【Goで学ぶコンピューターサイエンス】ネットワークの基礎

ネットワークの種類

LAN（ローカルエリアネットワーク）

• 一般的には、家庭やオフィスなど、限定された範囲で使われるネットワーク
• 例: 自宅のWi-Fiルーターに接続されたPCやスマホ同士の通信

WAN（広域ネットワーク）

• 地理的に離れた場所同士をつなぐネットワーク。インターネットはWANの一種です
• 例: 複数のオフィスをつなぐ企業の専用回線
• 通信距離が長いため、遅延や速度の制約を受ける場合があります

インターネット

• 世界中のLANやWANが結びついた巨大なネットワーク
• データ通信の基本プロトコルであるTCP/IPを利用しており、サーバーやクライアント間のやり取りを可能にしています

ネットワークの構成要素

IPアドレス

• IPアドレスは、ネットワーク内のデバイスを一意に識別するための番号です
• IPv4（例: 192.168.1.1）は32ビットで構成され、約43億個のアドレスを提供します
• IPv6（例: 2001:0db8::1）は128ビットで構成され、ほぼ無限に近いアドレス空間を持ちます

IPアドレスの役割

• データを送信する際に、送り先（宛先）と送り元（送信元）を指定します
• 例: 手紙を出すときに住所を書くのと同じ仕組み

DNS

• IPアドレスは人間にとって覚えにくいため、ドメイン名（例: www.example.com）と対応付ける仕組みが必要です。これを実現するのがDNSです
• DNSサーバーは、ドメイン名を問い合わせると、その対応するIPアドレスを返します

DNSの仕組み

1. ユーザーがブラウザでwww.example.comを入力
2. DNSサーバーに問い合わせて93.184.215.14というIPアドレスを取得
3. デバイスは取得したIPアドレスを使い、サーバーと通信します

ルーター

• ルーターは、ネットワーク間でデータを中継する役割を果たします
• 家庭では、Wi-FiルーターがインターネットとLANをつなぐ中心的な役割を担っています

ルーターの役割

• データが適切な経路を通って目的地に届くように管理
• ネットワーク内のデバイスにIPアドレスを割り当てる

スイッチ

• スイッチは、LAN内で複数のデバイスを接続し、効率的にデータをやり取りする装置です
• デバイス同士の通信を最適化するため、MACアドレス（デバイス固有の識別番号）を使って通信経路を制御します

データ通信の仕組み

1. URL入力

• ユーザーがブラウザにhttps://www.example.comを入力

2. DNS解決

• DNSサーバーに問い合わせ、ドメイン名に対応するIPアドレスを取得します
• 例: www.example.com → 93.184.215.14

3. パケットの送受信

• データは小さな単位（パケット）に分割され、送信元から宛先に届けられます
• 宛先に届いたパケットは再構成され、元のデータに戻ります
• パケットは、通信経路上の複数のノード（ルーターやスイッチ）を経由して目的地に到達します

4. Webページの表示

• サーバーから送られたデータ（HTMLや画像など）をブラウザが解釈して表示します

プロトコル

通信の規約として機能するのがプロトコルです。
異なるデバイス間でデータをスムーズに送受信するための規則が定められています。

HTTP/HTTPS

• HTTPは、Webページを転送するプロトコル
• HTTPSは、通信内容を暗号化し、セキュリティを強化したバージョン

TCP/IP

• TCPは、データを分割して順序通りに届けるためのプロトコル
• IPは、データがどこに送られるべきかを指示するプロトコル

UDP

• UDPは、信頼性よりも速度を重視したプロトコル
• オンラインゲームや動画配信など、リアルタイム性が重要な場面で利用されます

SMTP/IMAP4/POP3

• メール送受信のためのプロトコル
• SMTPは、メール送信に使われます
• IMAP4/POP3は、メール受信に使われます

OSI参照モデル

各階層の役割

1. 物理層: ケーブルや電波など、物理的な通信手段を扱います
2. データリンク層: 隣接するデバイス間の通信を担当
3. ネットワーク層: ルーターを介したデバイス間の通信を管理
4. トランスポート層: TCPを使ってデータの分割や再構成を行います
5. セッション層: 通信セッション（接続）の確立と維持を管理
6. プレゼンテーション層: データ形式の変換や暗号化を担当
7. アプリケーション層: アプリが直接利用する通信機能を提供

Goサンプルコード

HTTPリクエストを送信してレスポンスを受け取る

package main

import (
	"fmt"
	"io"
	"net/http"
)

func main() {
	resp, err := http.Get("https://jsonplaceholder.typicode.com/posts/1")
	if err != nil {
		fmt.Println("Error:", err)
		return
	}
	defer resp.Body.Close()

	body, err := io.ReadAll(resp.Body)
	if err != nil {
		fmt.Println("Error reading response body:", err)
		return
	}

	fmt.Println("Response:", string(body))
}

Response: {
  "userId": 1,
  "id": 1,
  "title": "sunt aut facere repellat provident occaecati excepturi optio reprehenderit",
  "body": "quia et suscipit\nsuscipit recusandae consequuntur expedita et cum\nreprehenderit molestiae ut ut quas totam\nnostrum rerum est autem sunt rem eveniet architecto"
}

HTTPサーバー

package main

import (
	"fmt"
	"net/http"
)

func handler(w http.ResponseWriter, r *http.Request) {
	fmt.Fprintf(w, "Hello, World! \n\nURL: %s\n", r.URL.Path)
}

func main() {
	http.HandleFunc("/", handler)

	fmt.Println("Starting server")
	if err := http.ListenAndServe(":8080", nil); err != nil {
		fmt.Println("Error:", err)
	}
}

サーバー側

Starting server

クライアント側

Hello, World! 

URL: /