あなたがYouTubeを見ている裏で起きていること①

マナブくん：「ハカセ、帰りの電車と、駅から家までの道で、ずっとYouTubeを見てたんです。再生ボタンを押したら、1秒もしないで始まりました。」

ハカセ：「ふつうに見えて、実はすごいことなんだよ。」

マナブくん：「考えたら、不思議なことだらけなんです。今日はそれを全部聞いてもいいですか？」

ハカセ：「もちろん。ひとつずつ答えていこう。」

疑問1：なんで「youtube.com」だけで相手にたどり着けるの？

マナブくん：「最初の疑問です。僕は住所みたいなものを入れてないのに、どうしてYouTubeのコンピューターにたどり着けるんですか？」

ハカセ：「ネットワークの機械は、名前ではなく番号で相手を見分けている。住所にあたる番号で、IPアドレスという。」

マナブくん：「じゃあ、名前を番号に変えている誰かがいるんですね。」

ハカセ：「そう。再生ボタンを押すと、スマホはまず『youtube.com の番号は何番？』と、名前と番号の対応表を持つコンピューターに問い合わせる。答えの番号が返ってきたら、その番号に向けて『この動画をください』と頼む。このしくみをDNSという。」

マナブくん：「気づかないうちに、そんなやりとりがあったんだ。」

ハカセ：「お店の名前で注文すると、受付が勝手に倉庫の住所を調べてくれる感じだね。この問い合わせは、ふつうは一瞬で終わる。よく使う名前の答えはスマホや近くの機械が覚えておくから、毎回遠くまで聞きに行かなくていいんだ。」

疑問2：線もないのに、どうやってデータが飛んでくるの？

マナブくん：「スマホって、線につながってないですよね。データはどうやって届くんですか？」

ハカセ：「電波だ。文字や映像そのものが飛んでいるわけじゃない。スマホは0と1の並びに合わせて、電波の強さや波のタイミングを細かく変えて送る。受け取る側は、その変化を読み取って0と1に戻すんだ。」

マナブくん：「変化の種類を増やせば、一度にたくさん送れそう。」

ハカセ：「その通り。でも種類を増やすほど、雑音で読み間違えやすくなる。だから電波の届き具合がいいときは細かく、悪いときは粗く、こまめに送り方を切り替えている。読み間違えても直せるように、確認用のデータもわざと足しているよ。」

マナブくん：「5Gの『3.7GHz』って、速さのことですか？」

ハカセ：「よくある勘違いだね。GHz（ギガヘルツ）は、波が1秒に何回ゆれるかを表す数字だ。3.7GHzなら1秒に37億回。速さとは別のものなんだ。速さに大きく効くのは、使える電波の『幅』のほう。道路の車線の数みたいなもので、幅が広いほどたくさん運べる。」

マナブくん：「建物の中や雨の日に、電波が弱くなるのはなぜですか？」

ハカセ：「電波は離れるほど弱くなるし、壁や人の体にさえぎられる。ビルに反射した電波が遅れて届いて、強め合ったり弱め合ったりもする。ほかの電波に邪魔されることもある。高い周波数ほど幅を広く取りやすいけど、そのぶん建物の陰に回り込みにくいんだ。」

マナブくん：「弱くならないための工夫はあるんですか？」

ハカセ：「たくさんのアンテナを使って、懐中電灯の光を絞るように、マナブくんのいる方向へ電波を集中させている。」

疑問3：歩きながらでも途切れないのはなぜ？　花火大会で遅いのはなぜ？

マナブくん：「電波の相手って、どこにいるんですか？」

ハカセ：「ビルの屋上や鉄塔にあるアンテナだ。信号を処理する装置や電源、回線までまとめて基地局と呼ぶ。基地局はつながってきたスマホが契約者かを、SIMに入っている情報で確かめる。SIMは会員証のようなもので、動画が入っているわけじゃないよ。」

マナブくん：「歩いていると、基地局から離れちゃいますよね。」

ハカセ：「1つの基地局が受け持つ範囲は限られている。だから隣の範囲に入ると、通信を止めずに担当を隣の基地局に引き継ぐ。これをハンドオーバーという。電車で動いていても動画が止まらないのは、このバトンパスのおかげだ。」

マナブくん：「花火大会で、アンテナは立ってるのにすごく遅かったことがあります。」

ハカセ：「基地局は、電波を時間と周波数の細かいマス目に区切って、『この瞬間のこのマス目はマナブくん、次はあの人』と、ものすごい速さで配っている。人が何万人も集まると、マス目の取り合いになる。アンテナが立っていても、自分の番が少ししか回ってこないんだ。」

マナブくん：「だから遅かったんだ！　5Gだと変わりますか？」

ハカセ：「5Gは、たくさん運べる、遅れが短い、たくさんの機器をつなげる、を目指して作られた。その先の6Gでは、電波で周りの様子をとらえる使い方やAIとの組み合わせも話題だ。それに基地局は電気をたくさん使うから、空いている時間に一部を休ませる工夫や、停電に備えた蓄電池もある。」

疑問4：動画はどんな道を通ってくるの？　海外の動画でもすぐ見られるのは？

マナブくん：「基地局から先は、どうなっているんですか？」

ハカセ：「電波を使うのは、スマホから基地局までだ。その先はほとんどが光ファイバーという、髪の毛ほどの細いガラスの線。中に光を閉じ込めて、0と1を光の点滅で運ぶ。色のちがう光を1本に重ねて、同時にたくさん送ることもできる。」

マナブくん：「海外のサーバーにある動画は？」

ハカセ：「海の底に敷いたケーブルを通る。中身はやはり光ファイバーだ。光はガラスの中で1秒に約20万km進む。日本からアメリカまでなら、片道0.05秒ほどだね。速いけど一瞬ではないから、遠い相手ほど少し時間がかかる。」

マナブくん：「動画は、ひとかたまりで運ばれるんですか？」

ハカセ：「いや、小分けにして運ぶ。この小包をパケットという。1つ1つに宛先の番号が書いてある。小分けにすれば、1人が道を独占せず、みんなで分け合える。1つなくしても、その分だけ送り直せばいい。」

マナブくん：「どの道を通るかは、誰が決めるんですか？」

ハカセ：「道の分かれ目ごとにある中継の機械、ルーターだ。ルーターは全体の地図を持っていない。宛先を見て、次に渡す相手だけを決める。それを何度もくり返すバケツリレーなんだ。」

マナブくん：「全体を仕切っている本部があるんですか？」

ハカセ：「それがないんだ。インターネットは、たくさんの通信会社のネットワークがつながったもの。会社同士が『うちを通ればあそこまで行けます』と道の情報を交換し合って、全体が動いている。それと、動画のやりとりには鍵がかかっていて、途中で中身を読まれたり書き換えられたりしにくくなっている。」

疑問5：動画はどこにあるの？　人気動画でも止まらず、画質が勝手に変わるのは？

マナブくん：「そもそも動画って、どこに置いてあるんですか？　クラウド？」

ハカセ：「クラウドは、ふわっとした雲じゃない。棚にコンピューター（サーバー）がぎっしり並んだ、本物の建物だ。これをデータセンターという。1台のコンピューターを何台分にも分けて使ったり、アプリを部品ごとまとめて、どこでもすぐ動かせるようにしたりしている。」

マナブくん：「人気の動画に、世界中から人が集まったら？」

ハカセ：「工夫は2つある。1つめは、混み具合を見て、動かすコンピューターの数を自動で増やすこと。ただ、増やすには少し時間がかかるし、上限も予算もある。2つめは、人気の動画のコピーを、利用者の近くのサーバーに置いておくこと（CDN）。近所の配送センターに在庫を置いておく感じだね。」

マナブくん：「でも、配送センターの在庫って、売れたらなくなりますよね。」

ハカセ：「そこがデータのすごいところ。動画はコピーだから、同じ1本を何人にでも同時に届けられる。だから近くに置いておくのがとても効くんだ。」

マナブくん：「人の多い場所で、画質が勝手に落ちることがあります。」

ハカセ：「動画は、丸ごと1本ではなく、数秒ずつに区切って届けている。しかも、きれいな版と軽い版を何種類も用意してある。スマホは通信の調子を見ながら、次の数秒をどの版でもらうかを選ぶ。混んできたら軽い版に切り替えて、とにかく止めない。画質が落ちるのは、止めないための工夫なんだ。」

マナブくん：「止まるよりは、そのほうがいいです。」

ハカセ：「それに、データセンターは電気がないと動かない。停電に備えた電池や発電機、コンピューターの熱を逃がす冷却設が、24時間ずっと支えているんだ。」