コンピューター・ネットワークとは

ネットワーキング、あるいはコンピューター・ネットワーキングとは、2台以上のコンピューティング・デバイス（例: デスクトップ・コンピューター、ノートPC、モバイル・デバイス、ルーター、アプリケーション）を接続し、情報やリソースの送受信と交換を可能にすることを指します。

ネットワーク化されたデバイスは、ネットワーク上でデータを送信または交換する方法を規定する通信プロトコルに依存しており、それによって物理的あるいは無線接続を介して情報を共有することができます。

コンピューター・ネットワークは、個人のコミュニケーションやエンターテインメントから、クラウドネイティブなビジネス運用やグローバルなインフラストラクチャーに至るまで、ほぼあらゆるデジタル体験の基盤を形成しています。拡張性、スピード、ITセキュリティーを念頭に設計された今日のネットワークは、オンプレミス・システムと仮想化クラウド環境の両方にわたる動的なデータフローをサポートしています。

現代的なネットワーキング手法が登場する以前は、コンピューター科学の技術者はデバイス間でデータを共有するためにコンピューターを物理的に移動させる必要がありました。当時のコンピューターは大型で扱いにくかったため、これは非常に骨の折れる作業でした。

米国防総省は、（特に政府職員にとって）プロセスを簡素化するために、1960年代後半に最初のコンピューター・ネットワーク（最終的にARPANETと命名）の構築に資金を提供しました。この画期的な出来事は、インターネットだけでなく、現在グローバルに分散したインフラストラクチャーやアプリケーション・サービスを支えるクラウド・ネットワーキングの基盤も築きました。

以来、ネットワークの実践と、それを支えるコンピューター・システムは飛躍的に進化してきました。今日のコンピューター・ネットワークは、あらゆるビジネス、娯楽、研究目的のために、大規模な機器間通信を促進している。今日のコンピューター・ネットワークは、あらゆるビジネス、エンターテインメント、研究目的において、大規模なデバイス間通信を可能にしています。

エンタープライズ環境において、この進展はクラウド・インフラストラクチャーを中心とした、より柔軟なネットワーキング・モデルをもたらしました。企業はますます、ハイブリッドクラウドやマルチクラウドのネットワーキング戦略に依存するようになっています。これにより、アプリケーションやデータはオンプレミスのインフラストラクチャーと、クラウド・サービス・プロバイダーが提供するクラウド環境との間をシームレスに流通させることができます。よく知られているプロバイダーとしては、AWS、Microsoft Azure、IBM® Cloud、Google Cloud Platformがあります。このクラウド・ファーストのネットワーキング戦略により、企業はリソースを動的に拡張し、インフラストラクチャー・コストを削減し、物理ハードウェアを維持することなく高度なサービスにアクセスできます。

今日では、人工知能（AI）や機械学習（ML）によって、ネットワーキングはさらに進化し、よりスマートで適応性の高いシステムが実現されています。これらの技術は、ネットワーク管理の自動化、異常検知によるセキュリティー強化、トラフィック・パターンをリアルタイムに予測・対応することでパフォーマンスの最適化に役立ちます。

Eメールを例に、データがネットワークを介してどのように移動するかの例を見ていきましょう。

ユーザーがメールを送信したい場合は、まずメールの内容を書き、「送信」ボタンを押します。ユーザーが「送信」を押すと、SMTPまたはPOP3プロトコルは送信者のWi-Fiを使用してメッセージを送信者ノードからネットワーク・スイッチに送り、そこでメッセージが圧縮されてより小さなセグメント（最終的にはビット、つまり1と0で構成される文字列）に分割されます。

ネットワーク・ゲートウェイは、ビット・ストリームを受信者のネットワークに送信し、必要に応じてデータと通信プロトコルを変換します。ビット・ストリームが受信者のコンピューターに到達すると、同じプロトコルがEメール・データを受信者のネットワーク上のネットワーク・スイッチ経由で送信します。このプロセスでは、ネットワークは元のメッセージを再構築し、Eメールが人間が読める形式で受信者の受信トレイ（受信ノード）に届きます。

コンピューター・ネットワーキングを十分に理解するには、ネットワークの構成要素とその機能を確認することが不可欠で、具体的には次のとおりです。

• IPアドレス：は、インターネット・プロトコル（IP）ネットワーク内のすべてのネットワーク・デバイスに割り当てられる一意の番号です。各IPアドレスは、デバイスのホスト・ネットワークとネットワーク上の場所を識別します。あるデバイスが別のデバイスにデータを送信すると、そのデータには送信側デバイスと受信側デバイスの両方のIPアドレスを含む「ヘッダー」が含まれます。

• ノード：ノードは、データを受信、送信、作成、または保存できるネットワーク接続ポイントです。基本的には、情報を認識、処理し、別のネットワーク・ノードに送信できる、コンピューター、プリンター、モデム、ブリッジ、スイッチなどのネットワーク・デバイスです。各ノードは、ネットワークへのアクセスを受け取るために何らかの形式の識別情報（IPアドレスやMACアドレスなど）を必要とします。

• ルーター：ルーターは、ネットワーク間でデータ「パケット」を送信する物理デバイスまたは仮想デバイスです。ルーターはパケット内のデータを分析して最適な伝送パスを決定し、高度なルーティング・アルゴリズムを使用してデータ・パケットを宛先ノードに到達するまで転送します。
  

• スイッチ：スイッチは、ネットワーク・デバイスを接続し、ネットワーク全体のノード間通信を管理して、データ・パケットが宛先に到達することを確認するデバイスです。ネットワーク間で情報を送信するルーターとは異なり、スイッチはネットワーク内のノード間で情報を送信します。

  したがって、「交換」とは、ネットワーク上のデバイス間でデータが転送される方法を指します。ネットワークは主に次の3種類の交換に依存します。

  • 回線交換は、ネットワーク内のノード間に専用のデータ通信パスを確立するため、他のトラフィックが同じパスを通過できません。回線交換により、すべての送信中に全帯域幅が利用できるようになります。

  • メッセージ交換は、送信元ノードから宛先ノードにメッセージ全体を送信し、メッセージは宛先に到達するまでスイッチからスイッチへと移動します。

  • パケット交換では、データを独立したコンポーネントに分割して、データ転送によるネットワーク・リソースの負荷を軽減します。パケット交換では、データ・ストリーム全体ではなく、パケットがネットワークを経由して最終目的地である宛先まで移動します。

     

• ポート：ポートはネットワーク・デバイス間の特定の接続を示し、各ポートは番号で識別されます。IPアドレスがホテルの構造だとすると、ポートはスイートルームや部屋番号に相当します。コンピューターはポート番号を使用して、どのアプリケーション、サービス、プロセスがどのメッセージを受信するかを決定します。

• ゲートウェイ：ゲートウェイは、2つの異なるネットワーク間の通信を容易にするハードウェア・デバイスです。ルーター、ファイアウォール、その他のゲートウェイ・デバイスは、レート・コンバーター、プロトコル・トランスレーター、その他のテクノロジーを使用して、互換性のないデバイス間のネットワーク間通信を容易にします。
  

従来のネットワーク構成要素（ルーター、スイッチ、ポート、ゲートウェイなど）は、今もネットワーク運用の基盤です。しかしクラウド環境の登場によって、これらの要素の導入方法や管理方法は大きく変わりました。

クラウド環境では、これらの従来型コンポーネントの多くが仮想化され、マネージド・サービスとして提供されます。その結果、組織は物理的なハードウェアを維持することなく、堅牢なネットワーク基盤を構築できます。クラウド・プロバイダーは、基盤にある複雑さを抽象化しつつ、基本的なネットワーク原理には依然として依拠しています。ただし、そのうえで拡張性、柔軟性、グローバルな展開力が強化されています。

最新のネットワーキングは、従来のネットワーク機能を拡張・強化するクラウドネイティブなコンポーネントにますます依存しています。これらのコンポーネントには次のものが含まれます。

• ロード・バランサー：ロード・バランサーは、受信トラフィックを複数のサーバーやサービスに分散します。

• コンテンツ・デリバリー・ネットワーク（CDN）：コンテンツ・デリバリー・ネットワークは、静的および動的なWebコンテンツをユーザーの近くにキャッシュすることで、レイテンシーを低減し、アプリケーションのパフォーマンスを向上させます。

• 仮想プライベート・クラウド（VPC）：仮想プライベート・クラウドは、パブリック・クラウド・インフラストラクチャー内に分離されたネットワーク環境を提供します。

• APIゲートウェイ：APIゲートウェイは、APIを利用してアプリケーションとそのプログラミング・インターフェース間のトラフィックを管理、ルーティング、保護し、安全で信頼性の高い通信を実現します。

• ミドルウェア：ミドルウェアは、アプリケーション、サービス、データベース間の橋渡しとして機能し、分散型またはクラウドネイティブ環境全体での通信、データ交換、統合を容易にします。

• サービス・メッシュ：サービス・メッシュは、最新のマイクロサービスベースのアプリケーションにおけるサービス間通信を管理し、ロード・バランシング、トラフィック・ルーティング、セキュリティーなどのタスクを処理します。

一般的に、コンピューター・ネットワークは地理的な範囲によって区分されます。ローカル・エリア・ネットワーク（LAN）は特定の物理的な空間内でコンピューターを接続しますが、ワイド・エリア・ネットワーク（WAN）は大陸を越えてコンピューターを接続できます。しかし、ネットワークは通信に使用するプロトコル、構成要素の物理的配置、ネットワーク・トラフィックの管理方法、そしてそれぞれの環境において果たす目的によっても定義されます。

最も一般的に利用されているコンピューター・ネットワークの種類は、大きく3つのカテゴリーに分類されます。

• 地理的領域別ネットワークの種類

• 伝送媒体別のネットワークの種類

• 通信タイプ別のネットワークの種類

このカテゴリーのネットワーク・タイプは、ネットワークがカバーする地理的領域によって区別されます。

ネットワーク・ノードは、有線または無線リンク（接続）を使用してメッセージを送受信できます。

コンピューティング・ネットワークは、次のようなさまざまな伝送ダイナミクスを使用してデータを伝送できます。

コンピューター・ネットワーク・アーキテクチャーは、設計原則や通信プロトコルを含むコンピューター・ネットワークの理論的な枠組みを定めます。

ネットワーク・アーキテクチャーの主なタイプは次のとおりです。

• ピアツーピア（P2P）アーキテクチャー

• クライアント・サーバー・アーキテクチャー

• ハイブリッド・アーキテクチャー

P2Pアーキテクチャーでは、2台以上のコンピューターが「ピア」として接続され、ネットワーク上で同等の能力と権限を持ちます。P2Pネットワークでは、調整のための中央サーバーは必要ありません。代わりに、ネットワーク上の各コンピューターは、クライアント（サービスにアクセスする必要があるコンピューター）とサーバー（クライアントにサービスを提供するコンピューター）の両方として機能します。

ネットワーク上のすべてのピアは、そのリソースの一部を他のネットワーク・デバイスで利用できるようにし、ネットワーク全体でストレージ、メモリ、帯域幅、処理能力を共有します。

例えば、研究開発に注力する組織内では、チーム・メンバーが分散型ファイル共有システムを利用し、大規模なデータセットを自分のワークステーション間で直接交換でき、中央サーバーを必要としません。

クライアント・サーバー・ネットワークでは、中央のサーバー（またはサーバー群）がリソースを管理し、ネットワーク上のクライアント・デバイスにサービスを提供します。このアーキテクチャーにおけるクライアントは、自身のリソースを共有せず、サーバーを介してのみやり取りを行います。クライアント・サーバー・アーキテクチャーは、複数の層があるため、階層型アーキテクチャーと呼ばれることがよくあります。

例えば、クライアント・サーバー・アーキテクチャーを採用する企業環境では、従業員（クライアント）が中央の人事システム（サーバー）にアクセスできることが多くあります。このサーバーにより、従業員は個人データの管理、休暇申請の提出、社内文書の閲覧を行うことができます。

ハイブリッド・アーキテクチャーは、P2Pモデルとクライアント・サーバー・モデルの両方の要素を組み合わせています。多くの企業は、パフォーマンスとリソース利用を最適化するために、ユーザー認証のような集中型サービスと、ローカル・ファイル共有のようなピアツーピア機能の両方を必要とします。

アーキテクチャーがネットワークの理論的な枠組みを表すのに対し、トポロジーはその枠組みの実際的な実装を指します。ネットワーク・トポロジーは、ネットワーク上のノードとリンクの物理的および論理的な配置を表します。これには、ハードウェア（ルーター、スイッチ、ケーブルなど）、ソフトウェア（アプリケーション、オペレーティング・システムなど）、および伝送媒体（有線接続、ワイヤレス接続など）が含まれます。

一般的なネットワーク・トポロジーには次のものがあります。

• バス型ネットワーク・トポロジー

• リング型ネットワーク・トポロジー

• スター型ネットワーク・トポロジー

• メッシュ型ネットワーク・トポロジー

バス型では、すべてのネットワーク・ノードがメイン・ケーブルに直接接続されています。

リング型では、ノードがループ内に接続されるため、各デバイスにはちょうど2つの隣接デバイスが存在します。隣接するペアは直接接続され、隣接しないペアは中継点のノードを介して間接的に接続されます。 

スター型は、単一の中央ハブを特徴とし、それを介してすべてのノードが間接的に接続されます。

メッシュ型はもう少し複雑で、ノード間のオーバーラップ接続によって定義されます。メッシュ型ネットワークには、フル・メッシュ型とパーシャル・メッシュ型の2種類があります。

フル・メッシュ型は、すべてのネットワーク・ノードが他のすべてのネットワーク・ノードに接続するため、最高レベルのネットワーク耐障性を実現します。パーシャル・メッシュ型では、一部のネットワーク・ノード（通常は最も頻繁にデータを交換するノード）のみを接続します。

フル・メッシュ型は、実行にコストと時間がかかる場合があります。そのため、多くの場合、高い冗長性を必要とするネットワークにのみお勧めしています。一方、パーシャル・メッシュ型は冗長性が低くなりますが、費用対効果が高く、導入も簡単です。

サブタイプに関係なく、メッシュ・ネットワークには自己構成および自己組織化機能があり、ルーティング・プロセスを自動化するため、ネットワークは常に最速で最も信頼性の高いデータ・パスを見つけます。

インターネット・プロトコル（IP）スイート、イーサネット、ワイヤレスLAN（WLAN）、セルラー通信規格のいずれであっても、すべてのコンピューター・ネットワークは通信プロトコルに従います。これらのプロトコルは、ネットワーク上のすべてのノードがデータを共有・受信するために従わなければならない規則の集合です。

IEEE（Institute of Electrical and Electronics Engineers：米国電気電子学会）は、ネットワーク技術に関する国際標準を策定する団体で、イーサネット（IEEE 802.3）やWi-Fi（IEEE 802.11）を含む多くのプロトコルを開発・管理しています。ネットワーク・プロトコルは、互換性のないデバイス間の通信を可能にするためにゲートウェイにも依存します（例えば、WindowsコンピューターがLinuxサーバーにアクセスしようとする場合など）。

現代のネットワークの多くは、4つのネットワーク層を含むTCP/IPモデル上で実行されます。

• ネットワーク・アクセス層：データリンク層または物理層とも呼ばれるTCP/IPネットワークのネットワーク・アクセス層は、ネットワーク媒体と接続するために必要なネットワーク・インフラストラクチャーを含みます。この層は、同一ネットワーク上のデバイス間で、イーサネットやアドレス解決プロトコル（ARP）などのプロトコルを用いて物理的なデータ伝送を処理します。

• インターネット層：インターネット層は、論理アドレス指定、ルーティング、パケット転送を担います。主にIPプロトコルとインターネット制御メッセージ・プロトコル（ICMP）に依存しており、これらが異なるネットワーク間でのパケットのアドレス指定とルーティングを管理します。

• トランスポート層：TCP/IPのトランスポート層は、ネットワークの上位層と下位層の間でデータ転送を可能にします。TCPおよびUDPプロトコルを利用して、エラー検出やフロー制御の仕組みも提供します。TCP（Transmission Control Protocol）はコネクション型プロトコルで、UDPよりも速度は遅いものの、信頼性は高いです。UDP（User Datagram Protocol）はコネクションレス型プロトコルで、TCPより高速ですが、転送の保証は提供しません。UDPプロトコルは、動画ストリーミングやゲーム・プラットフォームなどの時間依存型アプリケーションや、ドメイン・ネーム・システム（DNS）のルックアップにおけるパケット伝送を支援します。

• アプリケーション層：TCP/IPのアプリケーション層では、HTTP（Hypertext Transfer Protocol）、FTP（File Transfer Protocol）、POP3（Post Office Protocol 3）、SMTP（Simple Mail Transfer Protocol）、DNS、SSH（Secure Shell）といったプロトコルが使用されます。これらのプロトコルは、アプリケーションに直接ネットワーク・サービスを提供するために使用されます。また、ユーザー・アプリケーションをサポートするすべてのプロトコルも管理します。

現在ほとんどのネットワークで使用されているのはTCP/IPプロトコル・スイートですが、オープン・システム・インタコネクション（OSI）モデルは、データがネットワークを通じて移動する仕組みを7つの層で定義する標準化されたフレームワークです。

各層には固有の役割があり、物理層でケーブル上のビット列を送信することから、最上位層でユーザー・アプリケーションを管理することまでを担います。この階層型アプローチにより、ネットワーク・エンジニアは多様なシステム間での通信を設計、トラブルシューティング、標準化をしやすくなります。OSI自体は実際に使用されるプロトコルの集合ではありませんが、そのモデルは異なるネットワーク技術がどのように連携するかを理解するための基盤として位置付けられています。

グローバル企業から日常のユーザーに至るまで、コンピューター・ネットワークは事実上あらゆるデジタル体験を支え、世界中のデバイス、データ、アプリケーション、ユーザーをつなげています。ビジネスにおいては、クラウド・サービス、リアルタイムでの協働、安全なデータ交換を可能にし、業務を支える基盤となります。代表的なコンピューター・ネットワークのユースケースをいくつか紹介します。

• 効率的なデータ転送

• データ・ストレージの拡大

• 効率化された知識共有

• 自動ネットワーク管理と脅威検知

• 強固なネットワーク・セキュリティー

ネットワークは、Eメール、メッセージング、ファイル共有、ビデオ通話、ストリーミングなど、あらゆる形式のデジタル通信を可能にします。また、ビジネス通信を可能にするすべてのサーバー、インターフェース、伝送メディアを接続します。

ネットワークがなければ、組織はデータを個別のデータ・リポジトリーに保存する必要があり、これはビッグデータの時代には持続不可能です。コンピューター・ネットワークは、チームがネットワーク全体にサービスを提供する集中データ・ストアを維持するのに役立ち、貴重なストレージ容量を他のタスクに解放します。

一般的なネットワークベースのストレージ・ソリューションには、ストレージ・エリア・ネットワーク（SAN）やネットワーク・アタッチト・ストレージ（NAS）があります。SANは高速なブロック・ストレージを提供し、一般的にデータベースや仮想化といったミッションクリティカルなアプリケーションに利用されます。一方、NASは標準的なネットワーク経由でアクセス可能なファイル・ストレージを提供します。

SANとNASの違いについて詳細を読む。

ネットワークによってリソースと知識の共有が簡素化されることで、ユーザー、ネットワーク管理者、開発者のいずれもが恩恵を受けることができます。ネットワーク化されたデータは要求や取得が容易になるため、ユーザーや顧客はネットワーク・デバイスからの応答をより速く得ることができます。ネットワーク化されたデータはビジネス面でもメリットをもたらし、技術や企業が進化する中で、チームが協働し情報を共有しやすくします。

AIとアルゴリズムは、ネットワーク監視、トラフィック分析、異常検知やインシデント対応といった複雑なタスクを自動化し、手動による介入を減らすとともに、全体的なネットワーク・セキュリティーの強化に役立ちます。

例えば、通信、金融サービス、製造業といった業界の多くの組織は、ネットワーク・オペレーション・センター（NOC）に依存し、ネットワークのパフォーマンス、可用性、セキュリティーを常時監視・管理しています。

適切に構築されたネットワーク・ソリューションは、レジリエンスを向上するだけでなく、サイバーセキュリティーとネットワーク・セキュリティーの選択肢も増やします。ほとんどのネットワーク・プロバイダーは、機密データを保護し、不正な行為者がネットワークにアクセスできないようにするために、組み込みの暗号化プロトコルとアクセス制御（多要素認証など）を提供しています。