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USEN GATE 02 ICT用語集
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カーネル

概要

カーネル(Kernel)は、コンピューターのオペレーティングシステム(OS)の中核となる部分であり、ハードウェアとソフトウェアの間での通信やリソースの管理を担当します。カーネルはOSの中で最も低レベルに位置し、ユーザーとハードウェアの間の仲介役として機能します。以下では、カーネルの主な役割と機能について詳しく説明します。

メモリ管理

カーネルはメモリの割り当てと解放を管理します。プログラムやデータが必要とするメモリスペースを割り当て、効率的に利用できるようにします。また、プロセス間のメモリの保護も行い、互いに干渉しないようにします。

プロセス管理

カーネルは実行中のプロセスを管理します。プロセスの作成、終了、スケジューリング、コンテキストスイッチなどを担当し、効率的なプロセスの実行を確保します。

デバイス管理

カーネルはハードウェアデバイスとの通信を制御します。デバイスドライバーと連携して、デバイスの初期化、割り込み処理、データの送受信などを管理します。これにより、プログラムはハードウェアデバイスを直接制御する必要なく、カーネルを介して操作できます。

ファイルシステム管理

カーネルはファイルシステムの管理を担当します。ファイルの作成、削除、読み書きなどの操作を提供し、データの永続性と整合性を確保します。カーネルはディスク上のファイルシステムを抽象化し、ユーザーが直接ファイルにアクセスすることができるようにします。

システムコールの提供

カーネルはユーザープロセスがOSの機能を利用するためのインターフェースを提供します。システムコールと呼ばれる特別な関数を通じて、プロセスはカーネルの機能を利用できます。システムコールはユーザープログラムとカーネルの境界を越え、必要な機能を要求することができます。

カーネルはOSの中で非常に重要な役割を果たしており、安定性、パフォーマンス、セキュリティなどの要素に大きく影響を与えます。

歴史

早期のカーネル

コンピューターの初期の時代、カーネルの概念はまだ存在していませんでした。最初のコンピューターシステムでは、ハードウェアが直接プログラムを実行し、OSのような中間層が存在しませんでした。

バッチ処理システム

1950年代から1960年代にかけて、バッチ処理システムが登場しました。これは、複数のジョブを一度に実行し、人間の介入を最小限にするためのシステムでした。バッチ処理システムにはカーネルという概念はありませんでしたが、ジョブスケジューラーやデバイスドライバーなど、カーネルに類似した機能が存在しました。

マルチプログラミングシステム

1960年代後半から1970年代にかけて、マルチプログラミングシステムが登場しました。これは複数のプログラムが同時に実行されるシステムであり、メモリ管理やプロセス管理が重要な役割を果たしました。この時期には、初期のカーネルの概念が生まれました。

UNIXの登場

1970年代にUNIXオペレーティングシステムが開発されました。UNIXはカーネルという明確な構成要素を持ち、ファイルシステム、デバイスドライバー、プロセス管理などの機能を提供しました。UNIXのカーネルは独自の設計思想と哲学を持ち、その後の多くのOSの基礎となりました。

マイクロカーネルアーキテクチャ

1980年代から1990年代にかけて、マイクロカーネルアーキテクチャが注目されました。これは、カーネルの機能を最小限に保ち、他の機能をユーザーモードで実行するアプローチです。マイクロカーネルはモジュール性と拡張性に優れ、信頼性やセキュリティの向上に貢献しました。

現代のカーネル

現代のOSでは、高性能、スケーラビリティ、セキュリティ、リアルタイム性などの要求に応えるために、さまざまなカーネル設計が存在します。例えば、Linuxカーネルはオープンソースのカーネルであり、多くのプラットフォームで使用されています。また、WindowsカーネルやmacOSのXNUカーネルなども広く知られています。

類義語・類似サービス

マイクロカーネル(Microkernel)

マイクロカーネルは、カーネルの機能を最小限に保ち、他の機能をユーザーモードで実行する設計アーキテクチャです。マイクロカーネルは拡張性や信頼性が高く、カーネル内のモジュール間の通信にメッセージパッシングを使用します。代表的なマイクロカーネルの例としては、GNU HurdやQNXがあります。

モノリシックカーネル(Monolithic Kernel)

モノリシックカーネルは、カーネルの機能が一つの大きなモジュールとして実装される設計アーキテクチャです。モノリシックカーネルでは、カーネル内のコンポーネントが直接やり取りを行い、効率的な性能を提供します。代表的なモノリシックカーネルの例としては、LinuxカーネルやWindowsカーネルがあります。

ハイブリッドカーネル(Hybrid Kernel)

ハイブリッドカーネルは、モノリシックカーネルとマイクロカーネルの特徴を組み合わせた設計アーキテクチャです。ハイブリッドカーネルでは、基本的なカーネル機能はモノリシックに実装され、一部のサービスやドライバーはマイクロカーネルの形式で実行されます。例えば、macOSのXNUカーネルはハイブリッドカーネルの一例です。

仮想マシンモニター(Virtual Machine Monitor、VMM)

仮想マシンモニターは、仮想化環境を提供するソフトウェアであり、ハードウェアとソフトウェアの仲介役として機能します。仮想マシンモニターは、仮想マシンの作成や実行、リソースの割り当てなどを管理します。代表的な仮想マシンモニターの例としては、VMwareやKVM(Kernel-based Virtual Machine)があります。

完全性

概要

IT/ネットワーク用語としての「完全性」は、データや情報が変更や破損されていないことを保証するセキュリティの概念です。データの完全性は、重要な情報の保護や信頼性の確保に重要な役割を果たします。

データの完全性は、次の要素から成り立っています。

アクセス制御(Access Control)

データの完全性を保護するためには、適切なアクセス制御が必要です。データへの不正なアクセスや改ざんを防ぐために、適切な権限管理や認証メカニズムが実装されます。これにより、権限のないユーザーがデータを変更することを防ぎます。

冗長性(Redundancy)

データの冗長性は、データのバックアップや複製を通じて完全性を保証する手段です。データの複製を複数の場所に保存することで、データの破損や損失に対する耐性を高めます。冗長性を持つシステムでは、データの破損が発生した場合でもバックアップからデータを復旧できます。

監査ログ(Audit Logs)

監査ログは、データの変更やアクセスの記録を保持するための仕組みです。これにより、データの完全性に関する情報を追跡し、不正なアクティビティの検出や原因究明を行うことができます。

歴史

情報の完全性の概念は、1970年代にコンピューターサイエンスと情報セキュリティの分野で初めて確立されました。この時期、データの改ざんや破損がセキュリティ上の脅威として浮上し、データの完全性の確保が求められるようになりました。

1980年代には、暗号化技術の進歩やデータベース管理システムの発展に伴い、完全性の保護手法がさらに発展しました。データの改ざんや破損を検知するためのハッシュ関数やチェックサムなどの技術が提案され、データの完全性を確保するための手段が増えました。

2000年代以降、インターネットの普及と情報のデジタル化が進むと、データの完全性の重要性が一層高まりました。オンライン取引やデジタルコンテンツの配信など、データの改ざんが許されない状況が増えたため、完全性の確保がますます重要視されるようになりました。

現在では、データベースやクラウドサービスなどのデータ管理システムにおいて、データの完全性を保護するための様々な技術や手法が利用されています。ハッシュ関数やデジタル署名、アクセス制御、監査ログなどが、データの完全性を確保するための一般的な手段として広く利用されています。

類義語・類似サービス

機密性(Confidentiality)

機密性は、情報への不正なアクセスや閲覧を防ぐためのセキュリティの原則です。データや情報は、権限のあるユーザーのみがアクセスできるように制限され、機密性が確保されます。機密性は完全性と同様に重要なセキュリティの要素ですが、重点が異なります。

可用性(Availability)

可用性は、システムやサービスが必要な時に正常に利用できる状態を指します。情報システムやネットワークの可用性を保証するためには、障害や攻撃に対する予防策や復旧策が必要です。完全性と可用性は、情報セキュリティの柱として共に考慮されるべき要素です。

完全性の保護技術

データの完全性を確保するためには、さまざまな技術や手法が利用されます。例えば、ハッシュ関数やデジタル署名は、データの改ざんを検出するために使用されます。データのバックアップや冗長性の確保も、データの完全性を保護する手段の一つです。

データバックアップ

データバックアップは、データの完全性を確保するための重要な手法です。定期的にデータのバックアップを作成し、万が一のデータの破損や喪失に備えます。バックアップは、データの復元や回復に使用され、データの完全性を保護します。

データ冗長性

データ冗長性は、データの複製や冗長化を行うことでデータの完全性を保護する手法です。複数の場所にデータを保存することで、データの破損や喪失による完全性の損失を防ぎます。データの冗長化は、高可用性や耐障害性を確保するためにも使用されます。

対義語

偽造(Forgery)

偽造は、情報やデータの改ざんや贋作を指します。情報が改ざんされ、本来の内容と異なる情報が表示される場合、完全性の侵害や偽造が発生しています。

可用性

概要

可用性(Availability)は、ITおよびネットワークシステムの性能や信頼性の指標の一つであり、システムが正常に動作して利用可能な状態である割合を示します。可用性は、システムがユーザーにサービスを提供できる時間の割合を示すことで、ビジネスの継続性や顧客満足度に直接関わる重要な要素です。

以下に可用性に関する主要なポイントを解説します。

定義と計測

可用性は、システムが期待される機能を提供し、利用可能な状態である割合を示します。通常、可用性は時間の割合として表され、99.9%や99.99%などの数字で表現されます。例えば、99.9%の可用性は、システムが一年間で約8.9時間(365日 × 24時間 × 0.1%)のダウンタイムがあることを意味します。

障害への耐性

可用性を高めるためには、システムが障害に対して耐性を持つことが重要です。冗長性を導入し、システムの要素(ハードウェア、ソフトウェア、ネットワークなど)の故障に対処する能力を持つことが求められます。冗長性の例としては、複数のサーバーを用いたクラスタリングや、冗長な電源やネットワークの設計などがあります。

フェイルオーバーとリカバリ

システムが障害によってダウンした場合、復旧するためのフェイルオーバーやリカバリの手法が使用されます。フェイルオーバーは、障害が発生した際に別のバックアップシステムやサーバーに自動的に切り替えることで、サービスの中断を最小限に抑えます。リカバリは、障害発生後にシステムを元の状態に戻すための手順やプロセスです。

メンテナンスとアップグレード

システムの可用性を維持するためには、定期的なメンテナンスやアップグレードが必要です。これには、予防保守、ハードウェアやソフトウェアのパッチ適用、システムの拡張や最適化などが含まれます。メンテナンスやアップグレードは、計画的に行われる必要があり、ユーザーへの影響を最小限に抑えるように注意が払われます。

監視とアラート

システムの可用性を確保するためには、リアルタイムの監視とアラート機能が重要です。システムのパフォーマンスや障害の早期検知、リソース使用率のモニタリングなどを行い、異常が検出された場合には適切なアラートや通知を発信します。

可用性はビジネスにとって重要な要素であり、特にクラウドサービスやオンラインサービスでは、ユーザーに常にアクセス可能な状態を提供することが求められます。高い可用性を実現するためには、設計段階から冗長性やフェイルオーバーの仕組みを考慮し、適切なメンテナンスやモニタリングを行う必要があります。

歴史

可用性の考え方は、コンピューターシステムの登場と共に進化してきました。

コンピューターの初期の時代では、可用性に関する主な関心事はハードウェアの故障に対する対策でした。システムが停止した場合、修理や交換が必要であり、それには時間がかかることが多かったため、可用性が低下しました。

1960年代から1970年代にかけて、冗長性とフェイルオーバーの概念が導入され、可用性向上の取り組みが始まりました。冗長性は、複数のハードウェアコンポーネントやシステムを備えることで、システムの一部の故障に対処し、サービスの中断を最小限に抑えることを可能にしました。また、フェイルオーバーは、障害が発生した場合に別のバックアップシステムやサーバーに自動的に切り替える仕組みで、可用性の向上に貢献しました。

1990年代から2000年代にかけて、インターネットの普及と共に可用性の重要性が増しました。オンラインサービスやWebサイトの需要が増え、ユーザーに24時間365日の利用可能性が求められるようになりました。この時期には、大規模なデータセンターやクラウドコンピューティングの台頭により、可用性の向上が重視されました。冗長性の高いシステムアーキテクチャや負荷分散の手法が採用され、可用性の向上が実現されました。

近年では、クラウドサービスの普及やモバイルデバイスの増加により、可用性の要求はますます高まっています。高可用性のアーキテクチャやサービスが開発され、サービス提供者は可用性を維持するために監視やアラート機能、自動スケーリングなどの仕組みを導入しています。

類義語・類似サービス

冗長性(Redundancy)

冗長性は、システム内のハードウェアやソフトウェアの要素を複製することで、システムの可用性を向上させる手法です。冗長性の導入により、一部の要素が故障しても別の要素が処理を引き継ぐことができます。例えば、冗長性を持つサーバー構成では、一つのサーバーがダウンした場合でも別のサーバーが処理を継続することができます。

ロードバランシング(Load Balancing)

ロードバランシングは、トラフィックや負荷を複数のサーバーに均等に分散する仕組みです。これにより、リクエストの処理を複数のサーバーで分担し、単一のサーバーに過剰な負荷がかかることを防ぎます。ロードバランサーはトラフィックの監視と制御を行い、効率的なリクエストの配分を実現します。

フェイルオーバー(Failover)

フェイルオーバーは、システムやサービスに障害が発生した場合に、別のバックアップシステムやサーバーに自動的に切り替える仕組みです。フェイルオーバーは冗長性を活用し、システムの中断を最小限に抑えることができます。一般的には、フェイルオーバーが発生するとユーザーには何も気づかれずに処理が継続されます。

バックアップとリカバリ(Backup and Recovery)

バックアップとリカバリは、データやシステムの可用性を確保するための手段です。定期的なデータバックアップを行い、データの損失やシステム障害の際にはバックアップデータからのリカバリを行います。これにより、データの完全性と可用性を維持することができます。

対義語

ダウンタイム(Downtime)

ダウンタイムは、システムやサービスが一時的または永続的に利用できない状態を指します。ダウンタイムが発生すると、ユーザーはサービスにアクセスできず、データや機能に制限が生じます。可用性が低下すると、ビジネスに深刻な影響を及ぼす場合があります。

SPOF(Single Point of Failure、単一障害点)

SPOFは、システム内で唯一の要素やコンポーネントが故障した場合にシステム全体が停止する可能性がある状態を指します。シングルポイント障害が存在すると、システムの可用性が脆弱になります。冗長性やフェイルオーバーの導入により、シングルポイント障害を回避することが重要です。

仮想化

概要

仮想化とは、物理的なリソースや機能を論理的に分離し、より効率的に利用する技術や手法のことを指します。具体的には、コンピューターリソースやネットワークリソースを仮想的に作成・管理し、複数の環境やサービスを単一の物理的なリソースで実現することが可能となります。

以下に、仮想化の主な要素と利点を示します。

サーバ仮想化

物理的なサーバーを仮想化ソフトウェア(ハイパーバイザー)を使用して複数の仮想サーバーに分割する技術です。これにより、1台の物理サーバ上で複数の仮想サーバーを実行できるため、ハードウェアの利用効率が向上し、リソースの効率的な利用が可能となります。

ネットワーク仮想化

物理的なネットワークを仮想的な論理ネットワークに分割する技術です。これにより、物理ネットワークのリソースを論理的に分離し、複数の仮想ネットワークを独立して管理できます。ネットワーク仮想化により、ネットワークの柔軟性と効率性が向上し、仮想マシンや仮想ネットワークを迅速に作成・変更できるようになります。

ストレージ仮想化

ストレージ仮想化は、物理的なストレージリソースを仮想的に分割し、論理的なストレージプールとして管理する技術です。これにより、複数のストレージリソースを統一的に管理できるため、ストレージの効率性と柔軟性が向上します。ストレージ仮想化により、仮想マシンやアプリケーションに必要なストレージ容量を柔軟に割り当てることができます。

仮想化の利点には以下のようなものがあります。

リソースの効率的な利用

物理リソースの共有と効率的な利用が可能となります。これにより、ハードウェアやネットワークの利用効率が向上し、コスト削減や省スペース化が実現できます。

ハードウェアの抽象化

ハードウェアの詳細な構成や仕様を意識する必要がなくなります。仮想化レイヤがハードウェアを抽象化し、仮想環境に必要なリソースを提供します。これにより、ハードウェアの変更やアップグレードが容易になります。

柔軟性と可搬性

仮想環境やアプリケーションを独立して管理できます。これにより、アプリケーションの移行やデプロイメントが容易になり、柔軟なインフラストラクチャの構築やスケーリングが可能となります。

高い可用性と冗長性

仮想化環境では、仮想マシンやネットワークの冗長化、自動フェイルオーバー、バックアップ・リストアなどの機能が利用できます。これにより、システムの可用性が向上し、障害時の復旧や災害対策が容易になります。

仮想化に関連する他の用語や技術には、コンテナ仮想化、仮想デスクトップインフラストラクチャ(VDI)、クラウドコンピューティング、ハイパーバイザー、仮想マシンモニター(VMM)などがあります。これらは、仮想化の一部または関連技術として使用されます。

歴史

1960年代

仮想化の概念が初めて提案されました。IBMのメインフレームコンピューターにおいて、リソースの共有や分割を実現するための仮想マシンモニター(VMM)が開発されました。

1970年代-1980年代

ハードウェア仮想化の技術がさらに進化しました。IBMのVM/370やDECのVAX/VMSなどの仮想マシンモニターが登場し、物理的なリソースを仮想的に分割・共有することが可能になりました。

1990年代

インテルのx86アーキテクチャが普及し、仮想化技術の開発が進みました。1998年にVMwareがx86プラットフォーム上で動作する仮想化ソフトウェア「VMware Workstation」をリリースし、商用仮想化ソリューションの先駆けとなりました。

2000年代

サーバー仮想化が急速に普及しました。VMwareの他にも、MicrosoftのHyper-VやCitrixのXenなどの仮想化プラットフォームが登場しました。これにより、1台の物理サーバ上で複数の仮想サーバーを実行することが一般的になりました。

2010年代以降

コンテナ仮想化が注目を浴びました。Dockerなどのコンテナ技術が登場し、アプリケーションの環境をコンテナ単位でパッケージ化・実行することが可能になりました。コンテナ仮想化は、仮想マシンに比べてより軽量で素早いデプロイメントが可能となりました。

現在では、仮想化技術はクラウドコンピューティングの基盤として広く利用されています。仮想化は、データセンターの効率化やリソースの最適化、高い可用性、柔軟性、スケーラビリティの実現に重要な役割を果たしています。また、仮想化技術はネットワークやストレージなどの領域にも広がり、ITインフラストラクチャ全体の進化を支えています。

類義語・類似サービス

コンテナ仮想化

コンテナ仮想化は、アプリケーションやその実行環境をコンテナと呼ばれる軽量な単位で分離・実行する技術です。コンテナは仮想マシンよりも軽量で素早く起動・停止でき、アプリケーションのポータビリティやスケーラビリティを高めます。代表的なコンテナプラットフォームにはDockerがあります。

ハイパーバイザー仮想化

ハイパーバイザー仮想化は、物理サーバー上で仮想マシン(VM)を作成し、それぞれのVMが独立したオペレーティングシステムとアプリケーションを実行する技術です。ハイパーバイザーは仮想マシンのリソース管理や仮想マシン間の分離を担当し、複数の仮想環境を効率的に運用できます。代表的なハイパーバイザーにはVMware ESXiやMicrosoft Hyper-Vがあります。

クラウドコンピューティング

クラウドコンピューティングは、ネットワークを介してオンデマンドでリソースやサービスを提供する仕組みです。仮想化技術を基盤に、リソースの効率的な利用やスケーラビリティの向上を実現します。クラウドコンピューティングには、インフラストラクチャの提供を重視するIaaS(Infrastructure as a Service)、アプリケーションの提供や開発環境の提供を重視するPaaS(Platform as a Service)、ソフトウェアの提供を重視するSaaS(Software as a Service)などのモデルがあります。

対義語

物理マシン

仮想化の対義語として、物理マシンまたはフィジカルマシンという用語があります。フィジカルマシンは、実際にハードウェアとして存在する個々のコンピューターやサーバーを指します。仮想化が普及する以前の時代には、フィジカルマシンが主要なコンピューティングプラットフォームでした。

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