OSI 各層のアドレッシング体系を1枚で俯瞰

識別子は層ごとに「別の宇宙」

ネットワークのトラブル切り分けが速い人は、頭の中に1枚のアドレッシング対応表を持っています。MAC・IP・ポート・URL は同じ「宛先指定」に見えて、有効範囲も書き換わるタイミングも寿命もまったく違うからです。まずは各層の識別子を、その「スコープ（届く範囲）」で並べます。

肝は「上の層ほど安定して遠くまで届き、下の層ほど局所的で揮発しやすい」という性質です。URL は何年も変わらないことがあるのに、宛先MACは1ホップごとに書き換わります。同じ「宛先」という言葉でも指している対象がまるで違う、というのが上級者の出発点です。

1枚の対応図：識別子と橋渡しの全体像

文章で1枚にまとめます。左が「人間に近い・抽象的」、右が「ハードウェアに近い・具体的」で、矢印が変換（橋渡し）です。

[L7] URL / FQDN          api.example.com:443/v1
         │  DNS（名前 → IP）          … L7 で名前解決、結果は L3 の住所
         ▼
[L4] ポート番号           443（送信元は一時ポート、例 51000）
         │  （変換なし／NAPT で書き換わることはある）
         ▼
[L3] IPアドレス           宛先 203.0.113.5 ／ 送信元 192.0.2.10
         │  ARP / NDP（IP → MAC）    … 次ホップの MAC を解決
         │  NAT / NAPT               … 内部 IP:ポート ⇄ 外部 IP:ポート
         ▼
[L2] MACアドレス          次ホップ（ルータ or 相手）の MAC へ

ここで決定的に重要なのは、橋渡しが起きる層と方向です。

• DNS は L7 で動き、L3 の値（IP）を生み出す。下りの「名前→住所」変換。
• ARP / NDP は L3 の値から L2 の値を引く。さらに下りの「住所→受け取り口」変換。
• NAT/NAPT は同じ L3（と L4）の中で値を別の値に置換する。層をまたがず、境界（ルータ）で水平に書き換える。

なぜ各層に別々の識別子が要るのか

「IP だけで全部やればいい」と思える疑問に、原理で答えます。層が識別子を分けるのは、変化の速度（更新頻度）と一意性の範囲が層ごとに違うからです。

1. MAC（L2）はハードウェアに固定：NIC 製造時に焼き込まれ、所属ネットワークに依存しません。だから「世界中で一意だが、経路情報をまったく持たない」。集約できないので、これで全世界をルーティングするとフォワーディングテーブルが爆発します。
2. IP（L3）は位置に応じて割り当て：所属ネットワーク（プレフィックス）を反映するため、203.0.113.0/24 のように集約できます。これがルータが世界規模の経路表を持てる理由です（プレフィックス設計の基礎は /network/ip-subnet/ に譲り、本記事は層間の対応に集中します）。
3. ポート（L4）は1ホスト内の多重化：同じ IP に届いたパケットを、どのアプリ（プロセスのソケット）へ渡すかを決めます。IP が「建物」なら、ポートは「部屋番号」。
4. URL/FQDN（L7）は人間と組織のための名前：覚えやすさと、サーバ移転で IP が変わっても名前を変えずに済む「間接参照」を提供します。

つまり MAC は「不変だが位置を持たない」、IP は「集約できる位置」、ポートは「ホスト内多重化」、URL は「人間向けの安定した別名」。それぞれが異なる問題を解いているので統合できないのです。

1パケットの一生で何が不変・何が可変か

ブラウザが https://api.example.com/v1 を叩いてから、隣のルータを1つ越えるまでを擬似的に追います。送信元ホストの IP を 192.0.2.10、デフォルトゲートウェイを 192.0.2.1、最終宛先サーバを 203.0.113.5 とします。

# 1. L7: アプリが名前を解決（DNS, 通常は UDP/53 か DoH/DoT）
resolve("api.example.com")  ->  203.0.113.5      # 名前→IP（縦の変換）

# 2. L4: ソケットを開く。宛先ポート 443、送信元は一時ポート
src = 192.0.2.10:51000 ,  dst = 203.0.113.5:443

# 3. L3: 宛先 IP は別セグメント → ゲートウェイへ送ると判断
next_hop_ip = 192.0.2.1                          # ルーティング判定

# 4. L3→L2: 次ホップの MAC を ARP で解決（IPv6 なら NDP）
arp_resolve(192.0.2.1) -> 00:11:22:33:44:55      # IP→MAC（縦の変換）

# 5. L2: フレーム送出
dst_mac = 00:11:22:33:44:55   (ゲートウェイ)
src_mac = aa:bb:cc:dd:ee:ff   (自分)

このフレームがゲートウェイ（ルータ）を1ホップ越えると、次の不変・可変が起きます。

合言葉は「IP は変わらず、MAC は1ホップごとに変わる」。この対比が、traceroute の各ホップで MAC が違って IP が一貫している現象の説明そのものです。MAC 解決の詳細は /network/arp/ を参照してください。

NAT 境界だけは IP とポートも書き換わる

上の「IP は不変」には例外があります。家庭やオフィスのルータが行う NAPT（NAT オーバーロード） を越えるときです。ここでは送信元の 内部IP:ポート が 外部IP:別ポート に置換され、戻りパケットを正しい内部ホストへ戻すための変換表が作られます。

# 内部 → 外部（NAPT ルータ通過時の書き換え）
192.0.2.10:51000  --->  198.51.100.7:60000      # 送信元 IP+ポートを置換

# ルータ内の変換テーブル（戻りを内部へ戻すための対応）
[outside 198.51.100.7:60000] <-> [inside 192.0.2.10:51000] -> 203.0.113.5:443

ここでポートが「ただのアプリ識別」から「多重化の鍵」へ役割を広げる点が上級者の着眼点です。1つの外部 IP の背後に何百台もぶら下げられるのは、ポート番号という 16 ビットの空間を使って内部ホストを区別しているからです。NAT の原理と限界は /network/nat/ に、ポートとソケットの多重化の基礎は /network/socket-port/ にまとめています。

3つの橋渡しを並べて覚える

最後に、層をつなぐ3つの変換器を1表に圧縮します。「どの識別子から、どの識別子へ、どの層で」を縦に揃えるのが俯瞰のコツです。

この3つを押さえると、障害切り分けの定石が機械的に出ます。名前が引けない→DNS（L7→L3）、同一LANで届かない→ARP（L3→L2）、外には出るが戻ってこない→NAT/ファイアウォールの状態表（L3/L4）。各識別子の役割分担を1枚で持っておくことが、結局いちばん速い武器になります。