ステートフルとステートレス
ネットワーキングにおける「ステートフル」と「ステートレス」とは、通信セッションの状態管理に関する概念です。ステートフル通信では、サーバーはクライアントの状態を保持し、通信のたびにその状態を参照します。一方、ステートレス通信では、セッションの状態を保持せず、各リクエストは独立して処理されます。ステートフル通信は、ユーザーセッションの管理に適していますが、スケーラビリティの面で課題があります。一方で、ステートレス通信はシンプルでスケーラブルですが、セッション情報を毎回送信する必要があるため、データ量が増加する可能性があります。
スケーラビリティ（Scalability）とスケーラブル（Scalable）とは
スケーラビリティ（Scalability）とスケーラブル（Scalable）は、システムやアプリケーションの性能や能力が、負荷やユーザー数の増加に対してどれだけ効果的に拡大できるかを示す概念です。
スケーラビリティ（Scalability）：
スケーラビリティは、システムやアプリケーションが異なる規模や環境で適切なパフォーマンスを維持する能力を指します。つまり、システムが大量のユーザー、トラフィック、データに対しても安定して応答するかどうかを示す概念です。スケーラビリティの高いシステムは、負荷が増加してもレスポンスタイムやリソース利用率を適切に管理し、パフォーマンスの低下や障害を最小限に抑えることができます。
スケーラブル（Scalable）：
スケーラブルは、システムやアプリケーションがスケーラビリティの要求に応じて拡張可能であることを示します。スケーラブルなシステムは、新たなユーザーやトラフィックが増加した場合に、ハードウェアの追加やソフトウェアの最適化などの手段を用いて、適切なパフォーマンスを維持できる能力を持っています。スケーラブルな設計は、将来の成長や変化に対応するために重要です。
例えば、ウェブサイトが急速にユーザーを獲得し、トラフィックが増加する場合を考えてみましょう。スケーラブルなウェブサイトは、新しいサーバーの追加やクラウドリソースの利用などの手段を用いて、トラフィックの増加に対応し、レスポンスタイムを適切に維持します。これにより、ユーザー体験の低下やシステムのクラッシュを回避することができます。
身近な例え
例え: レストランでの注文と自動販売機での購入に例えて考えてみましょう。
ステートフル（Stateful）：
レストランでの食事注文を考えてみましょう。ウェイトスタッフはあなたが注文する料理をメモし、料理が提供されるまで注文の状態を覚えています。もし「この料理はやめて別の料理に変えたい」と言った場合、ウェイトスタッフは前の注文を覚えているため、適切な対応ができます。これはステートフルなシステムです。サーバー側がクライアントの状態を保持し、状態に基づいて処理を行います。
ステートレス（Stateless）：
自動販売機での購入を考えてみましょう。自動販売機は、一度お金を入れて商品を選ぶと、そのトランザクションが終了します。自動販売機は個々の購入トランザクションを覚えず、それぞれの購入が独立しています。もし間違えて商品を選んだ場合、新たにお金を入れ直して正しい商品を選びなおす必要があります。これはステートレスなシステムです。サーバー側がクライアントの状態を保持せず、各リクエストが独立して処理されます。
リクエストとレスポンス
ネットワーキングにおける通信は、クライアントからのリクエストとサーバーからのレスポンスで成り立っています。クライアントは情報を要求するリクエストを送信し、サーバーはそのリクエストに対して適切なデータや情報を含んだレスポンスを返します。このやり取りはHTTPプロトコルを通じて行われ、ウェブブラウジングやAPI通信などで利用されます。
身近な例で解説 ｜ レストランでの注文と出来上がった料理の提供
リクエスト（Request）：
あなたがレストランに行って、メニューを見て注文するとき、それがリクエストです。あなたはウェイトスタッフに対して、「このメニューのアイテムを注文したい」と伝える行為がリクエストに相当します。あなたがリクエストを行う側、つまりクライアント（顧客）です。
レスポンス（Response）：
ウェイトスタッフはあなたの注文をキッチンやバーに伝え、シェフやバーテンダーが料理を準備します。そして、料理が出来上がった後、ウェイトスタッフがそれをあなたのテーブルに運んで提供します。ここで提供される料理がレスポンスに相当します。提供される料理は、あなたのリクエストに対する反応や結果として現れるもので、つまりサーバー（提供する側）の側からのレスポンスです。
クッキー
クッキーは、ウェブブラウジングにおいてステートフルなセッションを管理するための仕組みです。ウェブサーバーはクライアントに対してクッキーを送信し、クライアント側でそれを保持します。これにより、ユーザーの認証情報やカートの中身などの状態を保持しつつ、連続したリクエストとレスポンスの間で情報をやり取りすることが可能となります。
身近な例え
クッキーは、ウェブサイトがあなたのブラウジング活動や設定を記録し、後でそれらの情報を利用するための小さなデータの塊です。
例え: クッキーは図書館のメモ用カードに似ています。
説明:
あなたが図書館に行って本を借りるとき、図書館は通常、本の貸し出しと返却に関する情報を記録します。それにより、後で同じ本を借りたり、期限を守ったりするのに役立ちます。
同じように、ウェブサイトもクッキーを使用して、あなたがそのウェブサイトを訪れたときの情報を記録します。これには、あなたのログイン情報、選んだ言語、カートに入れた商品などが含まれます。ウェブサイトはクッキーを使って、あなたがサイト内を移動する間、あなたの行動と設定を記録し、あなたが異なるページに移動する際にもそれを参照します。
例えば、オンラインショッピングサイトにログインし、いくつかの商品をカートに追加した場合、クッキーはそれらの情報を記録しておきます。もしウェブサイトを閉じて後で戻ってきたとき、クッキーによってカートに追加した商品がまだ残っていることがあります。これによって、ウェブサイトはあなたの選択を覚えており、スムーズなショッピング体験を提供することができるのです。
このたとえを通じて、クッキーがウェブサイトの訪問者の状態や行動を記録し、後でそれを利用する仕組みであることが理解しやすくなるでしょう。
プロトコル
ネットワーキングにおけるプロトコルは、通信のルールやフォーマットを定義する規約です。例えば、HTTPはウェブ通信のためのプロトコルであり、SMTPはメール送信のためのプロトコルです。プロトコルは、通信の際のデータの解釈や取り決めを提供し、シームレスな通信を可能にします。
シームレスな通信とは
シームレスな通信は、ユーザーやデバイスが異なる状況やネットワーク間を移動する際に、中断や遅延なく連続して通信を行うことを指します。つまり、ユーザーが意識することなく、通信が滑らかに行われ、情報やサービスが遅延や中断なく提供される状態を表現します。
シームレスな通信は、ユーザーエクスペリエンスを向上させる重要な要素であり、以下のような状況で特に価値があります。
移動中の通信: ユーザーが移動中に、Wi-Fiからモバイルデータ通信へ、あるいは逆の切り替えが行われる場合でも、通信が途切れずに継続されることが求められます。例えば、音楽を聴きながら電車に乗っている際、通信が切れることなく音楽をストリーミングできるのがシームレスな通信です。
デバイス間の切り替え: ユーザーが異なるデバイス間で作業を切り替える際にも、通信が滞ることなく継続する必要があります。例えば、スマートフォンからタブレットに切り替えたとき、ウェブブラウジング中のページが自動的に同期されて表示されるのがシームレスな通信です。
ネットワークの変化: ユーザーがオフィス内から自宅に帰る際、ネットワークの状況が変化します。シームレスな通信は、このようなネットワーク切り替えの際にも、ユーザーがコミュニケーションやサービスの中断を気にすることなく、スムーズに通信を続けることを可能にします。
身近な例え
プロトコルは、コミュニケーションやデータの交換を行う際の取り決めやルールのセット
例え: プロトコルは道路交通の交差点の信号機に似ています。
説明:
道路交通の交差点に信号機がある場合、交通がスムーズに進むように交通の流れを調整しています。信号機には「赤」「黄色」「緑」の信号があり、それぞれの色に対するドライバーの行動が規定されています。
同じように、コンピュータやデバイスが通信する際にもプロトコルが存在します。プロトコルは、データの送受信や処理の際のルールやフォーマットを定義し、コンピュータ間の相互運用性を確保します。例えば、インターネットでウェブページを閲覧するとき、ブラウザとウェブサーバーはHTTP（HyperText Transfer Protocol）と呼ばれるプロトコルを使用して情報をやり取りします。HTTPプロトコルは、リクエストとレスポンスの形式や通信手順を規定しており、ブラウザとサーバーがデータを正しくやり取りするのに役立っています。
ポート番号
ポート番号は、コンピュータが特定のサービスやプロトコルを識別するための番号です。TCP/IPネットワークでは、1台のコンピュータ内で複数のネットワークサービスを提供できます。例えば、ウェブサーバーは通常ポート番号80でHTTPリクエストを待ち受けます。ポート番号は送信元と宛先のコンピュータで一意である必要があり、正しいポート番号の使用によって適切なサービスへのアクセスが可能となります。
身近な例え
例え: ポート番号は建物内の部屋番号に似ています。
説明:
あなたが友達の家に遊びに行くとき、その家の建物には複数の部屋があります。それぞれの部屋は異なる目的や活動に使われています。部屋番号を知ることで、友達の家でどの部屋に行くべきかを理解できます。
同じように、コンピュータネットワーク内には複数のアプリケーションやサービスが存在します。これらのアプリケーションは、通信の際にポート番号を使用して区別されます。