テクノロジ系 攻略ガイド

基本の仕組み

2進数1011は、左から8、4、2、1の重みです。1がある8＋2＋1を足して、10進数では11になります。

n桁の2進数は2のn乗通りを表せます。アルゴリズムは目的を達成する手順で、順次・選択（分岐）・反復を組み合わせます。ANDは両条件が真のとき真、ORは少なくとも一方が真のとき真です。

4ビットで表せる値の個数は16通りでも、符号なしの最大値は15です。0から数えることを忘れると1だけずれます。

プログラムを読むときは、変数の値を一行ずつ更新します。x＝1から3回、xへ2を加える反復なら、3、5、7と変わります。比較の条件を反復前に評価するのか、処理後なのかで実行回数が違うため、終了条件も表にします。

表現と処理の基本

2進数の各桁は右から1、2、4、8…の重みを持ちます。例えば1011₂は8＋2＋1＝11₁₀です。16進数は0〜9とA〜Fを使い、2進数の4桁を1桁で表します（1111₂＝F₁₆＝15₁₀）。1バイトは8ビットで、記憶容量や通信速度の単位を比べるときはバイトとビットを区別します。

論理演算はAND（両方が真）、OR（少なくとも一方が真）、NOT（真偽を反転）、XOR（排他的論理和：どちらか一方だけが真）で条件を組み立てます。アルゴリズムは順次・選択・反復を組み合わせ、反復では初期値、更新、終了条件を追って実行結果を確かめます。

データの並べ方（データ構造）では、最後に入れたものを最初に取り出すスタック（後入れ先出し：LIFO）と、最初に入れたものを最初に取り出すキュー（先入れ先出し：FIFO）を区別します。

基本の仕組み

文書ファイルをSSDからメモリへ読み込み、CPUが編集の命令を実行します。保存前に電源が切れると、メモリ上だけの変更は失われることがあります。

CPUは命令を実行し、主記憶は実行中のデータを保持します。OSはメモリや装置を管理し、アプリが機器を利用する共通の土台を提供します。

メモリ容量と保存容量は別です。SSDを増やしても作業用メモリの不足が必ず解消するわけではありません。

記憶とソフトウェアの階層

CPUは命令の解釈・演算・制御を担い、主記憶は実行中のプログラムとデータを置きます。SSD等の補助記憶は電源を切っても保持します。キャッシュメモリはCPUと主記憶の速度差を埋める高速な記憶です。容量、速度、揮発性で見分けます。

OSはハードウェア資源やファイル・プロセスを管理し、アプリケーションは利用者の仕事を実行します。ドライバは機器をOSから利用できるようにします。主記憶の容量不足と保存先の容量不足は、起こる症状も対策も異なります。

基本の仕組み

顧客表の顧客番号101と、注文表にある顧客番号101を結べば、名前を何度も入力せずに注文者を調べられます。主キーは行を一意に識別し、外部キーは表の関係を支えます。

SQLでは、SELECT句で取り出す列を指定し、WHERE句で条件に合う行を絞ります。ネットワークではIPアドレスで宛先を扱い、DNSはドメイン名に対応する情報を調べる役割を持ちます。

データベースのキーと通信のアドレスは用途が違います。DNSは名前を調べる仕組みであり、通信内容を暗号化する機能ではありません。

注文表の顧客番号を顧客表の主キーへ対応させる外部キーにすると、存在しない顧客番号を持つ注文を防ぐ参照整合性の制約を考えられます。顧客を削除する場合も、注文側との関係をどう扱うかを決めます。外部キーは注文番号そのものを一意にするための主キーとは役割が違います。

表の設計と名前解決

関係データベースでは行がレコード、列が項目を表します。主キーは行を一意に識別し、外部キーは別表の行を参照します。参照整合性は存在しない参照先を作らない制約です。検索はSELECT、追加はINSERT、更新はUPDATE、削除はDELETEを使います。

同じデータを複数の表に重複して持たないよう表を分割することを正規化といい、更新時の食い違いを防ぎます。複数の処理が同じデータを同時に更新すると結果が壊れるため、ロックで他の処理を待たせる排他制御を行います。一連の更新（トランザクション）は、全て成功したらコミットで確定し、途中で失敗したらロールバックで開始前の状態へ戻します。

ネットワークではIPアドレスが通信先を特定し、DNSがドメイン名をIPアドレスへ引きます。データベースの主キーとネットワークのアドレスはどちらも識別に関わりますが、識別する対象が異なります。

基本の仕組み

給与情報の閲覧制限は機密性、不正な金額変更の検知は完全性、障害時の代替サーバは可用性に対応します。何を防ぐ対策かを具体的な事故で考えます。

認証は誰であるかの確認、認可は何をしてよいかの判断です。多要素認証では、知識・所持・生体など異なる種類の要素を組み合わせます。

パスワードを二回入力しても、同じ知識要素なので多要素認証とはいえません。バックアップも復元できるかを確認して初めて役立ちます。

ランサムウェアはデータを暗号化する等して金銭を要求し、フィッシングは偽の画面等へ誘導して認証情報を盗みます。メールの見た目だけを信用せず、別の正規経路で確認し、更新、権限制限、復元可能なバックアップを組み合わせます。

共通鍵暗号は暗号化と復号に同じ鍵を使い、公開鍵暗号は対応する異なる鍵を使います。ディジタル署名では秘密鍵で署名し、対応する公開鍵で検証します。改ざん等を確かめる目的と、内容を秘密にする暗号化の目的を分けます。

社内ネットワークの内側は安全という前提を置かず、利用者や端末を問わずアクセスのたびに確認する考え方がゼロトラストです。テレワークやクラウドの利用で境界が曖昧になったことを背景に、多要素認証や権限の最小化、記録の監視を組み合わせます。

目的に合う防御の選択

機密性は許された人だけが読めること、完全性は不正な改ざんがないこと、可用性は必要なとき利用できることです。認証は本人確認、認可は操作の許可です。多要素認証は知識・所持・生体など異なる要素を組み合わせます。

共通鍵暗号は同じ秘密の鍵で暗号化・復号し、公開鍵暗号は公開鍵と秘密鍵を対にします。受信者だけが復号できるようにするには、受信者の公開鍵で暗号化します。ディジタル署名では送信者の秘密鍵で署名し、送信者の公開鍵で検証します。

公開鍵が本当にその相手のものかは、認証局（CA）が発行するディジタル証明書で確かめます。この仕組みをPKI（公開鍵基盤）といいます。HTTPSで使うTLSでは、公開鍵暗号の技術で共通鍵を安全に共有し、データ本体は処理の速い共通鍵暗号で暗号化します（ハイブリッド暗号方式）。

バックアップはランサムウェア等からの復旧に役立ちますが、感染を防ぐ対策ではありません。ネットワークにつながったままの保存先は一緒に暗号化されることがあるため、切り離した場所にも保管します。

主な攻撃と対策

攻撃は、人をだますもの、認証を破るもの、Webアプリケーションの弱点を突くもの、サービスを止めるものに分けると対策を選びやすくなります。一つの対策で全てを防げるわけではないため、技術的な対策と教育・手順を組み合わせます。

基本の仕組み

購入額が1・2・3・4・20万円なら、平均は30÷5＝6万円、中央値は並べた中央の3万円です。ほとんどの人が6万円買ったという意味ではありません。

標準偏差はデータの散らばりの尺度です。期待値は各結果をその確率で重み付けして足します。100円を得る確率0.2、0円が0.8なら期待値20円ですが、一回の結果が20円になるわけではありません。

相関係数は二つの量の直線的な関係の強さや向きを表します。相関が高くても因果関係の証明にはならず、季節など共通の原因があるかもしれません。集めやすい人だけの調査には標本の偏りもあります。

代表値・ばらつき・関係

平均値は合計を件数で割り、中央値は並べたときの中央、最頻値は最も多い値です。極端な外れ値があると平均値は動きやすいため、分布も合わせて見ます。分散・標準偏差は散らばりを表し、標準偏差が大きいほど一般にばらつきが大きくなります。

相関係数は二つの量の直線的な関係の向きと強さを−1から＋1で表します。相関があっても、一方が他方の原因とは限りません。期待値は各結果の値にその確率を掛けて足します。例として100円を確率0.3で得るなら、その結果の期待値への寄与は30円です。

基本の仕組み

完成したメールアプリを使うSaaS、プログラムを動かす実行環境のPaaS、仮想サーバ等のIaaSでは、提供される範囲が違います。IaaSなら利用者がOSを管理する構成が一般的です。

複数の装置へ仕事を分ける負荷分散は処理能力を支え、予備を設ける冗長化は故障に備えます。稼働率は利用できる時間の割合で、故障の少なさだけでなく復旧の速さにも影響されます。

同じデータを二台へ同時保存するだけでは、誤削除も両方へ反映されます。バックアップは復元できる時点や保存先を分け、実際に戻せるか確認します。クラウドでも権限や投入データの管理は残ります。

クラウドでは、提供者と利用者のどちらが何を守るかを責任共有モデルとして整理します。IaaS・PaaS・SaaSの順に提供者の範囲が広がりますが、利用者側にもデータやアカウントの管理が残ります。

提供範囲と可用性

IaaSは仮想サーバや記憶領域などの基盤、PaaSはアプリ開発・実行環境、SaaSは完成したアプリをサービスとして提供します。利用者と提供者の管理範囲は方式ごとに異なります。クラウドを使っても利用者側のアカウント設定やデータ管理は残ります。

冗長化は故障時の代替を用意し、負荷分散は処理を複数の装置へ配ります。二台の装置で同じ処理を同時に行い結果を照合するデュアルシステムと、一台を運用系、もう一台を待機系にして障害時に切り替えるデュプレックスシステムがあります。バックアップは誤削除後の復元に必要で、冗長化だけでは代わりません。

稼働率はMTBF÷（MTBF＋MTTR）で求めます。MTBF（平均故障間隔）は故障せずに動く平均時間、MTTR（平均修復時間）は修復にかかる平均時間です。どちらかが止まると全体が止まる直列の二装置の稼働率はa×b、両方止まったときだけ全体が止まる並列の二装置の稼働率は1−（1−a）×（1−b）です。例えば稼働率0.9の装置二台なら、直列で0.81、並列で0.99になります。

基本の仕組み

入力エラーを色だけでなく『日付を入力してください』という文字でも示し、入力欄と対応させれば、何を直すか分かります。キーボードだけでも操作できることは、マウスを使いにくい人にも役立ちます。

アクセシビリティはさまざまな特性や利用環境の人がアクセスして使えること、ユーザビリティは特定の利用状況で目的を達成しやすいことです。ユニバーサルデザインは幅広い人が利用しやすい設計を目指します。

ピクトグラムやアイコンも誰にでも同じ意味に見えるとは限りません。重要な操作には文字を添え、表記や位置を一貫させます。装飾を増やすより、目的の情報を探せて操作結果が分かることを優先します。

利用できる設計の条件

アクセシビリティは障害や利用環境にかかわらず情報・機能へアクセスできること、ユーザビリティは特定の利用者が目的を達成しやすいことです。ユニバーサルデザインは多様な人に使いやすいよう初めから設計する考え方です。

画像には意味に応じた代替テキストを付け、操作はキーボードでも完結できるようにします。色だけで状態を伝えず、エラー箇所と直し方を文章で示します。ピクトグラムは直感的な案内に役立ちますが、意味が曖昧なら文字も併用します。

基本の仕組み

圧縮をしない100×100画素、1画素24ビットの画像なら、画素データは100×100×24＝240,000ビット、8で割ると30,000バイトです。実際のファイルには付加情報などもあります。

音を一定間隔で測るのが標本化、その大きさを有限の段階で表すのが量子化です。標本化周波数は一秒当たりの測定回数、量子化ビット数は一回の値の細かさに関係します。

可逆圧縮は展開すると元のデータへ戻せます。非可逆圧縮は一部の情報を省くため元と完全には一致しません。写真と文字の図では適した形式や圧縮の条件が違い、拡張子だけで常に画質が決まるわけではありません。

データ量と圧縮

音声のデジタル化は、標本化で時間を区切り、量子化で振幅を段階化し、符号化でビット列にします。非圧縮の音声データ量は、標本化周波数×量子化ビット数×チャネル数×秒数でビット単位に求め、8で割るとバイトになります。例えば標本化周波数44.1kHz、量子化ビット数16ビット、2チャネルの1秒分は44,100×16×2＝1,411,200ビットです。

非圧縮の画像データ量は画素数×1画素当たりのビット数で求めます。可逆圧縮は元に完全復元でき、非可逆圧縮は情報を捨てて容量を小さくします。写真・音声の用途と、原本の完全復元が必要な用途を分けます。

基本の仕組み

DNSはドメイン名に対応するIPアドレス等を調べ、ルータは異なるネットワークへパケットを中継します。DHCPは端末へIPアドレス等の設定情報を配る仕組みです。

HTTPはWebの要求と応答の規約で、HTTPSはTLSによって通信を保護します。無線LANは端末とアクセスポイント等を無線で結びますが、無線につながることとインターネットへ到達できることは別です。

VPNは離れた拠点等を仮想的な専用の接続として扱う仕組みです。暗号化の有無や範囲は方式により、VPNだから全ての端末が安全になるわけではありません。HTTPSの鍵表示もサイト内容の正しさを保証しません。

電池で動く温度センサの値を離れた場所へ少しずつ送るなら、速度だけでなく通信距離と消費電力を比べます。LPWAは低消費電力で広い範囲を結ぶ通信の総称で、少量の測定値などを送る用途に適します。大容量映像を連続送信するための高速通信と同じ基準で選ばないようにします。

Bluetooth Low Energy（BLE）は低消費電力での動作を重視したBluetoothの方式で、身に着けたセンサとスマートフォンの間の通信などに使われます。LPWAとBLEはともに省電力を重視しますが、接続先や利用範囲、必要なデータ量から選びます。到達距離は方式・出力・周囲の障害物などで変わり、一定の距離を必ず保証するものではありません。

通信機器とプロトコル

アクセスポイントは無線端末をLANへ接続し、ルータは異なるネットワーク間の経路を選びます。DHCPは端末へIPアドレス等を割り当て、DNSは名前をIPアドレスへ変換します。HTTPはWebのやり取り、HTTPSはTLSで保護されたWeb通信です。

VPNは公衆網を使って拠点や端末間に保護された通信路を作ります。BLEは近距離の低消費電力通信、LPWAは比較的広い範囲で少量のデータを低消費電力で送る用途です。通信距離、速度、電力の条件から方式を選びます。

プロトコルの階層

インターネットの通信はTCP/IPの四つの階層で役割を分けます。同じ名前の「アドレス」でも、IPアドレスはインターネット層、ポート番号はトランスポート層で使う識別子です。

電子メールは、送信とサーバ間の転送にSMTP、受信にPOP3またはIMAPを使います。POP3はメールを端末へダウンロードして読むのが基本で、IMAPはメールをサーバ上に置いたまま複数の端末から同じ状態で読めます。

TCPは確認応答と再送で確実に届けることを重視し、UDPは確認を省いて即時性を重視します（音声通話や動画配信など）。IPv4のアドレスは32ビット、IPv6は128ビットです。組織内ではプライベートIPアドレスを使い、外部と通信するときにNAT（NAPT）でグローバルIPアドレスへ変換します。