インターネットの仕組みは?

インターネットは「ネットワークのネットワーク」です。パケット交換と呼ばれる技術を使用し、すべてのコンピューターが解釈できる標準化されたネットワークプロトコルに依存することで、機能します。

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インターネットの仕組み

学習目的

この記事を読み終えると、以下のことができます。

  • 「インターネット」の意味を定義する
  • コンピューターネットワークの仕組みを理解する
  • パケットスイッチングとネットワークプロトコルについて理解する
  • ネットワーキングハードウェアを紹介する

インターネットとは?

インターネットの仕組み

インターネットについて説明する前に、「ネットワーク」が何であるかを定義する必要があります。ネットワークとは、相互にデータを送信できる接続されたコンピューターグループのことです。コンピューターネットワークは、ソーシャルサークルに似ています。ソーシャルサークルは、全員がお互いを知っていて、定期的に情報を交換し、一緒に活動を計画する人々のグループです。

インターネットは、互いに接続し、広範囲にわたる広大なネットワークの集合体です。実際に「インターネット」という単語は、この概念に由来します:内的に(inter)相互接続した(connected)網状に(net)つくられたもの(works)。

コンピューターはネットワーク内で互いに接続し、このネットワークもすべて互いに接続しているため、インターネットのおかげで、コンピューターは遠く離れたネットワーク内の別のコンピューターと通信することができます。これにより、世界中のコンピューター間で情報を迅速に交換することが可能になります。

コンピューターは、ワイヤー、ケーブル、電波などのネットワークインフラストラクチャを介して相互に接続し、インターネットにつながります。インターネットを介して送信されるすべてのデータは、「ビット」とも呼ばれる光または電気のパルスに変換され、受信側のコンピューターがそれを解釈します。ワイヤーやケーブル、電波は、光速でこれらのビットを伝導します。ワイヤーとケーブルを一度に通過できるビット数が多ければ多いほど、インターネットは高速になります。

分散型ネットワークとは何ですか?また、この概念がインターネットにとって重要なのはなぜですか?

インターネットにコントロールセンターはありません。その代わり、インターネットは分散型ネットワークシステムであり、個々のマシンに依存しません。正しいネットワークプロトコルを使用するなどの正しい方法でデータを送受信できるコンピューターまたはハードウェアはすべて、インターネットの一部になることが可能です。

インターネットはその分散性により強靭になります。コンピューター、サーバー、その他のネットワークハードウェアは、コンポーネントがないとまったく機能しないコンピューターとは異なり、インターネットの機能に影響を与えることなく、常にインターネットとの接続と切断を行います。これは、より大規模の場合にも当てはまります:万一、サーバー、データセンター全体、またはデータセンターの地域全体がダウンしても、インターネットの残りの部分は(より低速であれば)機能できます。

インターネットの仕組みは?

インターネットの機能に関する基本的概念は、パケット プロトコルの2つです。

パケット

ネットワークでは、パケットは大きなメッセージの小さなセグメントです。各パケットには、データとそのデータに関する情報の両方が含まれています。パケットの内容に関する情報は「ヘッダー」と呼ばれ、受信側のマシンにパケットの取り扱い方がわかるように、パケットの先頭に置かれます。パケットヘッダーの目的は、消費者向け製品に付属している組み立て説明書のようなものだと考えると理解しやすいでしょう。

データがインターネット経由で送信されると、まず小さなパケットに分割され、続いてビットに変換されます。パケットは、ルーターやスイッチなどのさまざまなネットワーキングデバイスによって送信先にルーティングされます。パケットが送信先に到着すると、受信側デバイスはパケットを順番に再構成した上でデータを使用または表示することができます。

このプロセスを米国の自由の女神像の建造方法と比較してみましょう。自由の女神は、最初にフランスで設計、建造されました。しかし、大きすぎて船に収まらないので、各部位がどこに付属するかという説明とともに、バラバラな状態でアメリカに出荷されました。そして、部位を受け取った労働者たちが、ニューヨークに今日立っている像の姿にそれらを組み直したのです。

自由の女神の組み立てには長時間かかりましたが、デジタル情報を小さな断片で送信することは、インターネット上で非常に高速に行われます。例えば、Webサーバーに保存されている自由の女神像の写真は、一度に1パケットずつ世界中を移動し、数ミリ秒以内に誰かのコンピューターに読み込むことができます。

パケットはパケットスイッチングという技術を利用してインターネットで送信されます。中間ルーターおよびスイッチは、送信元または送信先を考慮せずに、互いに独立してパケットを処理できます。これは、単一の接続がネットワークを支配しないようにこのように設計されているのです。パケット交換をせず、コンピューター間でデータが一度に送信された場合、2台のコンピューター間の接続は一度に数分間、複数のケーブル、ルーター、およびスイッチを占有してしまう可能性があります。原則的に一度にインターネットを使用できるのは二者だけのはずですが、現実には、ほとんど無制限の利用者がインターネットを使用しています。

プロトコル

異なるハードウェアを使用し、異なるソフトウェアを実行しているかもしれない2台のコンピューター同士を接続することは、インターネットの作成者が解決しなければならない主な課題の1つでした。これは、世界の異なる地域で育った2人がお互いを理解するために共通の言語を話す必要があるのと同じように、接続されているすべてのコンピューターが理解できる通信技術を使用する必要があります。

この問題は、標準化されたプロトコルで解決できます。ネットワークでは、プロトコルとは、2つ以上のデバイスが相互に通信して理解できるように、特定のアクションを実行してデータをフォーマットする標準化された方法です。

プロトコルの種類としては、同じネットワーク上のデバイス間でパケットを送信するプロトコル (Ethernet)、ネットワークからネットワーク (IP) にパケットを送信するプロトコル、それらのパケットが順番どおりに到着するように保証するプロトコル (TCP)、Webサイトやアプリケーションのデータをフォーマットするプロトコル (HTTP) があります)。これらの基本的なプロトコルに加えて、ルーティング、テスト、および暗号化のためのプロトコルもあります。また、さまざまな種類のコンテンツのための、上記のプロトコルの代替手段として、たとえば、動画ストリーミングの場合にTCPではなくUDPを使用することがよくあります。

インターネットに接続されたすべてのコンピューターおよびその他のデバイスは、これらのプロトコルを解釈し、理解できるため、インターネットは誰とでも、そして何とでも接続して機能するのです。

どのような物理的インフラストラクチャがインターネットを機能させるのか

さまざまな種類のハードウェアとインフラストラクチャによって、あらゆる人のインターネット利用が可能になっています。最も重要なタイプには、次のようなものがあります。

  • ルーターは、送信先に基づいて、異なるコンピュータネットワークにパケットを転送します。言ってみれば、インターネットの交通警官のようなものです。インターネットトラフィックが正しいネットワークに送信されるようにします。
  • スイッチ は、単一のネットワークを共有するデバイス同士を接続します。パケットスイッチングを使用して、パケットを正しいデバイスに転送します。また、これらのデバイスから送信パケットを受信し、適切な送信先に渡します。
  • Webサーバーは、アプリケーションやデータベースをホストするだけでなく、コンテンツ(Webページ、画像、動画)を保存してユーザーに提供もする特殊な高性能コンピューターです。サーバーもまた、 DNSクエリに応答し、インターネットの接続を維持するためのその他の重要なタスクを実行します。ほとんどのサーバーは、世界中に配置されている大規模なデータセンターに保管されています。

これらの概念は、ユーザーがインターネット経由でアクセスするWebサイトやアプリケーションにどのように関連しているか

Webサイトの読み込み

この記事について考えてみてください。みなさんが見られるように、この記事は数千のデータパケットの形でインターネットを介して断片的に送信されました。これらのパケットは、ケーブルや電波、ルーターやスイッチを経由して、CloudflareのWebサーバーからお客様のコンピューターやデバイスまで到達しました。お使いのコンピューターまたはスマートフォンはこれらのパケットを受信してデバイスのブラウザに渡し、ブラウザはお客様が現在読んでいるテキストを表示するために、パケット内のデータを解釈しました。

このプロセスに関連する具体的な手順は次のとおりです。

  1. DNSクエリ: ブラウザがこのウェブページの読み込みを開始したとき、おそらく最初にDNSクエリを行い、CloudflareのWebサイトのIPアドレスを調べます。
  2. TCPハンドシェイク:ブラウザがこのIPアドレスとの接続を開きました。
  3. TLSハンドシェイク:ブラウザは、Cloudflare Webサーバーとデバイスの間に暗号化を設定し、攻撃者がこれら2つのエンドポイント間を伝送するデータパケットを読み取ることができないようにします。
  4. HTTPリクエスト:このWebページに表示されるコンテンツをブラウザがリクエストしました。
  5. HTTPレスポンス:Cloudflareのサーバーは、HTML、CSS、およびJavaScriptコードの形式でコンテンツを送信し、一連のデータパケットに分割しました。デバイスがパケットを受信し、すべてのパケットを受信したことを確認したら、ブラウザはパケットに含まれるHTML、CSS、JavaScriptコードを解釈して、この記事、インターネットの仕組みについて表示します。このプロセス全体は1、2秒しかかかりません。

ご覧のように、Webページの読み込みには、いくつかの異なるプロセスとプロトコルが関与しています。これらのテクノロジーの詳細については、Cloudflareラーニングセンターの他のセクションで学ぶことができます:

「より良いインターネットの構築をサポートする」とはどういう意味か

インターネットの創設は、何千人もの個人や組織の集団的な努力の結晶であり、とてつもない成果でした。その証として、現代のインターネットは、創設者が当初想定していたよりもはるかに大きな規模で機能しています。

しかし、必ずしも常に理想的に機能しているわけではありません。ネットワークの問題や悪意のあるアクティビティは、インターネットアクセスを遅くしたり、完全にブロックしてしまう可能性があります。第三者によるユーザーアクティビティのスパイ行為は、不正使用につながり、場合によっては政府による弾圧につながります。インターネットプロトコルとプロセスは、セキュリティとプライバシーを念頭に置いて設計されませんでした。なぜなら、最初にインターネットを設計、構築した人々は、インターネットを完璧にすることよりも機能させることに関心があったからです。

Cloudflareの目標は、より良いインターネット構築をサポートすることです。Cloudflareは、次のようなさまざまな方法でこれを達成することを目指しています:

  • より新しく、より速く、より安全なインターネットプロトコルの開発に貢献する
  • プライバシー最優先をすべての製品に浸透させ、ユーザーのプライバシーを高めるための無料サービスを提供する(1.1.1.1HTTPS経由のDNSなど)
  • 拡大し続ける国際的なデータセンターネットワークを通じて、Cloudflareサービスを世界中のユーザーに広げる
  • Webプロパティやネットワークインフラストラクチャのセキュリティ、パフォーマンス、信頼性を向上させる製品を提供する(これらの製品の多くは、WebサイトやAPIを持つすべての人に無償で提供されています)
  • より優れたユーザーサービスを提供できるように、より速く、より効率的なサーバーレスアプリケーションを構築する開発者のサポートをする
  • ラーニングセンターとCloudflareブログ を通して、インターネットテクノロジー機能についての情報をユーザーに提供する

より良いインターネットに貢献するためのCloudflareの継続的な取り組みの詳細については、Cloudflareのホームページをご覧いただくか、Cloudflareブログをご覧ください。

ネットワークの仕組みの詳細については、「ネットワーク層とは?」を参照してください。