上に TCP を重ねると、「途中で落ちても最終的に届く、順番も守る」信頼が乗る。── この二段重ね TCP/IP が、いまの世界中のネットワークの背骨だ。今日はこれを開けて、最後に「じゃあ、なぜ EtherCAT はこれを積まなかったのか」まで、ひと続きで見ていく。

1. IP ── 世界中の住所と、経路

MAC アドレスが「機器に焼かれた、変わらない番地」だったのに対し、IP アドレス（例 192.168.1.10 や、いまは 2001:db8::1 のような長いやつ）は、「いま、どのネットワークのどこに居るか」を表す住所だ。引っ越せば変わる、住民票みたいなもの。

IP のえらいところは **経路（ルーティング）**だ。宛先 IP を見て、「自分のネットワークの外なら、とりあえず出口（ルータ）へ渡す」を繰り返すと、世界中のルータがバケツリレーして、最終的に相手まで届く。各ルータは世界全体の地図を持っているわけじゃなく、「次にどっちへ渡すか」だけを知っていればいい ── この“ご近所の判断の連鎖”だけで地球の裏側まで届くのが、私はけっこう不思議で、好きなところだ。

ここで大事なのが、層が層を包むという構造だ。アプリのデータを TCP が包み、それを IP が包み、さらにそれを Ethernet フレームが包む ── 入れ子の弁当箱みたいになっている。

受け取った側は、外側から順に開けていく ── Ethernet が「自分宛だ」と確かめて中の IP を取り出し、IP が「自分宛だ」と確かめて中の TCP を取り出し、TCP が順番を整えてアプリにデータを渡す。各層は自分の札（MAC／IP／ポート）だけ見て、中身には口を出さない。この潔い分業が、ネットワークを見通しよくしている。

この「外から順に開ける」を、もう一歩。実は、通る機器によって、開ける“深さ”が違う。ここが入れ子（マトリョーシカ）のいちばんの旨みだ。

• スイッチは、いちばん外の Ethernet（宛先 MAC）だけを見る。「この MAC はどの口か」を見て、その口へ流す ── それだけ。中の IP も TCP も開けない。だから単純で速い。同じご近所の中で配るだけの係だ。
• ルータは、その一枚内側の IP まで開ける。宛先 IP から「次はどっちへ渡すか」を決める。そして大事な一手 ── ルータは外の Ethernet(MAC) を、次の相手用に貼り替える。でも中の IP・TCP・データには触らない。つまり MAC は“隣へ”の使い捨て（ホップごとに貼り替わる）、IP は“最終目的地”まで不変（エンド・ツー・エンド）。
• 相手のサーバで、ようやく TCP・データまで全部むかれる。芯のデータを開けたのは、結局、送り主と受け手の二人だけ、ということになる。

これが分業の効きどころだ。途中の機器は、自分の仕事に要る層しか開けないから、速く・単純でいられる。そして各層は互いの中身に口を出さないので、片方を入れ替えても全体は壊れない（線を無線に変えても TCP はそのまま、IP を新しい版に替えてもアプリはそのまま）。巨大な仕組みが見通しよく保たれているのは、この「包んで、必要な分だけ開ける」という割り切りのおかげだ。

下の widget で、パケットが PC からサーバまで旅していく一部始終を見てほしい。各機器が「どこまで開けるか」（鍵マークの層は閉じたまま）と、ルータを越えるたびに外の MAC が貼り替わる様子が、動きで掴めるはずだ。

2. TCP ── 落ちても届く、順番も守る

IP は「とりあえず宛先へ向けて投げる」までしか約束しない。途中で落ちても、順番が入れ替わっても、知らんぷり（これを「ベストエフォート」という）。その上に乗って、信頼を作るのが TCP だ。

TCP のやることは三つ。① 握手して接続を張り（3ウェイ・ハンドシェイク）、② 1つずつ通し番号(seq)をつけて送り、受け手は「ここまで届いた」と ACK を返し、③ ACK が返らなければ、時間切れで送り直す（再送）。 番号のおかげで順番も保証できる。下の widget で、握手・番号つき送信・再送までを、シーケンス図で一歩ずつ追ってみてほしい。

この再送こそが、TCP が「信頼できる」理由だ。だけど ── ここに、産業の世界では効いてくる落とし穴がある。再送が起きると、その分だけ到達が遅れる。 ふだんは速くても、たまたまパケットが落ちた回だけ、タイムアウトを待って送り直すぶん、ぐっと遅くなる。つまり TCP は「必ず届くが、いつ届くかは状況で揺れる」。この“揺れ”が、後で EtherCAT の話につながる。

なお、信頼より速さが欲しい用途（音声・動画・ゲーム）では、再送しない UDP を使う。落ちたら落ちたまま、でも遅れない。TCP と UDP は「信頼を取るか、即時性を取るか」の二択だ、と握っておけばいい。

3. コードでは ── socket だけ書けばいい

これだけ大層な仕組みなのに、コードから触ると拍子抜けする。Python の socket で、繋いで・送って・受け取るだけ。握手も再送も並べ直しも、ぜんぶ下の層がやってくれる。下の widget で1行ずつ。

connect を呼べば握手が走り、sendall は送り切るまで面倒を見て、recv では順番のそろったバイトの流れだけが返ってくる。下でどれだけ苦労していても、アプリから見えるのは「信頼できる、まっすぐな土管」だ。層が苦労を引き受けてくれるから、上が素っ気なくいられる ── これが TCP/IP の、いちばんありがたい設計だと思う。

4. EtherNet/IP と、EtherCAT の分かれ道

産業の世界にも、この TCP/IP の上に乗る通信がある。代表が EtherNet/IP（IP は Internet Protocol でなく Industrial Protocol の略、というややこしい命名だ）。中身は CIP という産業用の言葉で、それを普通の TCP/UDP/IP に載せている。だから普通の Ethernet 機器・スイッチがそのまま使えて、柔軟で、導入しやすい。

でも、ここまで来たら、もう分かるはずだ。TCP/IP に乗るということは、あの “いつ届くか揺れる”を引き受けるということ。再送やバッファや経路の都合で、到達時刻がばらつく。多くの用途ではそれで十分だけど、「1ミリ秒ごとに、髪の毛一本のズレもなく全軸を動かす」みたいな硬いリアルタイムには、向かない。

そこで EtherCAT は、逆を選んだ。IP も TCP も積まず、Ethernet の物理層だけ借りて、その上に薄い専用層を一枚（EtherType 0x88A4）載せ、処理を ESC のハードに焼いた。柔らかさ（世界中とつながる・経路を選ぶ・落ちても届く）を捨てて、速さと固さ（決定論）を取った ── TCP/IP が積み上げた「便利さ」を、あえて全部降ろした選択だったわけだ。同じ Ethernet の物理の上で、片や世界中へ柔らかく、片や工場で硬く正確に。どちらが上でも下でもなく、目的が違う。

これで、通信の梯子は、いちばん素朴な一本の線（UART）から、世界中をつなぐ TCP/IP、そして硬い産業ネット（EtherCAT）まで、ひと続きに見渡せる高さに来た。次は、その産業 Ethernet の世界をもう少し広げて（PROFINET など、EtherCAT の隣人たち）、この長い梯子を締めくくろう。下の石は、もう全部、君の手の内にある。