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【図解】共通鍵暗号方式と公開鍵暗号方式の仕組み･特徴インターネットの世界では色々な情報を瞬時に検索可能実際に店舗に行かずにオンラインショッピングが可能インターネットに繋がっている端末さえ保有していれば誰とでも通信可能という大きなメ...

電子署名の仮想通貨（暗号資産）取引での使われ方

仮想通貨（暗号資産）取引では「電子署名」はどのようにして応用されるのでしょうか。

AさんのビットコインアドレスからBさんのビットコインアドレス宛にBTC（ビットコイン）を送信する際は

取引情報の生成
取引情報をAさんの秘密鍵を使い電子署名（暗号化）
P2P・ネットワークに取引情報を送信
取引情報の復号化（検証）

という流れになります。

ビットコインアドレスとは、銀行取引でいう銀行口座にあたります

取引情報の生成

Aさん自身が、「AさんのビットコインアドレスからBさんのビットコインアドレスへ1BTC」という取引情報を生成します。

電子署名

Aさんは、Aさんが生成した取引情報をAさんの秘密鍵を使い電子署名（暗号化）します。

Aさんが、取引情報を電子署名（暗号化）する事で、この取引がAさんの取引である事を証明します。（所有の確認）

取引情報のP2P・ネットワークへの送信

P2P・ネットワークに「AさんのビットコインアドレスからBさんのビットコインアドレスへ1BTC」という取引情報を送信・公開します。

P2P・ネットワークとは、複数の端末間で通信を行う際のコンピュータのネットワーク・アーキテクチャの一つです。

P2Pに関して詳しく知りたい方はこちら

【初心者向け】P2Pとは？P2P通信の仕組みと種類

【初心者向け】P2Pとは？P2P通信の仕組みと種類 P2P（ピートゥーピー）とは、Peer - to（2）- peer（ピア・ツー・ピア）（以下、P2Pと呼ぶ）を略した用語です。 peer（ピア）は英単語で、（年齢・地位・能力などが）同等の...

取引情報の検証

Aさんは、P2P・ネットワークに取引情報に加えて、公開鍵を送信・公開して、Aさんの取引情報の復号化（検証）をP2P・ネットワークに参加しているユーザに実施してもらいます。

Aさんの取引情報を復号化（検証）出来るのは、Aさんの持つ秘密鍵とペアで生成された公開鍵だけです。

つまり、P2P・ネットワークによって行われる復号化（検証）によって

秘密鍵で電子署名（暗号化）された取引情報
公開鍵で復号化（検証）した取引情報

の一致が検証出来れば、この取引情報を送ったのはAさんであるということになります。

本人が送信者なのか
取引情報が途中で改竄されていないか

を証明するために電子署名が利用されているのです。

復号化（検証）の結果、取引に問題がなくAさんの電子署名（暗号化）だと証明されれば、その取引情報はP2P・ネットワークに保管されます。

以上、電子署名の

仕組み
仮想通貨（暗号資産）取引での使われ方

の説明になります。

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SSLとは？SSLについて図解でわかりやすく解説します

admin — Thu, 19 Sep 2019 16:19:41 +0000

SSLとは？SSLについて図解でわかりやすく解説します

総務省「2018年通信利用動向調査」によると

メール利用・・・80.2％
SNS利用・・・54.7％
商品・サービスの購入・・・49.1％

の利用目的でインターネットが利用されています。

インターネット通信は、インターネットに接続出来る環境さえあれば、利用可能で便利ですが、悪意ある第三者により通信の中身を盗聴される等々のインターネットセキュリティリスクもあります。

この記事では、

インターネット通信のセキュリティリスク
インターネット通信を暗号化するSSL通信

それぞれについて説明していきます。

インターネット通信のセキュリティリスク

インターネットへのアクセスの際、

Google Chrome
Safari
Internet Explorer 等々

のWebブラウザを利用して

情報の検索
商品・サービスの購入
Webメールの送受信

を行っています。

この、

Webブラウザ（クライアント）
Webサーバ（サーバ）

両者間でのインターネット通信は、HTTP（HyperText Transfer Protocol）という仕組み（プロトコル）で通信が行われており、HTTPの仕組みには、インターネット・セキュリティリスクである

なりすまし
改竄（かいざん）
盗聴

を防止する機能がありません。

インターネットの利用は物理的・時間的コストが省かれるという大きなメリットがある一方で、インターネットに繋がる機能さえ備えていれば、誰でも

オンラインショッピングで登録する際の個人情報
ネット銀行で口座開設の際の個人情報
ネット証券で取引する際の個人資産等々

を不正に取得・利用出来るというインターネット・セキュリティリスクがある為、個人情報流出等々のセキュリティ面での不安があります。

そこで、インターネット・セキュリティリスクの被害を受けないために、

クライアント・サーバ間
ユーザー間

での通信を暗号化する事で必要になってきます。

セキュリティリスク

具体的なインターネット通信セキュリティリスクには、

なりすまし
改竄（かいざん）
盗聴
事後否認

が列挙されます。

なりすまし

「フィッシング詐欺」と呼ばれる不正行為を聞いた事はありませんか。

「フィッシング詐欺」とは、

有名な金融会社
Amazon、楽天等々のECサイト

を装い、電子メールをユーザに送り付け、正規サイトと変わらない質の偽物Webサイトに誘導し

電話番号、住所
クレジットカード番号等々

の個人情報を不正に入手しようとする詐欺のことを指します。

他人の業者に装い、様々な不正行為を行うことを「なりすまし」といいます。

「なりすまし」の一つである「フィッシング詐欺」は、情報送信者が「本物」と同様のURLを使用している事が多く、「本物」かどうかを見極める事は非常に難しいです。

URLとはUniform Resource Locatorの略で、Webサイトが設置されている住所のようなものです。

URLはWebブラウザの上部に設置されています。

改竄

例えば、B社の社員が、仕入先へ「A商品をB社に5個送ってください」という発注書のメールを出すとします。

このメールの送信の際に、悪意ある第三者によって内容が途中で書き換えられ、「A商品をC社に5個送ってください」と改竄されていても、仕入先は、何も疑うことなくC社に商品を送ってしまう可能性があります。

盗聴

メーラー
Webブラウザ等々

を使ったインターネット通信は多くのサーバーを経由し、様々な通信経路を辿って届けられます。

その為、インターネット通信に関してある程度の技術をもった人であれば、誰にも知られずインターネット通信の中身を覗き見ることが可能です。

事後否認

「事後否認」とは、インターネット通信の当事者が、

情報をやりとりした事実を否定
内容が改竄されていると主張

することを言います。

セキュリティリスク対策

インターネット通信のセキュリティリスク対策に一番大事なのは、インターネット通信のセキュリティに関する意識を高める事です。

インターネット通信のセキュリティに関する意識というのは、インターネット被害を経験しないと高まるものではありませんが、

個人情報の流出
ウイルス感染
サイバー攻撃の標的
ランサムウェアによる被害
なりすましの被害等々

にあってからセキュリティリスク対策するようでは遅きに失します。

被害に遭う前に、個人でも出来る

セキュリティソフトの利用
通信相手が「なりすまし」ではないかチェック

のセキュリティリスク対策を講じることが大事になります。

インターネット通信を暗号化するSSL通信

インターネット・セキュリティ・リスク対策をしないまま、インターネット上で

メールのやりとり
オンラインショッピングサイトへの会員登録

をした場合、悪意ある第三者により通信の中身を盗聴される可能性もあります。

それらを防止するためには、

Webブラウザ（クライアント）
Webサーバ（サーバ）

両者間の通信をSSL通信というインターネット通信を暗号化して送受信する仕組み（プロトコル）を利用する事で、悪意ある第三者からの盗聴を防ぐ事が出来ます。

SSLとは「Secure Socket Layer（安全ソケット層）」の略で、

WebブラウザとWebサーバ
メーラーとメールサーバ等々

のインターネット上での通信を暗号化して送受信する仕組み（プロトコル）です

SSL通信の特徴として

通信内容の暗号化
通信対象の真正性
改竄検知

これらの機能があります。

通信内容の暗号化

「通信内容の暗号化」は、インターネット通信リスクの「盗聴」を回避する機能です。

Amazon、楽天等々のECサイトでのオンラインショッピング
メーラーからのメール送受信等々

の際に、

Webブラウザ（クライアント）➡︎ Webサーバ
メーラー（クライアント）➡︎ メールサーバ

クライアント・サーバ間で通信データをやりとりします。

この通信データを第三者が「盗聴」しても内容が分からないようにする為、通信データを暗号化する必要があります。

暗号化通信が行われるWebサイトの確認は、以下の方法があります。

・URL欄の鍵マークの有無

出典:Google

・URLが「http://〜」ではなく、「https://〜」で表示

通信対象の真正性

「通信対象の真正性」は、インターネット通信リスクの「なりすまし」を回避する機能です。

暗号化通信により、通信内容はクライアント・サーバ以外の第三者には解読出来ません。

しかし、暗号化通信が正しく行われていても、第三者に情報が洩れる場合があります。

そのひとつが、インターネット通信リスクの「なりすまし」です。

正規サイトを装っている「フィッシング詐欺」サイトを正規サイトだと思い込み、個人情報を送信してしまい、意図していない相手に渡すことによって個人情報が第三者に漏洩してしてしまいます。

そこで、SSLサーバ証明書に含まれる所有者情報を利用して「通信対象の真正性」を確認します。

SSL通信は、SSLサーバ証明書によって「通信対象の真正性」を担保しています。

SSL証明書の内容

SSL証明書の中身は、

公開鍵の情報
コモンネーム
公開鍵の所有者情報
所有者を証明した認証局の情報
証明書の有効期限
証明書のシリアル番号
証明書の失効リスト参照先等々

これらの情報が含まれています。

公開鍵に関する記事はこちら

コモンネーム・・・電子証明書に記載された所有者情報です。

認証局・・・SSL証明書の発行は、認証局（CA : Certification Authority）と呼ばれる第三者機関によって審査・認証されます。

以下、代表的な認証局を列挙します。

	運営会社	設立日	資本金
Digicert	デジサート・ジャパン合同会社	1996年2月	1億円
GeoTrust	デジサート・ジャパン合同会社	1996年2月	1億円
Cybertrust	サイバートラスト株式会社	2000年6月	5億4,016万円
GlobalSign	GMO グローバルサイン株式会社	2003年4月	3億5,664万円
comodo	株式会社コモドジャパン	2008年2月	1,000万円

実際のSSL証明書の確認

URL欄の鍵マークをクリックすると、SSL証明書の詳細を見ることができます。

URL・・・Uniform Resource Locatorの略で、Webサイトが設置されている住所のようなもの。

URLはWebブラウザの上部に設置されています。

URL欄の鍵マークをクリック後、「Certificate（Valid） : 証明書（有効）」の部分をクリックします。

SSL証明書の中には、

申請者
発行者
公開鍵情報等々

これらの情報が記載されています。

SSL証明書発行の仕組み

SSL証明書発行の流れは

Webサイト運営組織による秘密鍵の生成
Webサイト運営組織による秘密鍵を使ったCSRの生成
Webサイト運営組織から認証局へSSLサーバー証明書の発行申請
認証局によるWebサイト運営組織の審査
認証局からWebサイト運営組織へSSLサーバー証明書の発行

という流れになります。

秘密鍵の生成

秘密鍵はサーバ内で乱数を使って生成します。

秘密鍵は

認証局で保管するものではない
一度失くしてしまうと再発行が出来ない
再作成も出来ない

その為、取扱いに十分注意する必要があります。

秘密鍵に関する記事はこちら

CSRの生成

秘密鍵を用いてCSRを生成します。

CSRとは「Certificate Signing Request」の略で、SSL証明書発行に必要なテキストデータです。

秘密鍵作成時に生成するデータで、

公開鍵
コモンネーム（FQDN）
組織名等々

が含まれています。

SSL通信が行われる際、

SSL証明書のコモンネーム
サーバに設定されているFQDN

が一致しているか比較します。

一致している場合に限り、SSL通信を開始することができます。

FQDN・・・Fully Qualified Domain Name の略。

SSLサーバ証明書の申請

SSL証明書の発行の為、秘密鍵を用いて生成したCSRを認証局に提出・発行申請します。

認証局審査

認証局は

提供されたCSR
申し込み情報

を元に内容を精査してSSL証明書を発行します。

SSL証明書・認証レベル

SSL証明書は、認証レベルにより

ドメイン認証
企業認証
EV認証

の三つに分けられます。

	DV	OV	EV
名称	Domain Validation	Organization Validation	Extended Validation
認証型	ドメイン認証型	企業認証型	EV認証型
証明事項	・ドメイン所有権	・ドメイン所有権・運営元の法的実在性	・ドメイン所有権・運営元の法的実在性・企業の所在地認証
対象	・個人・法人	・法人	・法人
暗号化通信	◯	◯	◯
ドメイン名の所有権確認	◯	◯	◯
組織の実在性確認	✖️	◯	◯
フィッシング詐欺対策	✖️	◯	◯
認証レベル	最低位	中位	最高位
最適サイト例	・個人事業主のサイト・ブログ	・ECサイト・ログイン型の会員制サイト	・ECサイト・インターネット銀行・インターネット証券・仮想通貨取引所

SSL証明書の発行

認証局による認証審査後、Webサイト運営組織に対してSSL証明書が発行されます。

改竄検知

「改竄検知」は、インターネット通信リスクの「改竄」を回避する機能です。

具体的には、送信者は

データ本文を共通鍵を使ってMAC値を作成
MAC値・・・Message Authentication Code の略
MAC値をハッシュ関数によってハッシュ値に変換
ハッシュ値を送付

受信者は、送信者から送付されたハッシュ値を共通鍵を利用してMAC値を計算します。

受信者が計算したMAC値
送信者から送られてきたMAC値

これらの値が一致していれば、データ本文は改竄されていないと見なされます。

共通鍵に関する記事はこちら

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SSL通信の仕組み

SSL通信は、

共通鍵暗号方式
公開鍵暗号方式

2つの暗号方式を組み合わせて安全な接続を確立します。

共通鍵暗号方式と公開鍵暗号方式に関する記事はこちら

1バイトは何ビット？16進数から10進数・2進数に変換

SSL通信リクエスト

Webブラウザ
メーラー等々

のクライアントからサーバに対して、SSL通信の接続リクエストを行います。

SSLサーバ証明書・秘密鍵・公開鍵

サーバ側では、クライアントからのSSL通信の接続リクエストに備えて

SSLサーバ証明書
秘密鍵
公開鍵

が用意されています。

SSLサーバ証明書・公開鍵の送付

サーバからクライアントへ

SSLサーバ証明書
公開鍵

を送付します。

共通鍵の生成

クライアントは、

受け取ったSSLサーバー証明書のルート証明書
Webブラウザに登録されているルート証明書

を照合します。

安全なWebサイトであることが確認できたら、クライアントは共通鍵を生成します。

共通鍵を暗号化

公開鍵を使って共通鍵を暗号化し、サーバに送付します。

共通鍵を復号化

秘密鍵を使って共通鍵を復号化し、SSL通信接続を確立します。

SSL通信の確立

SSL通信では、

共通鍵を公開鍵暗号方式によって受渡し
共通鍵暗号方式で暗号通信

という流れが、SSL通信での接続確立になります。

以上が、

インターネット通信のセキュリティリスク
インターネット通信を暗号化するSSL通信

それぞれの説明になります。

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【図解】共通鍵暗号方式と公開鍵暗号方式の仕組み･特徴

admin — Sun, 15 Sep 2019 05:27:40 +0000

【図解】共通鍵暗号方式と公開鍵暗号方式の仕組み･特徴

インターネットの世界では

色々な情報を瞬時に検索可能
実際に店舗に行かずにオンラインショッピングが可能
インターネットに繋がっている端末さえ保有していれば誰とでも通信可能

という大きなメリットがある一方、悪意ある第三者によって

メールのやりとり
オンラインショッピングでの会員登録情報等々

の通信の中身を盗聴、悪用の被害を受ける可能性もあります。

悪意ある第三者からの盗聴を防ぐセキュリティ対策の一つとして、インターネット上での情報（データ）の送受信を暗号化することが挙げられます。

この記事では、情報（データ）を暗号化する技術の代表格である

共通鍵暗号方式
公開鍵暗号方式

それぞれの仕組み・特徴についてを図解で説明します。

説明後は、共通鍵暗号方式・公開鍵暗号方式の違いを比較します。

共通鍵暗号方式
1. 共通鍵暗号方式の仕組み
2. 共通鍵暗号方式の特徴
公開鍵暗号方式
1. 公開鍵暗号方式の仕組み
2. 公開鍵暗号方式の特徴
共通鍵暗号方式・公開鍵暗号方式の比較

共通鍵暗号方式

共通鍵暗号方式の「共通鍵」
公開鍵暗号方式の
- 公開鍵
- 秘密鍵

と「鍵」という単語が頻出しますが、暗号化・復号化する為の手段としての「鍵」という意味であり、インターネット上で、実際に物理的（有形）な「鍵」をやり取りする訳ではありません。

実際の「鍵」の正体は、「鍵」のような役割を果たす無形資産（データ）です。

暗号化・・・第三者が通信文を見ても特別な知識なしでは読めないように変換するセキュア通信の手法

復号化・・・デジタルデータを特定の方法で、元の通信文・データに戻す変換を加えること

共通鍵暗号方式の仕組み

クライアント・サーバ・モデルを例にして、共通鍵暗号方式の一連の流れを見ていきます。

クライアント（Webブラウザ）（以下：送信者）から、Webサーバ（以下：受信者）へ通信内容を平文で送信した場合、悪意あるユーザにより通信内容を盗聴されてしまう可能性があります。

そこで、「共通鍵」を使用して通信内容を平文から>暗号文に変換します。

つまり、「共通鍵」が暗号化の手法になります。

共通鍵暗号方式の特徴は

平文 -> 暗号文の変換（暗号化）に「共通鍵」が使用
暗号文 -> 平文の変換（復号化）に「共通鍵」が使用

暗号化にも復号化にも「共通鍵」が使用されるという点です。

悪意あるユーザに通信内容を盗聴されない為に、送信者は「共通鍵」を使って、平文を暗号文に暗号化しましたが、受信者は、「共通鍵」を送信者から受け取れないと、暗号文を平文に復号化出来ません。

つまり、送信者は

暗号化した通信内容
「共通鍵」

両方を受信者に送る必要があります。

ここで、悪意あるユーザが「共通鍵」を入手出来れば、暗号文を平文に復号化する事が出来るため、通信内容は読み取られてしまいます。

共通鍵暗号方式の特徴

共通鍵暗号方式の特徴は

暗号化と復号化に共通の鍵を用いる暗号方式
共通の鍵を用いるため、計算ロジックが簡単・計算負荷が低い
「共通鍵」の受け渡しを工夫しないと、「共通鍵」が傍受され悪用される可能性がある = 鍵配送問題

共通鍵暗号方式で使用する暗号アルゴリズムには

RC4
DES
AES 等々

があります。

現在主流の暗号アルゴリズムは「AES」です。

アルゴリズムとは

数学
コンピューティング
言語学
あるいは関連する分野

において、問題を解くための手順を定式化した形で表現したものです。

このアルゴリズムの説明を見ると少し難しそうですが、アルゴリズムを分かりやすく説明する為に例を出します。

上記の文字列は、僕が即席で作った暗号文です。

このままだと意味のある文章になっていません。

この文字列を平文にする為には、暗号文に書かれているアルファベットをアルファベット順で１つ前のアルファベットに置換します。

すると、理解出来る文章に変わりました。

つまり、「アルファベット順で１つ前のアルファベットに置換する」という法則・規則（アルゴリズム）を利用して平文を暗号文に変換したのです。

	RC4	DES	AES
公式名称	Rivest Cipher 4	Data Encryption Standard	Advanced Encryption Standard
開発者	Ronald Linn Rivest (ロナルド・リベスト)	IBM	・Joan Daemen (ホァン・ダーメン) ・Vincent Rijmen (フィンセント・ライメン)
暗号	ストリーム暗号	ブロック暗号	ブロック暗号
鍵長	40 – 2048 ビット	56 ビット	128,192,256 ビット
	・既に解読法が開示・非推奨	・アメリカの旧国家暗号規格	・DESに代わる新標準暗号

	ストリーム暗号	ブロック暗号
内容	平文をビット単位あるいはバイト単位などで逐次、暗号化する暗号	固定長のデータ（ブロックと呼ぶ）を単位として処理する暗号

ビット・バイトに関する記事はこちら

1バイトは何ビット？16進数から10進数・2進数に変換私たちが生活している世界では10進数が利用される事が多く、2進数にあまり馴染みがありません。しかし、今や生活に欠かす事の出来ないコンピュータは2進数を利用しています。人間の世界・・...

公開鍵暗号方式

公開鍵暗号方式の仕組み

公開鍵暗号方式では、

公開鍵
秘密鍵

二つの鍵が使われ、それぞれの特徴は

公開鍵・・・
- 秘密鍵でしか開錠出来ない錠みたいなもの
- 秘密鍵により複数作成可能
秘密鍵・・・
- 公開鍵を作成出来る鍵みたいなもの
- 公開鍵を開錠出来る唯一の手段

になります。

クライアント・サーバ・モデルを例にして、公開鍵暗号方式の一連の流れを見ていきます。

送信者が受信者に通信リクエストを送信します。

通信リクエストを受けた受信者が秘密鍵を利用して公開鍵を生成します。

受信者が生成した公開鍵を送信者に送ります。

送信者は公開鍵を使用して平文を暗号文に暗号化します。

公開鍵暗号方式は

平文 -> 暗号文の変換（暗号化）に「公開鍵」
暗号文 -> 平文の変換（復号化）に「秘密鍵」

という方式ですので、共通鍵暗号方式の様に公開鍵を受信者に送る必要がありません。

ここで、悪意あるユーザが公開鍵を入手したとしても、公開鍵では暗号文を平文に変換（復号化）出来ない為、通信内容を読み取られる事はありません。

受信者は送信者から送られてきた暗号文の通信内容を秘密鍵を使って平文に変換（復号化）します。

公開鍵暗号方式では、送受信者間での暗号文を平文に変換する「鍵」のやりとりはありませんが、受信者が秘密鍵を失くすと暗号文を平文に変換（復号化）する事は出来ません。

公開鍵暗号方式の特徴

公開鍵暗号方式の特徴は

暗号化・復号化に別個の鍵を用いて暗号化のための鍵を公開できるようにした暗号方式
共通鍵暗号方式の鍵配送問題を解決すべく開発された暗号方式

になります。

また、公開鍵暗号方式で使用する暗号アルゴリズムには

DH
RSA
ECC 等々

があります。

	DH	RSA	ECC
公式名称	Diffie-Hellman key exchange	Rivest Shamir Adleman	Elliptic Curve Cryptography (楕円曲線暗号)
開発者	・Martin Edward Hellman (マーティン・ヘルマン) ・Bailey Whitfield Diffie (ホイットフィールド・ディフィー)	・Ronald Linn Rivest (ロナルド・リベスト) ・Adi Shamir (アディ・シャミア) ・Leonard Max Adleman (レオナルド・エーデルマン)	・Victor Miller (ビクタ・ミラー ) ・Neal Koblitz (ニール・コブリッツ)
	・処理負荷が掛かる	・桁数が大きい合成数の素因数分解問題が困難であることを安全性の根拠・暗号とデジタル署名を実現できる方式	・楕円曲線を利用した暗号方式の総称

共通鍵暗号方式・公開鍵暗号方式の比較

共通鍵暗号方式・公開鍵暗号方式それぞれの方式を

暗号化アルゴリズム
使用する暗号鍵
データ処理時間
鍵の授受

の観点から比較してみます。

	共通鍵暗号方式	公開鍵暗号方式
暗号化アルゴリズム	・RC4 ・DES ・AES	・DH ・RSA ・ECC
使用する暗号鍵	共通鍵	・公開鍵・秘密鍵
データ処理時間	速い	遅い
鍵の授受	第三者に傍受されずに共通鍵を安全に交換する必要あり = 鍵配送問題	公開鍵を一般に公開しても問題なし

以上が、

共通鍵暗号方式
公開鍵暗号方式
共通鍵暗号方式・公開鍵暗号方式の比較

についての解説になります。

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【図解】コンピュータの仕組み・構成と五大装置

admin — Sat, 18 May 2019 15:54:49 +0000

【図解】コンピュータの仕組み・構成と五大装置

現代の生活の中で、欠かす事が出来ないコンピュータ。

皆さんも

スマート・フォン
ノート型・パソコン（パーソナルコンピュータ）
ラップトップ型・パソコン（パーソナルコンピュータ）

という形でコンピュータを使われていると思います。

この記事では、そのコンピュータの仕組み構成を

ハードウェアの面（五大装置）
ソフトウェアの面

それぞれに分けて説明していきます。

コンピュータのハードウェア
コンピュータのソフトウェア

コンピュータのハードウェア

コンピュータを構成するハードウェアは五大装置から構成されています。

ハードウェア（Hard ware）・・・

コンピュータを構成する機器の総称
プログラム（命令・データの集まり）等のソフトウェアと対になる概念
ソフトウェアであるプログラムの命令を順番に取り出し実行する役割

ハードウェアの五大装置は

入力装置
記憶装置
演算装置
制御装置
出力装置

になります。

入力装置

入力装置は、ユーザからの入力を受け付ける装置です。

キーボード
マウス

が入力装置にあたります。

記憶装置

記憶装置は、

キーボード
マウス

から入力されたデータを記憶する装置です。

メモリ（主記憶装置）や

HDD（Hard Disk Drive）
SSD（Solid State Drive）

の補助記憶装置が記憶装置にあたります。

メモリ（主記憶装置）に関する記事はこちら

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記憶装置とは？記憶装置の種類を分かりやすく説明コンピュータは複雑な処理を出来るデジタル装置に見えますが、コンピュータ内部の動作自体は単純作業の繰り返しです。保存してあるプログラム内の命令・データをメモリからCPUに読込 CPUがプログラ...

演算装置

コンピュータの心臓部を構成するのは、中央処理装置（CPU：Central Processing Unit）です。

演算装置は、半導体素子を高密度に集めた集積回路の組み合わせです。

集積回路とは

集積回路とは？集積回路の仕組み・役割と種類

集積回路とは？集積回路の仕組み・役割と種類集積回路という言葉は知らなくても、ICチップという単語を聞いた事がある方は多いと思います。まさに、そのICチップが集積回路【IC（Integrated Circuit）】なのです。 ICチップは...

演算装置は、記憶装置に保存されたデータを演算する装置です。

CPU内部に演算装置が含まれています。

CPUに関する記事はこちら

CPUの仕組みとCPU構造・動作原理を図解で説明 CPU【Central Processing Unit】（以降、CPUと呼ぶ）は中央処理装置と呼ばれ、プログラムを解釈・実行してコンピュータ全体の動作を制御しています。コンピュータの中央処...

制御装置

制御装置は、ハードウェアの各装置を制御する装置です。

CPU内部に制御装置が含まれています。

出力装置

出力装置は、演算された結果のデータをユーザに対して出力する装置です。

ディスプレイ
プリンタ等々

が出力装置にあたります。

コンピュータのソフトウェア

ソフトウェアとは、ハードウェアを働かすためのプログラムの総称です。

プログラムとは

データ
命令

の集合体です。

プログラムは，CPUが

解釈
処理

します。

パーソナル・コンピュータの場合，プログラムの種類は役割に応じて

BIOS
OS
アプリケーション等々

に分類することが出来ます。

出典:www.net.itc.nagoya-u.ac.jp.

BIOS

BIOS（バイオス）・・・Basic Input Output System（基本入出力システム）の略で、パーソナル・コンピュータに接続されたハードウェアを制御するためのソフトウェアです。

BIOSは，

ROM（Read Only Memory）に記録
予めパーソナル・コンピュータの内部に装備

されたプログラムです。

ROM（Read Only Memory）・・・

読み取り専用
媒体製造時にデータを記憶
不揮発性（電気供給を断ってもデータが失われない）

という特養を持っています。

パーソナル・コンピュータの

電源投入直後
リセット直後

には，BIOSのプログラムが最初に実行されます。

CPUは，最初に特定のアドレスに記録されたプログラムを実行するようになっており，そのアドレスにBIOSが配置されています。

BIOSとデバイスドライバの違いは、

デバイスドライバ・・・コンピュータ本体と周辺装置である

キーボード
ディスプレイ
コンピュータ・マウス
プリンタ等々

を動かし、制御するソフトウェアであり、BIOS・デバイスドライバ両方共、ハードウェアを制御するためのプログラムです。

両者の決定的な違いは、プログラムの始動タイミングです。

	BIOS	デバイスドライバ
プログラム始動タイミング	電源投入直後	OS起動後
特徴	基本的な製品に対してのソフトウェア	製品やOSの種類に合わせたソフトウェア

OS

OS・・・Operating System（基本ソフトウエア）の略で、OSには

Windows
MacOS
Unix（Linux，FreeBSD，Solaris 等々）

があります。

OSの管理対象リソースは

ファイルシステム・・・記憶装置に記録されているデータ管理
ネットワーク・・・コンピュータに内蔵されているネットワークカードに、IPアドレス等を割り当て
セキュリティ・・・コンピュータ上で実行されているプログラム宛に送られてきたリクエストを
- 受けるか
- 無視すべきか
を判断し必要な処理を行う
グラフィカルユーザインタフェース（GUI）・・・出力装置の仕様を判断し、内蔵されているグラフィックカードのためのドライバを使用して、GUI>環境を表示させます

グラフィカルユーザインタフェース（GUI : Graphical User Interface)・・・コンピューターの操作の対象が絵で表現されるユーザーインターフェース

OSの主な役割は

プロセス管理
記憶管理
入出力装置管理
ファイル管理
APIの提供

があります。

OSの役割に関する記事はこちら

【図解】パソコンのOSとは？OSの仕組み･役割を解説

【図解】パソコンのOSとは？OSの仕組み･役割を解説 OS（Operating System）とは、コンピュータの操作運用運転を司る基本ソフトウェアです。 OSはユーザーやアプリケーションプログラムとハードウェアの中間に位置ユー...

アプリケーション

アプリケーション（応用ソフトウェア）とは、OS上で動作するプログラムの事です。

出典:www.net.itc.nagoya-u.ac.jp.

アプリケーションを作成するプログラマは、アプリケーションからハードウェアを用いる場合，直接ハードウェアを制御する必要は無く、OSのデバイス・ドライバを通してハードウェアを利用出来ます。

以上、コンピュータの

ハードウェアの面（五大装置）
ソフトウェアの面

それぞれ仕組み・構成についての説明になります。

投稿【図解】コンピュータの仕組み・構成と五大装置は Archive of Yone に最初に表示されました。

【図解】パソコンのOSとは？OSの仕組み･役割を解説

admin — Sat, 18 May 2019 13:17:11 +0000

【図解】パソコンのOSとは？OSの仕組み･役割を解説

OS（Operating System）とは、コンピュータの

操作
運用
運転

を司る基本ソフトウェアです。

OSは

ユーザーやアプリケーションプログラムとハードウェアの中間に位置
ユーザーやアプリケーションプログラムに対して標準的なインターフェースを提供
ハードウェアなどの各リソースに対して効率的な管理

を行います。

この記事ではOSの役割について解説していきます。

OSの役割

OSの役割

OSの主な役割には

プロセス管理
記憶管理
入出力装置管理
ファイル管理
APIの提供

があります。

プロセス管理

プロセス（Process：手順）とは、ユーザが与えた仕事（ジョブ：Job）をする為の一連の操作系列を実行する事を指します。

プロセスはタスク（task）とも呼ばれます。

一般的にプロセスは実行中のプログラムと解釈されます。

タスク（プロセス）の状態

タスク（プロセス）は、生成されてから消滅するまでに三つの状態の間を遷移します。

実行状態・・・CPUを使用し実行中の状態
実行可能状態・・・タスク（プロセス）は実行可能だが、他の（優先順位の高い）タスク（プロセス）が実行中のため待機している状態
待ち状態・・・入出力待ち等によりCPUの使用権を与えられても使用できない待ちの状態

記憶管理

プログラムをCPUが実行する為には、プログラムにある

命令
データ

をCPUがすぐに取り出せる場所に置いておく必要があります。

そのすぐに取り出せる場所がメモリになります。

OSとCPUは相互に連携してメモリを効率よく管理するために様々な方式を利用しています。

実記憶管理・・・明示的にプログラムをHDD・SSDへの追い出しを行う管理方式
仮想記憶管理・・・OSがプログラムのうち使用頻度が低い部分を自動的にHDD・SSDに追い出す管理方式
- OSがアクセスしたアドレスをメモリに配置
- 残りをHDD・SSDに配置

実記憶管理

プログラムをCPUが実行するためには、HDD・SSDに格納されているプログラムをメモリに読み込む必要があります。

実記憶管理では、メモリにあるプログラムを効率的に配置し、メモリを有効に利用します。

実記憶管理には、

固定区画方式
可変区画方式
スワッピング方式
オーバーレイ方式

があります。

固定区画方式

メモリの容量を予め一定の大きさの区画に分け、その領域にプログラムを読み込む方法を指します。

プログラムの読み込み後、区画上に残っている空き領域は使用されません。

単一区画方式

単一区画方式では、メモリを一つの区画とし、この区画にプログラムを読み込見ます。

メモリ上には、一つのプログラムしか存在しません。

多重区画方式

多重区画方式は、メモリを一定の大きさの区画に分割し、区画ごとにプログラムを読み込む方式です。

この方式では、区画よりも大きなサイズのプログラムを読み込んで実行することは出来ません。

可変区画方式

プログラムの大きさに応じて、メモリ上の区画の大きさを変えることで、メモリを有効に利用する方式です。

可変区画方式では、プログラムの必要とするサイズがそれぞれ異なるため、様々なプログラムの実行や終了などを繰り返すことで、メモリ上の空き領域がさまざまな領域に散在してしまいます。

合計のメモリ空き容量が十分な大きさにもかかわらず、プログラムをメモリ上に読み込めなくなってしまうことがあります。

この状態をフラグメンテーション（断片化）と呼びます。

フラグメンテーションが起こると

プログラムを読み込めなくなり
メモリ上のプログラムを再配置
メモリの空き領域を集め
一つの大きな空き領域を創造

このメモリの空き領域の再配置をコンパクション（Compaction：圧縮）と言います。

スワッピング方式

スワッピング方式は、

複数プログラムの実行中を想定
実行待ちなどのプログラムをHDD・SSDに追い出す

という方式になります。

オーバーレイ方式

オーバーレイ方式は

一つのプログラムを分割してHDD・SSDに追い出すことを想定
プログラムの一部（セグメント）は管理部として必ず残す

という方式になります。

仮想記憶管理

CPUで処理されるプログラムのデータや命令は，メモリに準備され格納されている必要があります。

つまり、メモリの容量が不足すると、プログラムの実行は出来ません。

その問題を解決するのが，仮想記憶管理という仕組みです。

仮想記憶管理により、コンピュータに搭載されているメモリ容量よりも大きなメモリ空間が提供され、物理的なメモリの量を超えて

プログラムを複数起動
大きなデータファイルを扱える

事が出来ます。

実際の仮想記憶管理は，

メモリ
HDD・SSD

のハードウェアから成り立っています。

仮想記憶管理を使うことで、

物理メモリ空間・・・実装されているメモリ全体が扱う空間
仮想アドレス空間・・・プログラムが扱う空間

と分離が可能です。

OSが持つ仮想記憶管理機能は、メモリ管理ユニット（Memory Management Unit：MMU）が管理しています。

メモリ管理ユニット（Memory Management Unit：MMU）ではCPUの要求するメモリアクセスを処理しており、主な機能には、

仮想アドレスを物理アドレスに変換する機能（仮想記憶管理機能）
メモリ保護機能
キャッシュ制御機能
バス調停機能等々

があります。

特に、この仮想アドレスを物理アドレスに変換を行うCPU内部のハードウェアを「動的アドレス変換機構（DAT：Dynamic Address Translation）」と言います。

仮想記憶管理の具体的な仕組みを、アプリケーションAというプログラムの実行を例に取って説明します。

前提条件として、物理メモリ空間のメモリ上ではアプリケーションAというプログラム以外にも複数のプログラムがプロセス中だとします。

アプリケーションAのプロセス実行
アプリケーションAのプロセス実行により物理メモリ空間のメモリの容量を使い果たす
OSの仮想記憶管理により物理メモリ空間のメモリの中で、アプリケーションAを
- CPUに使用されていない部分 -> 補助記憶装置（HDD・SSD）に移動・保存
- CPUに使用されている部分 -> メモリに保存
とそれぞれに分割
物理メモリ空間のメモリに未使用領域を確保

プログラム（アプリケーション）はブロックに分割されています。

各ブロックは，

物理メモリ空間のメモリ
補助記憶装置（HDD・SSD）

どちらかにあります。

各ブロックが

物理メモリ空間のメモリ
補助記憶装置（HDD・SSD）

のどちらに存在するかの対応付けを行うのが「変換テーブル」になります。

「変換テーブル」によって，各ブロックごとに

フラグビットでは、そのブロックが
- 物理メモリ空間のメモリ
- 補助記憶装置（HDD・SSD）
どちらにあるのかを区別
実際のブロック・アドレスでは、
- 物理メモリ空間のメモリのアドレス（物理アドレス）
- 補助記憶装置（HDD・SSD）上のアドレス
を記録

このように認識されており、「変換テーブル」によって，仮想アドレス空間のブロックが実際にどこにあるかが分かります。

仮想記憶管理には大きく分けて

ページング方式
セグメント方式

の二種類があります。

ページング方式とセグメント方式の違いを一冊の本で例えると

ページング方式・・・文字通り「ページ」、固定長
セグメント方式・・・「章」，不定長（一章のページ数は章によって様々）

になります。

ページング方式

ページング方式とは、プログラムをページと呼ばれる固定長に区切り、仮想アドレス空間を使い、

物理メモリ空間のメモリ
補助記憶装置（HDD・SSD）

に効率的に配置する方式です。

ページング方式では実際に、プログラムを 1 ～ 4 Kの固定長の大きさのページに分割しています。

CPUの各命令・実行ごとに「動的アドレス変換機構（DAT：Dynamic Address Translation）」が「変換テーブル」にアクセスし、仮想アドレス空間の仮想アドレスから

物理アドレス
補助記憶装置（HDD・SSD）上のアドレス

を導き出します。

ページフォルト（物理メモリ空間のメモリ上に必要なページが存在しない）が発生した場合、

ページイン・・・必要なページを物理メモリ空間のメモリへ転送
ページアウト・・・物理メモリ空間のメモリ上で最も使用頻度の低いページから順に補助記憶装置に転送

ページの入れ替えをします。

セグメント方式

セグメント方式はページング方式とほぼ同様の方式です。

プログラムのブロックの大きさが固定長では無く、セグメントという論理的な可変長になります。

ページング方式の

ページイン
ページアウト

の事をセグメント方式では、

ロールイン
ロールアウト

と言います。

入出力装置管理

入出力装置管理とは、コンピュータ本体と入出力装置との間の入出力の管理の事を指します。

入出力方式には、

OS全体での標準的な入出力方式
装置ごとの固有の処理を仲介する方式

があります。

装置ごとの固有の処理のアダプタとなるプログラムをデバイスドライバといいます。

データの入出力は、

バッファリング（buffering）・・・バッファリング（buffering）とは、バッファを経由させることによって、コンピュータ本体と入出力装置を並行処理させて性能を向上させる方法です。
バッファ（buffer：保存領域）とは入出力のためのメモリ上に確保される領域の事です。
スプーリング（spooling）・・・プリンタなどの低速な装置の入出力データを、高速な外部記憶装置を経由させることによって性能を向上させる方法

があります。

入出力制御方式

各種の入出力装置を効率よく動作させる方式として

プログラム制御方式
DMA（Direct Memory Access）方式
チャネル制御方式

があります。

プログラム制御方式

プログラム制御方式では

プログラム中の入出力命令を実行
レジスタを経由
メモリと入出力装置間でデータをやり取り

という流れになります。

低速な入出力処理の間、CPUが待機されます。

レジスタに関する記事はこちら

DMA（Direct Memory Access）方式

DMA方式とはプログラムが入出力命令を実行した際、DMAコントローラという専用のハードウェアが

メモリ
入出力装置

間のデータをやり取りします。

CPUと入出力装置が並行処理されます。

チャネル制御方式

チャネル制御方式では、チャネル制御装置という専用のプロセッサが

メモリ上のチャネルプログラムを解読
一連の入出力命令とCPUを並行処理

してくれます。

チャネル・・・入出力や通信のためのデータの通路のこと

ファイル管理

コンピュータ上で、ユーザは意識する事なくファイルを

開く・閉じる
読み込む
編集・再編集
ファイル名を付けて保存

をする事が出来ます。

これらの機能に加え、一連の操作後、ファイルを補助記憶装置等々で管理することを、ファイル管理（ファイルシステム）と呼びます。

ファイルシステムの種類

ファイルシステムは

ディスク・ファイルシステム
分散ファイルシステム
特殊用途のファイルシステム

に分類できます。

ディスク・ファイルシステム

ディスクファイルシステムとは、コンピュータに接続された補助記憶装置、特にHDD上にファイルを格納するためのシステムです。

ディスク・ファイルシステムの例として、

FAT（File Allocation Table）・・・MS-DOSのファイルシステム
NTFS（NT File System）・・・Windows NT系の標準ファイルシステム
ext（extended filesystem）・・・LinuxOSで広く利用されていたファイルシステム
HFS（Hierarchical File System）・・・Mac OS標準フォーマット

があります。

分散ファイルシステム

分散ファイルシステムとは

ファイル共有のためのプロトコルを準備
ネットワークに対応

しているファイルシステムの事です。

分散ファイルシステムの例として、

Windows標準・・・SMB/CIFS（Server Message Block / Common Internet File System）は、主にWindowsを中心とした環境でLANを通じて
- ファイル共有
- プリンタ共有等々
に使用される通信プロトコル
Macintosh・・・AFP（AppleTalk Filing Protocol）は、アップルが開発した、Classic Mac OS / macOSのファイル共有の為のプロトコル
UNIX・・・NFS（Network File System）は、主にUNIXで利用される分散ファイルシステムおよびそのプロトコル

があります。

特殊用途のファイルシステム

特殊用途のファイルシステムとは、ディスクファイルシステムでも分散ファイルシステムでもないファイルシステムの事を指します。

特殊用途のファイルシステムの例として、

procfs（Process Filesystem）・・・Unix系システムにある擬似ファイルシステム

があります。

ファイルシステムの構造

二つ以上のファイルの名前が重なると区別出来なくなるので、ファイル名の有効範囲を限定する為に、「ディレクトリ階層」という木（ツリー）構造でファイルシステムを構成します。

ファイル・・・個々のユーザ・データ
ディレクトリ・・・ファイルの管理情報とファイル本体を結ぶ部分。階層構造でその頂点にいるディレクトリをルートディレクトリと呼びます。

OSによりディレクトリをフォルダーと呼ぶことがあります

ファイル構成

各ファイルの構成方法として一般的に三つあります。

バイト並び・・・特定のファイル構造を持ちません
使用OS）UNIX、Windows NT（FAT）
レコード並び・・・レコード（ブロック）はOSによって区分される最小情報単位
使用OS）メインフレーム用OS
属性並び・・・データ以外にデータに関する属性情報（メタデータ）を持ちます
使用OS）MacOS、WindowsNT（NTFS）

APIの提供

OS上で動作するプログラムをアプリケーションと呼びます。

OS（Operating System）・・・基本ソフトウェア
アプリケーション（Application）・・・応用ソフトウェア

とも呼ばれており、アプリケーションの使用時にはOSに対してシステムコールする事でOSの機能の一部を利用しています。

システムコールとは、OSの機能を呼び出す（Call）ために使用される機構の事を指します。

プログラミングにおいては、OSの機能は関数（API）呼び出しによって実現されます。

API（Application Programming Interface）とは、自己のソフトウェアを一部公開する事で、他のソフトウェアと機能を共有できるようにしたものを指します。

以上がOSの役割についての解説になります。

投稿【図解】パソコンのOSとは？OSの仕組み･役割を解説は Archive of Yone に最初に表示されました。

ハードディスクドライブ(HDD)の仕組みを図解で解説

admin — Tue, 07 May 2019 01:19:51 +0000

ハードディスクドライブ(HDD)の仕組みを図解で解説

ハードディスクドライブ（HDD：Hard Disk Drive：以降、HDDと呼ぶ）はコンピュータの仮想記憶装置の一つです。

コンピュータにおいては

プログラムの命令・データの処理を実行する装置 -> CPU
プログラムの命令・データを保存する装置 -> 記憶装置

それぞれ役割が分担されており、CPUの近くに位置する記憶装置ほど

高速な命令・データの転送
小容量

という特徴を持っている一方で、CPUから遠くに位置する記憶装置は

低速な命令・データの転送
大容量

という特徴を持っています。

CPU・レジスタに関する記事はこちら

1バイトは何ビット？16進数から10進数・2進数に変換

この記事では、補助記憶装置であるHDDの

基本構造
基本動作

それぞれについて説明、最後に人気HDDを見ていきます。

HDDの基本構造
HDDの基本動作
人気HDD
1. 内蔵HDD 2.5インチ
2. 内蔵HDD 3.5インチ

HDDの基本構造

HDDの基本構造は、表側には

ディスク（プラッタ）
磁気ヘッド
アクチュエータ等々

があり、裏側には

制御基板

があります。

ディスク（プラッタ）

ディスク（プラッタ）は、

ガラス
アルミニウム
セラミック等

の硬い基盤の上に磁性体を塗布したものです。

磁性体・・・磁性のある物質。
磁性とは、「磁気を帯びた物体が示す性質」の事を指します。

容量に応じて一般的に1 ～ 4枚のディスク（プラッタ）が一つのHDDの中に重なって入っています。

ディスク（プラッタ）の記録面は細分化して管理されています。

細分化は

トラック
シリンダ
セクタ

と定義した単位で行います。　

出典:eのらぼらとり

トラック

トラックはディスク（プラッタ）の

両面に存在
記録面を外側から内側に向かって同心円状に分割
分割されたドーナツ状の記録領域

を指します。

シリンダ

シリンダとは複数のディスク（プラッタ）の記録面にまたがる同一位置のトラックを仮想的に積み重ねて構成した円筒形を指します。

セクタ

トラックをさらに放射状に等分した領域をセクタと言います。

セクタはHDDの最小記録単位です。

下記条件のHDDの容量を計算して見ます。

シリンダ	1シリンダのトラック数	1トラックのセクタ数	1セクタの記憶容量（バイト）
1,500	54,982	1,436	4,096 バイト

このHDDの容量は

4,096 バイト × 1,436 × 54,982 × 1,500 = 485,094,309,888,000 バイト（500 ギガ・バイト（G・Byte））

となります。

バイトに関する記事はこちら

磁気ヘッド

磁気ヘッドは

スイングアームの先端に取り付けられた形態
ディスク（プラッタ）の片面に一つずつディスク（プラッタ）を挟むように配置

されています。

全てののスイングアームは一つのスイングアーム回転軸に固定されており、全ての磁気ヘッドは同じ動きでディスク（プラッタ）上を移動します。

出典:eのらぼらとり

HDDへのアクセス（読み出し・書き込み）は、高速回転するディスク（プラッタ）上をスイングアームによって移動、磁気ヘッドによって行われます。

出典:Nikkei Business Publications, Inc.

アクチュエータ

アクチュエータ（actuator）とは、日本語で駆動装置という意味です。

磁気ヘッドやスイングアーム自体を動作させている箇所になります。

制御基板

HDD内部の裏側には制御基板が取り付けられており、

データ読み書き等の制御装置
モーターの制御装置
キャッシュメモリ等々

のチップが搭載されています。

キャッシュメモリ・・・CPUがデータや命令などの情報を取得・更新する際のCPUと記憶装置の性能差を埋めるために用いる高速小容量メモリ

HDDの基本動作

HDD動作はデータへのアクセスのみです。

データの書き込み
データの読み込み

に限られます。

HDDのデータの読み書きは

シーク（seek：探す） -> 位置の決定
スイングアームを動作させることで、目的のトラックに磁気ヘッドを誘導
サーチ（search：検索する） -> 回転待ち
ディスク（プラッタ）の回転にともなって目的のデータが磁気ヘッドの位置まで回って来るまで待機
データの転送
セクタに書かれたデータの読み込みを開始

という一連の流れになります。

つまり、データへのアクセス時間 = シーク時間 + サーチ時間 + データの転送時間となります。

HDDの基本動作について分かりやすい動画をTED Edが公開しています。

英語での説明になりますので、字幕を日本語に設定する事で、日本語でも理解出来ます。

スペック
メーカー	東芝（TOSHIBA）
容量	2TB
回転数	5400 rpm
インターフェイス	Serial ATA600
厚さ	9.5 mm

スペック
メーカー	東芝（TOSHIBA）
容量	1TB
回転数	5400 rpm
インターフェイス	Serial ATA600
厚さ	7 mm
ディスク枚数	1 枚

スペック
メーカー	SEAGATE（シーゲイト）
容量	2TB
回転数	5400 rpm
インターフェイス	Serial ATA600
厚さ	7 mm
ディスク枚数	2 枚
キャッシュ	128MB
ハイブリッドHDD	○
フラッシュメモリタイプ	MLC
フラッシュメモリ容量	8 GB

スペック
メーカー	SEAGATE（シーゲイト）
容量	8TB
回転数	5400 rpm
インターフェイス	Serial ATA600
キャッシュ	256MB
ディスク枚数	4枚

スペック
メーカー	WESTERN DIGITAL（ウエスタンデジタル）
容量	6TB
回転数	5400 rpm
インターフェイス	Serial ATA600
キャッシュ	256MB

スペック
メーカー	WESTERN DIGITAL（ウエスタンデジタル）
容量	4TB
回転数	5400 rpm
インターフェイス	Serial ATA600
キャッシュ	64MB

補助記憶装置であるSSDの仕組み（構造・動作）

admin — Sat, 04 May 2019 02:17:21 +0000

補助記憶装置であるSSDの仕組み（構造・動作）

SSD（Solid State Drive：ソリッド・ステート・ドライブ：以降SSDと呼ぶ）はコンピュータの固体記憶装置の一つです。

コンピュータは

プログラムの命令・データの処理を実行する装置 -> CPU
プログラムの命令・データを保存する装置 -> 記憶装置

それぞれ役割が分担されており、CPUの近くに位置する記憶装置ほど

高速な命令・データの転送
小容量

という特徴を持っている一方で、CPUから遠くに位置する記憶装置は

低速な命令・データの転送
大容量

という特徴を持っています。

CPU・レジスタに関する記事はこちら

この記事では、補助記憶装置であるSSDの

基本構造
基本動作

それぞれについて説明、最後に人気SSDを見ていきます。

SSDの基本構造
SSDの基本動作
人気SSD

SSDの基本構造

SSDを構成する主な部品は

インターフェイス
SSDコントローラ
バッファメモリ
NAND型フラッシュメモリ

になります。

ホストコンピュータ・・・処理能力を持ち、ネットワークを通じて処理やサービスを別のマシンに提供するコンピュータ

インターフェイス

SSDはHDD（ハードディスクドライブ：以降、HDDと呼ぶ）の代替記憶装置として登場、多くがSATAなどHDD同様のインタフェースを持ちます。

SSDのインターフェースには

SATA
M.2
PCI Express
USB接続SSD 等々

があります。

SATA

SATA（Serial Advanced Technology Attachment：連続的な先進技術的付属物）は、コンピュータに

HDD
SSD
光学ドライブ

を接続する為のインタフェース規格になります。

M.2

M.2は、コンピュータの内蔵拡張カードのフォームファクタと接続端子について定めたインタフェース規格になります。

フォームファクタとは、コンピューティングにおける主要システム部品の物理的寸法を指定したものです。

PCI Express

PCI（Peripheral Component Interconnect：周辺装置を構成している配線）とは、2002年にPCI-SIGによって策定されたI/Oシリアルインタフェース規格になります。

USB接続SSD

USB（Universal Serial Bus）とは、コンピュータ等の情報機器に周辺機器を接続するためのシリアルバス規格の一つです。

SSDコントローラ

SSDコントローラの主な役割には

NAND型フラッシュメモリの制御
バッファメモリの制御
ホストコンピュータとのインターフェイス

があります。

NAND型フラッシュメモリの制御

NAND型フラッシュメモリの動作には

消去動作
書き込み動作
読み出し動作

があり、これをSSDコントローラによって制御します。

また、SSDコントローラは

論理アドレスと物理アドレスの交換
ウェア・レベリング（wear leveling）
エラー訂正
不良ブロック管理
消去回数の管理

も行なっています。

ウェア・レベリング

ウェア・レベリング（wear leveling）では、書き換え回数に寿命があるNAND型フラッシュメモリの特定メモリセルへのアクセスを拡散する働きをしています。

特定メモリセルへのアクセスが集中するとそのメモリセルの寿命が短くなるため、アクセスするアドレスを拡散する事で、見かけ上の寿命を延ばす工夫がされています。

エラー訂正

NAND型フラッシュメモリは

消去
書き込み

を繰り返す事で

徐々に性能が悪化
データを保持できる時間が短縮
同じセルのデータを繰り返し読み出すことでもエラーが増加傾向

になります。

SSDでは、エラーからデータを守るために、NAND型フラッシュメモリへの書き込みデータに加えて、

エラー訂正のための生成データ書き込み
読み出し時にはこのエラー訂正データを使ったエラー訂正する仕組み

が備えられています。

不良ブロック管理

不良ブロック管理とは、エラーが発生し、

読み出し
書き込み

が行えなくなった記録領域を管理リストに登録し、二度と使用しないようにする機能になります。

消去回数の管理

消去回数の管理では

各ブロックの消去回数を記録
ウェアレベリング処理では消去回数の少ないブロックを優先的に消去して書き込み処理に使用

する事で、NAND型フラッシュメモリ全体の寿命を延ばしています。

バッファメモリ

キャッシュ用のDRAMが組み込まれています。

DRAMに関する記事はこちら

フラッシュメモリとは?フラッシュメモリの仕組みを説明

NAND型フラッシュメモリ

NAND型フラッシュメモリは、半導体記憶装置の一種で

不揮発性
記憶容量当たりの単価が半導体記憶装置の中で最も低コスト

が特徴です。

フラッシュメモリに関する記事はこちら

フラッシュメモリとは?フラッシュメモリの仕組みを説明デジカメビデオカメラ携帯電話等々に使われるメモリカードや、パソコンで使うUSBメモリはフラッシュメモリを使った電子製品です。半導体素子を利用した記憶装置の一つであるフラッシュメ...

SSDの基本動作

SSDの基本動作を一連の流れを通して見ていきます。

ホストコンピュータからインターフェイスを介してSSDに送信されたデータは、SSDコントローラを通して一度、バッファメモリに格納されます。
全てのデータがバッファメモリに書き込まれると、SSDコントローラはホストコンピュータにデータの書き込みが完了した事を信号で送ります。
バッファメモリに蓄えられたデータは適切な速度で、SSDコントローラを通じてNAND型フラッシュメモリに書き込まれます。
NAND型フラッシュメモリの読み出し動作は、書き込み動作に比べるとはるかに速いです。
ホストコンピュータがSSDのデータを読み出すときは、NAND型フラッシュメモリからバッファメモリ経由で
- データ誤りの検出
- 訂正処理
を行い、ホストコンピュータにデータを送信します。

スペック
メーカー	crucial（クルーシャル）
容量	500GB
規格サイズ	2.5インチ
インターフェイス	Serial ATA 6Gb/s
タイプ	3D TLC NAND
設置タイプ	内蔵
厚さ	7 mm
読込速度	560 MB/s
書込速度	510 MB/s

スペック
メーカー	crucial（クルーシャル）
容量	1TB
規格サイズ	2.5インチ
インターフェイス	Serial ATA 6Gb/s
タイプ	3D TLC NAND
設置タイプ	内蔵
厚さ	7 mm
読込速度	560 MB/s
書込速度	510 MB/s

スペック
メーカー	WESTERN DIGITAL（ウエスタンデジタル）
容量	500 GB
規格サイズ	M.2 (Type2280)
インターフェイス	PCI-Express
タイプ	3D NAND
設置タイプ	内蔵
厚さ	2.38 mm
読込速度	2,400 MB/s
書込速度	1,750 MB/s

記憶装置とは？記憶装置の種類を分かりやすく説明

admin — Thu, 25 Apr 2019 16:24:23 +0000

記憶装置とは？記憶装置の種類を分かりやすく説明

コンピュータは複雑な処理を出来るデジタル装置に見えますが、コンピュータ内部の動作自体は単純作業の繰り返しです。

保存してあるプログラム内の命令・データをメモリからCPUに読込
CPUがプログラム内の命令・データを処理・実行
CPUが書き出したデータをメモリに保存

となります。

CPUが書き出したデータをメモリに保存するのは一時的で、

電源の有無
補助的記憶装置の種類等々

条件によってコンピュータ内部のデータ保存場所（記憶装置）は変わります。

一つのコンピュータ内部には複数の記憶装置が存在します。

何故、コンピュータ内部には複数の記憶装置が存在するのでしょうか。

理想は一種類の小型で最高速の記憶装置で構成される事が望ましいですが、

コンピュータ内部の物理的な実装の制約
レイテンシ
スループット
インタフェースの限界等々

の事情により、

小容量・高速の記憶装置
大容量・低速の記憶装置

を組み合わせて、コンピュータ内部の記憶装置を構成していく必要があります。

レイテンシ（latency）とは日本語で、

隠れていること
潜伏

という意味です。

コンピュータ界では、デバイスに対してデータ転送等を要求、その結果が返送されるまでの不顕性の高い遅延時間のことです。

レイテンシは、

レジスタ・キャッシュメモリ・メモリ（主記憶装置）の場合・・・ナノ秒単位
HDD・SSD（補助記憶装置）の場合・・・ミリ秒単位

読み取りと書き込みでレイテンシが異なる場合もあります。

スループット（Throughput）とは日本語で、

（一定期間内に処理される）原料の量
情報量

という意味があります。

特にコンピュータ界では、単位時間当たりの処理能力（読み書き）のことを指します。

通常はメガバイト毎秒（MB/sec）等の単位を使います。

レイテンシと同様、読み取りと書き込みで異なる場合もあります。

レジスタに関する記事はこちら

キャッシュメモリとは？基本構造・原理を図解で説明「メモリ（Memory）」は、日本語で一般的に「記憶」と訳されますが、コンピュータ界での「メモリ」は、コンピュータが処理すべきデジタルデータをある期間保持する為に使用される電子部品電子装...

キャッシュメモリに関する記事はこちら

キャッシュメモリとは？基本構造・原理を図解で説明

メモリ（主記憶装置）に関する記事はこちら

ハードディスクドライブ(HDD)の仕組みを図解で解説

この記事では、記憶装置の

特性
技術
構成

についてそれぞれ説明していきます。

記憶装置の特性
記憶装置の技術
記憶装置の構成

記憶装置の特性

記憶装置の特性として

揮発性と不揮発性
動的と静的
書き換え可能か否か
アクセス方法

があります。

揮発性と不揮発性

	揮発性記憶装置	不揮発性記憶装置
電力の有無	情報を保持するには電力供給が必要	電力供給無しでも格納した情報を保持
記憶装置	・キャッシュメモリ・メモリ（主記憶装置）	HDD・SSD 等々（補助記憶装置）
特徴	・キャッシュメモリ・メモリ（主記憶装置）には高速性が求められる揮発性が適当	長期間の記憶に適当

HDDに関する記事はこちら

SSDに関する記事はこちら

補助記憶装置であるSSDの仕組み（構造・動作）

動的と静的

	動的（ダイナミック（Dynamic））	静的（スタティック（Static））
記憶方式	コンデンサの充電状態を使用	論理回路で構成されデータ
リフレッシュ動作（再書き込み）	コンデンサの自然放電によるデータ消失を防ぐために定期的に必要	必要なし
bitあたりのコスト	SRAMに比べて回路が単純で低コスト	トランジスタ数やその配線がDRAMと比べ複雑で高コスト
記憶装置	DRAM	SRAM

コンデンサに関する記事はこちら

コンデンサとは？コンデンサの仕組み・回路記号と容量

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