単一障害点|簡単な概要
情報技術の分野では、システム設計には、特定の要件を満たすためのシステムのアーキテクチャ、インターフェイス、モジュール、およびデータを決定するプロセスが含まれます。これは、製品/サービス開発の効率を改善し、優れたユーザーエクスペリエンスを実現するための重要なプロセスです。
毎日何百万人ものユーザーにサービスを提供するアプリケーションがあるとします。サーバー側では、このような大量のリクエストを処理するための優れたエンジニアリングが必要です。データベースに問題がある場合やハードウェアに障害が発生した場合でも、サーバー要求が失敗することはありません。
ただし、バックエンドまたはフロントエンドが正しく設計されていない場合、単純なミスにより、サーバーからコンピューター全体のネットワークまで、アプリケーション全体がシャットダウンする可能性があります。このようなエラーの主な原因の1つは、単一障害点（SPOF）です。
この概要記事では、SPOFがITプロフェッショナルにとって最悪の問題である理由、その共通の原因、およびそのような障害を軽減する方法について説明しました。基本的な質問から始めましょう。
単一障害点とは何ですか？
定義： 単一障害点とは、システムに障害が発生した場合にシステム全体の動作を停止させるシステムの一部です。簡単に言えば、1つが壊れると、すべてがダウンします。
SPOFは、設計の誤りと実装手法の不備が原因で発生します。これらは、ソフトウェアアプリケーション、ハードウェアモジュール、製造システム、ビジネス慣行など、どのシステムでも望ましくありません。
たとえば、特定の場所にある1台のサーバーのみでホストされているWebサイトを実行している場合、そのサーバーは単一障害点になります。サーバーに障害が発生すると、訪問者はWebサイトにアクセスできなくなります。この単一のポイントは、あなたのウェブサイトに関連するすべての活動をひどく停止させることができます。そのようなリスクがビジネスに存在する場合は、そのリスクを軽減するための措置を講じる必要があります。
解決策は何ですか？
SPOFの潜在的なリスクを軽減する最も効果的な方法は、冗長性を追加することです。これには、冗長なハードウェアコンポーネントとソフトウェアアプリケーションのインストールが含まれます。
たとえば、Redundant Arrays of Independent Disks（RAID）を使用して、Directory Serverデータベースを格納したり、DirectoryServerの複数の重複インスタンスを異なるホストに展開したりできます。
冗長性はさまざまなレベルで追加できます。独立したタクシー運転手の例を見てみましょう。低レベルでは、彼は車両が故障した場合に備えて、車両を修理するための工具とスペアパーツを持っている可能性があります。中程度のレベルでは、彼は仕事をするために彼の友人のタクシーを借りることができます。最高レベルでは、彼は別の車と、複数の故障が発生した場合に故障した部品を完全に交換するのに十分なコンポーネントを持っている可能性があります。
では、コンピューティングにおける冗長性の簡単な例を見てみましょう。
1。）単純なセットアップでは、いくつかの単一障害点が考えられます。
図1
2.）重複するハードウェアコンポーネントを追加することで、いくつかの単一障害点を回避できます。
図2
3）。完全に冗長化されたシステムを構築することで、SPOFをゼロにすることができますが、このセットアップは、図1に示す単純なセットアップよりもはるかにコストがかかります。
図3 |ゼロSPOF
システムレベルでは、サーバーのクラスターの高可用性を確保するためにロードバランサーを展開できます。この場合、各サーバーは複数のハードドライブ、電源装置、およびその他のモジュールを持つことができます。サーバーに障害が発生した場合にアクティブなサーバーの負荷を引き受ける可能性のあるサーバーを追加することで、より高いレベルの冗長性を実現できます。
データセンター自体は、ビジネスロジックなどの多くの操作をサポートしています。したがって、その機能を他の場所に複製できない場合、それ自体がビジネスの潜在的なSPOFになります。
サイト（最高）レベルでは、データセンター全体をさまざまな設定で複製し、プライマリサーバーが応答しなくなったときにアクセスできます。このタイプの冗長性は、通常、IT災害の回復力または回復プログラムの焦点です。
SPOFをなくすために、インターネットやARPANETを含む大規模なネットワークでは、デジタルネットワークを介してデータをパケットにルーティングおよび転送する技術であるパケット交換を使用します。ネットワーク上の2つのホスト間の複数のパスを利用し、チャネル容量を最適に使用します。
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2つのホスト間のいずれかのノードに障害が発生すると、データは代替ノードを介して転送されます。パケット交換はまた、伝送遅延を最小限に抑え、通信の堅牢性を高めます。
単一障害点を防ぐために広く使用されているネットワークプロトコルは3つあります。
- 中間システムから中間システム データの最適なルートを決定することにより、コンピュータネットワーク内で情報を効率的に移動します。
- 最初に最短パスを開く 単一の自律システムに属するルーター間でルーティング情報を配布します。最短経路優先アルゴリズム（ダイクストラのアルゴリズム）を使用してデータを送信します。
- 最短パスブリッジング マルチパスルーティングを有効にしながら、ネットワークの開発と構成を簡素化します。
SPOFの評価
SPOFが表示される傾向がある3つの一般的な場所は、ハードウェア、ソフトウェア、およびサードパーティのサービス/プロバイダーです。人間もほとんどの組織で単一障害点ですが、見過ごされがちです。ビジネスの人々は、間違い、詐欺、不正直、知識の欠如、限られた経験など、いくつかの理由でSPOFになる可能性があります。
SPOFを検出したら、次のステップは、修正がどれほど難しいかという観点からSPOFを分類することです。次の3つのカテゴリがあります。
- 簡単： 妥当な時間とコストで修正できます。
- 中程度： 直接修正することはできません。ただし、信頼できる回避策を開発することもできます。
- 難しい： 障害はトリッキーで、修復するのに非常に費用がかかります。
これに加えて、SPOFは、発生の可能性（低、中、高のリスク）とビジネスへの影響（低、中、高の影響）の観点から分類できます。
単一障害点の防止
非常に多くのミッションクリティカルなプロセスがネットワーク接続に依存しているため、データセンターの停止を単純に許容することはできません。それでも、すべてのデータセンターの30％以上が毎年停止を経験しています。企業の約34％が、1時間のダウンタイムには100万ドル以上かかると述べています。
データセンターのダウンタイムが原因で発生した損失に関係なく、実際には、停止の80％が防止可能です。ネットワーク内のどのツールもSPOFの危険性がある可能性がありますが、停止のほとんどはマルウェアやその他のサイバー脅威が原因です。
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ロードバランサー、侵入防止システム、Webアプリケーションファイアウォール、高度な脅威保護ソリューションなどの最新の脅威保護ツールは、電源障害やネットワークインターフェイスコントローラーの障害時、またはインターネットトラフィックのフィルタリング時に常に危険にさらされます。
これらのツールは、ブルートフォース攻撃などの通常の脅威と、XML外部エンティティの実装やクロスサイトリクエストフォージェリなどの複雑な脅威の両方に対して脆弱です。常にネットワークを保護できるわけではないため、冗長なセキュリティ対策を講じる必要があります。
広範囲の攻撃の有効性と頻度を最小限に抑えるWebアプリケーションファイアウォールアーキテクチャを実装するには、いくつかの方法があります。たとえば、多層Webアプリファイアウォールは、操作に基づいてさまざまなアプリケーションモジュールを複数の層に分離します。
各層は個別のシステムで実行されるため、SPOFはありません。同様に、複数のロードバランサーを適切に実装すると、ネットワーク内の単一障害点を減らすことができます。
すべての卵を1つのバスケットに入れないでください
多くの企業が独自のバージョンのクラウドバックアップを提供していますが、ビジネスのデータを保護するために1つのバックアップのみに依存することはお勧めできません。アマゾン、マイクロソフト、グーグルなどの大手テクノロジー企業のクラウドサービスでさえ、毎年何度も失敗しています。
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会社を経営している場合は、冗長性を構築する際に、考えられるすべてのシナリオを考慮する必要があります。誰かが100％の稼働時間を提供できると思い込まないでください。問題が発生した場合は、常にプランBの準備ができています。
詳細な調査
Systems-of-Systems内のSPOF
英国のリバプールジョンムーア大学の研究者は、個々のシステムを統合して大規模で複雑な異種システムシステムを形成するときに直面する主要な課題を強調しています。
多くの最新のアプローチは、1つの小さな特定の脆弱な領域に集中する傾向があります。それらのいくつかは、非常に理論的であるか、多数のコラボレーションコンポーネントのためにスケーラブルではありません。この調査では、単一障害点がコラボレーションシステムに大きな影響を与え、企業に重大な経済的損失をもたらす可能性があることを説明しています。
ソフトウェアベースの冗長性におけるSPOFの排除
ソフトウェアベースの冗長性は通常、信頼性を高めるための効果的で安価な方法と考えられています。三重モジュラー冗長性（TMR）の観点からの冗長実行は非常に人気がありますが、保護されていないSPOFが残ります。
この調査では、SPOFによって引き起こされる脆弱性を排除しながら、システムのセーフティクリティカルなコンポーネントをソフトな取り組みから強化する、CombinedRedundancyという名前の包括的なアプローチを紹介します。エンコードされた処理とともに冗長な実行を活用し、既存のプロジェクトに簡単に統合できます。
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ツリールーティングでのSPOFの最小化
ツリールーティング（TR）は、親子リンクを利用してパケットを送信します。ソースノードと宛先ノードが異なるツリーブランチに属している場合、これらのリンクにはより多くのホップが必要です。コーディネーターに近いノードは、より多くのパケットを送信する可能性があり、エネルギー消費量と輻輳が増加します。これにより、SPOFの問題が発生する可能性があります。
台湾の国立高雄応用科学大学の研究者チームは、最短経路を介してパケットを送信し、輻輳を回避するための緩和SPOFツリールーティングアルゴリズムを開発しました。このアルゴリズムは、平均ホップカウントを減らし、エンドツーエンドの遅延を最小限に抑え、スループットを向上させ、ツリーノードの寿命を延ばします。
産業技術