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データベースの用語など
データベースの機能
データベースを考える時、利用者の視点で分類すると、以下の3つの視点の違いがある。
- データベースの管理者(データベース全体の管理)、
- 応用プログラマ(SQLなどを使って目的のアプリケーションに合わせた処理を行う)、
- エンドユーザ(データベース処理の専門家でなく、DBシステムのGUIを使ってデータベースを操作する)
データベース管理システム(DBMS)では、データとプログラムを分離してプログラムを書けるように、データ操作言語(SQL)で記述する。
また、データは独立して扱えるようにすることで、データへの物理的なアクセス方法があっても、プログラムの変更が不要となるようにする。
データベースは、利用者から頻繁に不定期にアクセスされる。このため、データの一貫性が重要となる。これらを満たすためには、(a) データの正当性の確認、(b) 同時実行制御(排他制御)、(c) 障害回復の機能が重要となる。
これ以外にも、データベースからデータを高速に扱えるためには、検索キーに応じてインデックスファイルを管理してくれる機能や、データベースをネットワーク越しに使える機能などが求められる。
データベースに対する視点
実体のデータをそれぞれの利用者からデータベースを記述したものはスキーマと呼ばれる。そのスキーマも3つに分けられ、これを3層スキーマアーキテクチャと呼ぶ。
- 外部スキーマ – エンドユーザからどんなデータに見えるのか (create view の例)
- 概念スキーマ – 応用プログラマからは、どのような表の組み合わせで見えるのか、表の中身はどのようなものなのか。
- 内部スキーマ – データベース管理者からみて、表の中身は、どのようなファイル名でどのような形式でどう保存されているのか
データモデル
データを表現するモデルには、いくつかのモデルがある。
- 階層型データモデル – 木構造で枝葉に行くにつれて細かい内容
- ユーザ情報を扱うLDAP(Light Weight Directory Access Protocol)は、階層モデルの例
- ディレクトリサービス: コンピュータのリソースの属性や情報のデータベース (Windows の Active Directory)
- ネットワーク型モデル – データの一部が他のデータ構造と関係している。
- 関係モデル – すべてを表形式で表す。
関係データベースの基礎
関係データベースは、1970年頃に、E.F.コッド博士によりデータベースのための数学的な理論が確立された。
- 集合 A, B – 様々なデータ
- 直積 A✕B = { (x,y) | x∈A , y∈B } 集合A,Bのすべての組み合わせ
- 関係 R(A,B) すべての組み合わせのうち、関係があるもの。直積A,Bの部分集合
例えば、A={ s,t,u } , B={ p,q } (定義域) なら、
A✕B = { (s,p) , (s,q) , (t,p) , (t,q) , (u,p) , (u,q) }
このうち、Aが名前(sさん,tさん,uさん)、Bが性別(p=男性,q=女性)を表すなら、
R(A,B) = { (s,p) , (t,q) , (u,p) } (例)
(例)：(sさん,男性) , (tさん,女性) , (uさん,男性)
SQLの導入
コッドが提唱した関係データベースの理論に基づいて作った Alpha 言語を元に、IBM が SEQUEL を開発したが、商標の問題で SQL と名前が変更された。同じころにコッドらの論文を元に、ラリー・エリソンらにより Oracle が開発されている。
SQLは、データベース管理システム(RDBMS)において、データの操作や定義を行うためのデータベース言語（問い合わせ言語）である。プログラミングにおいてデータベースへのアクセスのために、他のプログラミング言語と併用される。COBOL の影響が大きく英語の文章のような文法となっている。
SQLの機能は、以下の3つに大きく分けられている。
- データ定義言語(Data Definition Language)
- CREATE , DROP , ALTER
- データ操作言語(Data Manipulation Language)
- INSERT INTO , UPDATE…SET , DELETE FROM , SELECT…FROM…WHERE
- データ制御言語(Data Control Language)
- GRANT , REVOKE , COMMIT , ROLLBACK
今回の授業では、Paiza.IO の MySQL 環境を使って演習を行う。
理解確認
- データベースにおける3層スキーマアーキテクチャについて説明せよ
- 集合A,Bが与えられた時、関係R(A,B) はどのようなものか、数学定義や実例をあげて説明せよ。
Ethernet LANとWAN接続
前回の物理層のLANの話に引き続き、WANの話を説明。
前回の復習
10BASE5, 10BASE2 では、同軸ケーブルにPCが接続。
10BASE5 トランシーバ
10BASE2 とT型分岐コネクタ
10BASE-T
Ethernet と通信速度
10BASE 5/2/-T といった 10BASE は、通信速度の上限が 10Mbps (bit per second) を意味する。100BASE-T といった 100BASE は、100Mbps を意味する。最近では、1000BASE-T は、1000 Mbps = 1Gbps の通信速度となる。最近では、10G BASE-T といった記載であれば、10Gbps を意味する。
バス接続(LAN)と転送速度
基本的な Ethernet の接続では、1本の通信路を共有するバス型接続のため、1本の信号線をパケット単位の通信の短い時間に区切って、送信を交代しながら行う時分割多重方式で行い通信を行う。
例えば、4台のパソコンで、A-B間、C-D間で同時に通信を行おうとすると、A-Bの通信中は、通信路が使用中のため、C-D間の通信はできない。このため、A-B間、C-D間の通信をパケットを送る毎に交代しながら通信路を利用する。
-
- 10BASE/5の PC-AとPC-Bの間で、音楽CD1枚のデータ(700MB)をを送る場合、通信時間はどの位かかるか？
- →答え：
700M[byte] = 5.6G[bit] なので、10M[bit/sec]で送ると、560[sec]
- →答え：
- 同じく、A-B間、C-D間で同時に送る場合は、通信時間はどのくらいかかるか？
- →答え：
同時に通信ができないので、通信路を切り替えながら送るため、倍の時間がかかる。よって、1120[sec]
- →答え：
- 10BASE/5の PC-AとPC-Bの間で、音楽CD1枚のデータ(700MB)をを送る場合、通信時間はどの位かかるか？
HUBを使った通信路、10BASE/T, 100BASE-T, ＊BASE-T では、HUBの内部構造に注意が必要。基本的には、見かけ上は木構造のように分配しているように見えるけど、内部はバス型の通信路に変わりはない。10BASE/T を利用している頃は、HUBは高価であり単純なバス型接続のHUB(Dumb HUB)であれば、C-D間通信中は、E-F間通信ができない。
しかしこれでは、通信速度が無駄になるので、最近はスイッチングHUBが利用される。このHUBは、通信相手に応じてHUB内部の通信路を切り分けるので、A-B間通信中でも、C-D間通信が可能となる。
理解確認
- 2つのDumb HUBで、A,B,C,D,E,Fのコンピュータが繋がっている時、A-C間、B-D間で音楽CD700MBのデータを送る場合、通信時間はどうなる？
電話線接続
同じ敷地内のネットワーク接続のLANどうしを、ネットワークで相互接続するWAN(Wide Area Network)では、昔は電話線を用いていた。電話は、本来音声を伝えるためのものであるため、0/1のデジタル信号を、音の信号に変換(変調)し、受信側は音をデジタル信号に(復調)する。これらを行う機器は、変復調装置(モデム)と呼ばれる。
変調の際には、0/1信号を、音の強弱(振幅変調/AM),音程の高低(周波数変調/FM),位相の前後(位相変調/PM)の組み合わせによって、送受信を行う。
当初は、300bps程度であったが、最終的には64Kbps 程度の通信速度が得られた。
これらの通信速度の改善のため、電話線にデジタル信号で送る ISDN , 電話線の音の信号の高帯域を使った通信 ADSLなどが用いられた。
最近では、光ファイバによる FTTH(Fiber To The Home) により 1Gbps を越える通信が可能となっている。
通信速度の理解と、古い時代の通信速度を体験してもらうため、試しに「2000ドット✕1500ドットのRGB画像(1ドット3byte)のデータ(無圧縮)を、9600bps で通信したら、どの程度の時間を要するか、いくらかかるのか？」を計算してみよう。ちなみに2000年頃は、携帯電話では、1Kbyteあたり10円の通信料がかかった。
→答え:
データ量 2000✕1500✕3✕8 [bit] = 72 M[bit]
通信速度 9600[bps] であれば、72 M / 9600 = 7500[sec] = 約2時間
通信費 72M[bit]/8/1000 = 9000[Kbyte]、
通信料金 9000[Kbyte]=9000[パケット]、1パケット(1KB)10円だから90,000円 😥
# 320✕240✕RGB(16bit)で圧縮で1/5であれば、それでも100円超え
J-PHONE(J-SH04,200年発売)で始めてカメラ付き携帯が登場
光ファイバ
光ファイバでは、内側(コア)に屈折率の高い透過材料と、外側に屈折率の低い透過材料でケーブルを使い、屈折率の違う断面で全反射することを利用して光を遠くまで運ぶ。中身がガラス繊維なので、中の繊維が折れない工夫や、コネクタで光が減衰しないような工夫が重要。
ネットワークトポロジ
ネットワークに機器を接続する形態をネットワークトポロジと言う。
1本の線を共有するバス型、機器どうしがリング型に接続するリング型、中央の機器を通して接続されるスター型が基本となる。
基本的に、Ethernet は 1本の線を機器で共有するバス型。ただし、10BASE-T,100BASE-TX などの HUB で繋がることから、HUB を中心に広がるスター型とも言える。それぞれれのネットワークは相互につながることから、木の枝状に見えるものはツリー型と呼ばれる。また、上流ネットワークでは、機器が故障した場合に一切の通信ができなくなるのは問題があるため、複数のネットワークで相互に接続される。この場合、網が絡むような構造になることから、ネットワーク型と呼ばれる。
付属中学の生徒さんが IoT の調査
福井の付属中学校の生徒さんが、授業の一環での IoT 調査ということで訪問を受けました。農業に IoT を…やりたいとのこと。今日は技術の概要を説明したけど、実際に作るのなら福井市だったら、IchigoBase に行くとプログラミングとか教えてくれるよ～と紹介させていただきました。
ランダムアクセス・シーケンシャルアクセスから双方向リスト
前期期末試験のテスト返却と解説を行ってから、ランダムアクセスO(1)とシーケンシャルアクセスO(N)の説明を踏まえ、リスト構造のO(N)の改善にむけた解説を行う。
リスト構造の利点と欠点
リストを使った集合演算のように、データを連ねたリストは、単純リストとか線形リストと呼ばれる。特徴はデータ数に応じてメモリを確保する点や、途中へのデータの挿入削除が得意な点があげられる。一方で、配列は想定最大データ件数で宣言してしまうと、実際のデータ数が少ない場合、メモリの無駄も発生する。しかし、想定件数と実データ件数がそれなりに一致していれば、無駄も必要最小限となる。リスト構造では、次のデータへのポインタを必要とすることから、常にポインタ分のメモリは、データにのみ注目すれば無駄となる。
例えば、整数型のデータを最大 MAX 件保存したいけど、実際は それ以下の、平均 N 件扱うとする。この時のメモリの使用量 M は、以下のようになるであろう。
| 配列の場合 | リスト構造の場合 |
(ただしヒープ管理用メモリ使用量は無視) |
シーケンシャルアクセス・ランダムアクセス
もう１つの欠点がシーケンシャルアクセスとなる。テープ上に記録された情報を読む場合、後ろのデータを読むには途中データを読み飛ばす必要があり、データ件数に比例したアクセス時間を要する。このような N番目 データ参照に、O(N)の時間を要するものは、シーケンシャルアクセスと呼ばれる。
一方、配列はどの場所であれ、一定時間でデータの参照が可能であり、これは ランダムアクセスと呼ばれる。N番目のアクセス時間がO(1)を要する。
このため、プログラム・エディタの文字データの管理などに単純リストを用いた場合、１つ前の行に移動するには、先頭から編集行までの移動で O(N) の時間がかかり、大量の行数の編集では、使いものにならない。ここで、シーケンシャルアクセスでも１つ前にもどるだけでも処理時間を改善してみよう。
単純リストから双方向リストへ
ここまで説明してきた単純リストは、次のデータへのポインタを持つ。ここで、１つ後ろのデータ(N番目からN+1番目)をアクセスするのは簡単だけど、１つ前のデータ(N-1番目)を参照しようと思ったら、先頭から(N-1)番目を辿るしかない。でも、これは O(N) の処理であり時間がかかる処理。
ではどうすればよいのか？
この場合、一つ前のデータの場所を覚えているポインタがあれば良い。
// 双方向リストの宣言
struct BD_List {
struct BD_List* prev ; // 1つ前のデータへのポインタ
int data ;
struct BD_List* next ; // 次のデータへのポインタ
} ;
情報ネットワーク基礎・ガイダンス2022
情報ネットワーク基礎では、インターネットがどのような仕組みなのか、どのようにして動いているのかを説明する。TCP/IPって何? IPアドレスって何? セキュリティって何?
あなたが使っているネットワーク機能は?
共有：ネットワークプリンタ、ファイル共有…
(ハードウェアや情報を共有)
分散：大量のコンピュータで負荷分散、リスク分散…
(仕事を分散し全体で高速化, 沢山のコンピュータの1台が壊れても全体は動く)
ネットワークの歴史
昔のコンピュータは、開発にお金がかかるため1台のコンピュータを全員で使うもの(TSS: Time Sharing System)だった。冷戦の時代、軍の重要な処理を行うコンピュータでは、コンピュータのある所に核攻撃を加えられ、軍の機能がすべて動かなくなることは問題だった。1970年頃にアメリカ国防総省ARPANETがインターネットの原型(TCP/IP)を作る。
1980年代には、パソコンがインターネットで繋がるようになる(LAN)。1990年代には、LANどうしを遠隔地接続をするWANが発達。欧州原子核研究機構(CERN)で、ティム・バーナーズ=リーがWorld Wide Web/httpを開発(1989)。1995年、マイクロソフトの家庭用パソコンのOS Windows95の普及と共にWWWが普及する。
※1980年代:パソコン通信、1997年:weblog,1998年:Google検索、1999年:2ch、2002年:SNSの誕生、2006年:Twitter,Facebook(一般開放)
コンピュータインタフェースとネットワーク(物理層)
ネットワークにおける情報伝達において、伝送媒体(電気信号,光)にて0/1を伝えるための取り決めは、物理層という。まずは、コンピュータと機器の接続について考えると、シリアル通信とパラレル通信に分類できる。
通信の高速化に伴い、伝送の配線はコンデンサやインダクタンスを考慮したインピーダンスマッチングが重要となる。このため、高速通信のインタフェース両端は終端抵抗(ターミネータ)が必要だった。
パラレル通信の例：パラレルポート(プリンタ用)IEEE 1284、ハードディスクATA(IDE)、計測器GP-IB
シリアル通信の例：RS-232C、USB1.1、IEEE1394(FireWire)、USB2.0、USB3.0、Ethernet
Ethernetの種別
- 10Mbit/sec通信
- 10BASE/5 – ケーブルに針を刺して増設
- 10BASE/2 – T型BNCケーブルで延長
- 10BASE/T – HUBで分配(終端抵抗などの問題はHUBが解決してくれる)
- 100BASE-T
- 1000BASE-T ギガビット
- 10000BASE , 10GBase
理解確認
- ネットワークにおける共有と分散について例をあげて説明せよ。
- TSSのような通信によるコンピュータと、TCP/IPによる通信網を比べ何がどう良いのか？
- シリアル通信とパラレル通信、それぞれの利点欠点は？
- 10BASE/5,10BASE/2,10BASE/Tのそれぞれの問題点は？