冗長化とフェイルオーバーの設計

高可用性（HA）とは、何かが故障してもサービスが稼働し続けるようにネットワークを設計することです。中心となる考え方は、障害が発生するとシステム全体を停止させる単一障害点をなくすことです。HAでは、冗長性（予備コンポーネント）とフェイルオーバー（予備への自動切り替え）を組み合わせ、停止中も重要なサービスを稼働させます。

単一障害点（SPOF）とは、バックアップがない要素のことです。たとえば、ルーター、電源装置、インターネット回線が1つしかなく、それを失うとすべてが停止する場合です。SPOFの特定は、HA設計の第一歩です。重要な各コンポーネントについて、「これが停止したらどうなるか」と問いかけます。答えが「全面停止」になる箇所には、冗長性を追加します。

冗長性とは、引き継ぎに備えて重複したコンポーネントを用意することです。冗長電源、冗長ネットワークリンク、冗長スイッチやルーター、冗長インターネット接続など、あらゆるレベルに適用できます。冗長性にはコストと複雑さが伴うため、障害の影響が最も大きいコンポーネントを対象にします。目的は、1つの障害で停止しないようにすることです。

フェイルオーバーとは、故障したコンポーネントからバックアップへ自動的に切り替えることです。冗長性を用意するだけでは不十分で、バックアップが迅速に、理想的には人の介入なしに引き継がなければなりません。優れたフェイルオーバーは高速かつシームレスに行われるため、ユーザーはほとんど気付きません。待機中のコンポーネントと自動フェイルオーバーの組み合わせによって、実際の高可用性が実現します。

冗長化モデルには2種類あります。アクティブ・パッシブでは、バックアップはプライマリに障害が発生するまで待機し、その後引き継ぎます。アクティブ・アクティブでは、両方の装置が同時に稼働して負荷を分担し、一方が故障するともう一方がその負荷を引き受けます。アクティブ・アクティブは容量も向上させますが、アクティブ・パッシブのほうがシンプルです。必要性や予算に応じて使い分けます。

デフォルトゲートウェイは一般的なSPOFであるため、First Hop Redundancy Protocols（FHRP）によってバックアップゲートウェイを提供します。VRRP（Virtual Router Redundancy Protocol）やCiscoのHSRP（Hot Standby Router Protocol）を使うと、2台のルーターで1つの仮想ゲートウェイIPを共有できます。アクティブルーターに障害が発生すると、スタンバイルーターがそのアドレスを引き継ぎます。ホストは同じゲートウェイを使い続けるため、切り替えに気付きません。

リンクにも冗長性を適用できます。リンクアグリゲーション（LAG、LACPを使用）は複数の物理リンクを1本の論理リンクにまとめ、帯域幅を増やすとともに、1本のリンクが故障しても通信を継続できるようにします。サーバーでは、NICチーミングによって複数のネットワークカードを結合し、1枚のカードやそのケーブルが故障しても通信を継続できます。どちらも、1本のリンクが単一障害点になることを防ぎます。

多くの問題は物理的なものです。冗長電源があれば、1つの電源が故障しても装置は動作を続けられます。UPS（無停電電源装置）は短時間の停電中も機器に電力を供給し、発電機はより長い停電に対応します。ホットスワップ対応のコンポーネントは、電源を切らずに交換できます。これらは、停止の非常に一般的な原因である電源障害やハードウェア障害から保護します。

HAは稼働率の「ナイン」で測定します。99.9%では年間約8.8時間、99.99%では約53分、99.999%（「ファイブナイン」）では約5分の停止が許容されます。もう2つ重要な用語があります。RTO（Recovery Time Objective）は、どれだけ速く復旧する必要があるかを表し、RPO（Recovery Point Objective）は、許容できるデータ損失量を表します。これらの目標が設計上の選択を決定します。

冗長性は無料でも無限でもありません。適切に設定しないと、コストや複雑さが増し、新たな障害要因も生まれます。複製を増やすほど、管理対象や設定ミスの可能性も増えます。重要なのは、サービスごとに冗長化のコストと停止のコストのバランスを取り、過剰設計を避けながら重要なものを保護することです。

HA設計は体系的に行います。重要なサービスを把握し、すべてのSPOFを見つけ、対象を絞った冗長化と自動フェイルオーバーを追加し、フェイルオーバーが実際に機能することをテストします。テストされていないバックアップは計画ではなく、期待にすぎません。定期的に障害をシミュレーションすることで、設計を検証し、欠落部分を発見できます。適切に設計すれば、冗長性とフェイルオーバーによって、個々の部品が必然的に故障してもネットワークを稼働させ続けられます。

HAに関する知識を確認しましょう。

冗長性とフェイルオーバーについて学びました。重要なポイント：

• HAは単一障害点をなくします。
• 冗長性は予備を追加し、フェイルオーバーは予備へ自動的に切り替えます。
• アクティブ・アクティブは負荷を分担し、アクティブ・パッシブは待機系を維持します。
• VRRP/HSRPは冗長ゲートウェイを提供し、LAGとNICチーミングはリンクを冗長化します。
• 稼働率のナイン、RTO、RPOで測定し、フェイルオーバーをテストします。