レイヤーごとの冗長化技術の整理

ネットワークの可用性を高めるために、各レイヤーで様々な冗長化技術が使われています。この記事では、OSI参照モデルの各層における代表的な冗長化技術を整理します。

冗長化の全体像

冗長化の目的

単一障害点（SPOF）の排除
サービス継続性の確保
負荷分散によるパフォーマンス向上

実現方法

機器の二重化
経路の多重化
自動切り替え（フェイルオーバー）

レイヤー別冗長化技術マップ

L7 アプリケーション層: DNSラウンドロビン, L7ロードバランサー, CDN
L4 トランスポート層: L4ロードバランサー, セッション維持
L3 ネットワーク層: VRRP / HSRP, ECMP, 動的ルーティング (OSPF / BGP)
L2 データリンク層: STP / RSTP, リンクアグリゲーション (LACP), スタック構成, MC-LAG
L1 物理層: 冗長リンク, 冗長電源, 機器の二重化

L1: 物理層の冗長化

物理層では、ハードウェアそのものの冗長化を行います。

技術	説明	効果
冗長リンク	複数の物理回線を用意	回線障害時の継続運用
冗長電源	複数の電源ユニットを搭載	電源障害時の継続運用
UPS	無停電電源装置	停電時の継続運用
コールドスタンバイ	予備機器を用意	機器故障時の交換

L2: データリンク層の冗長化

STP（スパニングツリープロトコル）

L2ネットワークでループを防止しながら冗長経路を確保します。

graph TB
    subgraph stp["STPによる冗長化"]
        ROOT["ルートブリッジ<br/>（優先度最小）"]

        SW1["スイッチA<br/>指定ポート"]
        SW2["スイッチB<br/>指定ポート"]

        SW3["スイッチC"]
    end

    ROOT -->|"アクティブ"| SW1
    ROOT -->|"アクティブ"| SW2
    SW1 -->|"アクティブ"| SW3
    SW2 -.->|"ブロッキング<br/>（待機）"| SW3

    style ROOT fill:#ffcdd2
    style SW1 fill:#c8e6c9
    style SW2 fill:#c8e6c9
    style SW3 fill:#bbdefb

graph TB
    subgraph normal["通常時"]
        N1["ルートブリッジ"]
        N2["スイッチA"]
        N3["スイッチB"]
        N1 -->|"転送"| N2
        N2 -->|"転送"| N3
        N1 -.->|"ブロック"| N3
    end

    subgraph failover["障害時（自動切替）"]
        F1["ルートブリッジ"]
        F2["スイッチA<br/>（障害）"]
        F3["スイッチB"]
        F1 -->|"転送"| F3
    end

    normal -->|"障害発生"| failover

    style N1 fill:#c8e6c9
    style N2 fill:#c8e6c9
    style N3 fill:#c8e6c9
    style F1 fill:#c8e6c9
    style F2 fill:#ffcdd2
    style F3 fill:#c8e6c9

プロトコル	収束時間	特徴
STP（IEEE 802.1D）	30〜50秒	標準プロトコル
RSTP（IEEE 802.1w）	数秒以内	高速収束
MSTP（IEEE 802.1s）	数秒以内	VLAN対応

リンクアグリゲーション（LACP）

複数の物理リンクを1つの論理リンクとして束ねます。

graph TB
    subgraph lacp["リンクアグリゲーション"]
        SW1["スイッチA"]
        SW2["スイッチB"]

        subgraph bundle["論理リンク（LAG）"]
            L1["物理リンク1"]
            L2["物理リンク2"]
            L3["物理リンク3"]
            L4["物理リンク4"]
        end
    end

    SW1 --> bundle --> SW2

    style SW1 fill:#bbdefb
    style SW2 fill:#bbdefb
    style L1 fill:#c8e6c9
    style L2 fill:#c8e6c9
    style L3 fill:#c8e6c9
    style L4 fill:#c8e6c9

メリット:

帯域幅の増加（例: 1Gbps × 4 = 4Gbps）
1本が故障しても残りで通信継続
負荷分散による効率化

スタック構成

複数のスイッチを論理的に1台として扱います。

graph TB
    subgraph stack["スタック構成"]
        subgraph logical["論理的に1台のスイッチ"]
            SW1["スイッチ1<br/>（マスター）"]
            SW2["スイッチ2<br/>（メンバー）"]
            SW3["スイッチ3<br/>（メンバー）"]
        end

        CABLE["スタックケーブル<br/>（専用接続）"]
    end

    SW1 <--> CABLE
    SW2 <--> CABLE
    SW3 <--> CABLE

    style SW1 fill:#ffcdd2
    style SW2 fill:#c8e6c9
    style SW3 fill:#c8e6c9
    style CABLE fill:#fff3e0

MC-LAG（マルチシャーシLAG）

異なる筐体間でリンクアグリゲーションを実現します。

graph TB
    subgraph mclag["MC-LAG構成"]
        SERVER["サーバー"]

        subgraph pair["MC-LAGペア"]
            SW1["スイッチA"]
            SW2["スイッチB"]
            ICL["ピアリンク<br/>（同期用）"]
        end
    end

    SERVER -->|"リンク1"| SW1
    SERVER -->|"リンク2"| SW2
    SW1 <-->|"ICL"| SW2

    style SERVER fill:#bbdefb
    style SW1 fill:#c8e6c9
    style SW2 fill:#c8e6c9
    style ICL fill:#fff3e0

メリット:

スイッチ障害時も通信継続
STPを使わずにループフリー
アクティブ-アクティブ構成

L3: ネットワーク層の冗長化

VRRP / HSRP

デフォルトゲートウェイの冗長化を実現します。

graph TB
    subgraph vrrp["VRRP構成"]
        VIP["仮想IP<br/>192.168.1.1<br/>（デフォルトGW）"]

        subgraph routers["ルーター群"]
            R1["マスター<br/>192.168.1.2<br/>優先度: 200"]
            R2["バックアップ<br/>192.168.1.3<br/>優先度: 100"]
        end

        CLIENT["クライアント"]
    end

    CLIENT -->|"デフォルトGW"| VIP
    VIP --> R1
    VIP -.->|"待機"| R2
    R1 <-->|"VRRPアドバタイズ"| R2

    style VIP fill:#ffcdd2
    style R1 fill:#c8e6c9
    style R2 fill:#bbdefb
    style CLIENT fill:#fff3e0

graph TB
    subgraph normal["通常時"]
        V1["仮想IP"]
        M1["マスター<br/>（アクティブ）"]
        B1["バックアップ<br/>（待機）"]
        V1 --> M1
    end

    subgraph failover["障害時"]
        V2["仮想IP"]
        M2["マスター<br/>（障害）"]
        B2["バックアップ<br/>（昇格）"]
        V2 --> B2
    end

    normal -->|"マスター障害"| failover

    style M1 fill:#c8e6c9
    style B1 fill:#bbdefb
    style M2 fill:#ffcdd2
    style B2 fill:#c8e6c9

プロトコル	標準	特徴
VRRP	RFC 5798	標準プロトコル
HSRP	Cisco独自	Cisco機器で使用
GLBP	Cisco独自	負荷分散対応

ECMP（Equal-Cost Multi-Path）

同一コストの複数経路で負荷分散します。

graph TB
    subgraph ecmp["ECMP構成"]
        SRC["送信元<br/>ルーター"]

        subgraph paths["等コスト経路"]
            P1["経路1<br/>コスト: 10"]
            P2["経路2<br/>コスト: 10"]
            P3["経路3<br/>コスト: 10"]
        end

        DST["宛先<br/>ルーター"]
    end

    SRC --> P1 --> DST
    SRC --> P2 --> DST
    SRC --> P3 --> DST

    style SRC fill:#bbdefb
    style DST fill:#bbdefb
    style P1 fill:#c8e6c9
    style P2 fill:#c8e6c9
    style P3 fill:#c8e6c9

特徴:

複数経路にトラフィックを分散
1経路障害時は残りの経路で継続
ルーティングプロトコル（OSPF等）と連携

動的ルーティングプロトコル

障害時に自動で経路を再計算します。

graph TB
    subgraph routing["動的ルーティングによる冗長化"]
        R1["ルーターA"]
        R2["ルーターB"]
        R3["ルーターC"]
        R4["ルーターD"]
    end

    R1 <-->|"OSPF<br/>コスト:10"| R2
    R2 <-->|"OSPF<br/>コスト:10"| R4
    R1 <-->|"OSPF<br/>コスト:10"| R3
    R3 <-->|"OSPF<br/>コスト:10"| R4

    style R1 fill:#c8e6c9
    style R2 fill:#c8e6c9
    style R3 fill:#c8e6c9
    style R4 fill:#c8e6c9

プロトコル	種別	収束速度	用途
OSPF	リンクステート	高速	企業内ネットワーク
BGP	パスベクトル	中程度	ISP間接続
EIGRP	ハイブリッド	高速	Cisco環境

L4-L7: 上位層の冗長化

ロードバランサー

複数のサーバーにトラフィックを分散します。

graph TB
    subgraph lb["ロードバランサー構成"]
        CLIENT["クライアント"]

        subgraph lbpair["LB冗長構成"]
            LB1["ロードバランサー<br/>（アクティブ）"]
            LB2["ロードバランサー<br/>（スタンバイ）"]
        end

        subgraph servers["サーバープール"]
            S1["サーバー1"]
            S2["サーバー2"]
            S3["サーバー3"]
        end
    end

    CLIENT --> LB1
    LB1 <-.->|"同期"| LB2
    LB1 --> S1
    LB1 --> S2
    LB1 --> S3

    style CLIENT fill:#fff3e0
    style LB1 fill:#c8e6c9
    style LB2 fill:#bbdefb
    style S1 fill:#e1f5fe
    style S2 fill:#e1f5fe
    style S3 fill:#e1f5fe

種別	判断基準	特徴
L4 LB	IP/ポート	高速、シンプル
L7 LB	HTTPヘッダ、URL	柔軟な振り分け

DNSラウンドロビン

DNSで複数のIPアドレスを返却して分散します。

graph TB
    subgraph dns["DNSラウンドロビン"]
        CLIENT["クライアント"]
        DNS["DNSサーバー"]

        subgraph response["DNS応答（順番に返却）"]
            IP1["1回目: 10.0.0.1"]
            IP2["2回目: 10.0.0.2"]
            IP3["3回目: 10.0.0.3"]
        end

        subgraph servers["Webサーバー群"]
            W1["10.0.0.1"]
            W2["10.0.0.2"]
            W3["10.0.0.3"]
        end
    end

    CLIENT -->|"www.example.comは?"| DNS
    DNS --> response
    response --> servers

    style CLIENT fill:#fff3e0
    style DNS fill:#bbdefb
    style IP1 fill:#c8e6c9
    style IP2 fill:#c8e6c9
    style IP3 fill:#c8e6c9
    style W1 fill:#e1f5fe
    style W2 fill:#e1f5fe
    style W3 fill:#e1f5fe

注意点:

ヘルスチェック機能がない
セッション維持が困難
障害検知が遅い

冗長化構成パターン

アクティブ-スタンバイ

graph TB
    subgraph active_standby["アクティブ-スタンバイ"]
        TRAFFIC["トラフィック"]
        ACTIVE["アクティブ機<br/>（処理中）"]
        STANDBY["スタンバイ機<br/>（待機中）"]
        SYNC["状態同期"]
    end

    TRAFFIC --> ACTIVE
    ACTIVE <-->|"ハートビート"| STANDBY
    ACTIVE -->|"設定・状態"| SYNC --> STANDBY

    style ACTIVE fill:#c8e6c9
    style STANDBY fill:#bbdefb
    style SYNC fill:#fff3e0

特徴:

1台がアクティブ、1台が待機
障害時にスタンバイが昇格
リソース効率は50%

アクティブ-アクティブ

graph TB
    subgraph active_active["アクティブ-アクティブ"]
        TRAFFIC["トラフィック"]

        subgraph nodes["両方がアクティブ"]
            NODE1["ノード1<br/>（処理中）"]
            NODE2["ノード2<br/>（処理中）"]
        end

        SYNC["状態同期"]
    end

    TRAFFIC --> NODE1
    TRAFFIC --> NODE2
    NODE1 <-->|"同期"| SYNC <--> NODE2

    style NODE1 fill:#c8e6c9
    style NODE2 fill:#c8e6c9
    style SYNC fill:#fff3e0

特徴:

両方がトラフィックを処理
負荷分散効果あり
リソース効率が高い

冗長化技術の比較表

レイヤー	技術	切替時間	構成
L1	冗長電源	なし	Active-Active
L2	STP	30〜50秒	Active-Standby
L2	RSTP	数秒以内	Active-Standby
L2	LACP	即時	Active-Active
L2	MC-LAG	即時	Active-Active
L3	VRRP/HSRP	3秒程度	Active-Standby
L3	ECMP	即時	Active-Active
L4-7	LB	設定依存	どちらも可

試験対策のポイント

各技術の動作原理を理解する
- STPのポート状態遷移
- VRRPのマスター選出方法
収束時間を把握する
- STP: 30〜50秒 → RSTP: 数秒
- VRRP: アドバタイズ間隔 × 3
構成パターンの使い分け
- Active-Standby: シンプル、確実
- Active-Active: 高効率、複雑
レイヤーごとの技術選択
- 冗長化は複数レイヤーで組み合わせる
- 単一レイヤーだけでは不十分

レイヤーごとの冗長化技術の整理

冗長化の全体像

冗長化の目的

実現方法

レイヤー別 冗長化技術マップ

L1: 物理層の冗長化

L2: データリンク層の冗長化

STP（スパニングツリープロトコル）

リンクアグリゲーション（LACP）

スタック構成

MC-LAG（マルチシャーシLAG）

L3: ネットワーク層の冗長化

VRRP / HSRP

ECMP（Equal-Cost Multi-Path）

動的ルーティングプロトコル

L4-L7: 上位層の冗長化

ロードバランサー

DNSラウンドロビン

冗長化構成パターン

アクティブ-スタンバイ

アクティブ-アクティブ

冗長化技術の比較表

試験対策のポイント

レイヤー別冗長化技術マップ