技術要素

基本の仕組み

注文表に顧客番号と住所を毎回書く代わりに、顧客番号で決まる住所を顧客表へ分け、注文表には顧客番号だけを置きます。住所変更を一か所で行えるようになります。

トランザクションは一まとまりの処理です。振込みなら引落しと入金をまとめ、途中で失敗したらロールバックすることで片方だけの更新を防ぎます。

正規化は表を細かく分けること自体が目的ではありません。関数従属性を確認し、分けた表を結合すれば元の関係を正しく復元できるように設計します。

関係モデルの制約

主キーは行を一意に識別し、外部キーは別表を参照します。正規化は重複と更新時の不整合を減らすため、関数従属を見て表を分割します。参照整合性は存在しない参照先を作らない制約で、トランザクションの原子性とは別です。

トランザクションの性質と障害回復

トランザクションが満たすべき性質は、頭文字をとってACID特性と呼びます。処理が確定したことをコミット、取り消して開始前に戻すことをロールバックといいます。

障害回復では、トランザクションの途中で異常終了したら、更新前ログを使うロールバックで取り消します。ディスク障害では、バックアップを戻してから更新後ログを適用するロールフォワードで、コミット済みの更新を再現します。

複数のトランザクションが同じデータを更新するときはロックで排他制御します。読取り用の共有ロックどうしは同時に掛けられますが、更新用の専有ロックは他のロックと両立しません。互いのロック解除を待ち合うとデッドロックになります。

基本の仕組み

IPは宛先へパケットを届ける役割を担い、TCPは順序や再送などで信頼性を補います。DNSは名前に対応するIPアドレスなどを問い合わせます。

IPv4の/24は先頭24ビットがネットワーク部で、残り8ビットがホスト部です。通常のサブネットでは全0と全1を除く254個をホストへ割り当てられます。

一般にホスト部がnビットなら、割当て可能なホスト数は2^n−2個です。/26ならホスト部は6ビットで62個、サブネットマスクは255.255.255.192です。IPアドレスとサブネットマスクのANDを取るとネットワークアドレスが求まります。

DNSと暗号化を混同しないことが重要です。また、2台を結ぶだけの/31（RFC 3021）のような特別な利用法では、一般的なホスト数の式がそのまま当てはまりません。

層ごとの通信の役割

OSI基本参照モデルは通信の機能を7層に分けます。IPはネットワーク層でネットワーク間の転送を、TCP・UDPはトランスポート層でアプリケーションへの受渡しを担います。TCPは信頼性のある転送、UDPは接続確立なしの軽量な転送です。

DNSは名前解決、HTTPはWebの要求・応答、TLSは通信の保護を担います。通信相手のアプリケーションはポート番号で区別し、HTTPは80番、HTTPSは443番、DNSは53番、SMTPは25番が標準です。

NAPT（IPマスカレード）は、社内のプライベートIPアドレスとポート番号の組を、グローバルIPアドレスとポート番号の組へ変換し、複数の機器で一つのグローバルアドレスを共用します。

基本の仕組み

送信者が秘密鍵で署名を作り、受信者は対応する公開鍵で検証します。送信者の公開鍵が本物かは証明書などで確認します。

デジタル署名は作成者と改ざんの有無を確認する仕組みです。機密性のために相手へ暗号化して送る場合は、相手の公開鍵で暗号化し相手の秘密鍵で復号するなど、目的と鍵の役割が違います。

署名だけでは本文は隠れません。また、秘密鍵を他人へ渡すと本人だけが署名できるという前提が崩れます。

デジタル署名だけでは侵入を防げないため、社内・社外を問わずアクセスを検証するゼロトラストの考え方も重要です。多要素認証や最小権限、通信の記録を組み合わせます。

安全性の目的と対策

機密性・完全性・可用性は守る性質、認証・認可・監査は利用を制御する仕組みです。ハッシュ関数は同じ入力から同じ固定長の値を作り、値から原文を復元できないため、改ざんの検知に使います。

共通鍵暗号は暗号化と復号に同じ鍵を使い、処理は速い一方で鍵を安全に配る必要があります。公開鍵暗号は鍵配送が容易ですが処理が重いため、共通鍵を公開鍵暗号で送り、本文は共通鍵で暗号化するハイブリッド暗号が使われます。

n人が互いに通信する場合、必要な鍵の数は共通鍵暗号でn(n−1)/2個、公開鍵暗号で2n個です。10人なら45個と20個になります。

デジタル署名では、送信者が本文のハッシュ値を自分の秘密鍵で署名します。受信者は送信者の公開鍵で署名を検証し、自分で計算した本文のハッシュ値と一致すれば、作成者と改ざんのないことを確認できます。

基本の仕組み

必須項目を赤色だけで示す代わりに「必須」という文字も付けます。エラーは入力欄の近くに理由と直し方を示すと、次の行動が分かります。

アクセシビリティは多様な利用者が情報や機能へアクセスできること、ユーザビリティは目的を効果的・効率的に達成できる使いやすさを扱います。

説明を増やしすぎて重要な操作を埋めないようにします。利用者に実際に操作してもらい、迷い・誤操作・完了時間を観察することが改善につながります。

操作設計の観点

ユーザビリティは、特定の利用者が特定の状況で目的を達成するときの有効さ・効率・満足度で評価します（JIS Z 8521）。アクセシビリティは、障害や利用環境にかかわらず情報や機能を利用できることです。

画面遷移、操作後の状態が分かるフィードバック、入力エラーからの回復、キーボードだけでの操作、画像の代替テキストなどを、実際の利用者の作業で具体的に評価します。

基本の仕組み

音声を毎秒44,100回、1回16ビット、2チャンネルで記録するなら、1秒のデータ量は44,100×16×2＝1,411,200ビットです。ヘッダ等を除く非圧縮の条件で計算しています。

標本化は時間方向を区切って測定し、量子化は振幅を有限の段階へ対応させ、符号化は数値をビット列へ表します。画像では横画素数×縦画素数×1画素のビット数が非圧縮データ量の基本です。

可逆圧縮は元の情報へ完全に戻せますが、非可逆圧縮は一部の情報を省きます。一般的なJPEG写真とPNG画像では、用途と圧縮の考え方が異なります。圧縮率が指定されたら、元データと圧縮後のどちらを分母にするかを確認します。

非圧縮データ量の算定

画像は横画素数×縦画素数×1画素のビット数、音声は標本化周波数×量子化ビット数×チャンネル数×時間でビット数を求めます。8で割るとバイトです。可逆圧縮は完全復元でき、非可逆圧縮では失った情報は戻せません。

例えば横1,024画素×縦768画素、1画素24ビットの画像は、1,024×768×24÷8＝2,359,296バイト（約2.4Mバイト）です。

基本の仕組み

顧客表を顧客ID・氏名、注文表を注文ID・顧客ID・金額とすれば、同じ顧客の複数注文をIDで結べます。顧客と注文の関係は一対多です。氏名は同姓同名があり、識別子としては不十分な場合があります。

主キーは各行を識別し、外部キーは別表の対応行を参照します。正規化では属性間の依存関係を整理し、部分関数従属や推移的関数従属を別の表へ分離します。

SQLのIN述語は候補集合への所属を判定します。顧客ID IN (1,3)ならIDが1または3の行が対象です。内部結合は結合条件が一致する行を組み合わせます。GROUP BYでまとめた集計結果をHAVINGで絞る場合は、集計前に行を絞るWHEREと適用段階を分けます。

E-Rモデルは顧客・注文などの実体と、それらの関連を表します。顧客一人が複数の注文を持ち、一つの注文の顧客は一人なら、一対多の関連です。E-R図はそのモデルを図で表したもので、処理の順番を示すフローチャートとは異なります。図形や線の表記規則に従って多重度を読みます。

SQLと正規形

SELECTで列、WHEREで行を絞り、JOINでキーに基づき表を結びます。GROUP BYは集約単位、HAVINGは集約結果の条件です。外部結合（LEFT OUTER JOIN）は、左側の表の行を全て残し、対応する行がない列はNULLにします。

正規化では一つの事実を重複して持たせないよう関数従属を調べ、分割後は外部キーで関係を保ちます。第1正規形から第3正規形まで、次の表の順に従属を取り除きます。

基本の仕組み

無線LANでは送信前に媒体が空いているかを確認し、待ち時間などを使って衝突を避けます。CSMA/CAは衝突を完全にゼロにする保証ではなく、確認応答や再送も組み合わせる方式です。

同じLAN内の転送ではMACアドレスを扱い、ルータはIPアドレスと経路表を基にネットワーク間へ転送します。TCPは接続管理、順序制御、再送等を行い、UDPはそれらを必須としない軽量な転送を提供します。

動画や音声でUDPが使われることがあっても、アプリ全体に損失対策がないとは限りません。DNSは名前を調べる仕組みで暗号化そのものではなく、TLSは通信の保護を担います。一つの用語で通信の全機能を説明しないようにします。

LAN内外の通信

スイッチはMACアドレスで同一LAN内を転送し、ルータはIPアドレスでネットワーク間を中継します。ARPはIPからLAN内のMACアドレスを調べ、DHCPはアドレス等を自動設定し、DNSは名前を解決します。HTTPSはHTTPをTLSで保護します。

有線LANで使われてきたCSMA/CDは、送信中に衝突を検出したら送信を止め、ランダムな時間待って再送します。衝突の検出が難しい無線LANでは、衝突を避けるCSMA/CAを使います。

基本の仕組み

検索語をSQL文字列へ直接つなぐと、入力に含まれる記号等で命令の意味を変えられるおそれがあります。プレースホルダを使って命令と値を分けることが、SQLインジェクションの対策です。

クロスサイトスクリプティングはブラウザ上で不正なスクリプトを実行させる攻撃で、出力先に応じたエスケープ等を行います。CSRFはログイン中の利用者に意図しない操作を送らせる攻撃で、トークンなどにより正当な要求かを確認します。

WAFはHTTP等のWeb通信を検査し、攻撃の検知・遮断を助けますが、アプリ側の修正に代わる万能策ではありません。事故発生時にはCSIRT等が調査・連絡・封じ込め・復旧を調整し、原因分析と再発防止へつなげます。

攻撃と対策の対応

SQLインジェクションにはプレースホルダ等による値とSQL文の分離、XSSには出力先に応じたエスケープ、CSRFにはトークン等による要求の検証を使います。入力値検証だけで全攻撃を防げると考えず、対策を攻撃の入り口に合わせます。

OSコマンドインジェクションは入力をOSのコマンドとして実行させ、ディレクトリトラバーサルは「../」などでファイルのパスを操作し、公開していないファイルを読ませます。シェルを経由しない実行や、ファイル名を固定の候補から選ばせる設計で防ぎます。