インターネットインフラストラクチャはどのように機能するのか？

インターネットインフラストラクチャはどのように機能するのか？は、公開された証拠がインターネットインフラストラクチャ、ガバナンス、運用上の依存関係、または市場での可視性に関連付けられているため、BTW Media によってプロファイリングされています。

インターネットインフラストラクチャは、複雑でありながら見事に調整されたシステムであり、世界中で円滑な通信と情報交換を可能にしています。1969 年の誕生以来、インターネットは 4 台のホストシステムから数千万台へと成長しました。実際、家庭内のデバイスを含め、インターネットに接続されているすべてのデバイスがネットワークの一部です。インターネットの基本的な基盤構造とは何でしょうか？ネームサーバーからネットワークアクセスポイント、バックボーンネットワークまで、インターネットのデータと情報の転送システムは、私たちがインターネットのインフラストラクチャと呼ぶ構成要素に依存しています。まず、お使いのコンピュータが他のコンピュータとどのように接続するかを理解する必要があります。 こちらもお読みください： インターネットインフラストラクチャとは？

コンピュータネットワークの階層 インターネットに接続されているすべてのデバイスはネットワークの一部です。家庭内のデバイスも同様です。例えば、お使いのコンピュータは、ケーブルモデムや光ファイバーモデムを介してインターネットサービスプロバイダー（ISP）に接続されているかもしれません。職場では、デバイスがローカルエリアネットワーク（LAN）の一部である場合がありますが、インターネット接続は雇用主の ISP によって提供されます。接続すると、あなたのコンピュータは雇用主のネットワークの一部になります。その後、ISP はより大規模なネットワークに接続できます。インターネットは単なるネットワークのネットワークです。大手通信企業は、多数のユーザーが同時に接続を使用できる十分な帯域幅を備えた専用のバックボーン回線を持っています。各地域に、企業は地域の家庭やビジネスをそのメインネットワークに接続するローカルオフィスを持っています。驚くべきことに、集中管理されたネットワークは存在しません。トラフィックはある地点から別の地点へと転送され、あるコンピュータがネットワークから離脱しても、デジタルファイルを構成するパケットは別のコンピュータへとルーティングされます。ファイルは予定通りに到着し、トラフィックパターンの変化には気付かないでしょう。以下は、インターネットネットワークの一例です：A 社は、サーバーやネットワークプリンタが設定されたオフィスネットワークを構えた小規模ビジネスであるとします。B

社は企業向け ISP であると想定します。B 社は、主要都市にサーバーやルーティング機器を保管するためのオフィススペースを構築または賃借します。B 社は非常に大規模であるため、自社で建物間に光ファイバー回線を敷設して接続しています。この設定では、A 社の全クライアントは相互に通信でき、B 社の全クライアントも相互に通信できますが、両社のネットワークは結びついていません。両社は内部的に通信できますが、相互に通信することはできません。そのため、A 社と B 社は各都市のインターネット交換ポイント（IXP）に接続することに合意します。これで両社のネットワークは、インターネットを介して相互に、また他の組織とも接続できるようになります。この例は、2 つの企業ネットワークが相互に通信する方法を示していますが、これらの 2 社は、彼らのネットワークが巨大なインターネットに参加する仕組みの一つの例に過ぎません。これらの相互接続されたネットワークの全体像がどのように見えるかをご覧になりたい場合は、バレット・リヨンによる、インターネットの配管図を常に進化する形でマッピングすることを目的とした Opte プロジェクトをご覧ください。

インターネットルーターの機能 これらすべてのネットワークは、IXP、バックボーン、ルーターに依存して相互に通信しています。このプロセスの驚くべき点は、メッセージがコンピュータを出て、複数の異なるネットワークを介して地球の反対側まで移動し、別のコンピュータにほんの一瞬で到達できることです！ ルーターは、あるコンピュータから別のコンピュータに情報が送信される先を決定します。ルーターは、あなたや他のインターネットユーザーからのメッセージを、何千もの経路を通って目的地まで高速で送信する専用デバイスです。ルーターには、異なるが関連する 2 つのタスクがあります： 1. 情報が不要な場所に届かないようにします。これは、膨大なデータが「無関係な傍観者」の接続を詰まらせるのを防ぐために不可欠です。 2. 情報が意図した宛先に確実に到達するようにします。 これら 2 つのタスクを実行することで、ルーターは 2 つの別個のコンピュータネットワークを扱う際に非常に役立ちます。2 つのネットワークを接続し、情報を一方から他方へ転送します。また、ネットワークの相互作用を保護し、あるネットワークのトラフィックが不必要に別のネットワークに溢れるのを防ぎます。接続されるネットワークの数がどれほど多くても、ルーターの基本的な動作は変わりません。インターネットは無数のより小さなネットワークで構成された巨大なネットワークであるため、ルーターの使用が必要です。

インターネットバックボーン 米国科学財団（NSF）は、1986 年に最初の高速バックボーンネットワークを構築しました。NSFNET と呼ばれ、170 の小規模ネットワークを接続し、1.5Mbps（毎秒百万ビット）で動作する T1 回線でした。IBM、MCI、Merit が NSF と協力してバックボーンを構築し、翌年には T3 バックボーン（45Mbps）を開発しました。 バックボーンは、ご家庭の接続を地域の電話局に接続するものよりも、はるかに大量のトラフィックを可能にするインターネット接続です。インターネットの初期には、この帯域幅を処理できるのは最大手の通信企業のみでした。現在では、ますます多くの企業が自社の大容量バックボーンネットワークを運用し、世界各地のさまざまな IXP で相互接続されています。これにより、場所やプロバイダーに関わらず、地球上の誰でもインターネットを通じて誰とでもコミュニケーションをとることができます。インターネット全体は、人々の間の巨大なオープン通信プロトコルです。

インターネットプロトコル：IP アドレス インターネット上のすべてのマシンは、IP アドレスと呼ばれる固有の識別番号を持っています。IP は Internet Protocol の略で、コンピュータがインターネット上で通信するために使用する 2 つのプロトコルのうちの 1 つです。もう 1 つは伝送制御プロトコル（TCP）であり、この 2 つはしばしば TCP/IP と総称されます。プロトコルとは、サービスを利用したい人がそのサービスに接続するための事前に定義された方法です。「誰か」は人間である場合もありますが、ほとんどの場合、Web ブラウザのようなコンピュータプログラムです。

典型的な IPv4（Internet Protocol version 4）アドレスは、次のようになります：216.27.61.137。人間の記憶の便宜のため、IP アドレスは通常、上図のようにドット区切りの 10 進数として表現されます。しかし、コンピュータはバイナリ形式で通信します。同じ IPv4 アドレスのバイナリ表現を見てみましょう：11011000.00011011.00111101.10001001。IPv4 アドレスの各数字の並びは、バイナリで見たときに 8 つの位置を持つため、オクテットと呼ばれます。すべての位置を合計すると 32 になり、これは IPv4 アドレスが 32 ビットの数値として扱われるためです。8 つの各位置が 2 つの異なる状態（1 または 0）を取れるため、各オクテットの可能な組み合わせの総数は 2^8、つまり 256 通りです。したがって、各オクテットは 0 から 255 までの任意の値を取ることができます。4 つのオクテットを組み合わせると、2^32、すなわち潜在的に 4,294,967,296 通りの一意の値が得られます！

IPv4 アドレスの約 43 億通りの可能な組み合わせのうち、一部の値は予約されており、通常の IP アドレスとして使用することはできません。例えば、IP アドレス 0.0.0.0 はローカルネットワーク上のコンピュータ用に予約されており、アドレス 255.255.255.255 はブロードキャストに使用されます。43 億のアドレスは膨大に思えますが、インターネットは急速に成長しており、IPv4 を置き換えるために更新された 128 ビットのアドレス体系が必要とされています。1998 年後半、インターネット技術標準化タスクフォース（IETF）の専門家が新システムの開発を開始しました。2012 年 6 月 6 日に正式に開始された IPv6（IP バージョン 6）は、340 澗（かん、10 の 36 乗）のアドレス空間を持っているため、当面は十分なスペースがあるはずです。（今のところ。なお、IPv5 が正式に標準として採用されたことはありません。） 当然のことながら、IPv6 アドレスは 1970 年代に作成された IPv4 とは少し異なって見えます。IPv6 アドレスの各セグメントは、コロンで区切られた 4 つの 16 進数を使用します。以下はその例です：ba5a:9a72:4aa5:522e:b893:78dd:a6c4:f033。IPv6 は 16 進数の表記法を使用するため、16 個の異なる数字を表現する必要があります。したがって、0～9 の数字に加えて、A～F

の文字も含まれて、2 桁の数字を表現します。

現在 IPv4 を使用している状況では、オクテットの目的は単に数字を区切ることだけではありません。それらは、特定の企業、政府、その他のエンティティの規模やニーズに基づいて割り当て可能な IP アドレスのクラスを作成するために使用されます。オクテットは、ネットワーク部分とホスト部分の 2 つの部分に分割されます。最初のオクテットは、コンピュータが属するネットワークを識別します。ホスト（ノードと呼ばれることもあります）は、ネットワーク上の実際のコンピュータを識別します。最後のオクテットはホスト部分を示します。5 つの IP クラスと、いくつかの特別なアドレスがあります。

インターネットが黎明期にあったとき、それはモデムと電話回線を介して接続された少数のコンピュータで構成されていました。接続を確立するには、接続したいコンピュータの IP アドレスを提供する必要がありました。例えば、典型的な IP アドレスは 216.27.22.162 などでした。ホストが少数しかないうちはうまく機能していましたが、ますます多くのシステムが接続されるにつれて、管理が困難になっていきました。この問題に対する最初の解決策は、ネットワーク情報センター（NIC）が管理するホストテーブルと呼ばれる単純なテキストファイルで、名前を IP アドレスにマッピングしていました。すぐにこのテキストファイルは非常に大きくなり、管理が面倒になりすぎました。1983 年 11 月、ポール・モカペトリスは、国際ネットワークワーキンググループに 2 つのコメント要求（RFC）を提出しました。RFC 882 は、テキスト名を IP アドレスに自動的にマッピングするドメインネームシステム（DNS）の概念を説明しました。RFC 883 は、このシステムを実装する方法を提案しました。彼と他の多くの人々の努力のおかげで、今では例えば HowStuffWorks.com の IP アドレスのために数字と句読点の羅列を覚える代わりに、単に www.howstuffworks.com と覚えればよくなりました。 こちらもお読みください： プロのように IP アドレスを保護する方法は？

URL：Uniform Resource Locator Web を使用したりメールを送信したりする際には、ドメイン名を使用することができます。例えば、Uniform Resource Locator（URL）「https://www.howstuffworks.com」には、ドメイン名 howstuffworks.com が含まれています。同様に、このメールアドレス（公開連絡先）についても同じことが言えます。ドメイン名が使用されるたびに、インターネットの DNS サーバーは、人間が読めるドメイン名を機械が読める IP アドレスに変換します。DNS の詳細については、ネームサーバーの仕組みを参照してください。 トップレベルドメイン（レベル 1 ドメインとも呼ばれる）には、.com、.org、.net、.edu、.gov が含まれます。各トップレベルドメイン内には、膨大な数のセカンドレベルドメインが存在します。例えば、.com トップレベルドメイン内には、HowStuffWorks、Yahoo、Microsoft などがあります。.com トップレベルドメイン内の各名前は一意でなければなりません。最も左側の部分（「www」など）はホスト名です。これは、ドメイン内の特定の IP アドレスを持つ特定のコンピュータ上の特定のディレクトリの名前を指定します。特定のドメインには、そのドメイン内で一意であれば、何百万ものホスト名を含めることができます。

DNS サーバーは、プログラムや他のネームサーバーからのリクエストを受け付け、ドメイン名を IP アドレスに変換します。リクエストが到着すると、DNS サーバーは以下の 4 つのアクションのいずれかを実行します： 1. 要求されたドメインの IP アドレスを既に知っているため、IP アドレスで応答することができます。 2. 別の DNS サーバーに連絡し、要求された名前の IP アドレスを見つけようとします。これを複数回行う必要があるかもしれません。 3. 「要求されたドメインの IP アドレスはわかりませんが、私よりも詳しい DNS サーバーの IP アドレスをお伝えします」と言うことができます。 4. 要求されたドメイン名が無効か存在しないため、エラーメッセージを返すことができます。

DNS ブラウザに URL www.howstuffworks.com を入力したと仮定します。ブラウザは DNS サーバーに連絡して IP アドレスを取得します。DNS サーバーは、DNS ルートサーバーの 1 つに連絡して IP アドレスの検索を開始します。ルートサーバーは、トップレベルドメイン（.com、.net、.org など）を処理するすべての DNS サーバーの IP アドレスを知っています。あなたの DNS サーバーは、www.howstuffworks.com についてルートに問い合わせ、ルートは「www.howstuffworks.com の IP アドレスはわかりませんが、.COM DNS サーバーの IP アドレスをお伝えします」と応答します。次に、あなたのネームサーバーは.COM DNS サーバーに問い合わせ、www.howstuffworks.com の IP アドレスを知っているかどうかを尋ねます。.com ドメインの DNS サーバーは、www.howstuffworks.com ドメインを処理するネームサーバーの IP アドレスを知っているため、それらのアドレスを返します。その後、あなたのネームサーバーは www.howstuffworks.com の DNS サーバーに連絡し、www.howstuffworks.com の IP アドレスを知っているかどうかを尋ねます。知っている場合、その IP アドレスをあなたの DNS

サーバーに返し、それがブラウザに返され、ブラウザはその後 www.howstuffworks.com のサーバーに接続して Web ページを取得します。

このシステムがうまく機能するための鍵の 1 つは冗長性です。各レベルに複数の DNS サーバーが存在するため、1 つのサーバーがダウンしても他のサーバーがリクエストを処理します。もう 1 つの鍵はキャッシングです。DNS サーバーは、リクエストを解決した後、取得した IP アドレスをキャッシュします。DNS ルートサーバーに.COM ドメインについて一度問い合わせれば、その後は.COM DNS サーバーの IP アドレスを把握しているため、そのために再度ルートサーバーに問い合わせる必要はありません。DNS サーバーはすべてのリクエストに対してこれを行うことができ、このキャッシングがボトルネックの回避に役立ちます。 完全に見えませんが、DNS サーバーは毎日何十億ものリクエストを処理し、インターネットの円滑な機能に不可欠です。この分散データベースが毎日これほど見事に、かつ目に見えない形で機能しているという事実は、その設計の品質の証です。

インターネットのサーバーとクライアント インターネット上のすべてのマシンは、サーバーまたはクライアントのいずれかです。他のコンピュータにサービスを提供するコンピュータはサーバーです。これらのサービスに接続するために使用されるコンピュータはクライアントです。世界中のインターネットユーザーのニーズに応えるために、Web サーバー、メールサーバー、FTP サーバーなどが存在します。www.howstuffworks.com に接続してページを読むとき、あなたはクライアントコンピュータの前に座っているユーザーです。あなたは HowStuffWorks の Web サーバーにアクセスしています。サーバーコンピュータは、あなたが要求したページを見つけて送信します。サーバーコンピュータにアクセスするクライアントには特定の意図があるため、クライアントはサーバーコンピュータ上で実行されている特定のサーバーソフトウェアにリクエストを向けます。例えば、コンピュータで Web ブラウザを実行している場合、メールサーバーではなく、サーバーコンピュータ上の Web サーバーと通信しようとします。サーバーは静的 IP アドレスを持っており、変更されません。対照的に、モデムを介して接続する家庭用コンピュータは、通常、接続のたびに ISP によって IP アドレスが割り当てられます。この IP アドレスはそのセッションに固有であり、次回接続するときには異なる可能性があります。そのため、ISP は顧客ごとに 1

つではなく、デバイスごとに 1 つの IP アドレスしか必要としません。

ポートと HTTP すべてのサーバーは、番号付きのポートを使用してサービスを提供します。つまり、サーバー上で利用可能なサービスごとに 1 つのポートがあります。例えば、サーバーコンピュータが Web サーバーと FTP（File Transfer Protocol）サーバーを実行している場合、Web サーバーは通常ポート 80 で利用可能で、FTP サーバーはポート 21 で利用可能です。クライアントは、特定の IP アドレスと特定のポート番号でサービスに接続します。クライアントが特定のポートでサービスに接続すると、そのサービスには特定のプロトコルを使用してアクセスします。プロトコルは、クライアントとサーバーがどのように通信するかを単に説明するものです。インターネット上のすべての Web サーバーは、ハイパーテキスト転送プロトコル（HTTP）に準拠しています。インターネットサーバー、ポート、プロトコルについて詳しくは、Web サーバーの仕組みをご覧ください。 こちらもお読みください： インターネットサーバーでの暗号化の目的は？ ネットワーク、ルーター、NAP、ISP、DNS、そして強力なサーバー、これらすべてがインターネットを可能にしています。これらの情報が世界中を数ミリ秒で送信されることを考えると、これらのコンポーネントは現代生活において極めて重要です。それらがなければインターネットは存在しません。インターネットがなければ、私たちの生活は大きく異なるものになっていたでしょう。