圧縮ファイルの仕組みと実務上の注意点：アルゴリズム・フォーマット・運用まで徹底解説
エバープレイ編集部はじめに：圧縮ファイルとは何か
圧縮ファイルとは、データの冗長性を減らしてファイルサイズを小さくしたものを格納するファイル形式の総称です。単一ファイルに圧縮したものもあれば、複数のファイルやディレクトリをまとめて格納するコンテナ（例：tar）に圧縮データを適用することもあります。ネットワーク転送の高速化、ストレージ節約、バックアップ効率化などが主な目的です。圧縮には「可逆（ロスレス）」と「非可逆（ロッシー）」があり、一般的な圧縮ファイルは可逆圧縮を用いて元のデータを完全に復元できることが多いです。
圧縮の基本原理：情報理論とエントロピー
圧縮の鍵はデータの「冗長性」を検出して短く表現することにあります。クロード・シャノンの情報理論で示されるエントロピーは、理論上の圧縮限界を表します。将来的に理想的な圧縮はソースのエントロピーに近づきますが、計算資源や遅延、メモリ制約により実装はトレードオフを伴います。よく使われる手法は、出現頻度の高いパターンに短い符号を割り当てる「符号化（例：ハフマン符号）」と、過去のデータとの重複を参照して差分で表現する「辞書方式（例：LZ77/LZ78）」です。
代表的な圧縮アルゴリズムと特徴
- LZ77/LZ78（および派生のDEFLATE）: スライディングウィンドウで過去のバイト列を参照して圧縮。ZIPやgzip、PNGで採用されるDEFLATEはLZ77とハフマン符号を組み合わせた実用的方式。
- LZMA（7z）: 辞書圧縮を高度化し大きな辞書と高効率な予測を使う。高圧縮率だがCPUとメモリを多く使う。
- Brotli: Web向けに開発された可変ハフマン＋字句モデルで、gzipより高圧縮率。HTTPのContent-Encodingとして利用。
- Zstandard (zstd): Facebookが開発。高速かつ高圧縮率、圧縮レベルの幅広い調整とマルチスレッド対応が特徴。
- Bzip2/xz: Burrows–Wheeler変換＋Move-to-front＋ハフマン等を組み合わせ、高圧縮率だが遅い。xzはLZMA2ベース。
- ロッシー圧縮（画像・音声・動画）: JPEG、MP3、H.264など。元データ復元不可だが大幅圧縮可能。ファイルコンテナとは用途が異なる。
フォーマットとコンテナの違い：ZIP、TAR、GZIP、7z等
圧縮ファイルには「圧縮アルゴリズム」と「アーカイブ（コンテナ）」の両方の概念が関与します。tarは複数ファイルを一つにまとめるだけで圧縮機能は持ちません。通常 tar + gzip (= .tar.gz) や tar + xz (= .tar.xz) のように組み合わせて用います。一方、ZIPや7zはアーカイブと圧縮を単一ファイルで扱い、個別ファイルの圧縮やメタデータ保持、暗号化などをサポートします。
可逆と非可逆、ソリッド圧縮の概念
可逆（ロスレス）圧縮は元データを完全復元可能で、ソースコードやテキスト、データベースのダンプに必須です。非可逆（ロッシー）圧縮は画像や映像で許容されます。ソリッド圧縮（例：RAR、7zのソリッドモード）は複数ファイルを連続データとしてひとまとまりに圧縮するため、同種の小ファイルが多い場合に圧縮率が大幅に向上します。ただしランダムアクセス性能は低下します。
圧縮率とパフォーマンスのトレードオフ
圧縮率は高いほどCPU時間やメモリを消費する傾向にあります。例えばLZMA/7zは高圧縮率だが遅く、zstdは高速で十分な圧縮率を提供します。実運用では次を考慮します：CPU負荷（圧縮・解凍）、メモリ利用、I/O帯域、レイテンシ、圧縮レベルの可変性、マルチスレッド対応。バックアップ用途なら高圧縮率を重視し、ネットワーク転送やWeb配信なら高速圧縮・解凍を優先します。
安全性と脆弱性：圧縮ファイルの落とし穴
圧縮ファイルにはセキュリティ上の注意点が多く存在します。代表的な問題は以下の通りです。
- Zip Slip（パス・トラバーサル）：悪意のあるZIPに含まれる相対パス（"../"）で解凍先を侵害する攻撃。展開時にパスの正規化と許可済みディレクトリチェックが必要です。
- 圧縮爆弾（Zip Bomb）：極端に小さいアーカイブが解凍時に膨大な量のデータを展開し、ディスクやメモリを枯渇させる攻撃。アンチウイルスやアーカイバは展開サイズ制限や再帰深度制限を設けます。
- 暗号化の弱さ：古いZIPのZipCryptoは脆弱で解読されやすい。暗号化が必要な場合はAESベースの強力な方式を選ぶか、圧縮とは別にファイルを暗号化（例：GPG、OpenSSL）する方が安全です。
- 署名と整合性：単純なCRCやチェックサムは偶然のエラー検出に有効だが、悪意の改ざんには弱い。真正性を保証するにはデジタル署名（PGP/GPGやコード署名）を使います。
相互運用性と互換性の注意点
OSやツール間で圧縮フォーマットのサポート状況は異なります。Windowsのエクスプローラは標準でZIPを扱える一方、7zやRARは別途ツールが必要です。ZIP64は大容量ファイル対応の拡張仕様で、古いツールは対応していないことがあります。またファイル名の文字エンコーディング（UTF-8 vs CP936/Shift-JIS等）による文字化け、実行権限やタイムスタンプの保存差異（tarはUNIXメタデータを保持しやすい）にも注意が必要です。
運用上のベストプラクティス
- 用途に応じたフォーマット選択：データ保管はtar+xz/7z、Web配信はbrotli/gzip、差分転送や高速データ同期ではzstdやrsyncを検討。
- セキュリティ：信頼できないアーカイブは隔離環境で検査し、解凍前にファイル名の正規化や展開サイズ制限を実装。パスワード保護はAESベースの方式か外部暗号化を利用。
- チェックサムと署名：バックアップや配布ファイルにはSHA256等のハッシュとGPG署名で整合性と真正性を保証。
- 自動化：CI/CDやバックアップスクリプトではエラー処理、容量監視、古いアーカイブの循環処理を組み込む。
- メタデータ保持：UNIXのパーミッションや所有権を保持したい場合は tar を活用。Windowsとの互換性を重視する場合は別途検討。
実践的なツールとコマンド例（参考）
主要なCLIツールはほとんどの運用で利用可能です。例：
- zip/unzip: 単純なZIP作成と展開。互換性は高いが圧縮率は中程度。
- tar + gzip/xz: tar -cvf archive.tar dir/; gzip archive.tar -> archive.tar.gz; tar -xvf archive.tar.gz もよく使われる。
- 7z: 7z a archive.7z dir/（高圧縮率、ソリッドモードあり）
- zstd: 高速圧縮・解凍（zstd -z file -o file.zst ; zstd -d file.zst）
- pigz: gzipのマルチスレッド版で大きなファイルの圧縮時間を短縮。
ネットワークとWebにおける圧縮
HTTPではContent-Encodingヘッダで圧縮方式を指定します。gzipは長年のデファクト、brotliはテキスト系（HTML/CSS/JS）で高効率を示します。サーバー側でレスポンスをオンザフライ圧縮するか、アセットを事前圧縮して配信するかは運用方針とキャッシュ戦略に依存します。注意点として、動的コンテンツの圧縮はCPU負荷を増やすため、CDNやエッジでの圧縮オフロードが効果的です。
大規模データ・クラウド運用での留意点
クラウド環境ではストレージコストとデータ転送料金が重要です。圧縮で容量を削減するとコストが下がる一方、圧縮・解凍のためのCPU時間も発生します。スナップショットや差分バックアップを使う場合はブロックレベルの重複排除と圧縮の組合せが効率的です。さらに、分散ストレージやオブジェクトストア（S3等）では圧縮前提のメタデータ管理や透過的圧縮サポートを確認してください。
まとめ：選択基準と運用フロー
圧縮ファイルを適切に扱うには「目的（保管/配信/転送）」「性能要件（速度/メモリ）」「互換性」「セキュリティ」の4点を評価してフォーマットとアルゴリズムを選ぶことが重要です。小さなテキストやログはzstdやbrotliの低レベルで高速に圧縮、アーカイブ保存や長期保管は7zやtar+xzで高圧縮、Web配信はbrotli/gzipを検討するなど、用途別にポリシーを定めましょう。
参考文献
- RFC 1951 - DEFLATE compressed data format specification
- RFC 1952 - GZIP file format specification
- RFC 7932 - Brotli Compressed Data Format
- Zstandard (zstd) - official
- PKWARE ZIP File Format Specification (APPNOTE)
- Wikipedia: Data compression
- OWASP: Zip Slip Vulnerability
- 7-Zip - official
- Wikipedia: Compression ratio
- MDN Web Docs: HTTP Compression
投稿者プロフィール
