高校「情報Ⅰ」単語帳 - 東京書籍「新編情報Ⅰ」 - 情報システムとデータの管理

基本的な原理

GPS衛星には極めて高精度な原子時計が搭載されており、自らの軌道上での現在位置と現在時刻を定期的に電波で発信している。受信機がこの電波を受信すると、発信時刻と受信時刻の差から電波が届くのにかかった時間がわかり、光速(約30万km/s)を掛ければ衛星までの距離を知ることができる。

軌道上には多数のGPS衛星がおり、受信機は複数の衛星までの距離を知ることができる。3つの衛星までの距離が分かれば、それぞれの衛星から距離を半径とする球面が交わる点が現在位置ということになる。実際には受信機の時計が正確でないことが多いため、これを補正するために4つ目の衛星からの情報が必要となる。

主な用途

元来は米軍による軍事用の技術だが、民間や外国でも基本的には自由に利用できることから、航空機や船舶の航行システム、自動車のカーナビゲーションシステム、測量システム、登山用ナビゲーション機器、デジタルカメラの撮影位置記録などに応用されてきた。

近年では受信機の小型化、低価格化が進み、ほぼすべてのスマートフォンやタブレット端末などに標準でGPS機能が内蔵されている。アプリやネットサービスと組み合わせ、地図やナビゲーション、見守り、紛失物発見、オンラインゲーム、SNSなどのサービスに利用されている。

GPS衛星 (NAVSTAR衛星)

GPSに用いられる人工衛星は米国防総省が管理しており、正式には「NAVSTAR」(NAVigation Satellite Timing And Ranging)と呼ばれる。高度約2万kmの6つの軌道面にそれぞれ4つ以上、計24個以上が配置され、約12時間周期で地球を周回している。

約7年半で寿命を迎えるため、毎年のように新しい衛星を打ち上げて軌道に投入しており、概ね30個前後の衛星が常時運用されている。GPS衛星は高性能の原子時計を内蔵しており、1.2/1.5GHz帯の電波で時刻を含むデータを地上に送信している。

暗号化と精度

GPS衛星の発信する電波に含まれる信号には、軍事用に暗号化されたものと民間用に暗号化されていないものの2種類がある。暗号化されたデータは極めて高精度で、米軍しか利用することができない。誤差は数cmから数十cmと言われており、精密誘導兵器などに利用されている。

民生用に利用できるものは暗号化されていないデータで、誤差は10m程度となる。1990年代までは民生用のデータは故意に精度を落として誤差100m程度で運用されていたが、2000年以降は精度低下措置は有事の際に地域を限定して行う方針となった。2007年以降は恒久的に低下措置は行わない方針となっており、誤差10m程度の状態が定着している。

補助手段による精度向上

補助的な手段を加えることで精度向上や位置特定までの時間を短縮する技術がある。このうち、位置の分かっている固定の地上局からFM電波を発信し、GPS衛星の代用とする技術を「DGPS」(Differential GPS)という。日本では全国の沿岸に27局が整備されたが2019年に廃止された。

スマートフォンなどでは、移動体通信ネットワークの基地局が常時GPS衛星の情報を受け取り、端末の要求に応じて提供する仕組みがあり、「A-GPS」(Assisted GPS/補助GPS)という。端末が自前で受信するよりも素早く初回の測位を行うことができる。基地局からの電波を用いてGPSと同じ原理で端末の位置を割り出す仕組みもあり、GPSと併用されている。

国によっては、GPS衛星と互換性のある高精度の信号を発信する衛星を独自に打ち上げ、自国領や周辺地域に限って精度向上を図っている場合もある。インドでは静止衛星を利用した「NavIC」を、日本では準天頂衛星を利用した「QZSS」を運用している。QZSSは対応機器であればセンチメートル級の極めて高精度な信号を利用できる。

他の衛星測位システム

GPSおよびGPS衛星は米国政府が保有・運用しているため、各国政府は社会インフラや軍事インフラとしての位置情報の取得技術を米政府に依存する状態に危機感を覚え、同種の衛星測位システムの開発および運用に乗り出している。

ロシアでは1996年から「GLONASSグロナス」を、中国では2012年から「北斗ほくと/ベイドゥ」を、欧州連合(EU)では2016年から「Galileoガリレオ」を運用している。インドの「NavIC」や日本の「QZSS」のように運用地域を限定した衛星測位網を構築している国もある。これらすべてを総称して「GNSS」(Global Navigation Satellite System)と呼ぶこともある。

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。

最も一般的なものは銀行が設置しているもので、自行の顧客や提携している他行の顧客が預金通帳やキャッシュカードなどを用いて、自分の預金口座への入出金や、他の口座や他行への振り込みや振り替え、残高照会、通帳記入などを行なうことができる。

対面の窓口で行う手続きの一部を機械で置き換えたもので、支店や出張所の店内の一角に並んでいるほか、都市部の駅前などにはATMのみが置かれた簡易な出張所が設置されることもある。提携している一般の店舗や商業施設に置かれたり、駅や公共施設に置かれているものもある。

証券会社や貸金業者、クレジットカード会社などが設置しているものもあり、口座への入出金、キャッシング、支払い、返済など、その金融機関に関連する現金の出し入れを行なうことができる。現金の払い出しのみが可能な機器は「キャッシュディスペンサー」(CD：Cash Dispenser)と呼ばれるが、これを含めて現金自動預払機と総称されることもある。

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。

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。

単にバックアップといった場合は、データの破損や損失に備えてデータの写しを取って保管する「データバックアップ」のことを指す場合が多い。データをコピーする作業や工程のことをバックアップという場合と、作成されたデータの複製(を記録した装置など)のことをバックアップという場合がある。

コンピュータの記憶装置に保存されたデータを別の装置や記憶媒体へ複製して別に保管するもので、機器の故障や破損、人為ミス、不正行為などによってデータの消失や改変などが起こった場合に、複製した時点のデータに復旧させることができる。

また、「バックアップ回線」「バックアップサーバ」などのように、通常時に使用している機器などが何らかの原因で正常に稼働できなくなった時に、その機能を肩代わりするための機器や設備、施設などのことをバックアップということもある。

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。