フェールオーバークラスターは本質的に、デジタルアーキテクチャ向けの冗長性を備え、パフォーマンスを最適化したバックアップシステムです。2台以上の独立したサーバーを、堅牢なバックアップ構造の提供、ワークロードの分散、アプリケーションやシステム、サービスの整合性と信頼性の確保、スケーラビリティと可用性の提供を目的に連携して動作するよう設計したものを、フェールオーバークラスターと呼びます。
フェールオーバークラスターは、ミッションクリティカルなアプリケーションやシステム、サービスを運用する必要がある業界で広く利用されています。テクノロジーの仕組み、フェールオーバークラスターの種類、課題、実用例を見ていきましょう。
フェールオーバークラスターの種類
フェールオーバークラスターには、高可用性（HA）と継続可用性（CA）という2つの主な種類がありますが、ほかにも、仮想インフラと物理インフラを組み合わせたハイブリッドフェールオーバー向けを中心に、いくつかの選択肢があります。
組織に最適なフェールオーバークラスターの種類は、インフラ、ハードウェアとソフトウェア、システムやアプリの高度さ、デジタル業務のビジネス上の重要度など、複数の要因によって決まります。さらに、業界によっては他の業界よりも低いレイテンシーが求められます。社内の人材、予算、サイバーセキュリティやコンプライアンスの要件といった問題も、最終的に評価しなければなりません。
高可用性クラスター
高可用性（HA）クラスターは、ダウンタイムを最小限に抑え、クラスター内の1台のサーバーに障害が発生しても、アプリケーションとサービスを常に利用可能にするために設計されています。HAクラスターでは通常、共有ストレージとクラスター化されたロールを使用して、複数のサーバー間でデータとワークロードを複製します。1台のサーバーに障害が発生した場合は、クラスター内の別のサーバーが最小限の中断でそのワークロードを引き継げます。
継続可用性クラスター
一方、継続可用性（CA）クラスターは、アプリケーションとサービスのゼロダウンタイムを実現するために設計されています。CAクラスターでは通常、同期レプリケーションと呼ばれる技術を使い、クラスター内のすべてのサーバーで常にデータを利用できるようにします。1台のサーバーに障害が発生した場合は、クラスター内の別のサーバーが直ちにワークロードを引き継ぐため、ユーザーに中断が生じません。
CAクラスターにおける同期レプリケーション
同期レプリケーションでは、すべてのデータをプライマリサーバーに書き込み、セカンダリサーバーがデータを受信したことを確認するまで待ってから、クライアントに応答を返します。これにより、両方のノードでデータを利用できるようになります。
この技術は、金融取引システムやミッションクリティカルなデータベースなど、ゼロダウンタイムが求められるアプリケーションやサービスでよく使われます。ただし、クライアントはセカンダリサーバーがデータを受信したことを確認するまで応答を待つ必要があるため、同期レプリケーションによってレイテンシーが発生する場合もあります。
その他のフェールオーバークラスターの種類
HAクラスターとCAクラスター以外にも、次のようないくつかのフェールオーバークラスターがあります。
- ストレッチクラスター： ストレッチクラスターは、2つ以上のデータセンターにまたがります。通常は同期レプリケーションを使用し、高速かつ低レイテンシーの接続に加え、優れた信頼性と復旧設計を備えています。
- 地理分散クラスター： 地理分散クラスターは、アプリやシステム、サービスにグローバルまたは広域のリージョンサービスを提供するために使われます。地理分散クラスターのノードは、複数の地理的リージョンに分散しています。地理分散クラスターでは通常、非同期レプリケーションを使って異なるリージョン間でデータを複製します。コンテンツデリバリーネットワーク（CDN）やその他のエッジコンピューティングを利用して、レイテンシーを削減し、パフォーマンスを向上させることもできます。
ハイブリッドフェールオーバークラスター：仮想マシン、物理データセンター、プライベートクラウドとパブリッククラウド
フェールオーバークラスターでは、物理サーバーと仮想マシン（VM）、またはプライベートクラウドとパブリッククラウドのインフラを組み合わせることもできます。VMやクラウドサービスを使えば、ハードウェアやソフトウェアを購入して維持する初期費用なしに、ハードウェアと仮想化テクノロジーを利用できるため、こうしたハイブリッドクラスターの人気は高まっています。
さらに、オンプレミスの物理ノードやプライベートクラウドノードがもたらす高いセキュリティと、VMの柔軟性および可用性を組み合わせることで、企業は両者の長所を併せ持つハイブリッドフェールオーバークラスターを構築できます。
通常、クラスターのバックエンドと重要なコンポーネントは物理データセンターまたはプライベートクラウドのノードに配置し、顧客向けまたはパブリック向けのシステム、アプリ、サービスはVM上で実行します。
ハイブリッドフェールオーバークラスターを導入する別の方法は、ハイパーバイザーを使って、物理サーバー層の上に仮想クラスターを作成することです。この方法は、最大限の柔軟性とスケーラビリティを実現できますが、実装は最も複雑になる可能性があります。
フェールオーバークラスターの仕組み
フェールオーバークラスターテクノロジーの仕組みは、導入するフェールオーバークラスターの種類によって異なります。ただし、共有ストレージ、クラスター化されたロール、同期レプリケーション、ハートビート監視、クォーラム投票など、共通する主要なテクノロジーがいくつかあります。
共有ストレージとクラスター化されたロール
HAクラスターでは通常、共有ストレージとクラスター化されたロールを使って、複数のサーバー間でデータとワークロードを複製します。
すべてのフェールオーバークラスターシステムが共有ストレージを使うわけではありませんが、共有ストレージデバイスを使うシステムでは、それをクラスター内のすべてのサーバーまたはノードから利用できます。これにより、1台のサーバーに障害が発生しても、すべてのサーバーが同じデータにアクセスできます。
一方、クラスター化されたロールとは、アプリケーションやサービスを中断させることなく、クラスター内のあるノードから別のノードへ移動できるアプリケーションやサービスのことです。
ハートビート監視
ハートビート監視は、ノードの健全性とパフォーマンスを監視するために使われるレプリケーション方式の一種です。ハートビート監視では、クラスター内の各ノードが専用のネットワークリンクを介して「ハートビート」を常時送信し、自身の状態と可用性を通知します。
クォーラム投票
クォーラム投票は、クラスター内で常にサーバーまたはノードの過半数が稼働していることを確認するために、フェールオーバークラスターシステムで使われるプロセスです。
クォーラム投票では、クラスター内の各サーバーに1票を割り当てます。クラスターが動作するには、クォーラム、つまり動作に必要な最小投票数を満たす必要があります。
クォーラム投票のパラメーターは、さまざまな設定に構成できます。例えば、5ノードのクラスターで4ノードのクォーラムを必要とする設定が可能です。
同期レプリケーション
ゼロダウンタイム向けに設計されたCAクラスターでは通常、クラスター内のすべてのサーバーで常にデータを利用できるように、同期レプリケーションを使用します。ストレッチクラスターや地理分散クラスターでも、通常は同期レプリケーションを使用します。
ハイブリッドクラスターでは、特に大手仮想化ベンダーが提供するサービスやインフラを使って構築する場合、さまざまな種類のツールやテクノロジーを使用することがあります。
フェールオーバークラスターの実用例
ここでは、デジタル社会で一般的に使われているフェールオーバークラスターの、現代における実用例をいくつか見ていきます。
ミッションクリティカルなアプリケーションの継続的な可用性
オンライン取引処理（OLTP）システムで使われるコンピューターには、フォールトトレラントシステムが不可欠です。100%の可用性が求められるOLTPは、例えば航空券予約システム、電子株式取引、ATMバンキングなどで使われています。
製造、物流、小売などの分野の企業をはじめ、多くの組織がミッションクリティカルなアプリケーションにCAクラスターまたはフォールトトレラントコンピューターを利用しています。アプリケーションには、EC、注文管理、従業員の勤怠管理システムなどがあります。
災害復旧
フェールオーバークラスターは、災害復旧にも使われます。あるデータセンターに障害が発生した場合、ユーザーに影響を与えることなく、アプリケーションとサービスを別のデータセンターに切り替えられます。これにより、企業は災害から迅速に復旧し、ダウンタイムを最小限に抑えられます。
もちろん、火災や洪水など地域的な障害や災害に備え、フェールオーバーサーバーを遠隔地に設置することが強く推奨されます。フェールオーバークラスターをストレッチ構成にすることで、複数のデータセンター間でレプリケーションを実行できます。ある拠点で災害が発生しても、他の拠点のフェールオーバーサーバーにすべてのデータが残り続けます。
データとアナリティクス
現在、あらゆる業界で利用されているデータ・アナリティクス業界では、高度な運用要件があり、厳格なコンプライアンスやガバナンスのルールが適用されることも多く、大量のデータを管理・分析する必要があります。こうした環境では、データライフサイクル全体を扱う担当者にとって、フェールオーバークラスターの特性が有用です。
エッジコンピューティング
エッジコンピューティングは、エンドユーザーの近くに計算処理とデータストレージを配置する分散コンピューティングのパラダイムです。フェールオーバークラスターを使って、エッジコンピューティングのアプリケーションやサービスを導入・管理できます。
フェールオーバークラスターのその他の実用例としては、トラフィック急増に対応するため高いスケーラビリティが必要なWebアプリケーション、エッジコンピューティングを必要とするモノのインターネット（IoT）アプリケーション、高度なバックアップと冗長性を求めながらリアルタイムの低レイテンシー情報を扱うフィンテックなどの業界が挙げられます。
フェールオーバークラスターの課題
フェールオーバークラスターテクノロジーには、確立された多くのメリットがある一方で、いくつかの欠点もあります。最大のデメリットは、必要なスキルとコストに関係しています。
コスト
企業が自社のハードウェアとソフトウェアを使おうとすると、フェールオーバークラスターのコストは多額になる可能性があります。幸い、クラウドコンピューティングと仮想化の普及により、ハードウェア、ソフトウェア、保守、管理のコストは大幅に低下しています。
管理
同様に、高度なフェールオーバークラスターを構築したいものの、こうしたシステムに必要な社内人材がいない企業は、テクノロジーの管理を外部委託できます。これによりコストは増加しますが、専門家からなる自社チームを抱える場合の費用と比べれば、大幅に低く抑えられる傾向があります。
ただし、ビジネスクリティカルなフェールオーバークラスターの管理や運用プロセスを外部委託しても、システムが適切に稼働していることを確認するため、企業には少なくとも少人数の優秀な人材が必要です。この人材の壁こそ、フェールオーバークラスターの導入を望む企業にとって、間違いなく最大の障害です。
セキュリティ、コンプライアンス、信頼性
さらに、人材の問題はパフォーマンス、セキュリティ、コンプライアンス、プライバシーにも影響します。適切に構築、カスタマイズ、設定されていないフェールオーバークラスターは、障害を引き起こすリスクが高くなります。また、フェールオーバークラスターは企業のデジタル攻撃対象領域を広げるため、サイバー犯罪者に悪用可能な脆弱性を発見される可能性も高まります。
主要なフェールオーバークラスターベンダー
業界で主要プロバイダーとして認められているフェールオーバークラスターベンダーはいくつかあります。
VMware
利用可能な仮想化製品の中で、VMwareはVMクラスター向けの仮想化ツールを複数提供しています。vSphere vMotionは、VMware VMとそのネットワークを物理データセンターネットワーク間で正確に複製するCAアーキテクチャを提供します。
Microsoft
Microsoftは、次のようなさまざまなフェールオーバークラスターソリューションを提供しています。Windows Server Failover Clustering、SQL Server Failover Clustering、およびExchange Server Failover Clustering。Microsoftのフェールオーバークラスターソリューションは、あらゆる規模の企業で広く利用されており、信頼性と使いやすさで知られています。
Red Hat Linuxフェールオーバークラスター
Microsoft以外のOSメーカーも、独自のフェールオーバークラスターテクノロジーを提供しています。例えば、Red Hat Enterprise Linux（RHEL）ユーザーは、Red Hat Enterprise Linux High Availability Extension（RHEV）を使ってHAフェールオーバークラスターを作成できます。Red Hatのフェールオーバークラスターソリューションは、オープンソースであることと柔軟性で知られています。オンプレミス、クラウド、ハイブリッドなど、さまざまな環境に導入でき、幅広いアプリケーションやデータベースを保護できます。
Oracle
Oracleは、次のようなさまざまなフェールオーバークラスターソリューションを提供しています。Real Application Clusters (RAC)、Oracle Database Clusterware、およびOracle GoldenGate。Oracleのフェールオーバークラスターソリューションは、高性能でミッションクリティカルなアプリケーション向けに設計されています。金融機関、政府機関、通信会社など、世界最大級の企業の多くが利用しています。
その他のフェールオーバークラスターベンダー
2023年に人気を集めたその他のフェールオーバークラスターベンダーとソリューションには、IBM PowerHA SystemMirror、NetApp MetroCluster、Rocket iCluster、およびVeritas InfoScale。
まとめ：フェールオーバークラスターがビジネスを円滑に運営し続ける
レイテンシーやトラブルシューティング環境、共有ストレージとクラスター化されたロールの設定、システム監視に至るまで、フェールオーバークラスターの導入と管理は容易ではありません。認定ソリューション、サービス、ハードウェアを利用し、専門人材を確保するといった業界のベストプラクティスが、こうした課題の解決に役立ちます。企業はまた、確固としたフェールオーバークラスター戦略を策定し、パフォーマンスとシステムの整合性を確保するため、システムを常にテスト・監視する必要があります。
こうした障壁があるにもかかわらず、フェールオーバークラスターはビジネスクリティカルなシステムにとって優れたソリューションです。強力なバックアップと復旧の備えを提供し、可用性を高め、テクノロジーの最新イノベーションを促進できます。
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