システム構成要素

1. システムの構成と仮想化・クラウド

クライアントサーバや3層構成、仮想化の3方式、クラウドのIaaS/PaaS/SaaSといった「システムの組み方」の違いが説明できるようになります。

1台の大型コンピュータにすべての処理を集めるやり方を集中処理、複数のコンピュータに処理を分けて受け持たせるやり方を分散処理といいます。集中処理は管理や保守が1か所で済む反面、その1台が止まると全体が止まります。分散処理は障害の影響を局所化でき、機器を足して性能を伸ばしやすい一方、構成が複雑になり運用管理の手間が増えます。

分散処理の代表がクライアントサーバシステムです。サービスを要求する側（クライアント）と、要求に応えて処理やデータを提供する側（サーバ）に役割を分けます。これを3つの層に分けたものが3層クライアントサーバ（3層アーキテクチャ）で、画面表示を担うプレゼンテーション層、業務処理を担うファンクション層（アプリケーション層）、データの格納と検索を担うデータ層に分かれます。層ごとに独立して修正・増強できるので、業務ロジックだけを直したいときにデータベースを触らずに済みます。Webシステムは、クライアント側をWebブラウザだけにし、Webサーバ・アプリケーションサーバ・データベースサーバを組み合わせた3層構成にすることが多く、クライアントに専用ソフトを配布しなくてよいのが利点です。

これに対し、対等な立場のコンピュータ同士が直接データをやり取りする形態をピアツーピア（P2P）といいます。各機器がクライアントにもサーバにもなるため、中央サーバがなくても成立し、参加台数が増えるほど全体の資源も増えます。反面、資源の所在や利用者の管理を一元的に行いにくいという弱点があります。

利用者側の端末に必要最小限の機能しか持たせず、処理やデータをサーバ側に集約する構成をシンクライアントといいます。端末にデータが残らないので情報漏えい対策になります。中でも、サーバ上で仮想的なデスクトップ環境を動かし、その画面だけを端末に転送する方式をVDI（仮想デスクトップ基盤）と呼びます。また、複数台のコンピュータを結合して1台のように見せる技術がクラスタリングで、性能向上（負荷分散）と可用性向上（1台が故障しても他が引き継ぐ）の両方の目的で使われます。地理的に離れた多数のコンピュータの余力を集めて1つの大きな計算に使うやり方はグリッドコンピューティングです。

1台の物理サーバの上に複数の仮想的なコンピュータを動かす技術が仮想化です。方式は3つあります。ホスト型はWindowsなどのホストOSの上に仮想化ソフトを載せる方式で導入が手軽ですが、ホストOSを経由するぶん性能面で不利です。ハイパーバイザ型はハードウェア上に直接ハイパーバイザを置き、その上でゲストOSを動かす方式で、サーバ用途の主流です。コンテナ型はOSのカーネルを共有し、アプリケーションとその実行環境だけを隔離する方式で、ゲストOSを持たないため起動が速く消費資源も小さいのが特徴です。動作中の仮想マシンを停止させずに別の物理サーバへ移すライブマイグレーションも仮想化の重要な機能です。

仮想化を土台に、計算資源をネットワーク越しに従量課金で借りる形態がクラウドコンピューティングです。提供範囲によって、サーバやストレージなどのインフラを貸すIaaS、アプリケーションを動かす基盤（OSやミドルウェア）まで貸すPaaS、完成したアプリケーションそのものを提供するSaaSに分かれます。利用者の管理範囲はIaaSが最も広く、SaaSが最も狭くなります。一方、クラウドにすべてを送らず、データが発生する現場の近くに処理装置を置いて即座に処理する考え方がエッジコンピューティングで、通信遅延と回線量を減らせます。

記憶装置の置き方にも構成の違いがあります。NASはLANに直接つなぐファイルサーバ専用機で、ファイル単位でアクセスします。SANはストレージ専用の高速ネットワークを別に作り、サーバからはブロック単位でアクセスします。さらにアプリケーションの作り方として、機能を小さな独立したサービスに分けて組み合わせるマイクロサービスアーキテクチャがあり、サービス単位で改修・増強できます。取引記録を複数の参加者で分散して持ち合い、直前のブロックのハッシュ値を含めて鎖状につなぐことで改ざんを困難にする技術がブロックチェーンです。

用語

クライアントサーバシステム

サービスを要求するクライアントと、要求に応じて処理やデータを提供するサーバに役割を分けた分散処理の形態。処理をサーバに集めつつ、画面操作はクライアントで行う。

3層クライアントサーバ

システムをプレゼンテーション層（画面）、ファンクション層（業務処理）、データ層（データ管理）の3つに分ける構成。層ごとに独立して改修・増強できる。

ピアツーピア（P2P）

対等な立場のコンピュータ同士が直接データをやり取りする形態。各機器がクライアントにもサーバにもなるため中央サーバが不要だが、資源や利用者の一元管理はしにくい。

シンクライアント

端末には最小限の機能だけを持たせ、処理やデータをサーバ側に集約する構成。端末にデータを残さないため、紛失や盗難による情報漏えいを防ぎやすい。

VDI（仮想デスクトップ基盤）

サーバ上で利用者ごとの仮想デスクトップを動かし、その画面情報だけを端末に転送する方式。シンクライアントを実現する代表的な仕組み。

クラスタリング

複数のコンピュータを結合して利用者からは1台に見せる技術。負荷を分散して性能を高める目的と、1台が故障しても他が処理を引き継ぐ可用性向上の目的がある。

グリッドコンピューティング

ネットワークでつながった多数のコンピュータの空き処理能力を集め、1つの大きな計算を分担して処理する方式。科学技術計算などに使われる。

ハイパーバイザ型仮想化

ハードウェア上に直接ハイパーバイザを置き、その上で複数のゲストOSを動かす方式。ホストOSを介さないため性能を出しやすく、サーバ仮想化の主流。

コンテナ型仮想化

OSのカーネルを共有したまま、アプリケーションと実行環境だけを隔離する方式。ゲストOSを持たないので起動が速く、必要な資源も小さい。

ライブマイグレーション

稼働中の仮想マシンを停止させずに別の物理サーバへ移す機能。保守作業時にサービスを止めずに物理サーバを空けられる。

IaaS・PaaS・SaaS

クラウドの提供範囲による分類。IaaSはサーバやストレージ、PaaSはOSやミドルウェアを含む実行基盤、SaaSは完成したアプリケーションを提供する。

エッジコンピューティング

データが発生する現場の近くに処理装置を置き、その場で処理してから必要なぶんだけクラウドへ送る考え方。通信の遅延と回線の負荷を減らせる。

NASとSAN

NASはLANに直接接続しファイル単位でアクセスする専用機。SANはストレージ専用の高速ネットワークを別に構成し、ブロック単位でアクセスする。

マイクロサービスアーキテクチャ

アプリケーションを小さく独立したサービスの集合として作り、APIで連携させる構成。サービス単位で開発・改修・増強ができる。

ブロックチェーン

取引記録をブロックにまとめ、直前のブロックのハッシュ値を含めて鎖状につなぎ、多数の参加者で分散して保持する技術。過去の改ざんが極めて困難になる。

例題

出典・根拠：IPA 基本情報技術者試験 シラバス Ver.9.2 大分類2：コンピュータシステム　中分類4：システム構成要素（システムの構成）

2. 信頼性設計と冗長構成

デュアルシステムとデュプレックスシステムの違い、フェールセーフ・フェールソフト・フールプルーフの使い分け、RASISの5項目が区別できるようになります。

システムを止めないための工夫には、大きく2つの方向があります。1つは、故障しにくい高品質な部品を使い、そもそも故障を起こさせないようにするフォールトアボイダンス（故障回避）。もう1つは、故障が起きることを前提に、起きても機能を保てるように冗長化しておくフォールトトレランス（耐故障）です。フォールトトレラントシステムとは、構成要素が壊れても全体としては正常な処理を続けられるシステムを指します。

障害が起きたときの振る舞いの設計思想には、名前の似た用語が並びます。フェールセーフは、故障したときに安全な側に倒す設計で、信号機が故障したら全方向を赤にする例が典型です。フェールソフトは、故障部分を切り離して性能や機能を落としてでも稼働を続ける設計で、この縮退運転をフォールバックといいます。フールプルーフは、利用者が誤った操作をしても危険が生じないようにする設計で、ふたを閉めないと回らない洗濯機や、数字欄に文字を入力させない画面が例です。この3つは「故障時に安全側へ」「故障時に機能を落として継続」「誤操作を受け付けない」と覚えると区別できます。

冗長構成には代表的な型があります。デュアルシステムは2組の系で同じ処理を同時に行い、結果を照合します。照合により誤りを検出でき、一方が故障してもその系を切り離してそのまま処理を続けられます。デュプレックスシステムは、主系（現用系）が業務を行い、もう一方は待機します。この待機の仕方で呼び方が変わり、待機系も電源を入れて同じ状態を保ち即座に切り替えられるものがホットスタンバイ、待機系は起動しているが別の処理をしており切替えに準備が要るものがウォームスタンバイ、待機系の電源を入れておらず障害時に起動して切り替えるものがコールドスタンバイです。切替えが速いほど費用は高くなります。ロードシェアシステムは複数の系に負荷を分け合って処理し、1台が故障しても残りが処理を引き継ぎます（ただし処理能力は落ちます）。

信頼性の評価軸をまとめたものがRASISです。Reliability（信頼性、故障しにくさ。MTBFで測る）、Availability（可用性、動いている割合。稼働率で測る）、Serviceability（保守性、直しやすさ。MTTRで測る）、Integrity（保全性・完全性、データが壊れたり矛盾したりしないこと）、Security（機密性・安全性、不正利用や漏えいを防げること）の5つの頭文字です。信頼性と可用性は似ていますが、めったに壊れなくても修理に何日もかかれば可用性は下がる、という関係にあります。

なお、冗長化は費用と釣り合わせて選びます。24時間止められない基幹系にはデュアルやホットスタンバイ、夜間に止められる業務にはコールドスタンバイ、というように、停止したときの損害と冗長化の費用を比べて決めるのが基本です。

用語

フォールトアボイダンス

信頼性の高い部品を使い、点検や品質管理を徹底して、故障そのものを起こさないようにする考え方。故障を前提とするフォールトトレランスと対になる。

フォールトトレラントシステム

構成要素の一部が故障しても、システム全体としては正常な処理を継続できるように冗長化されたシステム。故障が起こることを前提に設計する。

フェールセーフ

故障が起きたとき、被害が出ない安全な側の状態に移行させる設計。故障した信号機を全方向赤にする、ガス機器が異常時に元栓を閉じるなどが例。

フェールソフト

故障した部分を切り離し、性能や機能を落としてでも稼働を続ける設計。この縮退運転をフォールバックという。全面停止を避けることを優先する。

フールプルーフ

利用者が誤った操作をしても危険や重大な誤りが生じないようにする設計。ふたを閉めないと動かない機器、数字欄に文字を入力できない画面などが例。

デュアルシステム

2組の系で同じ処理を同時に行い、結果を照合する構成。誤りを検出でき、片方が故障してもその系を切り離して処理を続けられるが、費用は高い。

デュプレックスシステム

主系が業務を処理し、もう一方を待機させておく構成。主系の障害時に待機系へ切り替える。待機の仕方でホット・ウォーム・コールドに分かれる。

ホットスタンバイ

待機系も電源を入れて主系と同じ状態を保ち、障害時に即座に切り替えられる方式。切替時間は最も短いが、待機側にも常に費用がかかる。

コールドスタンバイ

待機系の電源を入れずに用意しておき、障害発生後に起動して切り替える方式。費用は最も安いが、復旧までの時間は最も長くなる。

ロードシェアシステム

複数の系で負荷を分担して処理する構成。1台が故障しても残りの系が処理を引き継げるが、処理能力は減るため応答が遅くなることがある。

RASIS

信頼性（Reliability）、可用性（Availability）、保守性（Serviceability）、保全性（Integrity）、機密性（Security）の5つの評価項目の頭文字。

例題

出典・根拠：IPA 基本情報技術者試験 シラバス Ver.9.2 大分類2：コンピュータシステム　中分類4：システム構成要素（システムの評価指標・信頼性設計）

3. RAIDと稼働率の計算

RAID 0/1/5/6/10の使用可能容量と耐障害性、MTBF・MTTRからの稼働率、直列・並列を組み合わせた稼働率の計算ができるようになります。

複数台の磁気ディスクを組み合わせて、速度や信頼性を高める技術がRAIDです。RAID0（ストライピング）はデータを分割して複数台に分散して書くので高速ですが、冗長性がなく1台でも壊れると全データを失います。RAID1（ミラーリング）は同じデータを2台に書くため、片方が壊れても運用を続けられますが、使える容量は全体の半分です。RAID5はデータとパリティ（誤り訂正用の情報）を全台に分散して書き、どれか1台が故障してもパリティから復元できます。n台で構成したときに使える容量は(n−1)台ぶんです。RAID6はパリティを二重に持つため2台までの同時故障に耐えられ、使える容量は(n−2)台ぶんになります。RAID10（RAID1+0）はミラーリングした組をストライピングするもので、最低4台が必要、使える容量はn/2台ぶんです。

「RAID5は(n−1)台ぶん、RAID6は(n−2)台ぶん、RAID10はn/2台ぶん」は計算問題で最もよく問われます。例えば2Tバイトのディスク6台でRAID5を構成すると、使用可能容量は2×(6−1)＝10Tバイト、同じ6台でRAID6なら2×(6−2)＝8Tバイト、RAID10なら2×6÷2＝6Tバイトです。なお、RAIDは故障に備える仕組みであって、誤って消したファイルは復元できないため、バックアップの代わりにはなりません。

システムがどれだけ動いているかを表す指標が稼働率です。平均故障間隔MTBF（Mean Time Between Failures：修理が終わってから次に故障するまでの平均時間）と、平均修理時間MTTR（Mean Time To Repair：故障してから復旧するまでの平均時間）を使い、稼働率＝MTBF÷(MTBF＋MTTR)で求めます。この値がRASISのA（可用性、アベイラビリティ）にあたります。逆に故障率はMTBFの逆数で表されます。運用実績から求めるときは、全運用時間から停止時間を引いたものを故障回数で割ってMTBF、停止時間の合計を故障回数で割ってMTTRとします。

装置を組み合わせたときのシステム全体の稼働率は、直列と並列で計算が変わります。直列（すべてが動いていないと機能しない）は各稼働率の積で、A×Bです。並列（どれか1つでも動いていれば機能する）は、全部が同時に止まる確率を1から引いて、1−(1−A)×(1−B)で求めます。直列につなぐほど全体の稼働率は下がり、並列にするほど上がります。複合構成は、まず並列部分をひとかたまりの稼働率にまとめてから、直列の掛け算をするのが定石です。

n台のうちk台以上が動いていれば機能するシステムでは、動いている台数の組合せをすべて足します。例えば稼働率0.9の装置3台のうち2台以上動けばよい場合、ちょうど2台動く確率3×0.9×0.9×0.1＝0.243と、3台とも動く確率0.9×0.9×0.9＝0.729を足して0.972となります。「ちょうど2台」の場合の数が3通りであること（どの1台が止まるかで3通り）を忘れないのがコツです。

用語

RAID0（ストライピング）

データを分割して複数台のディスクに分散して読み書きする方式。速度は上がるが冗長性がなく、1台でも故障すると全データを失う。

RAID1（ミラーリング）

同じデータを2台のディスクに同時に書き込む方式。片方が故障しても運用を続けられるが、使用可能容量は全体の半分になる。

RAID5

データとパリティを全ディスクに分散して記録する方式。最低3台が必要で、n台なら使用可能容量は(n−1)台ぶん。1台までの故障に耐えられる。

RAID6

パリティを二重に持ち、2台まで同時に故障してもデータを復元できる方式。最低4台が必要で、n台なら使用可能容量は(n−2)台ぶん。

RAID10（RAID1+0）

ミラーリングした組をストライピングで束ねる方式。最低4台が必要で、使用可能容量はn/2台ぶん。高速性と耐障害性を両立できるが費用は高い。

MTBF（平均故障間隔）

修理が完了してから次に故障するまでの平均時間。値が大きいほど故障しにくく、RASISの信頼性（Reliability）を表す指標になる。

MTTR（平均修理時間）

故障が発生してから復旧するまでの平均時間。値が小さいほど直しやすく、RASISの保守性（Serviceability）を表す指標になる。

稼働率（アベイラビリティ）

全体の時間のうちシステムが動いていた割合。MTBF÷(MTBF＋MTTR)で求める。RASISの可用性（Availability）にあたる指標。

直列システムの稼働率

すべての装置が動いていないと機能しない構成の稼働率。各装置の稼働率の積（A×B）で求める。装置を増やすほど全体の稼働率は下がる。

並列システムの稼働率

どれか1つでも動いていれば機能する構成の稼働率。1−(1−A)×(1−B)で求める。全部が同時に停止する確率を1から引くという考え方。

故障率

単位時間あたりに故障が発生する割合で、MTBFの逆数として表される。MTBFが1,000時間なら故障率は1時間あたり0.001となる。

例題

出典・根拠：IPA 基本情報技術者試験 シラバス Ver.9.2 大分類2：コンピュータシステム　中分類4：システム構成要素（信頼性設計・システムの評価指標）

4. 性能の評価指標と処理形態

レスポンスタイムとターンアラウンドタイムの違い、待ち行列を使った応答時間の見積り、ベンチマークやTCO、スケールアップとスケールアウトが分かるようになります。

システムの性能は複数の物差しで測ります。スループットは単位時間あたりに処理できる仕事の量で、1時間に何件処理できるかといった形で表します。レスポンスタイム（応答時間）は、利用者が入力を終えてから最初の応答が返り始めるまでの時間です。ターンアラウンドタイムは、処理を依頼してから結果をすべて受け取り終えるまでの時間で、入力（データの転送）や出力（印刷）の時間も含みます。したがって同じ処理ならターンアラウンドタイムのほうが長くなります。対話型処理では利用者の体感に直結するレスポンスタイムを、バッチ処理では全体が終わるまでのターンアラウンドタイムを重視します。

処理形態には、一定期間のデータをまとめて一括処理するバッチ処理、要求のたびに即座に処理して結果を返すリアルタイム処理、利用者と応答をやり取りしながら進める対話型処理があります。オンラインで発生する取引を1件ずつ確実に処理する形態はトランザクション処理と呼ばれ、処理は「すべて実行するか、まったく実行しないか」のどちらかになるように管理します。

混雑したシステムの応答時間は、待ち行列理論で見積もれます。窓口が1つで、到着も処理もばらつく最も基本的なモデル（M/M/1）では、利用率をρ（ロー）、1件あたりの平均処理時間をTsとすると、平均待ち時間は ρ÷(1−ρ)×Ts、平均応答時間（待ち時間＋処理時間）は Ts÷(1−ρ) で求められます。利用率が0.5のときの待ち時間は処理時間と同じですが、0.8では4倍、0.9では9倍になります。利用率が1に近づくと待ち時間が急激に伸びる、というのがこの式の要点です。

性能を測る手段としてベンチマークテストがあります。標準的な処理を実際に実行して測定するもので、SPECはCPUなどの処理性能を測る指標、TPCはトランザクション処理性能（1分あたりの処理件数と価格性能比など）を測る指標です。将来の業務量の伸びを予測し、必要な資源を前もって計画することをキャパシティプランニングといいます。

性能が足りないときの増強には2つの方向があります。スケールアップは、CPUやメモリをより高性能なものに交換して1台の能力を上げるやり方。スケールアウトは、同等の機器の台数を増やして処理を分担するやり方です。スケールアウトは台数を増やせば伸ばしやすく、1台が故障しても全体は止まりにくい一方、処理を分担できる仕組みが必要です。

費用の面では、システムの導入費だけでなく生涯にわたる総費用で判断します。これがTCO（総所有費用）で、ハードウェアやソフトウェアの購入費・開発費といった初期コスト（イニシャルコスト）と、運用・保守・教育・電気代などの運用コスト（ランニングコスト）の合計です。導入時に安く見えても運用コストが高ければTCOは大きくなるため、比較は必ずTCOで行います。

用語

スループット

単位時間あたりに処理できる仕事の量。1時間あたりの処理件数などで表し、値が大きいほど処理能力が高い。バッチ処理の評価によく使われる。

レスポンスタイム

利用者が入力を終えた時点から、最初の応答が返り始めるまでの時間。応答時間ともいい、対話型処理での体感の速さを表す。

ターンアラウンドタイム

処理を依頼してから結果をすべて受け取り終えるまでの時間。入力データの転送時間や印刷などの出力時間も含むため、レスポンスタイムより長くなる。

バッチ処理

一定期間に発生したデータをまとめて一括で処理する形態。給与計算や月次集計などに使われ、スループットとターンアラウンドタイムが重視される。

リアルタイム処理

要求が発生するたびに即座に処理し、決められた時間内に結果を返す形態。座席予約や制御システムなど、遅れが許されない業務で使われる。

待ち行列（M/M/1）

窓口が1つで、到着間隔と処理時間がともにばらつくときの基本モデル。利用率ρ、平均処理時間Tsのとき、平均待ち時間はρ÷(1−ρ)×Tsとなる。

ベンチマークテスト

標準的な処理プログラムを実際に実行して性能を測る方法。CPUなどの処理性能はSPEC、トランザクション処理性能はTPCの指標がよく使われる。

キャパシティプランニング

将来の業務量やデータ量の伸びを予測し、必要な処理能力や記憶容量をあらかじめ計画すること。性能不足による停止や過剰投資を防ぐ。

スケールアップ

CPUやメモリをより高性能なものに交換し、1台あたりの処理能力を高める増強方法。構成は変わらないが、1台の上限を超えては伸ばせない。

スケールアウト

同等の機器を台数で増やし、処理を分担させる増強方法。台数で性能を伸ばしやすく、1台が故障しても全体は止まりにくい。

TCO（総所有費用）

システムの導入から廃棄までにかかる費用の総額。購入費や開発費などの初期コストと、運用・保守・教育などの運用コストの合計で比較する。

例題

出典・根拠：IPA 基本情報技術者試験 シラバス Ver.9.2 大分類2：コンピュータシステム　中分類4：システム構成要素（システムの評価指標・処理形態）

演習：この章の問題を解く

ランダム出題の演習ツールです（JavaScript が有効な場合に動きます）。上の「確認問題」はそのままでもすべて読めます。