高校「情報Ⅰ」単語帳 - 数研出版「情報Ⅰ Next」 - 情報システムとデータの管理

「システム」(system)とは、様々な要素を組み合わせて全体としてある特定の機能を発揮する仕組みのことを指し、「情報システム」は情報を取り扱うために様々な要素をまとめて構築したシステムである。

この素朴な定義に照らせば、電子的手段に依らずに紙などを用いて情報を記録・管理する仕組みや、個人が所有・利用するパソコンなども情報システムの一種ということになるが、現代社会で一般に情報システムという場合には、企業や官公庁などの組織が事業や業務の遂行のために構築した、ある程度の規模の設備の集合体のことを指すことが多い。

狭義の情報システムは、コンピュータや通信機器などとそれらに付随する装置や備品(記憶媒体など)、コンピュータ上で実行するオペレーティングシステム(OS)やミドルウェア、アプリケーションソフトなどのソフトウェア、記憶装置に保管されるデータ、機器間や組織内外を結ぶ通信回線やネットワークなどの総体を指す。

広義には、これらの要素に加えて、開発や運用のための人員や組織、操作や管理のための手順や規則の体系(を書き表した文書類)など、情報やシステムを取り扱うための組織内の「仕組み」全体が含まれる。

情報システム部門

大企業など大きな組織が情報システムを導入・運用する際には、その調達や運用に責任を持つ専任の「情報システム部門」が設置されることが多い。本業の業務部門を補佐する間接部門の一部であり、俗に「情シス」と略されることがある。

企業にせよ、官公庁や教育機関、非営利団体にせよ、現代の組織運営や事業遂行に情報システムは欠かすことのできない役割を果たすようになっており、重要性は高まっている。専任の役員クラスの役職である「CIO」(Chief Information Officer：最高情報責任者)を置く組織も増えている。

「クラウド」(cloud)とは「雲」という意味で、IT業界ではシステム構成図などを描く際にネットワークの向こう側にある外部のコンピュータやシステムなどをまとめて雲の形の絵記号で記す慣例があることから、このように呼ばれるようになった。

従来のコンピュータ利用方式では、利用者が直接操作する端末や、同じ建物内にあるサーバなど、システム利用側が自ら保有、設置する機器上でソフトウェアやデータを管理していたが、クラウドコンピューティングではシステム本体は専門の管理施設に集約し、利用者はインターネット等の広域回線網を介してこれを使用する。

コンピュータや通信回線の性能が向上したことから実用的になった利用方式で、通常は機器を設置、運用する専門の事業者(クラウドプロバイダー)が契約者に機器やシステム、ソフトウェアの使用権を貸与するクラウドサービスの形で提供される。

インターネットから誰でも利用できるようなサービスやシステムを「パブリッククラウド」、大企業などが自社ネットワーク上で社員などが利用するために内部的に構築・運用するものを「プライベートクラウド」、両者を組み合わせたものを「ハイブリッドクラウド」という。クラウドと対比して従来型のシステムを指す場合は「オンプレミス」(on-premises)型という。

自動車の位置情報をリアルタイムに集約して渋滞情報を配信するシステムや、人間の検針員に代わって電力メーターが電力会社と通信して電力使用量を申告するスマートメーター、大型の機械などにセンサーと通信機能を内蔵して稼働状況や故障箇所、交換が必要な部品などを製造元がリアルタイムに把握できるシステムなどが考案されている。

これまでの情報システムとの違いとして、個々の機器の取り扱うデータ量や処理量、通信量は少ないが機器の数が桁違いに膨大であることや、従来のコンピュータ製品が人の周りや特定の場所(建物や部屋)に集中しているのに対しIoT機器は世の中の様々な場所に分散して配置される点などがある。

こうした特徴を反映し、低コストで生産でき低消費電力で稼働するICチップや、多数の機器からデータを集約して解析したり、同時に多数の機器を制御するソフトウェア技術、低消費電力で遠距離通信が可能な無線技術、環境中から微小なエネルギーを取り出す技術(エナジーハーベスティング)などの研究・開発が進められている。

LPWA (Low Power Wide Area)

IoTに必須の要素として、装置の消費電力が少なく、多数の機器を一つのネットワークに収容できる広域的な無線通信技術があり、これを「LPWA」(Low Power Wide Area)と総称する。そのような通信方式で構築されたネットワークは「LPWAN」(Low Power Wide Area Network)とも呼ばれる。

IoTを実現するには、携帯電話網など従来からある広域無線技術に比べ、十～数十kmといった遠距離や広い範囲をカバーでき、乾電池などの乏しい電源でも数か月から数年は稼働できることが求められる。一方、人間がスマートフォンなどの通信機器に求めるような高速なデータ伝送能力は必ずしも必要なく、数十～数百kbps(キロビット毎秒)程度あれば実用に供することができる。

このような特性を備えた新しい通信方式をLPWAと呼び、具体的な規格として「Sigfox」「LoRa」「Wi-Fi HaLow」「Wi-SUN」「LTE-M」「NB-IoT」「RPMA」などの方式が提唱されている。

M2M/センサネットワークとの違い

以前から、機器同士を直接繋いで自律的にシステムを運用する「M2M」(Machine to Machine)や、通信可能なセンサーを分散配置して高度な監視や制御を可能にする「センサネットワーク」(WSN:Wireless Sensor Network)などの概念が存在し、これらはかなりの部分がIoTと重複している。

ただし、IoTはインターネットへの接続を前提とするのに対し、これらの技術は閉じた専用ネットワークや独自プロトコル(通信規約)での運用を想定している場合が多い。また、M2Mやセンサネットワークは特定の目的のために機械同士が情報のやり取りすることで処理が完結する仕組みであることが多いのに対し、IoTは接続された機器と人や外部の情報システムとの相互関係がより重視される傾向がある。

IoE (Internet of Everything)

「ありとあらゆるものが接続されたインターネット」という意味で、モノのインターネットと、人やデータ、情報、ソフトウェアなどが中心の従来からあるインターネットが統合された姿を指す。

とはいえ、従来のインターネットとの違いは多数のモノが接続されている点であるため、実際上はIoTとほぼ同義として用いられることが多い。主に米シスコシステムズ(Cisco Systems)社が提唱している用語である。

専用のキャッシュレジスター(POSレジ)を用いて商品パッケージのバーコードを読み取り、販売した日時や数量などと共にシステムに入力する。むき出しの生鮮品などバーコードを貼付できない商品は端末に設けられたボタンやタッチパネルで販売員が商品を指定する。

得られたデータはネットワークを通じてストアコンピュータ(ストアコントローラ)と呼ばれる管理用コンピュータに登録され、同じ企業が複数店舗を展開している場合やフランチャイズチェーンの場合は本部のITシステムに情報が集積される。

POSシステムを通じて得られた情報は、売上や利益、税金など各種の会計上の計算、在庫や発注の管理、売上動向の把握や解析、販売促進施策の計画や効果測定など、様々な用途や目的のために活用される。

商品に付けられるバーコードを、メーカーなどがあらかじめ包装などに印刷やシールで掲載した状態で納品する方式を「ソースマーキング」、店内で専用の端末からシールを印刷して貼付する方式を「インストアマーキング」という。

コンピュータ上でソフトウェアによって管理され、特定の構造や形式に従って同種のデータ群を蓄積したものを指すことが多い。「データベース」の語は文脈によって、実際に蓄積されたデータの集合体そのものを指す場合と、これを管理する「データベース管理システム」(DBMS：Dababase Management System)を指す場合、両者やデータを利用するアプリケーションソフトなどを含めたシステム全体を指す場合がある。

DBMSは管理者が設定した一定の形式や構造に従ってデータをストレージ装置などに記録・蓄積するシステムで、大量のデータを系統立てて保管することができる。必要に応じて検索、抽出、加工することができるため、企業の情報システムのデータ管理の中核として利用されることが多い。

リレーショナルデータベース

データベースにはデータをどのような構造や方式で格納、管理するかによって様々な種類がある。今日最も一般的に利用されるのは「リレーショナルデータベース」(RDB：Relational Database/関係データベース)と呼ばれるもので、一件のデータを複数の属性の値の組として表現し、組を列挙することでデータを格納していく。属性を列、組を行とする表(テーブル)の形で示されることが多い。

RDBの操作は「SQL」(Structured Query Language)と呼ばれる専用の問い合わせ言語で行われることが多い。命令語と操作対象、条件などを連ねてDBMSに指示を与える言語で、テーブルの作成や削除、テーブルへのデータの追加や上書き、削除、DBMS自体の設定の変更などの操作を行うことができる。

リレーショナルデータベースを管理するためのDBMSのことを「リレーショナルデータベース管理システム」(RDBMS)という。Microsoft AccessやFileMaker Proのようなデスクトップアプリケーションから、企業などの情報システムで専門の技術者が運用するOracle DatabaseやMicrosoft SQL Server、MySQL、PostgreSQLなどのサーバアプリケーションまで様々な規模、機能の製品がある。

ハードディスクなどのストレージ装置(外部記憶装置)内に専用の管理領域を設け、データを記録するための構造体の作成や消去、構造の修正、データの書き込み、上書き、削除などを行う。条件を指定してデータを検索したり、特定のデータの集合を抽出したりする機能も提供する。

管理者や利用者が直接操作してこれらの操作を行うほかに、外部のソフトウェアからの接続を受け付け、指示を受けてこれらの操作を行うのもデータベース管理システムの重要な機能である。データの管理にデータベース管理システムを利用することで、個別のアプリケーションソフトがデータの記録・管理機能を自前で実装する必要がなくなり、自らの役割に専念することができる。

基本的な機能の他にも、誤ったデータの記録を拒否して整合性を維持する機能や、権限のない利用者による不正なデータの盗み見や改竄を防ぐ機能、関連する複数の操作を一体的に矛盾なく実行する「トランザクション処理」機能、障害に備えてデータを複製(バックアップ)したり過去のある時点の状態を復元する機能を備えたものもある。

DBMSの種類

データベース管理システムにはデータの記録形式(データモデル)によっていくつかの種類がある。最も広く普及しているのは「リレーショナルデータモデル」(関係データモデル)と呼ばれる方式でデータを格納する「「リレーショナルデータベース管理システム」(RDBMS：Relational Database Management System)で、単にデータベース管理システムと言えばRDBMSを指すことが多い。

代表的なRDBMS製品としては、米オラクル(Oracle)社の「Oracle Database」、米マイクロソフト(Microsoft)社の「SQL Server」、米IBM社の「Db2」などがあり、オープンソースソフトウェアとして配布されている「MySQL」や「PostgreSQL」「MariaDB」なども人気が高い。

パソコンなど利用者の操作環境上で単体のアプリケーションとして動作し、グラフィック表示(GUI)の操作・編集システムと共に提供される製品は「デスクトップデータベース」とも呼ばれる。個人やグループ単位の小規模なデータ管理に用いられ、「Microsoft Access」や米クラリス(Claris)社の「FileMaker Pro」などがよく知られる。

近年では「KVS」(Key-Value Store：キーバリューストア)や「列指向データベース」「グラフ指向データベース」「ドキュメント指向データベース」など非リレーショナル型のデータベース管理システムの増えている。RDBMSの問い合わせ言語であるSQL(Structured Query Language)に囚われないという意味で「NoSQL」(Not only SQL)と総称される。

ハードディスクなどのストレージ装置(外部記憶装置)内に専用の管理領域を設け、データを記録するための構造体の作成や消去、構造の修正、データの書き込み、上書き、削除などを行う。条件を指定してデータを検索したり、特定のデータの集合を抽出したりする機能も提供する。

管理者や利用者が直接操作してこれらの操作を行うほかに、外部のソフトウェアからの接続を受け付け、指示を受けてこれらの操作を行うのもデータベースソフトの重要な機能である。データの管理にデータベースソフトを利用することで、個別のアプリケーションソフトがデータの記録・管理機能を自前で実装する必要がなくなり、自らの役割に専念することができる。

基本的な機能の他にも、誤ったデータの記録を拒否して整合性を維持する機能や、権限のない利用者による不正なデータの盗み見や改竄を防ぐ機能、関連する複数の操作を一体的に矛盾なく実行する「トランザクション処理」機能、障害に備えてデータを複製(バックアップ)したり過去のある時点の状態を復元する機能を備えたものもある。

DBMSの種類

データベースソフトにはデータの記録形式(データモデル)によっていくつかの種類がある。最も広く普及しているのは「リレーショナルデータモデル」(関係データモデル)と呼ばれる方式でデータを格納する「「リレーショナルデータベース管理システム」(RDBMS：Relational Database Management System)で、単にデータベースソフトと言えばRDBMSを指すことが多い。

代表的なRDBMS製品としては、米オラクル(Oracle)社の「Oracle Database」、米マイクロソフト(Microsoft)社の「SQL Server」、米IBM社の「Db2」などがあり、オープンソースソフトウェアとして配布されている「MySQL」や「PostgreSQL」「MariaDB」なども人気が高い。

パソコンなど利用者の操作環境上で単体のアプリケーションとして動作し、グラフィック表示(GUI)の操作・編集システムと共に提供される製品は「デスクトップデータベース」とも呼ばれる。個人やグループ単位の小規模なデータ管理に用いられ、「Microsoft Access」や米クラリス(Claris)社の「FileMaker Pro」などがよく知られる。

近年では「KVS」(Key-Value Store：キーバリューストア)や「列指向データベース」「グラフ指向データベース」「ドキュメント指向データベース」など非リレーショナル型のデータベースソフトの増えている。RDBMSの問い合わせ言語であるSQL(Structured Query Language)に囚われないという意味で「NoSQL」(Not only SQL)と総称される。

リレーショナルデータモデル(関係データモデル)と呼ばれる数学的なモデルに基づいてデータを秩序立てて格納したデータ集合である。一件の登録単位は複数の属性(attribute)の組(tuple)で、同じ属性を持つ組を何件も集めたデータの集合体をリレーション(関係)という。

これは実際には縦横に項目が並んだ表(テーブル)の形で整理される。リレーションが表に相当し、属性を縦方向に並んだ列(column)、組を横方向に並んだ行(row)として表す。システムによっては行を「レコード」(record)、列を「フィールド」(field)と呼ぶこともある。

実際のデータベースは「顧客マスタ」「製品マスタ」「受注明細」のように複数の表の集合として管理されることが多い。「受注明細の顧客IDは顧客マスタを参照する」といったように複数の表にまたがって同じ属性を配置し、対応付けて管理することができ、複雑なデータや大規模なデータを柔軟に取り扱うことができる。

RDBMSによる管理

リレーショナルデータベースはRDBMS(Relational Database Management System：リレーショナルデータベース管理システム)と呼ばれる専用のソフトウェアによって作成・運用されることが多い。データベースの管理はRDBMSが行い、他のソフトウェアは必要なときにRDBMSへ接続して操作を依頼する。

RDMBSへの指示には「SQL」(Structured Query Language)という問い合わせ言語が標準的に用いられ、データベースの作成や削除、テーブルへのデータの追加や更新、指定した条件を満たすデータ集合の抽出などの操作を行なうことができる。

著名なRDBMSとしては、米オラクル(Oracle)社の「Oracle Database」、米マイクロソフト(Microsoft)社の「SQL Server」、米IBM社の「Db2」などの商用ソフトウェア製品、オープンソースで配布されている「MySQL」「MariaDB」「PostgreSQL」などが知られる。

個人や小集団で利用する「Microsoft Access」や米クラリス(Claris)社の「FileMaker Pro」のようなデスクトップデータベース製品や、RDBMSをクラウドサービスとして提供する米アマゾンドットコム(Amazon.com)社の「Amazon RDS」「Amazon Aurora」などもある。

歴史

リレーショナルデータベースの基礎となる理論は1969年に米IBM社のエドガー・コッド(Edgar F. Codd)氏が提唱したリレーショナルデータモデル(relational data model)で、これを元に開発されたRDBMSが1980年頃から当時の大型コンピュータ向けのソフトウェアとして普及し始めた。

1990年代以降は他の方式を圧倒し、企業などが情報システムでデータの記録や管理を行う際の標準的な手法として広まった。近年では、用途によっては「NoSQL」(Not only SQL)と総称される非リレーショナル型の方式が導入される事例も増えている。

保存したい値(value)に対して標識となるキー(key)を設定し、両者をセットでストレージなどに書き込む。読み出し時にはキーを指定すると対応する値を取り出すことができる。既存のキーを指定して書き込むと新たな値で上書きされる。

値やキーに指定できるデータの種類は処理系によって異なり、キーは参照や識別がしやすいよう数値や文字列などが用いられることが多い。値には単純なデータ型やバイト列を指定できることが多いが、複雑なデータ構造やオブジェクトなどを格納できるものもある。構造的なデータを一定の決まった手順で文字列やバイト列に変換(シリアライズ)して保存する処理系もある。

一意のキーに値を対応付けて保存するデータ構造は多くプログラミング言語で連想配列、辞書(ディクショナリ)、ハッシュ、マップなどの名称で提供されてきており、キー・バリュー形式はこの仕組みを永続的なデータ管理システムに応用したものと考えることもできる。

伝統的なリレーショナルデータベース(RDB)に代わるデータ管理システムは「NoSQL」(RDBの操作を行うSQL言語を用いないという意味)と総称され、キー・バリュー形式はそのなかでも最も手軽で汎用的な方式として広く浸透している。複数のサーバや記憶装置などに分散してデータを保存できる機能を持ったものもあり、「分散KVS」(distributed KVS)と呼ばれる。

業務などで使用するシステムは様々な現実の存在を反映したデータを取り扱うが、システムの利用目的に照らして必要な情報(だけ)を、コンピュータプログラムによる自動処理に適した構造や形式で記録する必要がある。

現実の存在をどのようにデータとして表現するかを定めた取り決めがデータモデルで、データベースを用いたシステム開発などの際に設計作業の一環として作成される。データモデルを作成することを「データモデリング」(data modelling)という。

データモデルの表現形式や構築法には様々な手法があるが、例えば「ERモデル」(Entity-Relationship Model)を用いる場合、対象のうち名詞として表されるものを「実体」(entity)、実体間の関連性を「関係」(relation)、実体や関連の持つ性質を「属性」(attribute)として整理する。作成したモデルはER図などの形で図示して関係者間で共有することが多い。

人間による世界解釈からコンピュータの記憶装置上でのデータ構造へ落とし込んでいくため、対象全体を大まかにモデル化した「概念データモデル」、システム上で取り扱うデータをすべて詳細に定義した「論理データモデル」、論理データモデルをコンピュータ上の具体的な記録形式に変換した「物理データモデル」の三段階で詳細化する方式が用いられることがある。

企業などの情報システムではデータモデルが表すデータの格納先としてリレーショナルデータベース(RDB)が用いられることが多く、データモデルをもとに具体的なデータベーススキーマなどを設計し、データベース管理システム(DBMS)上でテーブルの構築などをしていく。

利用者がコンピュータを用いて記憶媒体にデータを保存、読み込み、移動、削除などする際に一つのまとまりとして取り扱うデータの集合を表し、OSの一部であるファイルシステム(file system)によって管理される。

ハードディスクやSSD、USBメモリ、光学ディスク(CD/DVD/Blu-ray Disc)などの記憶装置・記憶媒体を利用する際に用いられるほか、コンピュータと周辺機器の間やコンピュータ間の通信においてもデータの送受信単位として利用される。

ディレクトリとパス

ファイルシステムは記憶媒体内でファイルの作成や削除、上書き、移動、複製などを管理する仕組みで、複数のファイルをまとめて一つの集まりとして扱う「ディレクトリ」(directory)や「フォルダ」(folder)などの入れ物(領域)を作成することもできる。

ディレクトリやフォルダの中に別のディレクトリやフォルダを作成し、入れ子状にすることもでき、記憶媒体全体を階層構造に整理して管理する。装置内でのファイルの位置は、「C:￥Windows￥System32￥cmd.exe」のように最上位から順にディレクトリ名を繋げた「パス」(path)という記法で表される。

ファイル名

ファイルにはそれぞれ固有のファイル名が付けられ、これを用いて識別・指定される。多くのOSではファイル名の末尾にファイルの種類や形式を表す「拡張子」(extension)と呼ばれる数文字の英数字の符号が付与される。

コンピュータの操作画面ではファイルは記憶媒体内での位置(パス)やファイル名で表示され、キーボードなどからパスやファイル名を指定して操作する。グラフィック表示を用いるGUI(Graphical User Interface)を備えたOSでは、ファイルは種類によって異なるアイコン(絵文字)とファイル名によって表示され、マウス操作やタッチ操作でアイコンを指し示して操作を行う。

ファイル属性

ファイルはファイルシステムに記録される際に様々な属性や付加情報(メタデータ)と共に記録される。作成日時や最終更新日時、最終アクセス日時、作成者(所有者)、各利用者やグループのアクセス権限などが記録、設定される。

また、多くのOSではファイルに「読み取り専用」属性を付与でき、解除されるまで削除や上書きができなくなる。「隠しファイル」に設定されたファイルは通常の動作モードではファイル一覧画面などに表示されなくなる(ファイル名を直に指定すれば操作はできる)。

ファイル形式

ファイルに記録されるデータの形式や書式(ファイルフォーマット)は作成したソフトウェアによって様々だが、大きく分類すると「バイナリファイル」(binary file)と「テキストファイル」(text file)に分かれる。

バイナリファイルは特に制約なくあらゆるビットパターンを記録できる自由な形式で、その形式に対応したソフトウェアでなければ何が記録されているか知ることができない。テキストファイルはデータを文字情報として記録したファイルで、文字コード規格で規定されたコードに従ってデータを文字列に置き換えて記録する。対応ソフトがなくてもどのような文字が記録されているかは見ることができる。

ファイルシステムのディレクトリ

ストレージ(外部記憶装置)のファイルシステムなどで、複数のファイルを格納し、ファイルを分類・整理することができる保管場所のことをディレクトリということがある。OSによっては同様の仕組みを「フォルダ」(folder)ということもある。

ストレージ内部を論理的に区切って名前をつけて区別する仕組みで、ディレクトリ名によって識別される。ディレクトリ内には任意のファイルを置くことができるほか、別のディレクトリを作成して入れ子状にすることができる。ディレクトリ内に作られたディレクトリは「サブディレクトリ」(subdirectory)あるいは「子ディレクトリ」などと呼ばれる。

ディレクトリの入れ子関係は、システムやストレージ領域の全体を表すディレクトリを頂点とする階層構造(あるいは木構造)として表すことができ、これを根本から先端に向かって枝分かれする樹木の形になぞらえて「ディレクトリツリー」と呼ぶことがある。

UNIX系OSでは、ストレージや他のシステム資源全体を包含する「ルートディレクトリ」(root directory)を頂点として、Windowsでは各ドライブごとにその内部を包含する「ドライブルート」(drive root)を頂点として、それぞれディレクトリの位置を指し示す。

ストレージ内でのディレクトリやファイルの所在は、「/foo/var/hoge.txt」のようにルートからの経路を順に並べた「パス」(path)によって表す。UNIX系OSでは区切り文字として「/」(スラッシュ)を用いるが、Windowsでは「C:\foo\var\hoge.txt」のように「\」(バックスラッシュ)を用いる。日本語版では同じ文字コードを共有している円マーク(￥)になる。

ディレクトリサービス (directory service)

情報システムの一種で、ネットワーク上に存在する機器やサービスについての情報や、利用者の識別や権限に関する情報を一元管理する仕組みのことを「ディレクトリサービス」(directory service)あるいは単にディレクトリという。

原義の電話帳に近い役割をコンピュータネットワーク上で果たすシステムで、登録利用者のアカウント情報(ユーザー名やパスワード、各種の権限など)、ネットワーク上のサーバコンピュータが提供する機能、共有データ(共有ファイル、共有ディレクトリなど)、プリンタなどの周辺機器についての情報を集めて単一のデータベースに登録して管理する。

利用者はディレクトリにアクセスすることでネットワーク上の資源の所在を知ることができ、個々の資源に対して権限の確認をしなくても、一度のログイン操作で許可された資源を自由に利用できるようになる。米マイクロソフト(Microsoft)社がWindows Serverなどで提供しているActive Directory(アクティブディレクトリ)が特に有名である。