この記事は、 「ネットワーク上級編｜要件定義・設計・クラウド・自動化へ進む」 の第14回です。
第2章では、要件定義で整理した条件を、 IPアドレス、VLAN、ルーティング、冗長化などの 具体的なネットワーク設計へ落とし込む方法を学びます。
ネットワーク冗長化設計とは？
単一障害点・切り替え方式・設計手順を解説
「ルーターを2台にする」「回線を2本にする」だけでは、 本当に障害に強いネットワークにはなりません。 冗長化設計では、どこで障害が発生しても業務を継続できるように、 単一障害点、障害検知、切り替え方式、復旧方法まで含めて設計します。
要件定義では、 「ネットワーク停止時にどの業務へ影響するか」 「何分まで停止できるか」 「どこまで冗長化する必要があるか」 といった可用性要件を整理しました。
冗長化設計では、それらの要件を 実際の機器・経路・回線・電源・プロトコルへ変換します。
大切なのは、単純に設備を二重化することではなく、 障害が発生したときに通信がどのように継続するかを説明できることです。
この記事を読み終えるとできること
- ネットワーク冗長化設計の目的を説明できる
- 単一障害点（SPOF）を洗い出せる
- 機器・経路・回線・電源の冗長化を考えられる
- Active-StandbyとActive-Activeを比較できる
- 障害検知から切り替えまでの動作を設計できる
- 冗長化構成の試験項目を作成できる
ネットワーク冗長化設計とは何か
ネットワーク冗長化設計とは、機器・回線・経路などに障害が発生しても、 代替手段へ切り替えることで必要な通信を継続できるようにする設計です。
ネットワークには、さまざまな障害が発生します。
- ルーターやスイッチが故障する
- LANポートが故障する
- 光ファイバーやLANケーブルが断線する
- キャリア回線に障害が発生する
- 電源装置やPDUが故障する
- ファイアウォールが停止する
- ソフトウェア障害により機器が正常に転送できなくなる
どれだけ高性能な機器を導入しても、 その機器1台が停止しただけでネットワーク全体が停止する構成では、 高い可用性を実現できません。
冗長化設計の目的は「故障をなくすこと」ではありません。
機器や回線はいつか故障するという前提で、 故障しても業務影響を許容範囲に抑えること が目的です。
可用性要件を冗長化設計へ変換する
冗長化方式を考える前に確認するのが、 要件定義で整理した可用性要件です。
たとえば、次のような要件があるとします。
可用性要件例
「主要なネットワーク機器1台の障害では、 受発注システムの通信を停止させないこと。」
この要件から、設計者は具体的な障害パターンを考えます。
| 要件 | 設計時に確認すること | 設計候補 |
|---|---|---|
| ルーター障害でも通信継続 | デフォルトゲートウェイが1台に依存していないか | ルーター2台、ゲートウェイ冗長化 |
| スイッチ障害でも通信継続 | 端末・サーバーの収容先が1台に集中していないか | スイッチ冗長化、二重接続 |
| 回線障害でも通信継続 | WAN・インターネット接続が1回線だけではないか | 複数回線、複数経路 |
| 電源障害でも通信継続 | 冗長機器が同じ電源設備に依存していないか | 電源系統分離、二重電源 |
| 自動復旧 | 人が操作しなくても代替経路へ切り替わるか | 冗長化プロトコル、動的ルーティング等 |
「とりあえず2台構成にする」から設計を始めてはいけません。
まず「どの障害まで許容する必要があるのか」を決め、 その要件を満たす構成を選択します。
単一障害点（SPOF）を探す
冗長化設計で最初に行いたいのが、 単一障害点の洗い出しです。
Single Point of Failureとは、 そこが1か所故障しただけでシステムや通信全体が停止する箇所です。
単純な構成を確認する
単一障害点が多いネットワーク
この構成では、スイッチ・ルーター・回線の どれか1つが停止しただけで外部通信が停止します。
SPOFは機器だけではない
物理的なSPOF
- ネットワーク機器
- LANポート
- ケーブル
- 回線
- 電源
- ラック
論理的なSPOF
- デフォルトゲートウェイ
- 単一ルーティング経路
- ファイアウォール
- VPN終端
- 特定サービスへの依存
- 管理・監視経路
構成図を見ながら、1つずつ消して考えます。
「この機器を停止したら通信は続くか？」 「このケーブルを抜いたら別経路があるか？」 と考えると、単一障害点を見つけやすくなります。
何を冗長化するのか
ネットワークの冗長化は、 ルーターだけを2台にすれば終わりではありません。
機器
ルーター、スイッチ、ファイアウォールなどを複数台構成にします。
経路
片方のリンクや経路が停止しても、別経路から到達できるようにします。
回線
WANやインターネット回線を複数用意し、回線障害に備えます。
電源
二重電源、UPS、PDU、電源系統などへの依存を確認します。
ゲートウェイ
デフォルトゲートウェイとなる装置が1台だけにならないようにします。
拠点・設備
高い可用性が必要な場合は、ラックや設置場所そのものの障害も考えます。
冗長機器があっても経路が1本なら停止する
ルーターを2台設置していても、 その2台が同じスイッチ1台を経由している場合、 そのスイッチが単一障害点になる可能性があります。
冗長化は「機器単体」ではなく、通信経路全体で確認します。
代表的な冗長化方式
冗長化構成は、大きく Active-Standbyと Active-Activeに分けて考えると理解しやすくなります。
通常は片系を利用
通常はActive側が通信を処理し、 障害時にStandby側へ切り替えます。
- 動作を理解しやすい
- 経路を制御しやすい
- 障害時の動作を整理しやすい
- Standby側の能力を通常時に活用しにくい場合がある
複数系を同時利用
正常時から複数の機器・リンク・経路を利用します。
- 設備を有効活用しやすい
- 負荷を分散できる場合がある
- 障害時も残った経路を利用できる
- 経路・セッション・障害時動作が複雑になりやすい
| 比較項目 | Active-Standby | Active-Active |
|---|---|---|
| 通常時 | 主系を中心に利用 | 複数系を利用 |
| 設計の分かりやすさ | 比較的分かりやすい | 複雑になりやすい |
| 設備利用効率 | 待機系の利用率が低くなりやすい | 高めやすい |
| 障害時に確認すること | Standbyへの切り替え | 残存系への負荷集中・経路変化 |
| 向いているケース | 単純な切り替えを優先 | 性能と可用性を両立したい |
Active-Activeだから必ず優れているわけではありません。
可用性、性能、コスト、運用スキル、 障害時の分かりやすさを比較して選択します。
ネットワークで使われる冗長化技術
冗長化する場所によって、使用する仕組みも異なります。
| 対象 | 代表的な仕組み | 役割 |
|---|---|---|
| Layer 2経路 | STP・RSTPなど | ループを防ぎながら代替経路を確保する |
| 複数リンク | LAG・EtherChannelなど | 複数物理リンクをまとめて利用する |
| Layer 3経路 | OSPF・BGP・スタティックバックアップ等 | 代替ルートへ経路を変更する |
| デフォルトゲートウェイ | VRRP・HSRPなど | 仮想ゲートウェイを複数装置で提供する |
| ファイアウォール | HA機能 | 装置障害時に別装置へ処理を引き継ぐ |
| WAN・Internet | 複数回線・複数ISP等 | キャリア・回線障害に備える |
重要なのは、技術名を覚えることではありません。
「何を検知し、何を障害と判断し、どの経路へ切り替えるのか」 を説明できるようにします。
たとえばVRRPやHSRPの詳細については、 上級編第24回 「VRRP・HSRPなどのゲートウェイ冗長化」 で詳しく扱います。
障害検知と切り替えを設計する
冗長構成を作るだけでは不十分です。
障害発生から通信復旧までの動作を 一連の流れとして設計します。
通常経路で通信
機器・回線停止
状態変化を確認
代替経路へ移行
業務通信を再開
確認すべき5つのポイント
1．何を障害と判断するか
インターフェースDownだけなのか、 対向装置やその先の到達性まで確認するのかを決めます。
2．どれくらいで検知するか
障害検知時間が長ければ、 その間は通信できない可能性があります。
3．どこへ切り替えるか
代替機器・代替リンク・代替回線・代替ルートを明確にします。
4．切り替え後の性能
片系障害時に残った系へ通信が集中しても、 必要な帯域を確保できるか確認します。
5．復旧後の動作
元の経路へ自動で戻すのか、 保守時間に手動で戻すのかを決めます。
「機器が生きている」だけでは判断できない場合がある
たとえばルーターのWANインターフェース自体はUpしていても、 キャリア網の先で障害が発生し、 インターネットへ到達できない場合があります。
この場合、インターフェース状態だけを監視していると、 障害を検知できない可能性があります。
冗長化設計では、 障害をどの地点まで監視して判断するのか も重要です。
障害ドメインを分離する
冗長化しているように見えても、 2系統が同じ設備へ依存していると、 1回の障害で両方停止する可能性があります。
例：ルーターを2台置いた場合
Router-AとRouter-Bを2台用意しても、 両方が同じPDU、同じUPS、同じ回線、 同じ上位スイッチへ接続されていれば、 その共通部分が単一障害点になります。
| 冗長化対象 | 見落としやすい共通障害 |
|---|---|
| ルーター2台 | 同じ上位スイッチ |
| スイッチ2台 | 同じ電源設備・同じラック |
| 回線2本 | 同じキャリア設備・同じ引き込み経路 |
| ファイアウォール2台 | 同じLAN側・WAN側スイッチ |
| 二重電源 | 両方を同じPDUへ接続 |
「2つあるか」ではなく、 「同じ原因で2つとも停止しないか」を確認します。
ネットワーク冗長化設計の進め方
- 可用性要件を確認する 停止時の業務影響、許容停止時間、 冗長化が必要な範囲を確認します。
- 重要な通信を特定する どの利用者から、どのシステムまでの通信を 継続させる必要があるかを明確にします。
- 現行構成のSPOFを洗い出す 機器、リンク、回線、ゲートウェイ、 電源などを1つずつ確認します。
- 冗長化対象を決める すべてを二重化するのではなく、 業務影響と要件をもとに対象を決定します。
- 冗長化方式を比較する Active-Standby、Active-Active、 ルーティング方式などを比較します。
- 障害検知・切り替えを決める 何を検知し、どの条件で、 どこへ切り替えるかを設計します。
- 障害時の性能を確認する 片系だけでも必要な通信量を処理できるか確認します。
- 復旧・切り戻し方法を決める 障害復旧後に元の構成へ戻す方法も決めます。
- 障害試験を設計する 実際に機器・リンクを停止し、 想定どおり切り替わるか確認できる試験を作ります。
冗長化設計書に残す内容
「冗長化あり」とだけ記載しても、 詳細設計や試験担当者には十分な情報が伝わりません。
| 設計項目 | 記載例 |
|---|---|
| 冗長化対象 | コアスイッチ、境界ルーター、WAN回線 |
| 通常時 | Router-Aを主経路、Router-Bを待機経路とする |
| 障害条件 | 主回線Downまたは指定到達先への疎通不可 |
| 切替方法 | 自動でバックアップ回線へ切り替える |
| 許容停止 | 要件で定めた時間以内 |
| 障害時性能 | バックアップ回線のみでも重要業務通信を収容可能 |
| 復旧方法 | 主回線復旧確認後、指定手順で主経路へ戻す |
| 監視 | 機器状態、インターフェース、経路、回線状態を監視 |
設計理由まで残す
設計： 境界ルーターを2台構成とする。
理由： 境界ルーター1台の障害時にも受発注システムの外部通信を継続するという 可用性要件を満たすため。
このように、 要件 → 設計 → 理由 を追跡できるようにしておくと、 設計レビューでも説明しやすくなります。
冗長化試験で確認すること
冗長化は、構成図を作っただけでは完成ではありません。
実際に障害を発生させ、 想定どおり通信が継続または復旧することを確認します。
機器障害
- 主系機器停止
- 再起動
- 電源断
リンク障害
- ケーブル抜去
- ポートShutdown
- 対向ポート障害
回線障害
- 主回線停止
- バックアップ切替
- 復旧後の経路確認
経路障害
- ルート消失
- ネイバー停止
- 代替経路選択
通信確認
- ping
- 業務ポート通信
- アプリケーション接続
復旧確認
- 主系復旧
- 経路復元
- ログ・アラート確認
切り替わることだけを確認しない
「バックアップ側へ切り替わったからOK」 では不十分です。
切り替え時間、通信断時間、セッションへの影響、 障害通知、復旧時の動作まで確認します。
冗長化設計でよくある失敗
1．何でも2台にする
要件を確認せず、 とりあえず全機器を2台にすると コストと運用負荷が増加します。
2．機器だけを見る
ルーターを2台にしても、 上位回線が1本なら回線障害には対応できません。
3．共通障害点を残す
2台の機器を同じ電源・同じスイッチへ接続すると、 そこがSPOFになります。
4．切り替え時間を考えない
冗長化されていても、 切り替えに長時間かかれば 可用性要件を満たせない可能性があります。
5．片系性能を確認しない
Active-Active構成では、 片系障害時に残った機器へ負荷が集中します。
6．障害試験をしない
設計上は冗長でも、 実際に切り替わるか確認しなければ 障害時の動作は保証できません。
冗長化しすぎることもリスク
冗長化を増やすと可用性を高められる一方で、 次のような負担も増加します。
- 機器費用
- 回線費用
- ラック・電源費用
- 設定の複雑さ
- 監視対象
- 障害切り分けの難しさ
- 試験項目
- 運用担当者への教育
上級工程では、 可用性だけでなくコスト・複雑性・運用性とのバランス を考えて設計します。
顧客・上司へ冗長化をどう説明するか
技術に詳しくない相手へ、 「VRRPを使います」 「OSPFで冗長化します」 と説明しても、導入する価値は伝わりにくいでしょう。
技術を業務影響へ変換する
| 技術中心の説明 | 業務中心の説明 |
|---|---|
| ルーターを2台にします | ルーター1台が故障しても外部通信を継続できる構成にします |
| 回線を冗長化します | 主回線障害時も別回線へ切り替えて業務を継続できるようにします |
| VRRPを使用します | ゲートウェイ装置1台が停止しても端末側の設定変更なしで代替装置を利用できる構成にします |
| Active-Activeにします | 通常時から複数系統を利用し、片系障害時も残った系統で通信を継続できるようにします |
顧客への説明例
「今回のネットワークでは、 受発注システムの通信を止めないことが重要です。 そのため、主要なルーターと回線を冗長化します。
通常利用している機器または回線に障害が発生した場合は、 代替経路へ切り替えることで業務通信を継続できる構成とします。 また、冗長機器が同じ電源や同じ上位装置へ依存しないように、 共通障害点も確認します。」
上流工程では、 「冗長化すると技術的に優れている」 ではなく、 障害による業務停止リスクをどこまで下げられるのか を説明することが重要です。
冗長化設計で使われる英語表現
よく使われる単語
| 英語 | 意味 |
|---|---|
| Redundancy | 冗長性・冗長化 |
| High Availability | 高可用性 |
| Single Point of Failure | 単一障害点 |
| Failover | 障害時の切り替え |
| Failback | 復旧した元の系統へ戻すこと |
| Active-Standby | 主系・待機系構成 |
| Active-Active | 複数系同時稼働 |
| Primary Path | 主経路 |
| Backup Path | バックアップ経路 |
| Failure Detection | 障害検知 |
設計レビューで使える表現
The network is designed to eliminate single points of failure.
ネットワークは単一障害点をなくすよう設計されています。
Traffic will fail over to the backup path if the primary link fails.
主回線に障害が発生した場合、通信はバックアップ経路へ切り替わります。
The secondary device will take over if the primary device becomes unavailable.
主系装置が利用できなくなった場合、待機系装置が処理を引き継ぎます。
理解度チェック
冗長化技術の名前ではなく、 設計判断ができるかを確認しましょう。
問題1．ネットワーク冗長化設計の目的として最も適切なものはどれですか。
- ネットワーク機器の故障を完全になくす
- すべてのネットワーク機器を必ず2台購入する
- 障害発生時にも必要な通信を継続または許容時間内に復旧できるようにする
- ネットワークの通信速度だけを向上させる
解答を見る
冗長化は故障そのものをなくすのではなく、 障害が発生しても業務影響を許容範囲へ抑えるために行います。
問題2．ルーターを2台にしたにもかかわらず、 2台とも同じ1台の上位スイッチへ接続しています。 この構成で確認すべきことは何ですか。
解答を見る
上位スイッチが単一障害点になっていないか確認します。
冗長化は機器の台数だけでなく、 通信経路全体で確認する必要があります。
問題3．Active-Active構成で片系が停止した場合、 特に確認すべき性能上のポイントは何でしょうか。
解答を見る
残った系だけで必要な通信量を処理できるか確認します。
正常時に負荷を分散している場合、 障害発生後は残った機器や回線へ通信が集中する可能性があります。
問題4．冗長構成において、 障害発生から通信復旧までに確認すべき流れを順番に説明してください。
解答を見る
一例は次の流れです。
障害発生 → 障害検知 → 代替機器・経路への切り替え → 通信復旧
問題5．冗長化設計で「同じ原因で両系が停止しないか」を確認する理由を説明してください。
解答例を見る
機器を2台設置しても、 同じ電源・回線・上位装置などへ依存していれば、 その共通部分の障害によって両方が同時に停止する可能性があるためです。
実践演習：拠点ネットワークの冗長化を設計する
あなたは企業の本社ネットワーク更改を担当しています。
顧客要件
- 社員500人が利用する本社ネットワーク
- クラウド上の受発注システムを利用している
- 受発注システムは平日の営業時間中に停止させたくない
- 現在はルーター1台・インターネット回線1本
- ルーター障害・回線障害時にも業務を継続したい
- 障害発生時の切り替えは自動化したい
- 予算には限りがあるため、すべての設備を二重化する必要はない
現在の構成
現行ネットワーク
課題1．単一障害点を洗い出す
現在の構成に存在する単一障害点を挙げてください。
解答例を見る
- Core Switchが1台
- Routerが1台
- Internet回線が1本
- 各装置間の接続リンクが1本の場合はリンクもSPOF
- 電源系統が1系統であれば電源もSPOF
課題2．冗長化の優先順位を決める
予算が限られているため、 すべてを二重化することはできません。
顧客要件をもとに、 優先的に冗長化すべき箇所を考えてください。
理由：＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿
2．＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿
理由：＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿
解答例を見る
一例として、次を優先します。
-
境界ルーター
顧客から「ルーター障害時も業務継続」が明示されているため。 -
インターネット回線
クラウド上の受発注システムを利用しており、 回線障害時も通信継続が必要なため。
Core Switchについても業務影響を確認し、 可用性要件と予算に応じて冗長化対象に含めます。
課題3．障害時の動作を文章にする
「Router-Aが故障した場合」を想定し、 障害から復旧までの動作を書いてください。
解答例を見る
一例：
Router-A障害 → 冗長化機能が障害を検知 → Router-Bがゲートウェイ機能を引き継ぐ → Router-B経由で外部通信を継続
課題4．冗長化試験を作る
完成したネットワークに対して実施すべき 冗長化試験を5つ考えてください。
2．＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿
3．＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿
4．＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿
5．＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿
解答例を見る
- 主系Routerを停止し、待機系へ切り替わることを確認する
- 主回線を停止し、バックアップ回線へ切り替わることを確認する
- 切り替え中の通信断時間を確認する
- バックアップ経路で受発注システムへ接続できることを確認する
- 主系復旧後の経路・監視アラート・ログを確認する
課題5．設計理由を顧客へ説明する
技術に詳しくない顧客へ、 なぜRouterとInternet回線を冗長化するのか説明してください。
説明例を見る
今回利用している受発注システムはクラウド上にあるため、 本社からInternetへ接続できなくなると業務が停止します。
そのため、Routerまたは主回線のどちらか一方に障害が発生しても、 代替機器・代替回線へ自動的に切り替え、 受発注業務を継続できる構成にします。
自分の言葉で説明する課題
後輩から、 「ネットワーク冗長化って、機器を2台にすることですよね？」 と質問されました。 1分程度で説明してください。
説明例を見る
ネットワーク冗長化設計は、 単純に機器を2台にすることではありません。
機器、リンク、回線、電源などの単一障害点を確認し、 どこか1か所で障害が発生しても、 必要な通信を別の機器や経路へ切り替えて継続できるように設計することです。
また、何秒・何分で障害を検知するのか、 どこへ切り替えるのか、 障害後の性能を確保できるか、 復旧後にどう戻すかまで考えます。
まとめ
- 冗長化設計の目的は、 障害が発生しても必要な業務通信を継続または許容時間内に復旧すること
- 最初に可用性要件と許容停止時間を確認する
- 単一障害点（SPOF）を機器・経路・回線・電源などから洗い出す
- 機器を2台にするだけでなく、 通信経路全体の冗長性を確認する
- Active-StandbyとActive-Activeは、 可用性・性能・コスト・運用性を比較して選択する
- 障害検知 → 切り替え → 通信復旧までの動作を設計する
- 冗長機器が同じ電源・回線・上位装置へ依存していないか確認する
- 片系障害時にも必要な性能を確保できるか確認する
- 実際に障害を発生させる冗長化試験まで設計する
良い冗長化設計とは、 「何台あるか」ではなく、 「どこが壊れても、業務がどう継続するか」を説明できる設計です。
第2章「基本設計」では、 要件定義で整理した条件を、 実際のネットワーク構成へ落とし込む方法を学びます。
コメント