ネットワークとインターネットの基本原則

電話やビデオ通話で、遠く離れた友人や同僚と瞬時に、まるで同じ部屋にいるかのように返信を受け取れるのはなぜか、不思議に思ったことはありますか？舞台裏では、一連の目に見えない変換が行われています。あなたの声、ビデオ、またはメッセージは、部屋を横切ってWi-Fiルーターに届く電波に変換され、次に銅線（または光ファイバー接続の場合は光）の電気パルス、そして髪の毛よりも細いガラス繊維の中を走る光の点滅となり、海底深くを通り、反対側で全く逆のシーケンスが再生されます。 電気、光、電波の制御されたパターン化された摂動を作り出すだけで、世界中の誰とでも瞬時に通信できるというのは、驚くべきことです。メッセージは、異なる国にある数十の独立した企業が所有する機器を通過します。これらの企業は、このメッセージ転送のために互いに特別に調整したわけではなく、どの企業もあなたのデータがたどった完全な経路を知りません。ただ、次の最も近いルートに引き渡すだけです。交通を指示する中央コンピューターはなく、インターネットインフラを所有する単一の企業もありません。それにもかかわらず、毎秒数十億回も、呼び出しが途切れたりビデオがバッファリングされたりしたときにしか気づかないほど、信頼性高く機能しています。 インターネット経由でメッセージを送信する 接続: ケーブル / DSL, 光ファイバー (FTTH) t = 0 ms 1/6 ・メッセージ送信 あなたの電話 送信をタップします。メッセージは数百バイトになります。 電波からルーターへ、都市を横断する銅線と光ファイバー、海底ケーブルを走る光、遠端のデータセンター、そして返信のための別個の、しばしば異なる経路。 かすかな点は他のすべてのトラフィックです。ここにあるすべてのワイヤー、ケーブル、機械は、一度に数百万の会話によって共有されています。 誰も責任者がいないのに、これがどのように機能するのかが、この記事の主題です。 ソフトウェアの記事では、単一のマシンがシリコン内の電子から実行するソフトウェアに至るまでの物語を追いました。この記事では、それらのマシン間の接続の物語を追います。 コンピューティングのレイヤーと同様に、インターネットは一度に設計されたものではありません。それは数十年にわたって蓄積され、各プロトコルは、それが解決するために発明された具体的な制限を見たときにのみ意味をなします。失敗がまれであるため、システムが常にこれほど信頼性が高かったかのように錯覚しやすいですが、それは結果を完成した設計図に合わせてエンジニアリングされたものと間違えやすいです。 実際、この記事のすべてのメカニズム、パケットスイッチング、TCP、DNS、TLSは、インターネットがすでに「機能」してから数十年後に展開された特定の問題に対するパッチであり、それらを生成した圧力は止まっていません。それは今、新しい物理リンク、新しい障害シナリオ、そして下のレイヤーが設計されたときには存在しなかったソフトウェアからの新しい要求から来ています。 私の目標は、これらの理解を基本原則から構築することです。 最終的には、アドレスバーの南京錠がクレジットカードの詳細をどのように保護するか、デッドページがウェブサイトのせいなのか、それともあなたの側の障害なのか、ギガビット接続でもウェブページが遅く感じられる理由、そしてデータが世界の反対側で故障した海底ケーブルをどのように動的に迂回するかなど、インターネット使用の日常的な謎の多くが、単一の cohérent なメンタルモデルの下で直感的に理解できるようになるでしょう。 コンピューターが存在する前からビットを送信していた ネットワークはコンピューティングよりもはるかに古く、電気よりも古いものです。 「ネットワーク」という言葉自体は、元々は文字通りの意味、つまり規則的な間隔で交差する糸やコードの網のような構造を意味していました。19世紀初頭、エンジニアはこの言葉を借りて、運河や鉄道のような相互接続された輸送ルートを説明しました。1840年代に電信が登場すると、この言葉は自然にその信号を運ぶワイヤーとステーションのシステムを説明するために使われるようになりました。 しかし、ネットワークリンクの基本的な物理原理は、最も単純な機械的接続と同じままです。2つの空き缶を糸でしっかりと結び、一方に話しかけると、糸はあなたの声の振動を増幅器や中継器なしに機械的な動きとしてもう一方に運びます。それは、数メートル進むごとに摩擦とたるみでエネルギーを失う波にすぎません。 それが、以来構築されたすべてのリンクの背後にある原則全体です。一方の端で物理量を変化させ、もう一方の端で測定します。 糸ができないことは、信号が線路で死ぬことなく、実質的な距離を運ぶことです。 電信の真のブレークスルーは、単に糸を電線に置き換えたことではなく、この物理的な距離の限界を克服したことでした。 1844年、サミュエル・モースは、ワシントンからボルチモアまで、短長電気パルスのシステムであるモールス符号を使用して、銅線で「What hath God wrought」（神は何をもたらしたか）というメッセージを送りました。 電信が実際にはデジタルネットワークであったことに注目してください。それは音声の音を伝送したのではなく、固定されたアルファベットからの離散的なシンボルを伝送しました。 その選択には、ビクトリア朝の人々がよく理解していた利点がありました。線路上の電気機械式リレーは、波自体を通過させる必要はありませんでした。パルスが存在するかどうかを検出するだけで、そのパルスの新しいクリーンなコピーを再作成して、次のワイヤーセグメントに送信するだけでよかったのです。 離散的なシンボルと再生により、メッセージは劣化することなく大陸を横断できました。これはアナログ信号では不可能でした。 ワイヤーが何かを運ぶ前に、送信者と受信者の間の合意が存在しなければならなかったことにも注目してください。 電信は、両端が事前に同じ表を持っており、どのパルスがどの文字を表し、オペレーターが「受信済み」または「繰り返し」をどのように信号したかによってのみ機能しました。この共有されたルールブックがプロトコルです。 この記事のすべてのプロトコル（IP、TCP、DNS、TLS）は同じです。メッセージ形式と、いつ誰が何を言うかについての公開された合意であり、独立したマシンが互いに通信できるようにします。 以下のシミュレータは、モースのメッセージをその歴史的な回線に沿って送信します。 各ワイヤーセグメントに沿ってフェードしノイズを拾うパルスと、リレーがそれに対して何をするかを見てください。次に、リレーを単なる増幅に切り替えて、離散アルファベット（現代のコンピューティングがさらにバイナリビットに単純化したもの）がなぜ賢明な選択だったのかを見てください。 電信リレー 離散シンボル、各リレーで再生 ワシントン Wをキーイング リレー局 再生 リレー局 再生 ボルチモア パルスがフェードし、ノイズが忍び込む → ワシントンから送信 神は何をもたらしたか ボルチモアで受信 線路上の電気機械式リレーは、波自体を通過させる必要はありませんでした。パルスが存在するかどうかを検出するだけで、そのパルスの新しいクリーンなコピーを再作成して、次のワイヤーセグメントに送信するだけでよかったのです。 リレー 再生（電信リレー） 増幅のみ（アナログ） モースのパルスは、すべてのワイヤーセグメントに沿ってフェードし、ノイズを拾います。 ネットワークは離散シンボルを伝送するため、リレーは波自体を通過させる必要はありません。パルスが存在するかどうかを検出するだけで、そのパルスの新しいクリーンなコピーを再作成するだけでよいのです。 リレーを単なる増幅に切り替えると、各セグメントのノイズが次のセグメントに乗り込み、ボルチモアはメッセージを誤読します。 離散シンボルと再生により、メッセージは劣化することなく大陸を横断できました。これはアナログ信号では不可能なことでした。 電信ネットワークは、人々によってルーティングも解決していました。 小さな町から別の小さな町へのメッセージは、リレーオフィスを通過しました。そこではオペレーターがメッセージを受信し、紙テープにパンチし、その宛先につながるいずれかの送信ラインが空き次第、そのラインに再送信しました。メッセージは、忙しい時間帯にはゴミ箱にキューイングされました。 このアイデアを覚えておいてください。100年後、私たちはそれを電子機器で再構築し、ルーターと呼ぶでしょう。 1890年代、パリの大電信交換所のオペレーターの部屋。 各テーブルは回線の終端です。メッセージを受信、キューイング、宛先へ再送信していたオペレーターは、ネットワークのルーターでした。（出典：Popular Science Monthly、1894年、パブリックドメイン） モース自身の回線は、州を1つ横断するだけで済みました。 大洋を横断するには時間がかかり、10年間の費用のかかる後退と、...