【ネスペ午後対策】RAID, FaaS, VPCまで│システム基盤の重要知識を解説

ネットワークスペシャリストの役割は、もはや単独のネットワーク機器の設定やトラブルシュートに留まりません。クラウド化が進む現代では、サーバー、ストレージ、さらにはソフトウェアの設計思想まで含めたシステム全体のアーキテクチャを理解し、性能や可用性について議論できる能力が不可欠です。

例えば、「なぜこのシステムはRAID5で構成されているのか」「サーバーレス（FaaS）の採用がネットワーク設計に与える影響とは何か」「MTBFとMTTRの目標値から、求められるネットワークの冗長性を説明できるか」。これらの問いは、アプリケーションやサーバーの担当者と円滑に連携し、最適なインフラを構築するための共通言語と言えます。

本記事では、システムの信頼性を示す指標から、データの冗長化技術、CPUの性能理論、そしてクラウド時代におけるソフトウェアアーキテクチャの変遷まで、ネットワーク担当者が知っておくべきシステム基盤の知識を幅広く解説します。インフラ全体を俯瞰する視点を養い、一つ上のレベルの専門家を目指しましょう。

システムの信頼性を測る指標│MTBFとMTTRから見る可用性の考え方

システムやサービスが「止まらないこと」は、ビジネスにおいて極めて重要です。この「止まりにくさ＝信頼性」を客観的な数値で評価し、目標を設定するために用いられるのが、MTBFとMTTRという指標です。これらはシステムの可用性（アベイラビリティ）を定義する上で根幹となる考え方です。

故障までの時間：MTBF (Mean Time Between Failures)

MTBFは平均故障間隔と訳され、システムが故障してから次に故障するまでの平均的な稼働時間を示します。簡単に言えば、「どれくらい長く正常に動き続けられるか」という指標です。

MTBFが長ければ長いほど、故障しにくい、つまり信頼性の高いシステムと言えます。例えば、MTBFが10,000時間の機器は、平均して10,000時間（約416日）に一度故障する可能性がある、と評価されます。製品の品質や耐久性を示す指標として使われることが多いです。

復旧にかかる時間：MTTR (Mean Time To Repair)

MTTRは平均修復時間と訳され、システムが故障してから完全に復旧するまでにかかる平均時間を示します。これは、「故障した時に、どれだけ早く元に戻せるか」という指標です。

MTTRが短ければ短いほど、障害からの復旧が早く、影響を最小限に抑えられる運用体制が整っていると言えます。これには、障害検知の速さ、代替機への切り替え手順、技術者のスキルなどが関係してきます。

【実生活での例え】💡

• MTBF: ある電球が「平均5,000時間持つ」というのがMTBFです。寿命の長さ、壊れにくさを表します。
• MTTR: その電球が切れた時に「交換して再び明かりがつくまで平均5分かかる」というのがMTTRです。修理や交換の速さを表します。

可用性（アベイラビリティ）の計算

システムの「稼働率」、つまり使いたい時に使える確率を示す可用性は、この2つの指標から計算できます。

$$可用性 = \frac{\text{MTBF}}{\text{MTBF} + \text{MTTR}}$$

例えば、MTBFが990時間、MTTRが10時間のシステムの場合、可用性は 990 / (990 + 10) = 0.99 となり、99%となります。目標とする可用性（例：99.999%、「ファイブナイン」）を達成するためには、MTBFを長くする（壊れにくい部品を使う）だけでなく、MTTRを短くする（迅速な復旧体制を築く）ことも同様に重要です。

本番環境を守る：ステージング環境の重要性

システムの変更やアップデートは、新たな不具合を生み出す可能性があります。本番環境に直接変更を加えて障害が発生すると、MTTRは長くなり、可用性は著しく低下します。

これを防ぐために用意されるのがステージング環境です。ステージング環境とは、OSやソフトウェアのバージョン、データなどを本番環境と全く同じ構成で用意した検証用の環境のことです。開発者は、新しいソフトウェアや設定変更をまずこの環境にデプロイし、動作確認や性能テストを行います。ここで問題がないことを確認してから、初めて本番環境に適用するのです。これにより、変更に起因する障害のリスクを大幅に低減できます。

データの冗長化と高速化の仕組み│RAIDレベル1, 3, 4, 5を比較解説

サーバーやストレージにおいて、ハードディスクドライブ（HDD）は最も故障しやすい部品の一つです。一台のHDDが故障しただけで、システム全体のデータが失われる事態は避けなければなりません。RAID (Redundant Arrays of Inexpensive Disks)は、複数のHDDを仮想的に一つのドライブとして束ねることで、信頼性（耐障害性）や性能を向上させる技術です。

RAIDの基本

RAIDには様々な「レベル」があり、それぞれデータの書き込み方や冗長化の仕組みが異なります。ここでは、試験で問われやすい代表的なレベルを見ていきましょう。

RAID1：ミラーリングで信頼性を追求

RAID1は、ミラーリングとも呼ばれ、2台のHDDに全く同じデータを同時に書き込む、最もシンプルな構成です。

• 長所: 1台のHDDが故障しても、もう1台が全く同じデータを持っているため、システムを停止させることなく運用を継続できます。耐障害性が非常に高いのが特徴です。
• 短所: 2台分のHDD容量があっても、実際に利用できるのは1台分（50%）だけです。コスト効率は良くありません。

【実生活での例え】👯

RAID1は、重要な書類の全く同じコピーを2部作成して、別々の金庫に保管するようなものです。片方の金庫に何かあっても、もう片方で万全を期します。

RAID3, RAID4：専用パリティディスク方式

RAID3とRAID4は、データ本体とは別に「パリティ」と呼ばれる誤り訂正用のデータを生成し、それを専用の1台のHDD（パリティディスク）に書き込む方式です。

• 仕組み: いずれか1台のデータ用HDDが故障しても、残りのデータとパリティ情報を元に、失われたデータを復元できます。
• 違い: RAID3はバイト単位、RAID4はブロック単位でデータを分割して書き込みます。
• 弱点: 書き込みが発生するたびに、必ず1台のパリティディスクにアクセスが集中するため、書き込み性能のボトルネックになりやすいという共通の課題がありました。

RAID5：パリティ分散でボトルネックを解消

RAID5は、RAID4の弱点を克服するために考案されました。パリティデータを専用ディスクに置くのではなく、すべてのHDDに分散して配置します。

• 長所: データとパリティの書き込みが複数のHDDに分散されるため、RAID4のようなパリティディスクへのアクセス集中が起こらず、書き込み性能が向上します。耐障害性と容量効率のバランスに優れており、広く利用されています。
• 短所: 1台までのHDD故障には耐えられますが、2台同時に故障するとデータを復旧できません。また、パリティ計算のため、書き込み処理はRAID1などより複雑になります。

各レベルの比較まとめ

CPU性能向上の限界とメモリ管理│アムダールの法則とキャッシュメモリ

システムの処理性能は、CPUの性能だけで決まるわけではありません。プログラムの並列化には限界があり、また、CPUと主記憶装置（メインメモリ）との間の速度差も大きなボトルネックとなります。ここでは、性能向上に関する重要な法則と、そのボトルネックを解消するためのキャッシュメモリの仕組みを解説します。

並列化による性能向上の限界：アムダールの法則

プロセッサのコア数を増やすなど、処理を並列化すればするほど、システム全体の性能は無限に向上するように思えます。しかし、実際にはプログラムの中に「どうしても並列化できない、逐次処理するしかない部分」が必ず存在します。

アムダールの法則は、この逐次処理部分の割合が、システム全体の性能向上における限界を決定するという法則です。

数式で表すと以下のようになります。

$$性能向上率 \leq \frac{1}{(1 - P) + \frac{P}{N}}$$

ここで、$P$は処理全体のうち並列化可能な部分の割合、$N$はプロセッサ数を指します。

例えば、処理全体の90%を並列化でき、残り10%は逐次処理しかできないプログラムがあったとします。この場合、プロセッサ数をどれだけ無限に増やしても、性能向上は最大で10倍までにしかならない、ということがこの法則から導かれます。ネットワーク処理においても、分散処理や並列処理を設計する際に考慮すべき重要な考え方です。

【実生活での例え】🚗

10時間かかる引っ越し作業で考えてみましょう。9時間分は「荷造りと荷解き」で、これは大勢（N）でやればやるほど早くなります（並列化可能部分 $P=0.9$）。しかし、残りの1時間は「トラックでの移動時間」で、これは何人でやっても短縮できません（逐次処理部分 $1-P=0.1$）。どれだけ大勢で作業しても、引っ越し全体の時間は移動時間の1時間より短くはならないのです。

CPUと主記憶の速度差を埋める：キャッシュメモリ

CPUの処理速度は非常に高速ですが、主記憶装置（メインメモリ）の読み書き速度はそれに追いついていません。そのため、CPUがメモリからのデータ供給を待つ「メモリ律速」の状態が頻繁に発生し、性能のボトルネックとなっています。

この速度差を埋めるために、CPUと主記憶の間に設置されるのが、高速に動作する小容量のキャッシュメモリです。CPUが一度使ったデータや、これから使いそうだと予測されるデータを、あらかじめキャッシュメモリにコピーしておきます。次に同じデータが必要になった際、低速な主記憶にアクセスせず、高速なキャッシュメモリから直接読み出すことで、処理を高速化します。

書き込み方式の違い：ライトスルーとライトバック

• ライトスルー (Write-Through)
  CPUがデータを書き込む際、キャッシュメモリと主記憶の両方に同時に書き込みを行う方式です。常に両方のデータの一貫性が保たれるため、仕組みはシンプルで信頼性が高いですが、低速な主記憶への書き込みを毎回待つため、速度はあまり速くありません。
• ライトバック (Write-Back)
  CPUがデータを書き込む際、まず高速なキャッシュメモリにだけ書き込みを行います。主記憶への書き込みは、そのデータがキャッシュメモリから追い出される時など、必要になったタイミングでまとめて行います。書き込み速度は非常に高速ですが、一時的にキャッシュと主記憶でデータが食い違うため、障害時にデータを失うリスクがあり、制御が複雑になります。

ソフトウェア設計の進化│オブジェクト指向からSOA、そしてFaaSへ

システムの土台となるインフラが物理サーバーからクラウドへと移行するのに伴い、その上で動作するソフトウェアの設計思想（アーキテクチャ）も大きく進化してきました。ネットワーク担当者としても、アプリケーションがどのような考え方で構築されているかを理解することは、適切なインフラ設計のために不可欠です。

部品化の基礎：オブジェクト指向

オブジェクト指向は、ソフトウェアを個々の機能やデータを持つ「モノ（オブジェクト）」の集まりとして捉え、それらの組み合わせでシステムを構築する考え方です。

オブジェクト指向の重要な概念の一つに「継承」があります。これは、あるオブジェクト（クラス）が持つ性質を、別のオブジェクトが引き継ぐことができる仕組みです。例えば、「動物」というクラスの基本的な性質（食べる、寝るなど）を、「犬」や「猫」といったクラスが引き継ぐ関係をis-a関係（"A dog is an animal."）と呼びます。これにより、プログラムの再利用性が高まり、開発効率が向上します。

サービス単位の連携：SOA

SOA (Service Oriented Architecture)は、アプリケーションの機能を、ネットワーク上で公開された独立した「サービス」という単位でコンポーネント化し、それらを連携させて一つの大きなシステムを構築する設計思想です。

各サービスは、XMLを使ったSOAPや、より軽量なRESTful APIといった標準的なインターフェースで機能を公開します。これにより、特定のプログラミング言語やプラットフォームに依存することなく、異なるサービス同士を柔軟に組み合わせることが可能になります。

【実生活での例え】🍽️

SOAはフードコートのようなものです。各店舗（サービス）は「ラーメンを作る」「ジュースを売る」といった独立した機能を持っており、それぞれが独自の厨房（実装）を持っています。お客さん（利用者）は、メニュー表（API）を見て注文するだけで、各店舗の内部構造を知らなくても、好きな料理を組み合わせて食事を楽しむことができます。

サーバー管理を不要にする：FaaSとVPC

FaaS (Function as a Service)

FaaSは、サーバーレスコンピューティングとも呼ばれ、SOAの思想をさらに推し進めたクラウドサービスの一形態です。開発者は、特定のイベント（例：ファイルがアップロードされた、DBが更新された）をきっかけに実行したい処理を「関数 (Function)」として記述し、クラウドにアップロードするだけです。

サーバーのプロビジョニング、OSの管理、スケーリングといった面倒なインフラ管理はすべてクラウド事業者が行い、関数が実行された時間や回数に応じて課金されます。開発者は、本来のビジネスロジックの開発に集中できるのです。

VPC (Virtual Private Cloud)

これらのクラウドサービスを利用する際、セキュリティを確保するために重要となるのがVPCです。VPCは、AWSやGCPといったパブリッククラウドの環境内に、論理的に分離された利用者専用のプライベートなネットワーク空間を構築する機能です。

利用者は、VPC内に自由にサブネットを作成し、IPアドレス範囲を定義し、ファイアウォール（セキュリティグループ）やルートテーブルを設定できます。これにより、あたかも自社のデータセンターのように、安全で閉じたネットワーク環境をクラウド上に実現できるのです。FaaSのようなサービスも、このVPC内に配置することで、セキュアなアクセス制御が可能となります。