【ITニュース解説】How to Avoid Single Points of Failure (SPOF) day 48 of system design

システムを設計する上で、サービスの安定稼働を維持するために極めて重要な概念が「単一障害点」、英語ではSingle Point of Failure、略してSPOFと呼ばれるものである。単一障害点とは、システムを構成する要素のうち、その一つが故障しただけでシステム全体が停止してしまうような箇所のことを指す。堅牢で信頼性の高いシステムを構築するためには、このSPOFを特定し、可能な限り排除、あるいは影響を最小化する設計が不可欠となる。分散システムと呼ばれる現代の多くのシステムでは、ハードウェアの故障、ソフトウェアのバグ、停電、さらには人為的なミスなど、様々な要因で障害が発生することは避けられない。障害の発生をゼロにすることはできなくても、一部のコンポーネントが故障してもサービス全体が停止することなく動き続けられるようにシステムを設計することは可能であり、その鍵を握るのがSPOFへの対策である。

システムにおけるSPOFの具体例としては、まず外部からのリクエストを複数のサーバーに振り分ける役割を持つロードバランサーが挙げられる。もしこのロードバランサーが一台しか存在しない構成であれば、その一台が故障した瞬間にすべてのリクエストがサーバーに届かなくなり、サービスは完全に停止してしまう。同様に、アプリケーションが利用するデータベースが単一のインスタンスで稼働している場合、そのデータベースサーバーに障害が発生すれば、データの読み書きができなくなり、多くの機能が提供できなくなる。これも典型的なSPOFである。これらの例からわかるように、ある機能を提供するコンポーネントが一つしか存在せず、代替手段がない状態がSPOFを生み出す原因となる。一方で、例えばアプリケーションサーバーが複数台で稼働している構成であれば、そのうちの一台が故障しても、ロードバランサーが残りの正常なサーバーにリクエストを振り分けることで、サービス全体は停止することなく継続できる。この場合、個々のアプリケーションサーバーはSPOFではない。

SPOFを効果的に特定するためには、いくつかの体系的なアプローチが存在する。最も基本的な方法は、システムのアーキテクチャ全体を図に描き出すことである。構成図を可視化することで、どのコンポーネントが一つしか存在しないか、つまり冗長化されていないかを客観的に洗い出すことができる。次に、サービス間の依存関係を分析することも重要だ。システム内の多くのサービスが共通して利用しているコンポーネントがあり、かつそれに代替手段がない場合、それは極めて重大なSPOFである可能性が高い。また、「もしこの部分が故障したら、システム全体にどのような影響が及ぶか」という問いを各コンポーネントに対して投げかける故障影響評価も有効な手法である。この問いの答えが「システム全体が停止する」であれば、そこがSPOFだと判断できる。さらに進んだ手法として、意図的にシステムの一部を停止させて、全体の挙動がどう変化するかを実際にテストする「カオス・テスティング」というプラクティスもある。これにより、設計段階では見過ごされがちだった予期せぬSPOFを発見することができる。

SPOFを特定した後は、それを回避するための戦略を適用していくことになる。最も基本的かつ強力な戦略は「冗長化」である。これは、同じ機能を持つコンポーネントを複数用意しておくことで、一つが故障しても他のコンポーネントが処理を引き継げるようにする考え方だ。常に複数のコンポーネントが稼働するアクティブ構成や、主系が故障した際に待機系が処理を引き継ぐスタンバイ構成などがある。この冗長化された構成を最大限に活かすのが「負荷分散」である。ロードバランサーを用いて複数のサーバーにトラフィックを分散させることで、一台への負荷集中を防ぐとともに、故障したサーバーを検知して自動的にトラフィックの振り分け対象から外すことができる。データベースのような状態を持つコンポーネントに対しては、「データ複製」が重要な戦略となる。データをリアルタイムで複数のサーバーにコピーすることで、一台が停止してもデータが失われることなく、別のサーバーでサービスを継続できる。この複製には、書き込みの完了をすべてのサーバーで確認する「同期複製」と、性能を優先してわずかなデータ反映の遅れを許容する「非同期複製」があり、システムの要件に応じて選択される。さらに、地震や大規模な停電といった広域災害に備えるためには、「地理的分散」が不可欠となる。データセンターを物理的に離れた複数の地域に配置するマルチリージョン構成や、ユーザーに近いサーバーからコンテンツを配信するCDN（コンテンツデリバリーネットワーク）の利用がこれにあたる。また、障害発生時にシステムが完全に停止するのではなく、一部の機能を停止させつつも、中核となる機能は提供し続ける「優雅な縮退（グレースフル・デグラデーション）」という設計思想も重要である。例えば、商品の推薦機能に障害が発生しても、商品検索や購入といった基本機能は利用可能にしておくといった対応が考えられる。これらの対策を支える基盤として、システムの各コンポーネントの状態を常に監視し、異常を検知した際に即座に管理者に通知する「監視とアラート」の仕組みは欠かせない。近年では、障害を検知した際に自動でサーバーを再起動したり、代替サーバーを起動させたりする「自己修復システム」の導入も進んでいる。

結論として、どのようなシステムであっても障害の発生を完全に防ぐことは不可能である。しかし、障害は起こるものという前提に立ち、システム設計の初期段階からSPOFを意識的に特定し、冗長化、負荷分散、データ複製といった戦略を適切に組み合わせることで、障害発生時にもサービスを継続できる、回復力の高いシステムを構築することは十分に可能なのである。これこそが、現代のシステムエンジニアに求められる重要なスキルの一つと言える。