情報通信ネットワークの進化～テクノロジーが創る新しい世界～

この前、ドームにイベントに行ったんだ。
たくさんの人がそのイベントに来ていたんだけど、その場所でインターネットにつなごうとしたらなかなかつながらなくて、友達と連絡を取るのに苦労したよ。

そういうことってたまにあるよね。
どうしてそういうことが起きるんだろう？
また、どういう仕組みで通信しているのか知りたいな。

最近は、「5G」なんて言葉もよく聞くけど、それってどういう通信のシステムなのか知ってる？

超高速ってのは聞いたことがあるよ。
それ以外には、どんな特徴があるんだろう？
普段あまり気にせずに使っていたけど、どんな特徴があるのか、ちゃんと知っておきたいな。

皆さんは普段、スマートフォンやコンピュータでインターネットに接続し、通信する機会があると思います。

その際、どのような仕組みで通信しているか知っていますか？

高等学校の「情報Ⅰ」の1分野「情報通信ネットワークとデータの活用」の中で、「情報通信ネットワークの仕組み」について学習します。

皆さんの中には、

通信速度が速いときと遅いときとでは、環境にどのような違いがあるんだろう
自宅で無線LANにつなごうとしたら、ルータってものがあったけど、これって何をする機器なのかな？
インターネットを使うときの通信の仕組みってどういうものなのだろうか

など、いろいろな疑問を持っている人もいるかもしれませんね。

普段私たちがスマートフォンやコンピュータでインターネットを使うときの通信の仕組みに関して簡単に言いますと、「パケット交換方式」という仕組みで通信を行っています。

「パケット交換方式」は、情報をパケットと呼ばれる小さい通信単位に分割し、異なる宛先のパケットと回線を共有して通信を行います。

他の人のパケットとも回線を共有して通信が行えるので、回線を独占して通信をする電話と違って、誰かが通信していて回線が使えないということはありません。

とはいえ、多くの人が集中するような場所では、回線が混み合ってつながりにくいことはありますよね。

こんにちは。学校の教育現場や情報科の授業内容について発信中！
10年近く高等学校の情報科の教員をしている、花音といいます。

- 幼少期からPCを触るのが大好き
- 数学が得意なバリバリ理系かと思いきや、読書も大好きな文系もいけるタイプ
- 高等学校の情報科の教員の経験あり
- 健康や美容、動物に関する動画を視聴するのが日常

普段スマートフォンやコンピュータで通信する機会がある皆さんの中には、どんな仕組みで動いているのか、機器の名称と機能がよくわかっていないまま使っている人もいるでしょう。

しかし、何となく、よくわからないまま使っていると、何かトラブルが起きて通信できなくなった場合にはどうしようもなくなってしまいます。

通信方式や通信機器、ネットワークを構成する機器の役割などを理解しておくことは、とても大切です。

例えば、今後自宅で家庭内LANを構築しなければならないときがあるかもしれません。

また、自宅の無線LANの通信速度が遅くて困ったとき、などさまざまな場面に遭遇する可能性があります。

そんなときも、通信方式や通信機器、ネットワークを構成する機器の役割などの知識があれば、自分で対処できるようになります。

そのためにも、情報通信ネットワークの仕組みについて学習していきましょう。

情報通信ネットワークの仕組みを学ぼう

まずは、情報通信ネットワークがどのように構成されているかを見ていきましょう。

情報通信ネットワークの構成

コンピュータやスマートフォンなど、複数の機器を有線や無線の通信回線で接続し、互いに通信できるようにしたものを情報通信ネットワークといいます。

学校などの組織内のコンピュータやネットワークプリンタは、ハブやルータ、アクセスポイント（AP）などのネットワーク接続機器を通してLANに接続されます。

組織同士を接続するネットワークをWANと呼び、通常はISP（プロバイダ）が接続サービスを行っています。

ISP同士は相互に接続され、組織を越えたコンピュータや機器の間での情報通信を可能にしています。

情報通信ネットワークの接続形態

有線LAN

LANケーブルを使って通信し、スター型が一般的です。

無線LAN

LANケーブルを使わずに通信し、それほど場所の制約を受けずにネットワークに接続できます。
ハブの役割をアクセスポイントが担っています。

無線LANという言葉と同じくらい、Wi-Fiという言葉をよく聞くかもしれません。

この2つが同じだと思っている人もいるかもしれませんね。

でも、Wi-Fi≠無線LANだってこと、知っていますか？

無線技術が誕生した初期の頃は無線LANには互換性がなく、通信できる場合とできない場合がありました。

そのため無線LANの業界団体である「Wi-Fi Alliance」が互換性テストを行い、合格した機器に「Wi-Fi CERTIFIED」のロゴを与え、Wi-Fiと呼んでいるのです。

有線LAN／無線LANのメリット・デメリット

最近は無線LANを使うことも多くなってきましたが、未だに有線LANをつなぐ機会もあるかもしれません。

ここで、有線LAN、無線LANのメリット、デメリットを見てみましょう。

	メリット	デメリット
有線LAN	・通信速度が無線LANより速く、安定している・セキュリティ面でリスクが少ない	・機器を設置できる場所がLANケーブルの届く範囲に限定される・ケーブルが多く、整理しないと邪魔になったり、事故のもとになることがある
無線LAN	・小規模であれば工事の必要がない・機器の配置の自由度が高い・LANケーブルが邪魔にならない	・電波の状態によっては通信が不安定になることがある・暗号化を適切に行わないとデータ流出などのリスクが生じる

通信の仕組み

回線交換方式

通信開始から終了まで物理的な回線を接続し、回線を占有して通信を行います。

例）固定電話、携帯電話などの電話回線、FAX

長所：回線が独立しているので、他に影響を与えません。

短所：回線数以上はつなげなかったり、回線の障害などにより経路が確立できないときは、通信を始めることができなかったりします。

パケット交換方式

情報をパケットと呼ばれる小さい通信単位に分割し、異なる宛先のパケットと回線を共有して通信を行います。

例）インターネット通信、引っ越しのときの荷物

長所：同じ回線を使うので、いくらでもつなげます。

予め経路を確立することなく通信を始められます。

短所：パケットが途中で失われたり、通信量が増えると渋滞して通信速度が遅くなったりするなど、混雑の影響を受けることがあります。

なぜ、やりとりしたいデータをそのままやりとりするのではなく、一定の大きさに分割するのでしょうか？

データをそのままやり取りした方が楽ではないかと思う人もいるかもしれません。

もしデータをそのままやり取りすると、そのデータが大きいものであった場合、回線が混み、他人のデータの送受信に影響を与える可能性があります。

データを小さく分割して送れば、回線が混み合うのを少しでも減らすことができますね。

また、この通信ではパケットが正しく受信できなかったときには、「もう一度送ってください」と再送をお願いすることになります。

データを小さく分割しておけば、送れなかったパケットだけを送ってもらえばよいので、再送してもらうデータ量は少なくて済みます。

このような理由から、やりとりしたいデータをそのままやりとりするのではなく、パケットという一定の大きさに分割してデータを送っているのです。

プロトコル

ネットワーク上のコンピュータ同士が情報のやりとりを行うためには、互いに理解できるように情報の送受信で共通の約束が必要となります。

この約束をプロトコルといいます。

通信の手順を簡素化するために、プロトコルはいくつかの層に分けて定義されています。

インターネットでよく用いられているTCPやIPもプロトコルの1つです。

インターネットでは主にTCP/IPが使われ、下図のような4階層モデルで通信が行われています。

階層	名称	機能	プロトコルの例
4層	アプリケーション層	アプリケーションに応じて、通信の形式や手順を定める。	SMTP HTTP DNS
3層	トランスポート層	パケットが喪失しないで届くことを保証する。	TCP UDP
2層	インターネット層	データの行き先と経路を決める。	IP
1層	ネットワークインタフェース層	接続されたコンピュータ同士が誤りなくデータ転送するための機能や手順を提供する。	イーサネット

TCP

トランスポート層における通信プロトコル。
パケットが相手に届いているのかを確認し、届いていなければ再送を要求する機能があります。

インターネット層における通信プロトコル。
パケットを相手まで届ける役割を持っています。

その際使われる「コンピュータの住所」すなわち「インターネット上にあるコンピュータの固有の番号」をIPアドレスといいます。

プロトコルはプロトコルを階層化することのメリットは何だと思いますか？

例えば、次のようなことが挙げられます。

・それぞれの層ごとの変更がしやすい。

・プロトコルの理解がしやすい。

・プロトコルの範囲が小規模になるため、開発や実装がしやすい。

これらをまとめると、メリットとしては、機能を追加したり、変更を行ったりしても、それぞれが独立して働いているため、他の層に影響を与えることがないということが挙げられます。

逆に、デメリットとしては、階層が多くなると、各階層での処理が多くなり、処理速度が低下してしまいます。

IPアドレスの種類

現在主に使用されているIPアドレスはIPv4というプロトコルに基づいています。

IPv4では、32ビットでIPアドレスが表されます。

理論上は2³²＝約43億通りの番号を割り当てることができます。

しかし、現在の世界人口は80億人を超え、インターネットユーザの急増などにより、IPアドレスが足りない状態になっています。

それに伴い、128ビットでIPアドレスを表記するIPv6という新しいプロトコルが開発され、IPv4からIPv6への移行が進められています。

理論上2¹²⁸＝約340澗かん通り（340兆の1兆倍の1兆倍）の番号を割り当てることができます。

IPv4では32ビットの2進数を左から8ビットごとに「.（ピリオド）」で区切り、0～255の10進数4個を連結して表現しています。

それに対し、IPv6では128ビットの2進数を16ビットずつ8個のブロックに分けて、それぞれを16進数で表記し、「:（コロン）」で区切っています。

＜アドレス表記の例＞
・IPv4
11000000 10101000 00000011 01100101　　　　　　　………　2進法
192　　.　 168　 .　　3　　 .　 101 　　　　　　　　　………　10進法

・IPv6
ab12:1234:5678:9abc:d0ef:12cd:98bc:7de7　　　　　　………　16進法

【実習】自分の使っているコンピュータのIPアドレスを調べてみよう

以下の手順で、コンピュータのIPアドレスを調べましょう。

1. 「検索バー」をクリック→「cmd」と入力→「コマンドプロンプト」をクリックします。

2. 半角で「ipconfig/all」と入力（半角スペースあり）します。

3. 結果を記録しましょう（イーサネットアダプターイーサネットについて）。

IPアドレス(IPv4アドレス) ／自分の使っているコンピュータの住所
DNSサーバ／IPアドレスとドメイン名を変換する情報処理装置

TCPとUDP

TCP［Transmission Control Protocol］と並んで重要なプロトコルにUDP［User Datagram Protocol］があります。

どちらもインターネット上でデータを送受信するためのプロトコルで、IPと組み合わせて使います。

TCPは信頼性の高い通信を提供し、データが正確に届くことを保証します。

一方、UDPはより高速ですが、信頼性は低いです。

UDPはリアルタイムのアプリケーションやストリーミングサービスでよく使用されます。

次のデータのやりとりについて、「TCP」、「UDP」のどちらが向いているでしょうか？
考えてみましょう。

1. メール　→　TCP
2. インターネット電話　→　UDP
3. 写真　→　TCP
4. ネット中継動画　→　UDP
5. ホームページのページデータ　→　TCP

「TCP」と「UDP」それぞれがどのようなデータのやりとりに向いているかを、もう少し詳しく見ていきましょう。

ネットワークの負担を減らすため、「TCP」と「UDP」は使い分けられています。

「TCP」は、信頼性のある通信を提供し、送信したデータを正しい順番に並べ、届かなかったデータがあるときには再送を求めるプロトコルです。

それに対し、「UDP」は、高速性・リアルタイム性を優先し、データが届かないこともありますが、パケットが失われてもリアルタイム性を重視するプロトコルです。

それぞれの特徴をまとめると、

TCPは「大量のデータを確実に転送したい場合など、Webサイトの閲覧やメールの送受信などで利用される」プロトコル
UDPは「小さなメッセージを送信したい場合や、音声通話や動画配信で利用される（多少音が途切れても配信を継続することを優先する）」プロトコル

です。

Wi-Fi

Wi-Fiの種類

過去に存在した規格は11、11b、11g、11aです。

現在主に使われている規格は11n、11ac、11axです。

Wi-Fi4（11n）、Wi-Fi5（11ac）、Wi-Fi6（11ax）とも呼び、Wi-Fiは進化を続け、どんどん高速化しています。

第4世代「Wi-Fi4」では600Mbpsだったものが、第5世代「Wi-Fi5」では6900Mbps、第6世代「Wi-Fi6」では9600Mbpsになっています。

ここで、通信速度について確認しておきます。

情報通信ネットワークの速度は、1秒間に1ビットのデータを転送することを意味するbps [bits per second] で表されます。

ここで、データ量では1Kは2¹⁰＝1024ごとに単位を変化させる場合が多いですが、速度は1kは10³＝1000ごとに単位を変化させる場合が多いです。

ルータ

無線LAN（Wi-Fi）を利用する場合は、対応したルータ（Wi-Fiルータ）を接続する必要があります。

自宅に無線LANルータがある場合は、どの規格に対応しているかを確認してみるとよいです。

「ネットの速度が遅い」という場合は、原因が無線LANルータにあることもあります。

なお、現在家庭で使われる無線LANルータの多くは、ルータとアクセスポイントの両方の機能を備えたものとなっています。

Wi-Fiの通信の仕組み

本来無線LANルータは1つの通信しかできないため、多くの人の通信がぶつからないように制御する「CSMA/CA」という仕組みがあります。

誰かが通信しているときは通信を制御して、順番待ちをします。

簡単に言うと「順番につなぐ」仕組みですが、非常に高速なので、普段利用する分には順番待ちをしている感覚はありません。

ですが、大きなイベントでたくさんの人が集まっている場所や災害時には、待つ時間が長くなってしまい、なかなかつながらないということもあります。

フリーWi-Fi

街中を歩いていると、Wi-Fiを使える場所を見かけるかもしれません。

近年急速に整備が進み、多くの場所に自由に使えるWi-Fiがあり、自動で接続してくれるアプリも存在します。

通信容量の制限などで携帯電話の通信網が使いづらくなっても、Wi-Fiに接続することで、外出先でも快適にインターネットが使えます。

とても便利なフリーWi-Fiですが、自由に使えるWi-Fiの中には通信内容を盗み見ようとする悪質なものもあります。

信頼できるWi-Fiを利用するようにしましょう。

例えば、Japan Wi-Fi auto connected経由で接続する、学校などの公的機関が提供しているWi-Fiを利用したり、学校などの公的機関が提供しているWi-Fiを利用したりするようにしましょう。

なお、Wi-Fiの認証方式は、WPA2以上が望ましいです。

WEPという形式はセキュリテイ上の課題が見つかっています。

自宅のWi-Fiルータのセキュリティについてもどのような認証方式を利用しているか調べてみるとよいでしょう。

5G ～通信規格の推移～

従来は、利便性を重視するならLANケーブル不要な無線LAN、速度を求めるなら有線LANを選択することが一般的でした。

しかし、無線LANが高速化した昨今では、状況が大きく変わりつつあります。

携帯電話などの移動通信技術は、世代順に1Gから5Gまで代替わりしてきました。

ここでの「G」とは、英語の「Generation」を意味しています。

移動通信サービスの第5世代移動通信システム「5G」の特徴は「超高速」「超低遅延」「多数同時接続」です。

例えば、どれくらい「超高速」かというと、最大通信速度は10Gbpsです。

これは4Gの100倍、アナログ方式の1Gの100万倍です。

具体的にどんなことができるかというと、2時間の映画を3秒でダウンロードできる速さです。

同時に接続できる通信機器の数は1km²あたり100万台程度です。

これは4Gの約10倍で、もっと規模を小さくして考えてみると、自宅の部屋に100個の端末やセンサをつなぐことが可能となります。

1980年代の1G（第1世代、アナログ方式、10kbps～）から1990年代の2G（第2世代、デジタル方式、100kbps～）、2000年代の3G（第3世代、世界共通のデジタル方式、1Mbps～）、2010年代の4G（第4世代、LTE-Advanced、100Mbps～）、現在の5G（第5世代、1Gbps～10Gbps）と大きく移り変わっています。

なお、LTE［Long Term Evolution］は、3Gから4Gに移行するために利用され、3.9Gと呼ぶ場合もあります。

現在の「5G」は、「超高速」「超低遅延」「多数同時接続」といった機能を生かし、エンターテインメントだけでなく、遠隔医療や自動運転のサポートなど、様々なサービスを実現しています。

サーバとクライアント

クライアントサーバ

サービスを要求する側のことをクライアント、サービスを提供する側のことをサーバといい、その関係で構築されているシステムをクライアントサーバシステムといいます。

Webサイトを閲覧する仕組みを含め、多くのサービスがクライアントサーバシステムで構築されています。

サーバは普段私たちが使っているPCと同じコンピュータです。

ただし、クライアントへのサービスの提供に特化しているため、情報を表示するディスプレイが必要ないなど、役割の違いで見た目が異なります。

Peer to Peer（ピアツーピア）

サーバを介さずコンピュータどうしが直接やりとりする通信方式をPeer to Peer（P2P）といいます。

サーバを介さないため、データのやり取りのスピードが速くなります。

サーバの種類

サーバには役割により、いろいろな種類があります。

Webサーバ	ネットワークを通じて情報を提供するサーバ
データベースサーバ	データを管理し、要求に応じて取り出したり書き換えたりするサーバ
DNSサーバ	URLのドメイン名に対応したIPアドレスを提供するサーバ
SMTPサーバ	メールの送信元と受信先を中継するサーバ
FTPサーバ	ファイルのアップロード・ダウンロードをする機能を提供するサーバ