【発展】物理層から通信が成立するまで（電力・Ethernet・Wi-Fi・Bluetooth）

• この章で学ぶこと：電力の供給から Ethernet・Wi-Fi・Bluetooth までの物理層・データリンク層で何が起きているかを俯瞰し、アプリ開発者が知っておくと役立つ点（遅延・電波干渉・省電力設計）を整理します。
• なぜ学ぶのか：通常の Web 開発では意識しない領域ですが、モバイル・IoT・オフィス内アプリで「なぜか遅い」「特定の環境で動かない」といった問題の原因はここにあることが多く、設計段階で仮説を立てられるようになります。
• Web 開発のどの領域か：発展トピックです。本章を飛ばしても b01 以降の学習に支障はありません。興味があるときに読んでいただければ十分です。

前提: b00-3-network-basics を読み終えていること。

所要時間: 40 分（読解 30 分＋確認クイズ 10 分）

到達目標: 「Wi-Fi が不安定なオフィスで SNS アプリのレスポンスが遅くなる」現象に対して、物理層・リンク層・ネットワーク層のどこに原因がありうるか仮説を立てられる状態。

なぜアプリ開発者が物理層を知るのか

HTTP・TCP・IP はすべて最終的に電気信号か電波として運ばれます。普段は抽象化されていて意識しませんが、以下のような場面では物理層の知識が効いてきます。

• 社内 Wi-Fi が混雑してレスポンスが不安定なとき、原因仮説を立てるため
• 医療・工場などの現場で使う端末が Bluetooth 機器（血圧計・バーコードリーダー）と連携するとき
• モバイル回線（4G／5G）での利用を想定した際のタイムアウト設計
• データセンターの電力・冷却コストがクラウド料金に反映されていることを理解するため

本章は「開発者として最低限押さえたいポイント」に絞って解説します。電気工学の深い理解は不要です。

電力：すべては電気から始まる

すべてのコンピューター・ルーター・基地局は電気で動いています。通信の土台として、次の区別だけ押さえておいてください。

AC と DC

• AC（交流）: 家庭のコンセントから来る電気です。日本は 100V・50/60Hz です。
• DC（直流）: コンピューター内部で使う電気です。5V・12V・3.3V などが一般的です。

ノート PC や Wi-Fi ルーターの AC アダプターは「AC を DC に変換する装置」です。サーバーも同じく電源ユニット（PSU）で AC → DC 変換を行い、CPU や SSD に供給します。

データセンターの電力

クラウド（AWS・GCP・Azure）のサーバーは、データセンターと呼ばれる巨大な施設で運用されます。データセンターの運用コストの半分以上は電力と冷却が占めます。

• PUE（Power Usage Effectiveness）: 総消費電力 ÷ IT 機器の消費電力です。1.0 が理想で、Google・Meta のデータセンターは 1.1 前後、一般的なデータセンターは 1.5〜1.8 です。
• 冗長化: 商用電源の障害に備え、UPS（無停電電源装置）と発電機を多重化しています。
• 再生可能エネルギー: 大手クラウドは再エネ 100% への移行を進めており、サービス選定の基準になることがあります。

開発者への影響: サーバーレス・CDN・キャッシュを活用すると「無駄な電力消費」を減らせます。これはコスト削減にも環境負荷低減にも直結します。

有線 LAN（Ethernet）

最も枯れていて安定した通信方式です。

規格

特徴

• 全二重通信: 送受信を同時に行えます（かつての半二重とは異なります）。
• PoE（Power over Ethernet）: LAN ケーブル 1 本で通信と電力供給を両立できます。監視カメラや Wi-Fi アクセスポイントの設置でよく使われます。
• レイテンシ: 社内 LAN では通常 1 ミリ秒未満です。Wi-Fi と比べて圧倒的に安定します。

開発者への影響

開発・配信サーバー間の通信は基本的に有線 Ethernet です。AWS の EC2 ↔ RDS 間も、物理的には Ethernet（しばしば 25GbE 以上）で接続されています。

無線 LAN（Wi-Fi）

ケーブルを引かない便利さと引き換えに、干渉・減衰・共有の宿命を抱えています。

主な規格

2.4GHz と 5GHz と 6GHz の違い

開発者への影響

• Wi-Fi は 共有媒体 です。同じアクセスポイントにぶら下がる端末が増えると 1 台あたりの実効帯域が下がります。
• Wi-Fi は パケットロスが発生する前提で設計されています。TCP が再送してくれるため多くのアプリは気づきませんが、動画通話や WebSocket では体感に現れます。
• ユーザーが移動するアプリ（訪問看護・営業支援）では Wi-Fi から 4G／5G へ切り替わる瞬間に IP アドレスが変わります。再接続ロジックを入れておくことが重要です。

モバイル回線（4G・5G）

屋外・移動中の通信はセルラー網を使います。

低レイテンシ は 5G の重要な特徴で、遠隔医療・自動運転・AR／VR のような「応答性が命」のアプリを成立させます。通常の Web アプリでは 4G で十分なケースが多いですが、長いレイテンシ前提で楽観的 UI（Optimistic UI）を実装するなどの設計で対応します。

Bluetooth

近距離・低速・低消費電力が特徴です。Wi-Fi が「家〜オフィス全体」だとすると、Bluetooth は「机の上・身体の近く」の通信です。

Classic と LE

• Bluetooth Classic（BR/EDR）: 音声・音楽のストリーミングで使用します。消費電力が大きめです。
• Bluetooth Low Energy（BLE）: IoT・医療機器で普及しています。コイン電池で数年動くほどの低消費電力が特徴です。

ペアリングとセキュリティ

• ペアリング時に鍵を共有し、以降は暗号化通信になります。
• 公開鍵暗号を使った Secure Connections モードが現在の標準です。
• 古い LE（Just Works モード）はパスキーなしで接続するため、機密データのやり取りには使用しません。

Mesh ネットワーク

Bluetooth Mesh は複数のデバイスが互いを中継してネットワーク全体に信号を届ける仕組みです。スマート照明・ビル管理システムなどで使われます。

開発者への影響

Web アプリから直接 Bluetooth 機器を操作したい場合、Web Bluetooth API が Chromium 系ブラウザで利用できます（Safari は非対応）。現場端末との連携を考える際は、ネイティブアプリ（iOS／Android）での実装と比較検討することが多くなります。

物理層から Web アプリへのつながり

ここまでの層を縦に積むと、1 回の HTTP リクエストは次のように多層の橋渡しを受けています。

アプリ層       HTTP  (b00-2・b06 で扱う)
  ↓
トランスポート層 TCP／UDP  (b00-3 で扱う)
  ↓
ネットワーク層  IP   (b00-3 で扱う)
  ↓
データリンク層  Ethernet／Wi-Fi／Bluetooth  (本章)
  ↓
物理層          ケーブルの電気信号・電波・光ファイバーの光
  ↓
電力            AC/DC・発電所・データセンター

普段は最上段（HTTP）だけを書けば済みますが、どこかの層で物理的な制約が出ると最上段まで影響します。「アプリは変わっていないのに遅くなった」というとき、犯人が下の層にいる可能性を思い出せる状態を目指します。

【アーキテクチャ】コラム：エッジコンピューティングと物理距離

課題: 光は 1 秒に約 30 万キロ進みますが、地球の裏側までは理論値でも片道 66 ms の遅延が避けられません。物理的な距離は光速で律速されます。

解決策の方向性:

1. CDN: 静的リソースをユーザーに近いエッジサーバーに配置します。代表は CloudFront・Cloudflare です。
2. エッジコンピューティング: 計算そのものもエッジで実行します。代表は Cloudflare Workers・AWS Lambda@Edge・Fastly Compute@Edge です。
3. マルチリージョンデータベース: データ自体を世界に分散します。代表は AWS DynamoDB Global Tables・CockroachDB・Spanner です。

本カリキュラムの選択: SNS のレイテンシ要件はミリ秒級ではなく数十〜100ms で十分なため、CloudFront による CDN のみを採用し、アプリ本体は 1 リージョンで運用します。エッジコンピューティングは運用コストが上がるためスコープ外とします。

【セキュリティ】コラム：公衆 Wi-Fi と電波盗聴

脅威: Wi-Fi の電波は空間を飛びます。WPA2／WPA3 で暗号化されていない、または古い WEP を使っている Wi-Fi では、近くにいる攻撃者が電波を傍受するだけで通信内容を読み取れる恐れがあります。

具体例: カフェの「パスワードなし Wi-Fi」は一切の暗号化がないため、同じ Wi-Fi にいる攻撃者が Wireshark で全パケットを可視化できます。HTTP で送った情報は丸見えになります。

防御:

• すべての通信を HTTPS にします（HSTS を含みます）。これで Wi-Fi 層の盗聴は無効化されます。
• 不特定多数が使う Wi-Fi では VPN を使うか、モバイル回線を優先します。
• 自社オフィスの Wi-Fi は WPA3 を採用し、ゲスト用と業務用のネットワークを分離します。

アプリ側でできる最大の防御は「HTTPS を強制する」ことです。b17（ホスティング）で AWS ACM と CloudFront による HTTPS 化を扱います。

よくある詰まりポイント

• 「Wi-Fi が 1 Gbps と表示されているのに実効速度が 200 Mbps しか出ない」のは通常のことです。電波の利用効率・干渉・共有端末数で実効帯域は理論値の 20〜50% になることが多いです。
• Bluetooth Classic と BLE は互換性がありません。イヤホンは Classic、Apple Watch のような低消費電力機器は BLE、と用途で分かれます。
• PoE は便利ですが、給電能力（PoE／PoE+／PoE++）と消費機器のワット数が合わないと動きません。カメラやアクセスポイントを導入する際は双方のスペックを確認してください。
• 5G は「速い」印象が強いですが、低レイテンシ と 多数接続 も主要な特徴です。IoT や工場自動化の文脈では後者が重要になります。

参考リソース

• Wi-Fi Alliance — Wi-Fi 世代一覧
• Bluetooth SIG — 公式仕様
• Cloudflare Learning — How does the internet work?
• AWS — What is a data center?
• 『マスタリング TCP/IP 無線 LAN 編』（オーム社）— 日本語で無線 LAN を体系的に学べます

確認クイズ

この章で理解しておくこと

この章は 導入編 の STEP 2にある 「考える」 の章です。本文を読み終えたあと、次の観点だけ確認すると次へ進みやすくなります。

この章で理解すること:

• 物理層とリンク層が通信品質へ与える影響を理解する
• Web 開発者が物理層を知る意味を説明できる

次に活きる章:

• ネットワーク基礎（TCP/IP・DNS・HTTPS）
• AWSインフラ基礎

補助参照:

• カリキュラム全体の完成条件（checklist.yml）
• 参照実装の README