クラスター化とは？高可用性と負荷分散を実現する技術

クラスター化とは、複数のサーバーを連携させて一体化し、高可用性と負荷分散を実現する技術です。

これにより、一台のサーバーに障害が発生しても他のノードが自動的に処理を引き継ぎ、サービスの継続を保証します。

また、ユーザーからのリクエストを複数のサーバーに分散することで、負荷を均等化し、システム全体のパフォーマンスと信頼性を向上させます。

クラスター化の基礎

クラスター化とは、複数のコンピュータやサーバーを連携させ、一つのシステムとして機能させる技術を指します。

この技術により、システムの性能向上や信頼性の確保が可能となります。

クラスター化の主な目的は、以下の通りです。

• 性能向上: 複数のノード(コンピュータ)による処理分散で、全体の処理能力を高める。
• 高可用性: 一部のノードに障害が発生しても、他のノードが代替することでシステム全体の稼働を維持。
• 拡張性: 必要に応じてノードを追加することで、システムの能力を柔軟に拡張。

クラスターの種類には主に以下のものがあります。

クラスタリングの種類

クラスタータイプ	説明
高可用性クラスタ	システムの稼働時間を最大化するため、冗長構成を採用。障害発生時に自動的にフェイルオーバーを行う。
負荷分散クラスタ	複数のノードに処理を分散させることで、応答性の向上と効率的なリソース利用を実現。
高性能クラスタ	大規模な計算処理を高速に行うため、高度に並列化された処理を行う。主に科学技術計算やデータ解析に使用される。

高可用性の実現方法

高可用性(High Availability, HA)は、システムが常に稼働し続ける能力を指します。

クラスター化を通じて高可用性を実現するためには、以下の方法が採用されます。

冗長構成の採用

システムの各コンポーネントを冗長化することで、一部が故障しても全体の機能を維持します。

冗長構成には主に以下の2種類があります。

• アクティブアクティブ構成: 複数のノードが同時に稼働し、負荷を分散します。どのノードも同等の役割を持ち、一部が故障しても他のノードが即座に対応します。
• アクティブパッシブ構成: 一つのノードがアクティブに動作し、他のノードが待機状態(パッシブ)になります。アクティブノードに障害が発生した場合、待機ノードが自動的に役割を引き継ぎます。

フェイルオーバー機能

フェイルオーバーは、障害が発生した際に自動的に予備のノードに切り替える仕組みです。

これにより、ダウンタイムを最小限に抑え、システムの継続的な運用を可能にします。

フェイルオーバーの実装には以下の要素が含まれます。

• 監視機能: 各ノードの稼働状態を常に監視し、障害を迅速に検知。
• 自動切り替え: 障害が検知された場合、手動操作なしで自動的に予備ノードに切り替え。
• データ同期: アクティブノードとパッシブノード間でデータの同期を取ることで、切り替え後も一貫したデータ状態を維持。

負荷分散の仕組み

負荷分散(Load Balancing)は、システムへの要求を複数のノードに分散させることで、各ノードの負荷を均等にし、全体のパフォーマンスを最適化する技術です。

負荷分散の主な仕組みには以下のものがあります。

負荷分散の方法

• ラウンドロビン方式: リクエストを順番に各ノードに振り分ける単純な方法。均等な負荷分散が期待できるが、ノードの処理能力に差がある場合には最適ではない。
• 加重ラウンドロビン方式: 各ノードに重みを設定し、重みに応じてリクエストを分配。高性能なノードにより多くのリクエストを割り当てることが可能。
• 最少接続数方式: 現在の接続数が最も少ないノードにリクエストを送る方法。動的な負荷分散が可能で、高負荷時にも効果的。
• IPハッシュ方式: クライアントのIPアドレスをハッシュ化し、その結果に基づいてノードを選択。セッションの一貫性を保つことができる。

負荷分散の利点

• 応答時間の短縮: リクエストが複数のノードに分散されるため、各ノードの負荷が軽減され、応答時間が短縮される。
• スケーラビリティ: システムの需要に応じてノードを追加することで、柔軟に対応可能。
• 可用性の向上: 一部のノードが故障しても、他のノードがリクエストを処理するため、システム全体の可用性が向上。

クラスター導入の事例

クラスター化技術は、さまざまな業界や用途で導入されています。

以下に代表的な導入事例を紹介します。

ウェブサービスの運用

大規模なウェブサイトやオンラインサービスでは、複数のサーバーをクラスター化して負荷分散を行っています。

例えば、大手ECサイトではピーク時のアクセスに対応するため、アクティブアクティブ構成のクラスターを採用し、サーバー間でのリクエスト分散と障害時の自動フェイルオーバーを実現しています。

金融機関の基幹システム

銀行や証券会社などの金融機関では、取引の信頼性と継続性が極めて重要です。

高可用性クラスタを導入することで、システムのダウンタイムを最小限に抑え、24時間365日の運用を支えています。

また、データベースクラスターを活用して、リアルタイムでのデータ同期と高速なトランザクション処理を実現しています。

科学技術計算

研究機関や大学では、膨大な計算リソースを必要とする科学技術計算に高性能クラスタを使用しています。

例えば、気象予測や遺伝子解析などの分野では、数百台以上の計算ノードを連携させ、高速なデータ処理と解析を可能にしています。

これにより、短期間での大規模なシミュレーションやデータ解析が実現されています。

映像ストリーミングサービス

動画配信サービスでは、ユーザー数の増加に伴う高負荷に対応するため、複数のサーバーをクラスター化して負荷分散を行っています。

特に、ピーク時のスムーズな再生と高品質な視聴体験を維持するために、動的な負荷分散アルゴリズムを採用しています。

また、コンテンツ配信ネットワーク(CDN)と連携することで、地理的に分散したサーバー間での効率的なリソース利用を実現しています。

まとめ

本記事では、クラスター化の基本から高可用性や負荷分散の具体的な技術、さらに実際の導入事例について詳しく説明しました。

クラスター化はシステムの信頼性を向上させ、効率的なリソース管理を可能にする重要な技術であることが理解できたと思います。

これらの知識を活用して、自社のシステムにクラスター化を取り入れ、運用の安定化を図ってみてください。